CN114375251A - 使用防夹条带闭合注射模塑模具的方法 - Google Patents

使用防夹条带闭合注射模塑模具的方法 Download PDF

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Abstract

一种闭合用于制造由复合材料制成的回转部件的注射模具(100)的方法，该模具包括支承纤维预制件(20)的芯轴(110)和多个角度扇部(120)，角度扇部(120)包括用于与纤维组织(20)接触的环形基部(121)，该环形基部沿周向方向(DC)在第一侧边缘和第二侧边缘(124、125)之间延伸。方法包括在芯轴(110)上连续定位和固定角度扇部(120、160)，每个扇部压紧纤维预制件部分的环形基部(121、161)相对地存在，每个角度扇部(120)的环形基部(121)的侧边缘(124、125)与相邻扇部的环形基部(121)的侧边缘(124、125)接触，在将角度扇部定位和固定在芯轴上之前，将条带(200)放置在纤维预制件(20)的暴露表面上，每个条带(200)覆盖纤维预制件的这样的区域，即，该区域定位成面向两个相邻角度扇部(120)的环形基部(121)的两个侧边缘(124、125)之间的接合区域。每个条带的形状与两个相邻角度扇部的环形基部在接合区域的形状对应。

Description

使用防夹条带闭合注射模塑模具的方法
技术领域
本发明涉及诸如燃气轮机壳体的回转部件的制造的一般领域。
背景技术
在航空领域，尝试在减少发动机部件质量的同时将其机械性能维持在高水平。例如，在航空涡轮机中，限定发动机进气流路的轮廓的风扇壳体，以及在其内的支承风扇叶片的转子现在由复合材料制成。
由复合材料制成的风扇壳体的制造起始于以缠绕的方式将纤维增强体安装在芯轴上，芯轴的轮廓与所要生产的壳体轮廓相匹配。例如，可以通过例如专利US 8 322 971中所述的三维或多层编织来制造纤维增强体。该纤维增强体的形状设计成构成单个件，该件包括管状部分和与壳体的卡箍对应的凸缘。制造继续进行，通过聚合物基质将该纤维预制件致密化，包括使用树脂浸渍预制件并聚合后者以获得最终的部件。
本发明更具体地涉及一种制造模式，在该制造模式中，通过称为RTM(树脂传递模塑)的注射模塑工艺对纤维预制件进行浸渍。根据该工艺，将纤维预制件封装在固定几何形状的刚性模具中，该刚性模具包括在其上缠绕纤维预制件的芯轴或滚筒，以及沉积在纤维预制件上且形状与待获得的回转部件对应的反模具；在将两个模具部的壁合在一起并且必要时在其中形成真空后，将加压控温树脂注入模具中。在注射树脂后，通过加热模具使其聚合，而在注射和聚合后，将最终部件脱模，随后修整以去除多余的树脂，并且机加工倒角度以获得所期望部件，例如壳体。
由于预制件在其缠绕在芯轴上时会膨胀，即，与成品部件的理论厚度相比，其具有额外的厚度，因此模具的闭合确保了预制件的最终压紧的功能，以使其达到其最终厚度。
图1示出了由滚筒或芯轴310以及反模具组成的RTM注射模具300，纤维预制件30缠绕于滚筒或芯轴310上，反模具由多个角度扇部320形成。由角度扇部320来执行模具闭合，确保压紧预制件。公开US 2018/370082中具体描述了闭合此类模具的方法。
然而，通过此类角度扇部来闭合模具是微妙的操作。实际上，如图2A所示，首先放置两个扇部中的一个，每个扇部都局部地压紧纤维预制件。纤维预制件30因为其不再压紧而在每个角度扇部320的端部附近都有起泡部31。如图2B和2C所示，在已定位的扇部之间定位剩余的角度扇部，以继续闭合模具。在安装这些扇部期间，因为预制件由于压紧而从扇部的中间移位，起泡部31被推回到已定位的扇部的边缘。此外，扇部的形状和模具闭合的方向使得直到模具闭合的最后一刻，扇部之间都留有空间。随后，如图2C所示，起泡部31的一部分进入该空间，最终夹在相邻扇部的边缘之间。预制件的纤维因此挤夹，导致在成品部件上产生称为“挤夹纤维”的缺陷。事实上，这些挤夹纤维最终会出现在成品部件上，即，在将树脂注射入预制件中并将后者转化为基质后，以起泡部的形式出现在部件的外表面上。为了获得令人满意的表面状况，对起泡部进行砂磨，这将导致破坏部件中纱线或股线的连续性，从而显著降低其机械性能。
发明内容
本发明的目的是提出避免上述缺陷的解决方案。
这一目的实现尤其归功于一种用于闭合注射模具的方法，该模具用于制造由复合材料制成的回转部件，包括：
-芯轴，该芯轴支承通过缠绕纤维网获得的纤维预制件，该芯轴包括环形壁，环形壁的外表面的轮廓与所要制造的部件的内表面的轮廓对应，
-多个角度扇部，该多个角度扇部包括拟与纤维组织接触的环形基部，环形基部在第一纵向边缘和第二纵向边缘之间沿轴向方向延伸，并且在第一侧边缘和第二侧边缘之间沿周向方向延伸，每个扇部的环形基部的形状都与所要制造的回转部件的形状对应，
该方法包括在芯轴上连续定位和固定角度扇部，每个扇部压紧部分纤维预制件的环形基部相对地存在，每个角度扇部的环形基部的侧边缘与相邻扇部的环形基部的侧边缘接触，
其特征在于，在将角度扇部定位和固定在芯轴上之前，在纤维预制件的暴露表面上放置条带，每个条带覆盖纤维预制件的这样的区域，即，该区域定位成面向两个相邻角度扇部的环形基部的两个侧边缘的接合区域，每个条带的形状与两个相邻角度扇部的环形基部在接合区域处的形状对应。
因此，根据本发明的方法，该纤维预制件在合模期间得到保护，免受两个相邻角度扇部之间的任何挤夹。实际上，在与扇部之间的接合区域对应的区域覆盖预制件的条带，它们可防止存在于起泡部处的预制件部分被推回角度扇部的侧边缘，这允许避免预制件在两个相邻扇部的侧边缘之间的任何挤夹。因此，出现在成品部件上的“挤夹纤维”类型的缺陷得以避免。因此，能够在不影响成品部件机械性能的情况下，用各个角度扇部压紧预制件。
根据本发明的用于闭合注射模具的方法的一个特定特征，条带由复合材料制成，该复合材料包括由基质致密化的纤维增强体。每个条带的纤维增强体可包括碳纤维、玻璃纤维，或者碳纤维和玻璃纤维的混合物。所述基质可以从热固性或热塑性树脂或材料获得。
根据本发明的用于闭合注射模具的方法的另一特定特征，所述条带由金属材料制成。
根据本发明的用于闭合注射模具的方法的又一特定特征，每个条带的厚度小于或等于0.2毫米。
根据本发明的用于闭合注射模具的方法的又一特定特征，角度扇部首先以彼此之间的确定距离定位并固定在芯轴上，以在两个角度扇部之间布置空间，随后将剩余的角度扇部在芯轴上定位并固定在布置于已固定的角度扇部之间的区域中。
根据本发明的用于闭合注射模具的方法的又一特定特征，每个角度扇部包括第一凹槽和第二凹槽，该第一凹槽和第二凹槽分别存在于第一侧面和第二侧面上，这些凹槽沿轴向延伸；密封件，该密封件容纳在角度扇部的第一侧面的第一凹槽和相邻角度扇部的第二侧面的第二凹槽中。
本发明还涉及一种用于制造由复合材料制成的回转部件的方法，该方法包括：
-通过三维或多层编织，以网的形式生产纤维组织，
-将纤维组织在注射模具的芯轴上叠置缠绕若干圈，以形成纤维预制件，注射模具包括多个角度扇部，
-根据本发明闭合该注射模具，
-通过基质将纤维预制件致密化，以获得由复合材料制成的回转部件，该复合材料包括由基质致密化的纤维增强体，
-将复合材料部件脱模。
附图说明
图1是根据现有技术的注射模具的示意性立体图，
图2A是径向截面的局部剖视图，示出了闭合图1的模具的一个步骤，
图2B是径向截面的局部剖视图，示出了闭合图1的模具的另一步骤，
图2C是径向截面的局部剖视图，示出了闭合图1的模具的另一步骤，
图3是由复合材料制成的风扇壳体的示意性立体图，
图4是根据本发明的一个实施例的注射模具的示意性立体图，
图5是示出图4的模具的角度扇部的示意性立体图，
图6是示出图4的模具的角度扇部的另一示意性立体图，
图7是示出图4的模具的条带的示意性立体图，
图8是示出图4的模具的条带的另一示意性立体图，
图9A是径向截面的局部剖视图，示出了在闭合图4的模具的过程中，对角度扇部进行定位的起始，
图9B是径向截面的局部剖视图，示出了闭合的图4的模具，
图10是图9B的模具的径向和轴向截面图。
具体实施方式
本发明总体上适用于任何由有机基复合材料制成的用于燃气轮机的壳体。
下文将结合本发明对航空燃气涡轮发动机中风扇壳体的应用对其进行描述。
图3示出了可使用根据本发明的模具和方法制成的风扇壳体10的立体图。该种壳体以纵向轴线XX为中心并且包括环形壁11，环形壁在上游由上游卡箍12界定并且在下游由下游卡箍13界定(上游和下游根据该燃气轮机中气流的流动方向限定)环形壁11的内表面14旨在界定该燃气轮机和/或支承面板(声学衰减、耐磨材料等)中的进气流路。
图4是正在闭合的根据本发明的模具的示意性立体图。该种模具可用于通过这样的工艺进行浸渍，即，纤维预制件的RTM(树脂传递模塑)类型的工艺，以制造如前所述的风扇壳体10。纤维预制件可以由纤维组织以呈网的纤维的形式而三维编织制成，纤维例如碳、玻璃、芳纶或陶瓷纤维，而浸渍基质可以由聚合物制成，例如环氧化物、双马来酰亚胺或聚酰亚胺。
模具100可旋转地安装在以轴线XX为中心的驱动轴(未示出)上，并包括芯轴110。随后，将根据轴线XX限定轴向方向DA和径向方向DR，轴向方向DA平行于轴线XX而径向方向DR垂直于轴线XX。如图4所示，还将参考周向方向DC，其对应于与以轴线XX为中心的任何圆相切的方向。该方向垂直于轴向方向DA和径向方向DR两者。
芯轴110包括环形壁111以及两侧凸缘112，该环形壁111的形式为柄部，支承由纤维网缠绕形成的纤维预制件20。芯轴110通过轴113保持在其驱动轴上。
凸缘112形成轴承，旨在接收预制件20缠绕在芯轴110上的折叠部分，并且旨在形成风扇壳体10的上游卡箍12和下游卡箍13。
模具100还包括反模具，该反模具由以密封方式组装在芯轴110上的几个角度扇部120(此处有6个)组成。在此处描述的示例中，通过锁定键130以密封方式将扇部锁在一起，锁定键在扇部之间保持平面密封件(图4中未示出)。根据一种变型，扇部可以通过使用斜螺钉的螺栓直接锁定在一起。在此情况下，扇部之间的密封通过压紧容纳在扇部侧边缘上的凹槽中的密封件来实现，如下所述。
角度扇部120通过夹紧螺钉131组装在侧凸缘112上，夹紧螺钉穿过扇部120中的孔口122并且拧入到侧凸缘112上的螺纹孔1120中。螺钉131允许在凸缘112上组装扇部120，以及调整施加在纤维预制件20上的压紧压力。
在此处描述的示例中，角度扇部120由夹紧螺钉141锁在一起，夹紧螺钉141穿过锁定键130中的孔口132并且拧入到角度扇部120上的螺纹孔128中或与工具成一体的螺栓中。键130通过纵向延伸在每个扇部120的端部上的两行螺钉141而固定在两个相邻扇部120之间。一旦扇部120组装在芯轴110上，锁定键130就从外部径向地组装。以这种方式，键确保将扇部120周向夹紧在一起。
位于凸缘112上的O形圈(未示出)确保扇部120和芯轴110之间密封。
图5和6示出了角度扇部120。每个角度扇部120包括用于与纤维组织20接触的环形基部121。环形基部在第一纵向边缘122和第二纵向边缘123之间沿径向方向DA延伸，并且在第一侧边缘124和第二侧边缘125之间沿周向方向DC延伸，角度扇部120的环形基部121的第一侧边缘124与相邻角度扇部的环形基部的第二侧边缘125接触(图9B)。
环形基部121具有与所要制造的回转部件的形状对应的形状。在此处描述的示例中，环形基部121具有沿轴向方向DA与所要制造的壳体的变化轮廓对应的变化的形状。更具体地，环形基部121包括凹陷部分1212，该凹陷部分与预制件20上的额外厚度22的形状对应并且旨在在最终的壳体中形成保留区域(图10)。该凹陷部分沿周向方向DC在环形基部121的整个长度上延伸。
每个角度扇部120的环形基部121的第一侧边缘124包括下部1240。每个角度扇部120的环形基部120的第二侧边缘125包括下部1250。
每个角度扇部120还包括第一侧面1241以及第二侧面1251，第一侧面1241平行于径向方向DR并且存在于环形基部121的第一侧边缘124的延伸部分中，第二侧面1251平行于径向方向DR并且存在于环形基部121的第二侧边缘125的延伸部分中。这有助于将扇部120固定在芯轴110上。
此外，第一凹槽1242和第二凹槽1252可分别存在于第一侧面1241和第二侧面1251上，这些凹槽沿轴向方向DA延伸。密封件150容纳在角度扇部的第一侧面1241的第一凹槽1242和相邻角度扇部的第二侧面1251的第二凹槽1252中。这允许在扇部之间获得密封，并且将扇部直接锁定在一起，而无需使用夹紧键和上述的平面密封件。
根据本发明，在注射模具100被角度扇部120闭合之前，条带200定位于纤维预制件20的暴露表面上。更具体地，条带200放置在预制件20的暴露表面的每个这样的位置处，即，该位置旨在面向两个相邻角度扇部的环形基部的两个侧边缘之间的接合区域(图4)。每个条带200具有能够覆盖该区域的尺寸。在此处描述的示例中，每个条带200沿轴向方向DA的宽度l200至少与每个角度扇部120的环形基部121的宽度1121相等，沿轴向方向DA的长度L200允许条带200沿周向方向DC延伸超出两个相邻角度扇部的侧边缘124和125(图4、7和8)。当预制件的整个宽度上都不存在挤夹风险时，条带的长度可以小于纤维预制件的宽度。根据一种变型，一些条带可以沿轴向方向DA邻接地设置。
如图7和8所示，每个条带200的形状都与两个相邻角度扇部的环形基部在接合区域中的形状对应。更具体地，每个条带旨在与两个相邻角度扇部的环形基部接触的外表面202包括这样的凸起部分2020，即，凸起部分2020的形状与存在于每个角度扇部120的环形基部121上的凹陷部分1212完全匹配。对应地，每个条带200的内表面201包括这样的凹陷部分2010，即，凹陷部分2010重现了存在于每个角度扇部120的环形基部121上的凹陷部分1212的形状。部分2010和2020沿周向方向DC在每个条带的整个长度上延伸。
根据本发明的一个方面，条带200由这样的复合材料制成，即，该复合材料来自被基质致密化的纤维增强体。可以使用各种类型的复合材料和制造方法。条带可以由以下方法制成的预制件来制造：
-在碳纤维、玻璃纤维或碳纤维和玻璃纤维的混合物中覆盖成形为单向或双向层，每层都预先浸渍基质前体，例如环氧树脂。
-将环氧树脂注入干燥的这样的纤维组织中，即，该纤维组织通过例如单向或双向层的覆盖成形而获得，
-在碳纤维、玻璃纤维或碳纤维和玻璃纤维的混合物中覆盖成形为单向或双向层，每层预浸渍有树脂或热塑性材料，诸如聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚酰亚胺(PEI)。
然后，对条带预制件进行整形和热处理，以将树脂或热固性(聚合)或热塑性(加热后冷却)材料转化为基质。
条带预制件的整形可以通过在角度扇部120的环形基部121上进行模塑来有利地执行，这确保条带将在闭合模具期间完全匹配环形基座的形状。
调整条带的刚度，使其具有足够的柔性，在如下所述由首先固定的角度扇部所施加的变形过程中不会断裂。
条带也可以由金属材料，尤其是通过金属板压或增材制造(例如通过电镀镍)，以与角度扇部环形基部的形状相同的形状制成。
每种复合材料或金属材料的厚度Ep200小于或等于0.2毫米，特别地，以便在闭合模具期间不在纤维预制件中形成太大的腔室。
图9A和9B示出了在闭合模具100期间，角度扇部的定位。更具体地，在图9A中，最后一个角度扇部1206定位在已经定位的两个角度扇部1201和1205之间，以最终闭合模具100。根据本发明的闭合模具的方法的一个特征，首先放置和固定两个角度扇部中的一个，然后通过用剩余的扇部关闭两个角度扇部之间的自由空间来完成闭合。然而，也可以设想其他模具闭合构造。
在图9A中，纤维预制件20由于被这些角度扇部压紧的缘故，在角度扇部1205的侧边缘125和角度扇部1201的侧边缘124附近有起泡部21。根据本发明，条带200存在于每个起泡部21处的预制件20的暴露表面上。在该模具闭合步骤中，在由已经定位的角度扇部(图9A中的扇部1205和1201)施加的压紧力作用下，条带200在起泡部21处变形。
如图9B所示，随着最后一个角度扇部1206的定位和固定，模具闭合继续进行。在安装该扇部的期间，由于条带200的存在，起泡部21不能进入存在于角度扇部之间的空间。条带200防止存在于起泡部21处的预制件部分被推回到扇部1205和1201的侧边缘，这可避免预制件在两个相邻扇部的侧边缘之间的任何挤夹。
从图10中可以看出，一旦模具闭合，每个条带200都完全遵循模具100的每个角度扇部120的环形基部121的形状。在此处描述的示例中，每个条带200沿轴向方向DA的形状与其处于相邻角度扇部之间的这些相邻角度扇部的环形基部121的轮廓的形状相同。在此尤其地，每个条带200在其外表面上包括这样的弯曲部分2020，即，弯曲部分2020的形状与存在于每个角度扇形120的环形基部121上的凹陷部分1212的形状适应并且与存在于预制件20上的额外厚度22的形状对应并且旨在在最终的壳体中形成保留区域。
使用根据本发明的条带，可以避免在成品部件上出现“挤夹纤维”类型的缺陷。因此，能够在不影响成品部件机械性能的情况下，使用这些角度扇部120中的每一个角度扇部压紧预制件20。
图3所示壳体10的制造起始于通过经纱和纬纱之间的三维编织生产的纤维组织。此处的“三维编织”或“3D编织”是指编织模式，通过该编织模式，纬纱中的至少一些将经纱结合在若干层经纱上，反之亦然。纤维组织可以具有互锁编织。此处的“互锁编织”是一种编织方法，其中纬纱中的每层结合经纱中的若干层，并且相同纬纱柱的所有纱线在编织平面内具有相同的运动。还可以设想其他编织。所使用的纱线尤其可以是由碳、玻璃或碳化硅纤维制成的纱线。纤维组织具有这样的网的形式，即，该网在模具100的芯轴110上缠绕若干圈以形成纤维预制件20。
随后，模具200借助于上述的角度扇部120闭合，这些扇部也对预制件20执行压紧。
随后，纤维预制件致密化，这包括用构成基质的材料填充后者的孔隙。为此，将液态基质前体，例如树脂，注射到存在于模具中的整个预制件中。前体向有机基质的转化，即其聚合，是通过热处理，通常是通过加热模具进行的，在去除任何溶剂并进行聚合物的交联之后，预制件仍保持在模具中，其形状与所要制造的部件的形状对应。该有机基质可以特别地由环氧树脂，例如市售的高性能环氧树脂获得，或者由碳或陶瓷基质的液体前体获得。
纤维预制件的致密化可通过众所周知的称为RTM(树脂传递模塑)传递模塑工艺进行，该工艺包括将热固性树脂注入到包含纤维预制件的模具的内部空间中，在树脂注入位置和排出孔口之间的内部空间中通常会建立压力梯度，以监测和优化树脂对预制件的浸渍。一旦树脂注入到整个预制件中，其就会根据RTM工艺通过热处理进行聚合。
在注入并聚合之后，将部件脱模。
最后修整该部件以去除多余的树脂并且机加工倒角度，以获得如图3所示的具有回转形状的壳体10。

Claims (9)

1.一种用于闭合注射模具的方法，所述模具(100)用于制造由复合材料构成的回转部件，所述模具包括：
-芯轴(110)，所述芯轴(110)支承通过缠绕纤维网获得的纤维预制件(20)，所述芯轴包括环形壁(111)，所述环形壁(111)的外表面的轮廓与所要制造的部件的内表面(14)的轮廓对应，
-多个角度扇部(120)，所述多个角度扇部(120)包括用于与纤维组织(20)接触的环形基部(121)，所述环形基部在第一纵向边缘和第二纵向边缘(122、123)之间沿轴向方向(DA)延伸，并且在第一侧边缘和第二侧边缘(124、125)之间沿周向方向(DC)延伸，每个扇部的环形基部的形状与所要制造的回转部件的形状对应，
所述方法包括在所述芯轴(110)上连续定位和固定所述角度扇部(120)，每个扇部压紧部分纤维预制件的所述环形基部(121)相对地存在，每个角度扇部(120)的环形基部(121)的侧边缘(124、125)与相邻扇部的环形基部(121)的侧边缘(124、125)接触，
其特征在于，在将所述角度扇部定位和固定在所述芯轴上之前，在所述纤维预制件(20)的暴露表面上放置条带(200)，每个所述条带(200)覆盖所述纤维预制件的这样的区域，所述区域定位成面向两个相邻角度扇部(120)的环形基部(121)的两个侧边缘(124、125)的接合区域，每个所述条带的形状与两个相邻角度扇部的环形基部在接合区域处的形状对应。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述条带(200)由复合材料制成，所述复合材料包括由基质致密化的纤维增强体。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，每个所述条带的纤维增强体包括碳纤维、玻璃纤维，或者碳纤维和玻璃纤维的混合物。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述基质由热固性或热塑性的树脂或材料获得。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述条带由金属材料制成。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的方法，其特征在于，每个所述条带(200)的厚度小于或等于0.2毫米。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于，所述角度扇部(120)首先以彼此之间的确定距离定位并固定在所述芯轴(110)上，以在两个所述角度扇部之间布置空间，随后将剩余的角度扇部(120)在所述芯轴(120)上定位并固定在布置于已固定的所述角度扇部之间的区域中。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其特征在于，每个所述角度扇部(120)包括第一凹槽和第二凹槽(1242、1252)，所述第一凹槽和所述第二凹槽分别存在于第一侧面和第二侧面(1241、1251)上，所述第一凹槽和所述第二凹槽沿所述轴向方向(DA)延伸；密封件(150)，所述密封件(150)容纳在所述角度扇部的第一侧面的第一凹槽(1242)和相邻的角度扇部的第二侧面的第二凹槽(1252)中。
9.一种用于制造由复合材料(30)制成的回转部件的方法，所述方法包括：
-通过三维或多层编织，以网的形式生产纤维组织，
-将所述纤维组织在注射模具(100)的芯轴(110)上叠置缠绕若干圈以形成纤维预制件(20)，所述注射模具包括多个角度扇部(120)，
-根据权利要求1至8中的任一项闭合所述注射模具(100)，
-通过基质将所述纤维预制件(20)致密化以获得由复合材料(30)制成的回转部件，所述复合材料包括由基质致密化的纤维增强体，
-将所述复合材料部件脱模。
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