CN112092415B - 用于制造复合部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于制造包括主体和一体凸缘的复合部件的方法，所述方法包括：向具有主体部分和凸缘成形部分的工具施加纤维增强材料以提供预成形件，所述预成形件包括：本体区域以及纵向相邻的凸缘区域。所述预成形件在两个纵向端之间总体上纵向地延伸；并且所述预成形件的末尾层片在最靠近所述凸缘区域的纵向端与层片内端之间总体上纵向地延伸，所述层片内端位于所述凸缘区域中或进入所述本体区域中一部分。在凸缘成形操作的过程中，所述凸缘成形部分与所述主体部分之间的相对移动引起所述末尾层片与所述凸缘成形部分之间的滑动移动，由此在所述凸缘的成形过程中在所述预成形件的至少所述凸缘区域中产生张力。

Description

用于制造复合部件的方法
本申请是申请日为2017年3月28日、申请号为2017800223266、发明名称为“用于制造复合部件的方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于制造具有主体和一体凸缘的复合部件的方法。
背景技术
复合材料越来越多地用于需要特定的材料特性组合的部件。具体地，比如碳纤维增强聚合物(CFRP)等复合材料由于其刚度大和重量小而通常被用于航空航天和其他行业中的部件。
往往希望制造具有凸缘的部件，比如在用于燃气涡轮机的外壳上、或用于机翼的翼梁的侧面上的环形凸缘。在用复合材料制造此类部件的情况下，凸缘的成形可能造成工程问题。例如，可能难以在带凸缘的模具上、尤其模具的主部分与凸缘之间的可能难以触及的弯部区域中铺叠复合材料。
GB 2486231中披露了一种用于制造具有一体凸缘的复合部件的已知方法，该文献披露了一种用于具有第一部分和可移动的第二部分的复合预成形件的环形模具。在模具上铺叠了单向复合带层片之后，在高压釜中加热该模具和预成形件，并且致动该可移动的第二部分使之径向地向外移动，由此使预成形件的覆盖在工具的可移动的第二部分上的端部区域变形，以形成凸缘。
在GB 2486231中，凸缘突然背离预成形件的圆柱形区域延伸，使得它们之间的过渡区域的截面看起来相对呈方形。换言之，在圆柱形区域与凸缘之间存在大曲率的弯部。在GB 2486231中，过渡区域的形状部分地由具有高曲率边缘(围绕该边缘来成形凸缘)的反作用成形工具(或凹形成形工具)限定。
还可能希望制造一种复合部件，在该复合部件中，在该部件的主区域与凸缘之间存在相对小曲率的过渡。例如，小曲率过渡可以减少部件的应力集中、并且改善其结构特征。在使用带凸缘的模具的情况下，可以在该模具上限定小曲率的过渡区域。然而，在使用具有可移动部分的工具来形成凸缘时，不能在工具的铺叠表面上预限定小曲率过渡区域，因为铺叠表面在铺叠构型中是基本上连续的。虽然可以提供反作用成形工具部分来在预成形件的外侧上限定过渡区域的轮廓，但是本申请人发现，所成形的部件的过渡区域可能不符合所希望的形状、或可能在这个区域中遭遇成形缺陷，比如在对准方面形成异面的褶皱、以及层片未对准。
发明内容
根据第一方面，提供了一种用于制造包括主体和一体凸缘的复合部件的方法，所述方法包括：向具有主体部分和凸缘成形部分的工具施加纤维增强材料以提供预成形件，所述预成形件包括：本体区域以及与所述本体区域接续的纵向相邻的凸缘区域，所述本体区域与所述部件的所述主体相对应，并且所述凸缘区域与所述部件的所述一体凸缘相对应；其中，所述预成形件在两个纵向端之间总体上纵向地延伸；并且其中，所述预成形件的末尾层片在最靠近所述凸缘区域的纵向端与层片内端之间总体上纵向地延伸，所述层片内端位于所述凸缘区域中或进入所述本体区域中一部分；引起所述凸缘成形部分与所述主体部分之间的相对移动，使得所述预成形件的所述凸缘区域变形以形成所述部件的所述凸缘；其中，所述凸缘成形部分与所述主体部分之间的相对移动引起所述末尾层片与所述凸缘成形部分之间的滑动移动，由此在所述凸缘的成形过程中在所述预成形件的至少所述凸缘区域中产生张力。
所述末尾层片终止于所述层片内端处。所述层片内端可以位于所述凸缘区域中、或进入所述本体区域中一部分，使得所述层片内端与所述预成形件的相反纵向端间隔开。所述预成形件的纤维增强材料终止于这两个纵向端处。
所述张力可以使得所述层片内端相对于相邻层片纵向地移动。所述相邻层片可以是在所述预成形件的厚度方向上相邻。
可以施加所述纤维增强材料，使得所述末尾层片具有与所述纵向方向基本上对齐的取向。可以施加所述纤维增强材料，使得所述末尾层片具有同所述预成形件的所述本体区域与所述凸缘区域之间的边界基本上垂直的取向。所述本体区域与凸缘区域之间的边界可以是凸缘区域在成形过程中从其延伸(或偏转或转向)以形成部件凸缘的线或区域。所述边界可以基本上覆盖所述工具的凸缘成形部分与主体部分之间的边界。换言之，所述末尾层片具有的取向可以与所述凸缘区域从所述本体区域沿之延伸的方向、和/或所述部件的凸缘从所述主体沿之延伸的方向基本上对齐。
可以施加所述纤维增强材料，使得所述末尾层片具有同所述工具的所述本体部分与所述凸缘成形部分之间的边界基本上垂直的取向。
所述凸缘区域可以包括以片层布置的多个纤维增强材料层片，其基础(或下部)片层是所述多个片层中最靠近所述工具的层片，并且其中，施加所述纤维增强材料，使得所述末尾层片至少部分地形成所述基础片层。
每个片层可以为一个层片厚、但是可以包括形成片层的多个层片，比如一起形成片层的横向或纵向相邻层片。
所述凸缘区域可以包括以片层布置的多个复合材料层片，并且，可以施加所述纤维增强材料，使得所述末尾层片至少部分地形成所述凸缘区域的中间片层、或所述凸缘区域的离所述工具最远的最外片层。所述末尾层片可以具有与所述预成形件的相应纵向端毗邻的层片外端。
所述凸缘区域可以从所述本体区域延伸至所述凸缘区域的相反外端。所述末尾层片可以从所述层片内端总体上纵向地延伸超过所述凸缘区域的外端到达所述预成形件的相应纵向端。
所述预成形件的厚度可以在超过所述凸缘区域的外端(即，所述预成形件的相应纵向端)之外减小。所述预成形件的凸缘区域的厚度可以直至所述凸缘区域的外端基本上恒定。
所述预成形件超过所述凸缘区域的外端之外的厚度可以是所述预成形件的凸缘区域的最大或平均厚度的50％或小于其最大或平均厚度。可以存在少于10个延伸超过所述凸缘区域的外端的纤维增强材料层片。所述凸缘区域可以直至其外端都具有至少10个层片的厚度。在所述凸缘区域的外端处可以存在预成形件厚度的阶跃变化。仅所述或每个末尾层片可以延伸超过所述凸缘区域的外端。
所述末尾层片可以总体上纵向地延伸超过所述凸缘区域的外端至少20mm。所述末尾层片总体上纵向地延伸超过所述凸缘区域的外端至少30mm、或至少50mm、或至少100mm。所述末尾层片可以具有至少200mm、至少250mm、或至少300mm的总纵向延伸距离。
可以存在至少两个延伸超过所述凸缘区域的外端的末尾层片，包括：延伸超过所述凸缘区域的外端第一距离的第一末尾层片、以及第二末尾层片，所述第二末尾层片延伸超过所述凸缘区域的外端较大的第二距离并且在所述第一末尾层片上延伸而终止于所述预成形件的相应纵向端处，使得在凸缘成形操作过程中，每个末尾层片的至少一部分相对于所述工具的所述凸缘成形部分滑动。
在成形过程中，每个末尾层片可以相对于所述工具的凸缘成形部分滑动以在每个末尾层片中产生张力，由此在成形过程中在所述凸缘区域中产生张力。每个末尾层片可以与所述工具的凸缘成形部分、或与被布置在所述工具的凸缘成形部分上的释放衬里处于摩擦滑动接触。
所述方法可以进一步包括：移除与延伸超过相应凸缘区域的外端的所述或每个末尾层片相对应的复合材料。
所述方法可以进一步包括：移除与所述凸缘区域的外端相对应的复合材料，例如以将具有Z形截面的凸缘修剪成具有L形截面。
所述复合部件可以在所述部件的相反纵向端处具有主要凸缘和次要凸缘。所述工具可以具有相应的主要凸缘成形部分和次要凸缘成形部分，并且所述预成形件可以具有主要凸缘区域和次要凸缘区域、以及主要末尾层片和次要末尾层片。所述主要和次要末尾层片可以不重叠(即，它们可以位于所述预成形件的相反两端处)。所述主要和次要末尾层片的相应层片内端可以是纵向地间隔开的。
所述工具的所述或每个凸缘成形部分可以具有：铺叠表面，在所述工具的铺叠构型中，所述铺叠表面是与所述工具的所述主体部分的铺叠表面基本上接续的；并且可以具有侧表面，在所述工具的成形构型中，所述侧表面在所述工具的所述凸缘成形部分与所述主体部分的铺叠表面之间延伸。
所述工具的所述凸缘成形部分与所述主体部分的相对移动方向可以与所述凸缘的延伸平行。
所述复合部件可以是环形或部分环形部件，比如用于燃气涡轮发动机的外壳。所述工具的所述主体部分和所述凸缘成形部分可以被配置成进行相对径向移动，并且，所述或每个凸缘可以是径向延伸的。
所述纵向方向可以是所述复合部件的轴向方向。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于制造包括主体和一体凸缘的复合部件的方法，所述方法包括：向具有主体部分和凸缘成形部分的工具施加纤维增强材料以提供预成形件，所述预成形件包括：本体区域以及与所述本体区域接续的纵向相邻的凸缘区域，所述本体区域与所述部件的所述主体相对应，并且所述凸缘区域与所述部件的所述一体凸缘相对应；其中，所述预成形件在两个纵向端之间总体上纵向地延伸；并且其中，所述预成形件的末尾层片在最靠近所述凸缘区域的纵向端与层片相反端之间总体上纵向地延伸，所述末尾层片具有与所述纵向方向基本上对齐的取向；引起所述凸缘成形部分与所述主体部分之间的相对移动，使得所述预成形件的所述凸缘区域变形以形成所述部件的所述凸缘；其中，所述凸缘成形部分与所述主体部分的相对移动引起所述末尾层片与所述凸缘成形部分之间的滑动移动，由此在所述凸缘的成形过程中在所述预成形件的至少所述凸缘区域中产生张力。
所述末尾层片的相反层片端可以毗邻所述预成形件的相反纵向端(即，所述末尾层片可以延伸所述预成形件的整个纵向长度)。替代性地，所述相反层片端可以位于所述凸缘区域中或进入所述本体区域中一部分，如关于本发明的第一方面所描述的，例如使得所述相反层片端与所述预成形件的相反纵向端间隔开。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于具有主体和一体凸缘的复合部件的预成形件，所述预成形件包括：本体区域以及与所述本体区域接续的纵向相邻的凸缘区域，所述本体区域与所述部件的所述主体相对应，并且所述凸缘区域与所述部件的所述一体凸缘相对应；其中，所述预成形件在两个纵向端之间总体上纵向地延伸；并且其中，所述预成形件的末尾层片在最靠近所述凸缘区域的纵向端与层片内端之间总体上纵向地延伸，所述层片内端位于所述凸缘区域中或进入所述本体区域中一部分；其中，所述预成形件被设置在具有主体部分和凸缘成形部分的工具上；其中，所述预成形件被配置成使得，在所述凸缘成形部分与所述主体部分之间存在相对移动的成形操作过程中，所述预成形件的所述凸缘区域变形以形成所述凸缘；并且其中，所述预成形件被配置成使得所述凸缘成形部分与所述主体部分的相对移动引起所述预成形件的末尾层片与所述工具的所述凸缘成形部分之间的滑动移动，由此在所述凸缘的成形过程中在所述预成形件的至少所述凸缘区域中产生张力。
所述预成形件可以具有上文关于本发明的第一方面和第二方面所描述的预成形件的任何特征。
技术人员应理解的是，除非互相排斥，否则关于上述方面中的任一个所描述的特征可以在必要的变更后应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文所描述的任何特征可以应用于任何方面和/或与本文所描述的任何其他特征相组合。
附图说明
现在将参照附图仅通过举例方式来描述实例，在附图中：
图1是燃气涡轮发动机的示意性截面侧视图；
图2是燃气涡轮发动机的外壳的示意性截面侧视图；
图3是处于铺叠构型中的工具上的用于复合部件的预成形件的示意性部分截面视图；
图4是图3的预成形件和工具在成形构型中的示意性部分截面视图；
图5是工具的成形部分的示意性部分截面视图；
图6是图5的工具的示意性部分透视图；
图7是图3的预成形件的示意性部分截面视图；并且
图8是另外的预成形件和工具在成形构型中的示意性部分截面视图。
具体实施方式
参照图1，燃气涡轮发动机总体上用10指示、具有主轴线且为旋转轴线11。发动机10包括轴流式串联的：空气进气口12、推进式风扇13、中压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮机17、中压涡轮机18、低压涡轮机19、以及排放喷嘴20。短舱21总体上环绕发动机10、并且限定了进气口12和排放喷嘴20两者。在短舱21内围绕风扇13布置了环形外壳24。
燃气涡轮发动机10以常规的方式工作，使得进入进气口12的空气被风扇13加速而产生两股空气流：即，流入中压压缩机14中的第一空气流以及穿过旁通管道22以提供推进推力的第二空气流。中压压缩机14压缩被引入其中的空气流、然后将该空气递送至高压压缩机15，在该高压压缩机中进行进一步压缩。
从高压压缩机15排出的经压缩空气被引入燃烧设备16中，在该燃烧设备中，该经压缩空气与燃料混合并且所述混合物燃烧。接着所产生的热的燃烧产物膨胀穿过、并且由此驱动高压涡轮机17、中压涡轮机18、和低压涡轮机19，然后通过喷嘴20被排放以提供额外的推进推力。高压涡轮机17、中压涡轮机18、和低压涡轮机19各自通过适合的互连轴分别驱动高压压缩机15、中压压缩机14、和风扇13。
本披露可以应用的其他燃气涡轮发动机可以具有替代性的配置。举例而言，这样的发动机可以具有替代性数量的互连轴(例如，两个)、和/或替代性数量的压缩机和/或涡轮机。另外，发动机可以包括被设置在从涡轮机到压缩机和/或风扇的传动系中的齿轮箱。
如图2所示，示例性外壳24包括轴向延伸的基本上圆柱形的主体26，该主体与发动机的主轴线11共轴，径向前凸缘28和径向后凸缘30分别从主体26的前端和后端一体地延伸。
图3示意性地示出了用于成形部件(在这个实例中为图2的外壳24)的工具32以及用于该部件的预成形件200的一部分。工具32是总体上环形的、并且围绕与外壳24的主轴线11相对应的工具轴线33定向。工具32包括环形本体部分36，该环形本体部分具有圆柱形本体外铺叠表面38以用于在铺叠操作过程中接纳纤维增强材料。在这个实例中，本体部分36包括多个周向延伸的弯曲本体面板，这些面板一起限定了圆柱形铺叠表面38。在这个实例中，存在六个弯曲本体面板，各自具有60°的角度范围。本体部分36设有包括多个本体加热器元件的本体加热器39，这些本体加热器元件例如通过固定至本体部分36的内表面或本体面板上而热联接至本体部分36。相应地，本体部分36、以及其上接纳的任何纤维增强材料可以例如在固化操作过程中被加热。在这个实例中，这些本体面板由导热金属、尤其不锈钢或铝构成。
前凸缘成形组件和后凸缘成形组件在本体部分36的各轴向侧上与之轴向相邻，这两个组件各自具有多个凸缘成形部分40、42。每个凸缘成形部分40、42处于半环形块的形式，该半环形块具有凸缘外铺叠表面44、46以用于在铺叠操作过程中接纳纤维增强材料，这些凸缘外铺叠表面一起形成了圆柱形前铺叠表面和后铺叠表面。在这个实例中，每个凸缘成形部分40、42具有12°的角度范围，并且因此每个凸缘成形组件包括30个凸缘成形部分40、42。
如图3所示，凸缘成形部分40、42的凸缘外铺叠表面44、46基本上纵向地延伸(即，与工具轴线33平行)，使得铺叠表面44、46各自形成圆柱形铺叠表面的一部分。
每个凸缘成形部分40、42相对于主体部分36在铺叠构型(图3)与成形构型(图4)之间径向可移动。在铺叠构型中，凸缘成形部分40、42的铺叠表面44、46是与相邻本体部分36的铺叠表面38基本上连续且接续的，使得它们一起形成工具的基本上连续的铺叠表面(在这个实例中是圆柱形的)。凸缘成形部分40、42相对于本体部分36径向向外移动到成形构型致使铺叠表面44、46被布置在本体部分36的铺叠表面38的径向外侧，使得凸缘成形部分40、42的径向延伸的前侧表面48和后侧表面50分别在本体部分与凸缘成形部分的铺叠表面38、44、46之间延伸。
每个凸缘成形部分40、42内具有嵌入式凸缘加热器52，使得凸缘成形部分40、42、以及其上接纳的纤维增强材料可以在成形或固化操作过程中被加热。例如，加热器元件52可以被接纳在凸缘成形部分的空腔中。在这个实例中，每个凸缘成形部分40、42由导热金属、尤其不锈钢或铝构成。
本体加热器39和凸缘加热器52联接至控制器(未示出)以控制凸缘成形和固化操作，如下文将描述的。类似地，用于凸缘成形部分40、42的致动器(未示出)联接至该控制器以在凸缘成形操作中控制其相对移动。
本体部分36和凸缘成形部分40、42可以支撑在支撑结构(未示出)上，并且凸缘成形部分40、42可以相对于该支撑结构径向地可移动(如下文将描述的)以相对于本体部分36移动。
在其他实例中，工具可以包括与凸缘成形部分40、42轴向相邻的另外的部分，所述另外的部分可以被称为延续部分。例如，在每个凸缘成形部分或组件的与本体部分相反的这侧上可以存在前延续部分和后延续部分，每个部分具有径向的外铺叠表面，以用于在铺叠操作过程中接纳纤维增强材料。这样的铺叠表面可以在铺叠构型中是与凸缘成形部分的铺叠表面44、46连续且接续的，使得这些延续部分的铺叠表面形成了工具32的连续铺叠表面的一部分。这样的延续部分可以与本体部分36和凸缘成形部分40、42被支撑在相同的支撑结构上。
如图4所示，工具32在成形构型中进一步包括：前凸缘支撑部分54和后凸缘支撑部分56，这两个凸缘支撑部分可以被定位在本体部分(以及其上接纳的预成形件)的径向外侧、并且与凸缘成形部分40、42相对，以提供反作用支撑表面来成形凸缘，如下文将详细描述的。在这个实例中，存在多个前凸缘支撑部分54和后凸缘支撑部分56，这些凸缘支撑部分围绕工具32成角度地间隔开、并且被支撑在可移除地可附接至该工具的主支撑结构上的反作用支撑结构(未示出)上。这些凸缘支撑部分可以可移除地可附接至该反作用支撑结构上。
凸缘支撑部分54、56各自具有：径向内表面58，用于在使用中搁置在预成形件或部件的基本上圆柱形区域或过渡区域上；以及径向延伸的且基本上平坦的凸缘支撑表面60，该凸缘支撑表面与轴线33正交并且被配置成与凸缘成形部分40、42的侧表面48、50相对。在内表面58与凸缘支撑表面60之间存在周向延伸的过渡曲线。该过渡曲线可以具有相对小的曲率，使得在使用中，在预成形件和所成形的部件的本体区域与凸缘区域之间存在连续弯部。相应地，凸缘支撑部分54、56被配置成在成形操作过程中与凸缘成形部分一起限定径向凸缘的形状。在其他实例中，在凸缘支撑部分54、56的内表面58与凸缘支撑表面60之间可以存在相对大的曲率或基本上方形的过渡。
另外，在其他实例中，凸缘支撑部分54、56可以设有一体的或附接的加热器或加热元件以在成形操作过程中加热凸缘支撑部分54、56、并且因此加热预成形件的凸缘区域。
图5示出了致动机构62的与五个前凸缘成形部分40相对应的一部分、但是同等地代表用于后凸缘成形部分42的致动机构。对于每个凸缘成形部分40，该致动机构包括线性马达64，该线性马达安装至工具32上并且联接至该控制器以控制凸缘成形部分40在铺叠构型与成形构型之间的线性径向移动。
图6示出了工具32的与整个环的六分之一相对应的一部分、并且尤其示出了工具32的包括本体部分36、前凸缘成形部分40、以及在凸缘成形部分40的轴向前方的前延续部分65的示例性布置。仅示出了工具32的前部分，因此未示出与本体部分36相邻的后凸缘成形部分。图6示出了上文所描述的支撑这些凸缘支撑部分54的凸缘支撑结构66的示例性布置。图6还示出了如上文所描述的用于移动前凸缘成形部分40的致动机构62的一部分。
现在参照图3至图8以举例方式描述使用工具32来制造复合部件的方法。
将工具在支撑表面、比如地板上定向，使得其轴线33竖直地延伸。通过拆卸凸缘支撑结构66(如果是附接的话)来准备工具32以进行铺叠操作，并且通过控制致动机构62来使所述多个凸缘成形部分40、42返回至铺叠构型。相应地，在工具32上通过本体部分36、前凸缘成形部分40、和后凸缘成形部分42(在其他实例中，以及任何延续部分)的径向外表面限定连续铺叠表面，该表面是从径向外部位置可触及的。
进行铺叠操作，在该铺叠操作中，使用自动铺带(ATL)设备以相继层或层片的形式向该连续铺叠表面施加单向的预浸渍纤维增强材料带，由此在工具32上形成基本上圆柱形的复合预成形件200。
向工具施加纤维增强材料以提供预成形件200，该预成形件具有本体区域210以及在本体区域210的各轴向侧上的轴向相邻的前凸缘区域212和后凸缘区域214，使得本体区域210是与凸缘区域212、214中的每一个连续且接续的(图3)。围绕工具的环形施加纤维增强带以形成相继的圆柱形片层。所述片层可以具有例如0°(即，轴向对齐的)、±60°、和90°(即，侧向的)的取向。
然而，在这个具体实例中，首先施加纤维增强带来形成前末尾层片202和后末尾层片204，如图3、4所示并且在图7中更详细示出。
图7示出了预成形件200的前部分的截面，包括本体区域210的一部分、前凸缘区域212、以及末尾层片202。
在本体区域210与前凸缘区域212之间存在边界216，该边界对应于在成形操作过程中前凸缘区域212从本体区域偏转或变形的地方。因此，边界216的位置可以参考下方的本体部分36与前凸缘成形部分40之间的边界来确定，例如可以认为它位于这个边界正上方。然而，应了解的是，由于预成形件的本体区域和凸缘区域是基本上彼此连续的，并且由于在所成形的部件的主体与凸缘之间可能存在连续弯部，因此该边界可以被认为位于与预成形件的本体区域210和凸缘区域212重叠的过渡区域中。
如图7中以简化形式所示，多个层片从本体区域210延伸进入并经过前凸缘区域212、并且终止于前凸缘区域212的外端218处(即，离本体区域210最远的这端)。
另外，提供了末尾层片202，在这个实例中，该末尾层片形成了预成形件200的最下方片层的一部分。末尾层片202在层片外端222与层片内端224之间纵向地延伸。在这个实例中，末尾层片202从层片内端224纵向地延伸超过前凸缘区域212的外端218，从而末尾层片超过前凸缘区域212突出。在这个实例中，前末尾层片202的层片外端222限定了预成形件的前纵向端226。对应的后末尾层片204的层片外端限定了预成形件的对应后纵向端。应了解的是，在其他实例中，这个或每个末尾层片可以基本上与对应凸缘区域的外端对齐地终止。
层片内端224进入本体区域210中一部分而终止，使得层片内端224与预成形件的相反端226分开。具体地，在这个实例中，成品部件的前凸缘的希望长度为150mm，前凸缘区域212的纵向长度为200mm(以适应Z形成形，如下文将描述的)，末尾层片的纵向长度为300mm，并且末尾层片202超过前凸缘区域212的外端218纵向地延伸了50mm并且纵向地延伸进入本体区域210(即，超过边界216)50mm。本体区域具有1500mm的轴向延伸。
在其他实例中，层片内端224可以终止于凸缘区域212中，例如它可以基本上终止于边界216处、或终止于凸缘区域212中的中间纵向点处。
在这个实例中，控制铺叠操作，使得首先施加纤维增强带来形成前末尾层片202和后末尾层片204。随后，施加多个层片，以形成本体区域210、以及前凸缘区域212和后凸缘区域214。如图7所示，在末尾层片202的内端224上施加所述多个层片，并且由此可以在预成形件中形成最小的阶梯。相应地，末尾层片202仅形成预成形件整体中的基础片层的一部分。
虽然图7中仅示出了七个层片(不包括末尾层片202)的厚度，但是应了解的是，附图仅是展示性的，并且预成形件可以包括更多(或更少)数量的层片。
在这个具体实例中，前末尾层片202和后末尾层片204各自由单一的纤维增强材料层片形成，该层片对应于大致0.25mm的厚度，并且在本体区域210以及前凸缘区域212和后凸缘区域214中具有二十(20)个上部层片的厚度(对应于大致5mm的厚度)。应了解的是，这是简化的实例，并且层片的厚度和数量可以沿着预成形件的纵向长度而改变，并且在纵向长度上可以存在厚度的阶跃变化或厚度的逐渐减小。例如，可以存在10个与40个之间的层片或更多。
在这个具体实例中，以0°取向来施加前末尾层片202和后末尾层片204，使得层片取向与预成形件200、并且因此待成形的部件的轴向或纵向方向对齐。在这个实例中，以多个不同的取向来施加上部层片(即，被施加来形成本体区域210和凸缘区域212、214的那些层片，如本领域已知用于在最终部件中实现希望的结构特性。具体地，在这个实例中，存在分别相对于工具轴线33具有+60°、-60°、以及90°取向的上部层片。上部层片还可以具有0°取向。在其他实例中，可以使用其他铺叠技术，例如AFP(自动纤维放置)或手动铺叠。
如图3所示，施加纤维增强材料，使得前凸缘区域212和后凸缘区域214在相应的凸缘成形部分40、42的铺叠表面44、46上部分地延伸，并且施加前末尾层片202和后末尾层片204使得它们也被接纳在铺叠表面44、46上。在其他实例中，凸缘区域212、214和/或末尾层片202、204可以部分地延伸到凸缘成形部分40、42的与本体部分36相反的这侧上的相应延续部分，如上文所描述的。
如图3所示，在完成铺叠操作之后，在工具32上的预成形件200上施加柔性膜228(即，真空袋)、例如硅橡胶片，并且将其在前纵向端和后纵向端处(即，在预成形件的纵向端外部)密封，使得预成形件200处于工具32与柔性膜228之间的密封环境中。例如，柔性膜228可以使用粘性胶带来密封。
使真空管(未示出)延伸穿过柔性膜228到达在工具32与膜228之间封闭的空间，并且对所述真空管应用真空源(比如，真空泵)以在预成形件200所占据的空间中创建部分真空。在这个实例中，形成部分真空，使得来自环境大气的不平衡压力通过真空袋被施加到预成形件200上。
通过控制器来开始成形操作，以致使加热设备(即，本体加热器39和凸缘加热器52)将预成形件200加热至阈值成形温度(在这个实例中为80℃)。在这个实例中，该控制器控制这些加热器，使得凸缘区域212、214达到阈值成形温度而本体区域210的大部分不达到，例如是通过仅启用凸缘加热器52或通过控制本体加热器39将本体区域210加热至小于凸缘区域212、214的温度。
当预成形件的凸缘区域已经达到阈值成形温度时，控制器致使致动机构62驱动凸缘成形部分40、42从铺叠构型(图3)径向地向外变成成形构型(图4)。随着凸缘成形部分40、42径向地向外移动，致使预成形件200的与凸缘成形部分40、42相邻的最下方片层在该凸缘成形部分上滑动。在这个实例中，前末尾层片202和后末尾层片204形成凸缘成形部分40、42上的最下方片层，并且因此致使这些层片相对于凸缘成形部分40、42滑动。在其他实例中，末尾层片可以仅充当预成形件中的与凸缘成形部分40、42相邻的最下方片层的一部分。
凸缘成形部分40、42的移动致使凸缘区域212、214围绕凸缘成形部分40、42的侧表面48、50并且在其与反作用凸缘支撑部分54的凸缘支撑表面60之间塑性地变形，以形成部件的前径向凸缘和后径向凸缘。相反，预成形件的本体区域210基本上保持在抵靠工具32的本体部分36的位置。将预成形件200的在每个相应的凸缘区域212、214与本体区域210之间或与之重叠的过渡区域拉离本体区域的铺叠表面38的与相应凸缘成形部分40、42相邻的这部分，以在预成形件中形成过渡弯部，如下文所描述的。
通过作用在最下方片层与凸缘成形部分40、42的外表面(或被布置在其上的释放衬里，如下文所描述的)之间的摩擦力或剪切黏性力来抵抗预成形件200的最下方片层相对于相邻的凸缘成形部分40、42的滑动移动。该剪切黏性力与最下方片层的相对于相应凸缘成形部分40、42滑动的面积成比例。该剪切黏性力还可以取决于通过柔性膜被施加到预成形件上的压力(并随之增大)。
该摩擦力或剪切黏性力沿凸缘成形部分40、42的相对滑动移动方向被施加到最下方片层上(即，用于抵抗滑动移动)。相应地，该剪切黏性力在最下方片层中产生张力。
预成形件中的层片彼此处于摩擦接触，并且因此最下方片层中的张力跨预成形件的整个厚度作出反应，使得在预成形中存在张力合力。如图4所示，这个张力倾向于将层片的凸缘区域212、214与凸缘成形部分40、42一起拖动或拉动，使得凸缘区域212、214遵循从预成形件的本体区域210到预成形件的末端226的最短路径。这使得凸缘区域212、214被压靠在反作用凸缘支撑表面60上，并且预成形件背离本体部分36的铺叠表面38与凸缘成形部分40、42的相应侧表面48、50之间的连接处被提升。
通过比较，在预成形件中没有显著张力时，预成形件可以膨胀进入在每个反作用支撑表面60与工具32的本体部分36和凸缘成形部分40、42之间的连接处之间形成的空隙230(图4)中。这在重力效应很重要的情况下、或者在通过柔性膜228施加了大压力的情况下，对于由本体与凸缘之间的小曲率过渡区域(例如，如可以由反作用凸缘支撑表面60限定)所造成的较大空隙可能是特别成问题的，但还可能影响大曲率或方形的过渡。
因此，预成形件中的张力可以帮助避免凸缘区域212、214中的成形缺陷、比如起皱(可能另外在成形凸缘时发生)。
另外，应了解的是，围绕本体区域与凸缘区域之间的过渡区域的路径长度对于最下方片层而言最长、并且对于预成形件的上层而言减小。然而，对于预成形件的、围绕相应凸缘成形部分40、42的在侧表面48、50与铺叠表面44、46之间的边缘延伸的区域，是反过来的，并且因此，每个层片的路径长度相等，并且由于不同路径长度造成的任何张力损失被最小化。然而，在预成形件中赋予的张力例如通过促进层片的相对滑动以减小这些区域中的聚群而有助于减少这些区域中的成形缺陷。
由于末尾层片202、204在预成形件的与凸缘成形部分40、42相邻的区域(即，凸缘成形区域212、214)中形成最下方片层，因此，在滑动过程中，末尾层片202、204与凸缘成形部分40、42之间的摩擦阻力决定了在预成形件中产生的张力。例如，可以通过将末尾层片202、204延伸以在末尾层片202、204与凸缘成形部分40、42之间实现增大的摩擦接触面积而增大张力。如图3所示，在这个实例中，末尾层片202、204延伸超过相应的凸缘区域212、214的外端218。具体地，末尾层片202、204延伸超过凸缘区域212、214的外端218大致50mm，而凸缘区域212、214的纵向延伸为大致200mm。相应地，末尾层片202、204具有超过了相应凸缘区域为该凸缘区域的大致25％的纵向延伸。在其他实例中，末尾层片可以具有更大或更小的延伸(均是绝对值并且与凸缘区域成比例)、并且可以与凸缘区域的外端218毗邻。凸缘区域212、214最终被修剪成大致150mm(如下文所描述的)。
在这个实例中，末尾层片202、204终止于凸缘区域212、214内的相应层片内端224处、或者进入预成形件的本体区域210中一部分、具体地进入本体区域210中大致50mm。每个末尾层片202、204上的张力可以致使末尾层片202、204相对于预成形件的一个或多个相邻层片滑动，使得层片内端224在预成形件内相对于该相邻层片滑动。相应地，末尾层片202、204可以在成形过程中在预成形件内经历平移移动(如与层片由于弯曲区域、或借助于在张力下的层片延长而相对于彼此滑动的情况相反)。例如，末尾层片可以经历大致3mm的平移移动。
在这个实例中，末尾层片202、204相对于工具32的纵向轴线33具有0°取向(即，是轴向对齐的)。如上文所描述的，预成形件的凸缘区域212、214在凸缘成形操作过程中的变形受末尾层片(形成了凸缘区域212、214中的最下方片层)的滑动移动以及在层片堆叠体内反应的所得张力所影响。如应了解的是，被施加在最下方片层上的张力作用于延伸经过工具轴线33的平面中(例如，轴向地作用在抵靠凸缘成形部分40、42的铺叠表面44、46的区域上、并且径向地作用在抵靠凸缘成形部分40、42的侧表面48、50的区域上)。本申请人发现，层片可以通过朝向未与层片的取向对齐的张力的方向变形、延伸、或平移来对该张力作出响应，这被称为层片的转向效应。这样的转向效应可能导致不希望的成形效应，例如层片起皱。由于末尾层片相对于工具32的轴线33具有0°取向，因此避免了末尾层片的转向效应。在其他实例中，可能有单一末尾层片在预成形件200的纵向两端之间延伸。
一旦完成凸缘成形操作(图4)，控制器就开始固化操作并致使加热设备将预成形件200(包括所成形的凸缘)加热到至少阈值固化温度(在这个实例中为135℃)。该控制器还控制真空源，使得通过柔性膜228向预成形件施加不平衡压力。
在6个小时的固化时间段之后，该控制器关掉加热设备，并且允许被固化的外壳24在工具32上冷却。将凸缘支撑结构66分离，并且从被固化的部件移除柔性膜228以及相关联的设备。使凸缘成形部分40、42缩回到铺叠构型，并且从工具32移除被固化的外壳24。
接着将外壳24修剪以移除末尾层片202、204、以及可选地所成形的凸缘区域212、214的任何不希望部分。在这个实例中，将所成形的凸缘区域212、214的轴向延伸的这部分与来自径向部分的相关联弯部一起移除，而留下两个径向延伸的凸缘。
图8示出了在工具32处于成形构型中时该工具上的预成形件200’的另外的实例。这个实例的预成形件200’与上文所描述的预成形件200的不同之处在于，在预成形件200的每个纵向端处存在两个末尾层片。
具体地，在每端处，第一末尾层片202、204延伸超过相应的凸缘区域212、214的外端218例如50mm。第一末尾层片202、204至少部分地形成凸缘区域212、214的最下方片层，如上文所描述的。
此外，第二末尾层片232、234在预成形件的相应纵向端226之间、在第一末尾层片上延伸、并且终止于相应凸缘区域212、214内的层片内端处或者进入本体区域210中一部分。在其他实例中，第二末尾层片232、234可以朝向预成形件的相反纵向端延伸并且可以终止于此。
在这个实例中，每个第二末尾层片232、234在相应凸缘区域中形成中间片层(即，在堆叠体的径向内层片与径向外层片之间的层)，但是在其他实例中，第二末尾层片可以在相应凸缘区域中形成径向外层片。
由于每个第二末尾层片延伸超过相应的第一末尾层片202、204的层片外端，因此第二末尾层片232、234在凸缘成形操作过程中被致使相对于相应的凸缘成形部分40、42滑动，如上文所描述的。相应地，这在第二末尾层片232中产生张力，该张力在预成形件内的相邻层片中作出反应，由此帮助在凸缘成形操作过程中成形凸缘，如上文所描述的。
在又其他实例中，可以存在多于两个彼此重叠并且被布置成在凸缘成形操作过程中与凸缘成形部分(或工具的延续部分)处于滑动摩擦接触的末尾层片。
虽然本发明的实例是关于用于燃气涡轮机的外壳的制造进行描述的，但是应了解的是，本披露同样可应用于具有在部件的一端处从主体部分转向的凸缘或其他部分的任何结构，并且该凸缘或其他部分是在成形操作过程中通过预成形件相对于工具的一部分的滑动而形成。具体地，本发明可应用于环形结构和非环形结构二者。上述披露内容中对轴向标记的任何提及都可以被解释为指代非环形部件背景下的纵向方向。此外，提及的径向方向可以被解释为在非环形部件背景下垂直于纵向方向的方向。
非环形结构的一个实例是用于机翼的翼梁。用于机翼的翼梁总体上包括中央主体和两个侧凸缘。
应了解的是，提及的预成形件的区域的厚度可以涉及该预成形件的区域上的平均厚度。
应了解的是，主体部分和凸缘成形部分中的任一者可以在成形操作过程中相对于支撑结构移动。例如，主体部分和反作用凸缘支撑结构可以被致动来相对于固定了凸缘成形部分的支撑结构移动，并且因此可以在凸缘成形部分上拖动预成形件。
虽然是参照自动铺带(ATL)来描述本发明的实例，但是应了解的是，可以使用其他铺叠操作，例如自动纤维放置(AFP)、自动纤维缠绕和手动铺叠。
虽然描述的是本发明的向工具的铺叠表面施加纤维增强材料并与之相接触的实例，但是应了解到是，可以将释放衬里或其他衬里施加到铺叠表面上，并且可以将纤维增强材料施加到释放衬里上。然而，在成形过程中，在纤维增强材料与工具的铺叠表面之间可以存在相对滑动，例如，纤维增强材料可以相对于可以固定至工具上的释放衬里滑动。
应理解的是，本发明不限于上文所描述的实例，并且可以在不背离本文所描述的概念的情况下作出各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征都可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本披露扩展到并包括本文所描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (15)

1.一种用于制造包括主体和一体凸缘的复合部件的方法，所述方法包括：
向具有主体部分(36)和凸缘成形部分(40，42)的工具(32)施加纤维增强材料以提供预成形件(200)，所述预成形件包括：
本体区域(210)以及与所述本体区域(210)接续的纵向相邻的凸缘区域(212，214)，所述本体区域(210)与所述部件的所述主体相对应，并且所述凸缘区域与所述部件的所述一体凸缘相对应；
其中，所述预成形件(200)在两个纵向端(226)之间总体上纵向地延伸；并且
其中，所述预成形件的末尾层片(202，204)在最靠近所述凸缘区域(212，214)的纵向端(226)与层片相反端之间总体上纵向地延伸，所述末尾层片(202，204)具有与纵向方向基本上对齐的取向；
引起所述凸缘成形部分(40，42)与所述主体部分(36)之间的相对移动，使得所述预成形件的所述凸缘区域(212，214)变形以形成所述部件的所述凸缘；
其中，所述凸缘成形部分(40，42)与所述主体部分(36)的相对移动引起所述末尾层片(202，204)与所述凸缘成形部分(40，42)之间的滑动移动，由此在所述凸缘的成形过程中在所述预成形件的至少所述凸缘区域(212，214)中产生张力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述末尾层片(202，204)的相反层片端毗邻所述预成形件的相反纵向端(226)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，施加所述纤维增强材料，使得所述末尾层片(202，204)具有同所述预成形件的所述本体区域(210)与所述凸缘区域(212，214)之间的边界基本上垂直的取向；和/或
其中，施加所述纤维增强材料，使得所述末尾层片(202，204)具有同所述工具(32)的所述主体部分(36)与所述凸缘成形部分(40,42 )之间的边界基本上垂直的取向。
4.根据以上任一项权利要求所述的方法，其中，所述凸缘区域(212，214)包括以片层布置的多个纤维增强材料层片，其基础片层是所述多个片层中最靠近所述工具(32)的片层，并且其中，施加所述纤维增强材料，使得所述末尾层片(202，204)至少部分地形成所述基础片层。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述凸缘区域(212，214)包括以片层布置的多个纤维增强材料层片，并且其中，施加所述纤维增强材料，使得所述末尾层片(202，204)至少部分地形成所述凸缘区域(212，214)的中间片层、或所述凸缘区域(212，214)的离所述工具最远的最外片层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述凸缘区域(212，214)从所述本体区域(210)延伸至所述凸缘区域的相反外端(218)，所述层片相反端为层片内端(224)，并且其中，所述末尾层片(202，204)从所述层片内端(224)总体上纵向地延伸超过所述凸缘区域的外端(218)直至所述预成形件的相应纵向端(226)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述预成形件的厚度在超过所述凸缘区域的外端(218)之外减小。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述末尾层片(202，204)总体上纵向地延伸超过所述凸缘区域的外端(218)至少20mm。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，存在至少两个延伸超过所述凸缘区域的外端(218)的末尾层片(202，204，232，234)，包括：延伸超过所述凸缘区域的外端第一距离的第一末尾层片(202，204)、以及第二末尾层片(232，234)，所述第二末尾层片延伸超过所述凸缘区域的外端(218)较大的第二距离并且在所述第一末尾层片(202，204)上延伸而终止于所述预成形件的相应纵向端(226)处，使得在凸缘成形操作过程中，每个末尾层片(202，204，232，234)的至少一部分相对于所述工具的所述凸缘成形部分滑动。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括：移除与延伸超过相应凸缘区域的外端(218)的每个末尾层片(202，204)相对应的复合材料。
11.根据权利要求1-3、6-9任一项所述的方法，其中，所述复合部件在所述部件的相反纵向端处具有主要凸缘和次要凸缘，所述工具具有相应的主要凸缘成形部分和次要凸缘成形部分(40，42)，所述预成形件具有主要凸缘区域和次要凸缘区域(212，214)以及主要末尾层片和次要末尾层片(202，204，232，234)。
12.根据权利要求1-3、6-9任一项所述的方法，其中，所述工具的每个凸缘成形部分(40，42)具有：铺叠表面(44，46)，在所述工具的铺叠构型中，所述铺叠表面是与所述工具的所述主体部分(36)的铺叠表面(38)基本上接续的；以及侧表面(48，50)，在所述工具的成形构型中，所述侧表面在所述工具的所述凸缘成形部分与所述主体部分的铺叠表面(44，46，38)之间延伸。
13.根据权利要求1-3、6-9任一项所述的方法，其中，所述工具的所述凸缘成形部分(40，42)与所述主体部分(36)的相对移动方向与所述凸缘的延伸平行。
14.根据权利要求1-3、6-9任一项所述的方法，其中，所述复合部件是环形或部分环形部件，比如用于燃气涡轮发动机(10)的外壳(24)，其中，所述工具的所述主体部分(36)和所述凸缘成形部分(40，42)被配置成进行相对径向移动，并且其中，每个凸缘是径向的。
15.一种用于具有主体和一体凸缘的复合部件的预成形件(200)，所述预成形件包括：
本体区域(210)以及与所述本体区域接续的纵向相邻的凸缘区域(212，214)，所述本体区域(210)与所述部件的所述主体相对应，并且所述凸缘区域与所述部件的所述一体凸缘相对应；
其中，所述预成形件(200)在两个纵向端(226)之间总体上纵向地延伸；并且
其中，所述预成形件的末尾层片(202，204)在最靠近所述凸缘区域(212，214)的纵向端(226)与层片相反端之间总体上纵向地延伸，所述末尾层片(202，204)具有与纵向方向基本上对齐的取向；
其中，所述预成形件(200)被设置在具有主体部分(36)和凸缘成形部分(40，42)的工具(32)上；
其中，所述预成形件(200)被配置成使得，在所述凸缘成形部分(40，42)与所述主体部分(36)之间存在相对移动的成形操作过程中，所述预成形件的所述凸缘区域(212，214)变形以形成所述凸缘；并且
其中，所述预成形件(200)被配置成使得，所述凸缘成形部分(40，42)与所述主体部分(36)的相对移动引起所述预成形件的所述末尾层片(202，204)与所述工具的所述凸缘成形部分(40，42)之间的滑动移动，由此在所述凸缘的成形过程中在所述预成形件的至少所述凸缘区域中产生张力。
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