KR100469876B1

KR100469876B1 - 이중목적을갖는레이업공구

Info

Publication number: KR100469876B1
Application number: KR1019970012788A
Authority: KR
Inventors: 드와이트 엘. 엥그월
Original assignee: 더 보잉 캄파니
Priority date: 1996-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 2005-03-16
Also published as: EP0807504B1; CA2201981C; DE69715959T2; EP0807504A1; KR970069310A; DE69715959D1; CN1098152C; CA2201981A1; CN1168317A; US5746553A

Abstract

레이업되고 결합되어 경화된 합성재료 부품을 제조하는 방법은 포움 자체 표층식 희생 재료로 공구의 대면 표면상의 홈을 충전하는 단계와, 코울 시트로 공구의 대면 표면을 덮는 단계를 포함한다. 상기 공구는 가열되어 포움 재료를 경화시키고 홈을 충전하여 공구의 대면 표면과 같은 높이로 경질의 매끄러운 표면 표층을 포움 상에 형성하게 된다. 일련의 플라이는 공구측 표층을 형성하도록 공구의 대면 표면상에 레이업되고, 부품의 다른 부재는 공구측 플라이의 상부에 레이업된다. 접착제/수지 매트릭스는 표층 및 다른 부재와의 강성 일체식 조립체를 생성하도록 결합/경화를 위하여 표층 플라이 상에 코팅되거나 그 안에 예비충전 된다. 진공 백은 레이업 표층 및 부재 위에 인가되고, 레이업된 표층 및 부재 주위에서 공구의 대면 표면의 둘레의 구역에 밀봉된다. 공기는 진공 백 아래로 배출되어 진공 백을 부재에 대하여 가압하도록 진공 백 외부에 공기압을 일으키게 된다. 접착제/수지 매트릭스는 표층 및 부재를 강성 일체형 조립체로 변환시키도록 결합/경화된다. 진공 백은 공구의 대면 표면으로부터 제거되고 강성 일체형 조립체의 덮개를 해제한다. 공구는 공작기계에 의해 강성 일체형 조립체의 가장자리 루팅을 위해 공지의 위치에서 공구의 대면 표면을 위치시키도록 CNC 공작기계 베드 상의 공지의 위치에 고정된다. 공작기계의 커터는 공구의 대면 표면 주위의 소정 경로 상에 안내되고, 상기 커터는 공구의 대면 표면의 홈 안으로 연장되어 강성 일체형 조립체 주위 둘레의 가장자리를 절단한다. 가장자리 루팅 후에 강성 일체형 조립체는 마무리 부분으로 되고 공구의 대면 표면으로부터 제거된다.

Description

이중 목적을 갖는 레이업 공구 {DUAL PURPOSE LAY-UP TOOL}

본 발명은 복합재료 부품이 만들어지는 레이업 공구에 관한 것으로, 특히 벌집형 코어 샌드위치 부품이 레이업될 수 있는 레이업 공구에 관한 것이며, 부품이 완성될 때까지 부품을 공구로부터 제거하지 않고 상기 코어를 제1표면 시트에 결합하여 절삭하고 제2표면 시트를 인가하여 결합하고, 부품을 트리밍하는 모든 작업이 수행된다.

복합재료 부품은 이들의 공업용 품질 및 낮은 중량 때문에 산업 전반에 걸쳐 보편적으로 사용되고 있다. 특히, 두개의 복합재료 대면 시트 사이에 결합된 벌집형 코어를 갖는 벌집형 복합재료 부품은 항공기 산업에서 그것을 특히 가치 있고 널리 사용될 수 있게 해주는 우수한 중량 대비 강도 및 강성을 제공한다. 그러나, 이러한 형태의 부품의 인지된 장점 및 이들의 폭넓은 용도에도 불구하고 이들은 비교적 비싼데, 그 이유는 이들 부품을 제조하는 제조 공정이 편리하지 못하고 사용이 어려워서 합성재료 부품의 불량 및 재작업률이 높기 때문이다.

복합재료 부품을 제조하는 방법은 대개는 수지 충전 파이버글래스 또는 그래파이트 피륙으로 된 수개의 플라이인 공구측 표층을 "결합 조립체 지그" 또는 BAJ(bond assembly jig)로서 공지되어 있는 공구의 표면에 레이업시키는 단계를 포함한다. 이 부품이 벌집형 코어를 갖는 경우에, 벌집형 재료는 절단되어 공구측 표층 위에 끼워지고, 조립체는 공기가 진공원에 의해 배출되게 되는 진공 백(bag)으로 덮인다. 백으로 덮인 조립체는 오토 클레이브 안에 삽입되고 공구측 표층 플라이 내의 수지를 경화시키고 벌집형 부분을 표층에 결합하도록 가열되는 동안에 진공원에 재차 연결된다. 백으로 덮인 조립체는 오토클레이브로부터 제거되고 덮인 백이 해제된다.

상기 부품은 벌집형 코어를 소정 형상으로 형성하도록 가공 작업을 받게 된다. 이 가공은 갠트리 장착 로보트 등의 CNC 공작기계에 의해 수행되지만, BAJ는 BAJ를 공작기계 베드에 인덱싱시키는 수단을 갖지 않고 BAJ의 공구면 상에 레이업 조립체를 고정하는 설비가 없기 때문에 BAJ 상에서 부품에 상기 작업을 수행할 수 없다. 특히, 가장자리 루팅, 드릴가공 또는 다른 절단 작업 시에 커터가 돌출할 수 있는 공구면에 오목부가 없다. 그 대신에, 상기 부품은 BAJ로부터 분리되어 "결합 밀 고정구" 또는 BMF(bond mill fixture)로서 공지되어 있는 또 다른 공구에 이송된다. BMF는 BAJ와 동일한 프로필(profile)을 갖도록 설계되고, 벌집형 코어 재료가 소정 형상으로 절삭 가공되는 동안에 부품을 BMF 상의 제위치에 고정하도록 된 진공 포트 및 고정 기구를 갖추고 있다.

부품은 BMF로부터 제거되고, 벌집형 부분은 셀로부터 먼지를 제거하도록 청소된다. 청소된 부품은 BAJ 상에 재위치되어 클램프 및 고정 장치에 재부착된다. 백측 표층을 구성하는 플라이는 벌집형 코어 위에 놓이고 또 다른 진공 백으로 다시 덮인다. BAJ는 오토클레이브 안으로 재삽입되고 백측 표층은 벌집형 코어에 결합된다. 경화 후에, 경화된 부품은 BAJ로부터 재차 제거되어 최종 트리밍을 위해 BMF 상에 재위치된다.

이 공정은 시간 소모가 많고 비용도 비싸다. 이는 특히 큰 부품에 대해서는 비용이 매우 비싼 두개의 별도의 공구를 사용할 것을 필요로 하고, 두개의 공구로부터 제거하고 이들 공구 상에 위치시킬 때 부품에 많은 수작업을 필요로 한다. 큰 복합재료 부품의 경우에는 부품이 가요성을 갖고 부품이 재위치되게 되는 공구 상에 정확하게 올려 놓기 어렵기 때문에 특히 곤란하다. 부분적으로 제조된 부품이 단 하나의 표층을 가지면, 이 부품은 불균형을 이루게 되고 경화 중에 표층에 도입된 응력에 의해 형상이 변형되어, 트리밍을 위하여 BMF 상에 부품을 재위치시키는 작업 및 백측 표층 플라이의 인가를 위하여 BAJ 상에 부품을 재위치시키는 작업을 어렵게 한다. 공구 상에 부품이 부정확하게 정합 되면 부품이 속하게 되는 공구 상에 위치하는 것으로 가정되기 때문에 위치를 벗어난 부품에 후속 작업이 필요하다. 이 부품은 결과적으로 각 작업시에 조금씩 달리 가공되고, 최종 부품은 결코 정확히 동일하지 않으며, 그 차이는 전혀 예견할 수 없다. 따라서, 통계적인 공정 제어 등의 상용의 품질 제어 공정은 이러한 공정에 의해 제조된 부품의 형상 품질을 제어하는 데 부적합하다. 이는 통계적으로 결정된 공차 내에서 부품을 제조하는 치수 제어 및 확실성이, 제품을 제조 능력에 대하여 사업의 상업적 성공에 중요한 비율로 결정적인 환경에서 점차 심각해지는 문제이다.

따라서, 단일 공구가 부품의 구성 부분을 조립 및 결합하는 데 사용될 수 있고, 별도의 공구들 사이에서 부품을 이송할 필요 없이 최종 형상으로의 트리밍을 위하여 부품을 고정하는 데 동일 공구를 사용할 수 있는 벌집형 코어 부품 등의 복합재료 및 샌드위치 부품을 레이업시키기 위한 공정 및 장치에 대한 필요성이 증대되어 왔다.

따라서, 본 발명의 목적은 대면 표층 또는 라미네이트, 벌집형 코어 및 수지 예비 충전 직물 등의 구성 요소로부터 결합 또는 경화된 부품을 제조하는 방법으로서, 치수 요건을 매우 개선된 정도로 만족시킬 수 있는 개선된 방법을 마련하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 모든 부품이 가공 단계 후까지 공구로부터 제거되지 않고 처음에 조립되는 공구 상의 원래 위치에 있는 상태에서 결합 또는 경화된 부품들의 구성 요소가 조립되어 결합 및/또는 경화된 후에 높은 정밀도로 절삭, 트리밍 및/또는 드릴 가공될 수 있는 단일 공구를 마련하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 단일 공구 상에서 결합 또는 경화되고 동일 공구 상의 결합 또는 경화 된 원래 위치에서 부품들이 최종 가공 단계 후까지 상기 위치로부터 제거되지 않으면서 가공되는 구성 요소로부터 조립된 개선된 부품을 마련하는 것이다.

상기 본 발명의 목적 및 다른 목적은 공구 상에 제조될 부품의 일 표면의 소정 형상에 일치하는 형상을 취하는 대면 표면을 갖춘 공구 본체를 갖는 단일 공구에서 얻어진다. 대면 표면에서 공구 본체 개구에 있는 홈은 공구 본체의 대면 표면과 같은 높이인 상부면을 형성하는 희생 재료로 충전된다. 희생 재료는 공구 본체의 대면 표면과 같은 높이인 경질의 매끄러운 표층을 형성하는 포움 합성재이다. 부품들은 공구 본체 상에 공구측 표층 또는 라미네이트를 위치시키고 공구측 표층을 둘레의 홈의 희생 재료의 유출 표면에 결합시킴으로써 제조된다. 벌집형 코어는 표층 상에 위치할 수 있으며, 조립체는 공구측 표층이 공구의 표면에 순응하면서 결합 및/또는 경화된다. 경화 후에, 공구는 오토클레이브로부터 제거되어 CNC 공작기계의 베드 상에 재 위치되며, 여기서 벌집형 코어가 적절한 커터의 사용으로 소정 형상으로 가공되고 먼지를 제거하기 위하여 코어에 진공이 부과된다. 백측 표층용 플라이는 코어의 가공 표면에 인가되고 조립체가 경화된다. 경화 후에, 공구는 CNC 공작기계 베드 상에 정확하게 재 위치되고 둘레의 가장자리는 CNC 공작기계 상에서 커터를 사용하여 부품 주위에서 절단된다. 공작기계의 제어기는 커터를 둘레의 홈 주위로 안내하도록 프로그램되어 있다. 커터는 둘레의 홈 안으로 돌출하여 둘레의 가장자리를 절단하도록 부품의 전체 두께에 맞물린다. 가장자리 루팅 후에, 마무리된 부품은 공구로부터 제거된다. 부품은 전체 제조 공정 중에 상기 공구 상에 머물게 되며, 이로써 부품이 상이한 제조 단계에서 공구들 사이에서 이동할 때 조정해야 하는 문제점을 없애준다.

본 발명 및 그 목적과 장점은 첨부도면을 참조한 양호한 실시예에 대한 이후의 상세한 설명으로부터 명확하게 이해할 수 있다.

도면에서 동일한 부호는 동일하거나 대응하는 요소를 나타내며, 특히 도1에서 이중 목적 레이업 공구(30)는 지지 구조물(34)에 의해 지지된 상부판(32) 등의 공구 본체를 갖는 것으로 도시되어 있다. 상부판(32)은 화학 및 물리적 특성의 관점에서 그 부분의 구성 재료와 양립되는 재료로 제조된다. 예를 들어, 상부판(32)은 구성 재료, 특히 상부판에 접촉하여 위치한 층(대개는 "공구측 표층"이라 함)의 열팽창 계수에 일치하는 열팽창 계수를 갖는 것이 바람직하다. 공구측 표층이 통상적으로 사용되는 재료인 에폭시 수지로 예비 충전된 카본 파이버 직물인 경우에, 상부판(32)은 카본 파이버/에폭시 수지 합성재료로 되거나 또는 카본 파이버/에폭시 수지 합성재료의 열팽창 계수와 일치하는 열팽창 계수를 갖는 니켈 및 철 합금, 불변강(36)으로 될 수도 있다. 알루미늄 벌집형 코어를 갖춘 알루미늄 표층은 열팽창계수(CTE)가 거의 일치하고 알루미늄 구성 재료와 화학적으로 양립 가능한 알루미늄 공구를 사용한다.

지지 구조물(34)은 양호한 실시예에서는 도1에 도시된 종래의 "계란 상자"구조를 취하지만, 임의의 적절한 구조를 취할 수 있다. 적절한 형태의 또 다른 지지 구조물로는 미국 특허 제5,100,255호에 개시된 부속품들과 함께 부착된 합성재료 튜브로 제조될 수 있으며, 상기 특허는 본 명세서에 참조된다. 지지 구조물(34)은 공장에서 공구(30)의 이동을 용이하게 해주도록 이송 보조구를 갖는다. 양호한 실시예에서의 이송 보조구는 공장 주변에서 공구(30)를 상승 및 이송하기 위해서 오버헤드 크레인의 후크에 결합되는 리프팅 케이블의 부착을 위하여 지지 구조물(34)의 전방 및 후방측에 각각 체결된 리프트 링(36)을 포함한다. 리프트 링(36)의 위치에 사용할 수 있거나 또는 이들에 추가로 사용할 수 있는 또 다른 이송 보조구는 도1에 도시된 것처럼 지지 구조물(34) 안에 설치된 포크 리프트 튜브(40)가 있다. 포크 리프트 튜브(40)는 공구(30)가 공장 주변에서 상승 및 이동되게 되는 포크 리프트의 이격된 분기부를 수용한다.

도2에 도시된 5축 갠트리 공작기계(44) 등의 공작기계의 기부(42) 상에 공구(30)를 정확하게 인덱싱하여 위치시키기 위하여 그리고 소정 위치에서 지지 구조물(34)을 공작기계 베드(42)에 체결하기 위하여 위치결정 및 부착 장치가 지지 구조물(34) 상에 마련되어 있다. 공작기계 제어기(46)의 제어 하에서 공작기계(44)는 부품이 경화된 후에 공구(30) 상에 레이업된 부분 상에서 가공 작업을 수행한다. 위치결정 및 부착 장치는 공작기계 제어기가 공작기계를 부품의 정확한 가공을 위한 정확한 위치로 구동시킬 수 있도록 공구(30)를 베드(42) 상에 정확하게 위치시킨다. 위치결정 장치는 지점 설정기, 사인 키이 및 공구 볼을 포함하며, 이들의 사용에 대해서는 나중에 상세하게 설명한다. 이들 장치를 사용함으로써 공구(30)를 극도의 정확도로 공작기계의 기부(42) 상에 정확하게 위치시킬 수 있으며, 상기 위치를 점검하여 공구(30)의 상부판(34)의 정확한 위치에 일치시키도록 프로그램을 조정할 수 있으며, 이로써 공구(30)의 위치 및 그 위에 레이업된 부품이 공지의 정확도를 갖기 때문에 후속 가공 작동에서의 정확도를 유지할 수 있게 된다.

공구(30)가 공작기계 베드(42)에 고정되게 해주는 부착 장치는 작업편을 공작기계의 베드에 체결하는 기술 분야에 공지된 임의의 장치일 수 있다. 이 실시예에서, 부착 장치는 종래의 토우 클램프이며, 그 구조는 이 기술 분야에 공지되어 있다.

상부판(32)은 그 부분의 구성 요소가 레이업되는 상부 상향 대면 표면(60)을 갖는다. 상부 표면(60)은 공구 상에 제조될 부품의 일 표면의 소정 형상에 일치하는 형상을 취한다. 상향 개방 리세스는 제조 공정 이후에 가공 작동이 요구될 부분 상의 위치에 대응하는 위치에서 상부판(32)의 상부 표면(60)으로 가공된다. 이 리세스는 부품의 둘레의 가장자리가 나중에 절단되게 되는 상부판(32) 상에 위치한 둘레의 홈(62)과, 부품을 관통하여 구멍이 드릴 가공되는 상부판(32) 상에 위치한 원통형 웰(well;63)을 포함한다. 다른 연속 홈들은 홈(62) 내에 위치하며, 여기서 개구들은 부품으로부터 절단된다. 여러 형상의 리세스 중 몇 개가 도6에 도시되어 있다. 리세스는 구성 재료가 상부 표면(60)의 높이와 일치하는 상부판(32) 상에 레이업될 수 있게 되는 희생 재료(64)를 수용한다.

홈(62)은 도3에 도시된 단면으로 도브테일형을 취하는 것이 바람직하며, 이는 희생 포움 재료가 제거될 때까지 이를 홈에 보유하는 것을 도와준다. 경화 후에, 포움 재료는 정상 환경 하에서 공구측 플라이를 공구 상부판(32)의 표면과 같은 높이로 유지하는 지지 표면을 제공하기에 충분한 강도인 약 35.15 kg/cm2 (500 psi)인 강도를 갖는다. 그러나, 더 큰 강도가 필요한 경우에는, 경화되었을 때 넓은 표면에 걸쳐 하중을 분배시켜서 큰 하중을 지탱할 수 있는 더 큰 강성 표면을 제공하도록 포움 재료(64)위에 한 겹 이상의 그래파이트/에폭시 예비 충전 테이프를 홈(62)에 부가할 수 있다. 부품의 제거 후에 홈(62)으로부터 포움 재료(64)의 제거가 용이하도록 수지 충전 직물로 된 별도의 스트립이 포움 재료를 홈 안에 인가하기 전에 홈(62) 안에 삽입된다.

홈(62)은 부품의 구성 요소가 레이업될 상부판(32)의 대면 표면(60)의 중심부 주위로 가장자리 트림 네트가 위치하게 되는 표면 영역에서 완전히 연장된다. 다른 리세스는 부품을 통해서 구멍들이 드릴 가공되거나 부품을 통해서 다른 가공이 요구되는 공구 상의 영역에 위치한다. 외부둘레의 홈은 그것이 부품이 레이업되는 영역을 완전히 둘러싼다는 의미에서 연속적인 홈이라 할 수 있다. 그러나, 특정 부품의 설계는 홈에 단절부 또는 갭을 요할 수 있으며 이로써 "대체로 연속"인 홈을 이루게 된다. 바람직하게는, 홈은 밀 커터(68)의 둘레의 절단 톱니가 부품의 둘레의 가장자리의 전체 두께에 결합되어 절단할 수 있도록 밀 커터(68)가 이의 절단 경로 중에 대면 표면(60) 아래로 연장되기에 충분한 깊이를 취한다. 이 실시예에서의 홈(62)의 깊이(D)는 약 0.127 cm (0.050 inch)이지만, 커터(68)가 장착되는 공작기계가 필요한 정확도로 상부판(32)의 형상을 따르도록 프로그램될 수 없으면 홈의 깊이는 더 깊을 수도 있다.

홈(62)의 폭(W)은 커터(68)의 직경에 공작기계(44) 내의 커터(68)의 이동 경로에 필요한 공차를 더한 크기를 수용하도록 선택된다. 홈(62)의 추가의 폭이 희생 재료(64)에 결합된 레이업 재료의 공구측 표면을 고정 유지하기 위해 커터(68)에 의해 절단된 자국(kerf)의 양 측면에 마련되어서 부품이 절단 작업 중에 이동되지 않게 하여 절단 작업이 완료되어 부품이 공구(30)로부터 제거될 준비를 할 때까지 상부판(32) 상의 제위치에 고정 상태로 유지되게 해준다.

희생 재료(64)는 홈(62)을 충전시키는 데 편리하게 사용할 수 있고 결합/경화 작업 중에 구성 재료를 지지하기에 충분한 강도, 온도 공차 및 다른 특성을 갖는 임의의 적절한 재료로 될 수 있다. 이 실시예에 사용된 양호한 재료는 B.F. Goodrich #PL657 열팽창성 자체 표층식 포움이다. 상기 재료는 홈(62) 내에 비드(bead)또는 절단 스트립으로서 인가되어 도4에 도시된 것처럼 매끄러운 성형 코울 시트(70)로 덮인다. 코울 시트(70)는 홈(62) 및 다른 리세스가 가공되기 전에 상부판(32)의 상부면 상에 직접 성형된 그래파이트/에폭시 수지 구조인 것이 바람직하며, 비어있는 진공 백(71)으로 덮인 상태에서 경화 사이클에서의 경화 온도까지 가열함으로써 경화된다. 진공 트랙(73)은 대개는 홈(62)이 상부판 표면(60)에서 가공되게 되는 경로의 양 측면을 따라 진공 백(71)의 가장자리를 공구에 대하여 밀봉하는 데 사용되는 밀봉 테이프의 비드를 위치시킴으로써 코울 시트(70)의 하측면에 성형될 수 있다. 코울 시트가 제조되는 그래파이트/에폭시 시트는 테이프의 비드 위에서 공구면(60) 상에 위치하여 진공 트랙(73)을 형성하는 형상으로 경화된다. 희생 재료(64)는, 코울 시트(70)와 진공 백으로 홈(62)을 덮고 진공 백의 가장자리를 상부판(32)의 대면 표면(60)에 대하여 이 목적에 공지되어 있는 퍼티형 밀봉 테이프(75)로 밀봉시킴으로써 홈 내에서 팽창되고 경화된다. 진공 백은 약 25.4 cm (10 inch)의 진공으로 되며, 이 진공은 진공 트랙(73)에 인가되어 포움이 홈(62) 위에서 코울 시트의 하측면에 대하여 팽창되고 팽창된 상태에서 경화되는 동안에 코울 시트를 홈(62) 위에서 공구의 상부면(60)에 대하여 고정하는 것을 도와준다. 포움을 팽창 및 경화시키기 위해서는 공구(30)가 오븐 또는 오토클레이브 내에 위치하여 포움 재료 공급원에 의해 특정된 온도까지 가열되며, B.F. Goodrich #PL657 재료에 대한 상기 온도는 약 90분 동안 약 260 이다.

포움(64)을 경화시키는 양호한 기술은 도5에 도시된 전기적으로 가열된 코울 시트(72)를 사용하는 것이다. 코울 시트(72)는 홈(62) 위의 영역에서 코울 시트(72)의 상부면(76)에 체결되거나 코울 시트(72)가 제조될 때 그 안에 매립된 전기 가열 테이프(74)를 갖는다. 도5에 점선으로 부분적으로 도시된 단열 블랭킷(77)은 주변 공기에의 열 손실을 감소시키도록 코울 시트(72)의 상부 위에 놓여서 포움(64)이 경화되는 동안에 포움을 상승된 온도로 유지하는 데 필요한 전력을 낮출 수 있다. 가열 테이프에 인접한 온도 센서(78)는 도체(79)를 통해서 제어기(80)에 전달될 신호를 생성하며, 상기 제어기는 코울 시트(72)의 온도를 관찰하여 홈(62) 내의 포움(64)을 소정 경화 온도로 유지하도록 가열 테이프(74)에 전달될 전력원(82)으로부터의 전력을 조정한다. 전기적으로 가열된 코울 시트(72)는 포움 경화 사이클 중에 값비싼 오븐을 사용할 필요성을 없애주어 제조 공정에서의 비용을 줄일 수 있게 해준다.

포움(64)이 경화된 후에, 진공 백(71) 및 코울 시트(70, 72)는 제거되고, 해제 코팅이 홈(62)의 양 측면 상에서 공구면(60)에 인가되지만 홈(62) 내의 희생 포움 재료(64)에는 인가되지 않는다. 해제 코팅은 부품이 공구(30)로부터 포움을 제거하는 시간에 공구면에 부착되지 않게 해준다. 부품의 공구측 표층(85)의 플라이는 공구면(60)에 인가되고 홈(62)에 중첩되어 도3에 도시된 것처럼 홈 너머로 짧은 거리로 연장되어 잉여부 또는 연장부를 마련하게 된다. 부품이 벌집형 코어 샌드위치인 경우에, 벌집형 코어 요소(84)는 이 요소들 사이에 접착제 팽창성 포움을 갖고 공구측 플라이 상부의 제위치에 끼워진다. 홈(62)에 사용된 동일한 팽창성 포움 재료를 벌집형 요소(84)들을 함께 결합하는 데 사용할 수도 있다.

브리더 스트립(breather strip, 87)은 공구측 플라이(85)에 인접하게 위치하고, 진공 백(71)은 공구측 플라이(85) 및 벌집형 코어 요소(84) 등의 다른 부품들 위에 위치한다. 진공 백(71)의 둘레의 가장자리는 이 기술 분야에 공지되어 있는 밀봉 테이프(75) 등으로 홈(62)의 외측면 주위에서 공구면에 대하여 밀봉된다. 진공 백(71) 아래 및 밀봉 퍼티의 둘레 내측의 공간은 진공 라인(88)을 통해서 홈(62)에 인접한 공구의 진공 포트(90)에 연통하는 진공 펌프(86)에 의해 진공화 된다. 진공 포트 내의 체크 밸브(도시 생략)는 공구(30)가 오토클레이브(도시 생략)로 이송되는 동안에 진공을 유지한다. 오토클레이브에서, 진공 포트(90)는 진공원(86)에 재차 연결되고, 오토클레이브는 가압 및 가열되어 플라이 내에 예비 충전된 수지를 유동 및 경화시키고, 경화 수지로부터의 배출 가스는 진공 라인(88)을 통해서 배출된다.

플라이 및 부품 내의 수지가 경화된 후에, 오토클레이브의 온도 및 압력은 RPT로 감소되고, 공구(30)는 공작기계 베드(42)에 이송된다. 공구(30)의 지지 구조물(34) 상의 후퇴 가능한 푸트(94)는 지지 구조물(34)의 하측면 상의 데이타 표면(96)과 공작기계 베드(42)를 결합하도록 후퇴된다. 이는 갠트리 장착 공작기계(44)의 이동을 제어하는 가공 프로그램에 공지되어 있는 거리로 공작기계 베드(42)로부터 공구(30)의 대면 표면(60)의 수직 위치를 형성한다. 후퇴 가능한 푸트(94)는 데이타 표면(96)과 상부판(32)의 상부면(60) 사이의 거리에 영향을 미치는 니크 또는 다른 손상으로부터 정확하게 접지된 데이타 표면(86)을 보호하도록 모든 다른 시간, 즉 공구(30)의 저장 및 이동 중에 그리고 표층 재료 및 공구(30) 상의 구성 재료의 레이업 중에 연장된 상태로 유지된다.

공작기계베드(42) 상의 공구(30)의 위치 및 방향은 도7 및 도8에 도시된 지점 설정기(98) 및 사인 키이(100)를 포함하는 위치결정 장치에 의해 이루어진다. 지점 설정기(98)는 용접 등에 의해 공구(30)의 지지 구조물(34)의 하측면에 고정된 판(102)과, 이 판(102) 내에 정확하게 드릴 가공되어 위치한 수직 구멍(104)을 포함한다. 대개는 5.08 cm (2 inch)의 직경을 갖는 정밀 접지핀(106)은 구멍(104) 안에 활주식으로 끼워지고 도2에 도시된 공작기계 베드(42) 내의 여러 동일한 크기의 구멍(108)중 하나에 끼워진다. 도7 및 도8에 도시된 사인 키이(100)는 판(102)처럼 지지 구조물(34)의 하측면에 고정된 판(110)을 포함한다. 작은 수직 구멍(112)은 정확하게 드릴 가공되어 판(110)에 위치하며, 대개는 13/16 inch의 직경을 갖는 정확하게 접지된 핀(114)을 밀착 활주식 끼움 상태로 수용하며, 상기 핀은 판(110) 너머로 하방 연장되어 구멍(108)이 중심 설정되게 되는 공작기계 기부(42)에서 T형 슬롯(116) 안에 끼워진다. 핀(106, 114)이 판(102, 110) 내의 제위치에 있으면, 구멍(108) 및 슬롯(116) 하방으로 연장되는 상태에서 공구(30)의 위치는 공작기계 기부(42) 상에 독특하게 위치한다. 이 위치는 핀들이 위치하게 되는 슬롯(116) 및 구멍(108)을 식별함으로써 공작기계 제어 프로그램에 입력된다. 이 정보는 공구 형상 데이타 세트 및 부품 형상 데이타 세트와 함께 공작기계 제어기(46)에 입력되어 공작기계 제어기가 소정의 절단 작업을 수행하도록 공작기계를 안내하기에 충분한 정보를 제공한다.

도9에는 디지탈 부품 데이타를 가장자리 루팅 및 구멍 드릴가공 등의 부품 상의 소정의 가공 작업을 수행할 수 있도록 공작기계(44)의 제어기에 의해 판독되어 사용될 수 있는 가공 지시 내용으로 변환하는 공정이 개략적으로 도시되어 있다. 마스터 컴퓨터(122) 상에 위치한 디지탈 부품 모델(120)은 부품 모델(120)을 사용하여 프로그램(124)을 만드는 NC 가공 프로그램 작성자에게 제공된다. 이 프로그램은 커터 형태, 스핀들 속도, 커터 공급 속도, 커터 깊이, 통로의 수 및 커터가 이동하게 되는 경로 등의 정보를 포함한다. NC 가공 프로그램은 포스트 프로세서(126)를 통해서 처리되어 공작기계 제어기(46)에 의해 판독될 수 있는 포맷 및 매체에 프로그램된다. 이 프로그램은 필요에 따라 저장 및 회복을 위하여 데이타 베이스 관리 시스템에 탑재된다. 이 프로그램은 공작기계 조작자가 부품을 만들 준비를 하였을 때 조작자에 의해 회복된다. 조작자는 상기 프로그램을 공작기계 제어기에 탑재하여 공작기계 기부(42) 상에 적절하게 장착되어 그 위치를 확인한 후에 부품 상에 절단 가공을 수행하도록 프로그램을 작동시킨다.

몇몇 부품은 별도의 코어 조립체가 공구측 표층으로부터 멀리 이격되어 제조되고 한 번의 작업으로 공구측 표층 및 백측 표층에 정합 되고 함께 경화될 것을 요한다. 이러한 부품에서는 그래파이트 에폭시의 단일 플라이가 공구의 표면(60) 상에 위치하고 벌집형 코어 요소들이 공구측 플라이 상부에 위치한다. B.F. Goodrich #PL657 재료 등의 포움 재료 스트립은 포움 코어 요소들 사이에 삽입된다. 진공 백은 조립체 위에 위치하여 진공 펌프에 의해 배출된다. 공구는 오토클레이브 내에 위치하고 온도 및 압력은 경화 사이클 중에 상승된다. 공정을 거꾸로 수행하면, 벌집형 코어 요소가 홈 위에 위치하여 홈에 걸쳐져서 포움이 경화되기 전에 진공 백이 홈(62) 내의 포움을 오목하게 하는 것을 방지하도록 지지부를 제공하기 때문에 코울 시트를 사용하여 홈(62) 내의 포움을 별도로 경화시킬 필요가 없다. 코어 요소가 경화된 후에, 공구는 공작기계에 위치하여 공작기계 베드(42) 상에 장착되어 제위치에 인덱싱된다. 코어 요소는 사용될 부품의 필요한 절삭된 형상을 생성하도록 가공되며, 코어 요소의 둘레는 코어 요소를 공구로부터 제거하기 위해 둘레의 홈(62)을 따라 절단된다. 절삭 및 가공된 코어 요소는 제거되어 동일하거나 다른 공구의 공구측 표층에 장착된다. 백측 표층은 코어 요소 위에 인가되고, 진공 백은 공구 위에 위치하여 공구를 밀봉한다. 진공 백은 배출되고 공구는 양 표층을 동시에 경화시키도록 오토클레이브 내에 위치한다.

부품에 필요한 절삭 프로필을 생성하도록 코어 요소(84)를 가공하는 작업은 코어 요소의 소정 형상을 생성하는 데 효율적이고 정확한 기술이다. 그러나, 가공 작업이 완료된 후에, 특히 부품이 백측 표층이 경화될 때까지 공구에 부착된 경우에는 코어 쉘로부터 먼지 및 파편을 제거하는 작업이 어렵다. 코어 셀로부터 먼지 및 파편을 제거하는 작업을 용이하게 하기 위하여 도10에 도시된 진공 공구(130)가 코어 요소의 상부면 위로 활주한다. 진공 공구는 진공 호스(136)가 부착되는 피팅(134)을 갖는 후드(132)를 갖고 있다. 파이프(138)는 이의 개구를 교차하는 방향으로 후드(132)의 대향 측면에 장착되어 있다. 파이프는 후드의 개구 쪽으로 향한 일렬의 작은 구멍(140)을 가지며, 공기 가압 호스(144)에의 부착을 위한 단부에 있는 신속 분리 커플링(142)을 갖고 있다.

작동 시에, 진공 공구는 진공 청소기 등의 진공원으로부터의 진공 호스(136)에 연결되고, 공기 호스(144)는 커플링(142)에 연결된다. 후드는 그 개구가 벌집형 코어의 표면상에 있도록 위치되며, 구멍 열(140)을 통해서 송풍되는 공기는 먼지를 벌집형 셀 외부로부터 불어내고 진공 상태의 먼지가 섞인 공기는 진공 호스(136)를 통해서 후드(132)로부터 배출된다. 구멍(140)을 통해서 송풍된 공기의 비율은 진공원에 의해 진공 후드(132) 외부로 흡입된 공기의 비율보다 낮으며, 이로써 먼지가 후드(132) 외부로 송풍되지 않게 된다. 후드(132)의 전연을 따라 형성된 얕은 노치 세트는 공기가 후드 안에 흡입되게 해주어서 후드 내측에 후드를 코어 요소(84)의 표면 위로 이동시키는 것을 어렵게 할 수 있는 진공 상태가 생성되는 것을 방지한다.

따라서, 본 발명은 레이업 공구 상에 부품을 레이업 및 경화/결합하는 방법 및 장치를 제공하고, 부품이 원래의 공구 상에 원래의 위치에 유지되는 동안에 벌집형 코어를 절삭하고 부품을 트리밍 및 드릴 가공하는 수단을 제공함으로써 상기 목적을 달성할 수 있게 해준다. 종래 기술의 방법 및 장치에서의 모든 문제점은 본 발명에 의해 해소될 수 있으며, 이로써 특정 공차에 대해 상당히 개선된 제조 적응력이 생기고, 공구의 제조와 유지 및 보관 비용을 줄일 수 있다. 작은 공차 제조의 개선된 능력은 고정적인 공차를 갖고 제한된 조립체 등의 이렇게 큰 레이업 부품에 현대의 제조 기술을 처음으로 사용함으로써, 부품이 사용되는 조립체의 품질을 더욱 개선하고 비용을 감소시킬 수 있다.

이 기술분야에 숙련된 자는 상기에 설명한 실시예를 여러 형태로 변경 및 수정할 수 있다. 따라서, 이들 변경 및 수정 실시예와 그 균등물은 첨부한 청구범위에 기재된 본 발명의 기술사상 및 범위에 속한다.

도1은 본 발명에 따른 이중 목적 레이업 공구의 사시도.

도2는 갠트리가 장착된 공작기계의 기부에 인덱싱된 이중 목적 레이업 공구의 사시도.

도3은 일부 요소가 인가된 상태로 도시한 도1에 도시된 공구의 상부판의 공구면의 단면도로서, 공구 상의 원래 위치에 장착되어 있는 동안에 상기 부분 상에서의 트리밍 및 다른 가공 작업 시에 커터 이동 경로를 도시한 도면.

도4는 도1에 도시된 공구의 상부판의 일부분을 도시한 단면도로서, 희생 재료가 홈 경화부에 있고 홈에 걸쳐 코울 시트가 위치한 것을 도시한 도면.

도5는 본 발명에 따른 공구에 걸쳐 있는 전기적으로 가열된 코울 시트를 도시한 분해 사시도.

도6은 본 발명에 따른 공구의 또 다른 형태를 도시한 사시도로서, 여러 절결부를 위한 공구 상부판의 리세스를 도시한 도면.

도7은 도1에 도시된 공구와 유사한 공구의 지지 구조물을 도시한 측면도.

도8은 도7에 도시된 공구 지지 구조물을 도시한 평면도.

도9는 디지탈 부품 모델로부터 공작기계 제어기에 의해 사용 가능한 형태로 디지탈 데이타를 변환하는 공정을 도시한 블럭도.

도10은 도1에 도시된 공구 상에 가공된 벌집형 코어 요소의 셀로부터 먼지를 세척하기 위한 진공 공구의 사시도.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

30: 레이업 공구

32: 상부판

34: 지지 구조물

36: 리프트 링

42: 공작기계 베드

44: 공작기계

46: 공작기계 제어기

62: 홈

70: 코울 시트

71: 진공 백

73: 진공 트랙

74: 가열 테이프

78: 온도 센서

84: 코어 요소

85: 공구측 표층

86: 진공원

132: 후드

Claims

레이업되고 결합되어 경화된 복합재료 부품의 제조 방법에 있어서,

공구의 대면 표면상의 둘레의 홈을 희생 재료로 충전하고 그 위에 대면 표면과 같은 높이로 표면을 형성하는 단계와,

공구측 표층 및 상기 부품의 다른 부재를 일체식 조립체로 형성하도록 이들을 결합/경화시키는 접착제/수지 매트릭스를 갖는 공구측 표층 및 다른 부재에 있어서, 상기 공구측 표층을 공구의 대면 표면상에 레이업하고 상기 부품의 다른 부재를 공구측 표층의 상부에 레이업하는 단계와,

상기 레이업된 표층 및 부재 위에 진공 백을 인가하고, 상기 레이업된 표층 및 부재 주위에 있는 진공 백 둘레의 구역을 밀봉하는 단계와,

진공 백 외부의 공기압이 상기 부재에 대하여 진공 백을 가압하도록 진공 백 아래로 공기를 배출시키는 단계와,

상기 표층 및 부재를 상기 강성 일체식 조립체로 변환시키도록 접착제/수지 매트릭스를 결합/경화시키는 단계와,

공구의 대면 표면으로부터 진공 백을 제거하여 강성 일체식 조립체의 덮개를 해제하는 단계와,

공작기계에 의한 강성 일체식 조립체의 가장자리 루팅을 위하여 공지의 위치에 공구의 대면 표면을 위치시키는 위치결정 장치를 사용하는 CNC 공작기계 베드 상의 공지 위치에 상기 공구를 고정하는 단계와,

공작기계의 작동을 제어하기 위하여 상기 부품의 디지탈 값을 갖는 데이타 세트를 제어기에 탑재하는 단계와,

데이타 세트를 사용하는 가공 제어 프로그램을 작동시키는 제어기를 이용하여, 공구의 대면 표면 아래의 희생 재료를 절단하고 강성 일체형 조립체 주위 둘레의 가장자리를 절단하도록, 공작기계의 커터를 공구의 대면 표면 주위의 소정 통로 상에 안내하는 단계와,

공구의 대면 표면으로부터 강성 일체형 조립체를 제거하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, CNC 공작기계 상에 장착된 프로브로 공구를 탐침하여 적어도 세 개의 기준 위치의 실제 위치를 공구 상에 형성하는 단계와, 위치결정 장치의 좌표에 기초한 제어기의 위치 데이타로부터 공작기계 베드 상의 공구의 위치에 대한 가공 제어 프로그램 내의 데이타를 업데이트시키도록 기준 지점의 상기 실제 위치로 가공 제어 프로그램을 정상화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 데이타 세트가, 이 데이타 세트가 위치하게 되는 주 컴퓨터로부터 공작기계 제어기 내의 가공 프로그램에 다운로드되는 방법.
제1항에 있어서, 홈이, 상이한 공작기계들 사이의 변량을 최소화하도록 공작기계 베드 상에 공구를 유지한 채로 공작기계를 사용하여 절단되는 방법.
제3항에 있어서, 상기 희생 재료가 포움 자체 표층식 재료이고, 상기 희생 재료 표면 형성 단계가 공구의 대면 표면을 코울 시트로 덮는 단계와, 포움 재료를 포움 형성하고 경화시키도록 공구 및 홈 내의 포움 재료를 가열하는 단계와, 홈을 충전하는 단계와, 포움 상에 대면 표면과 같은 높이로 경질의 매끄러운 표면을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
레이업되어 결합 및/또는 경화된 부품을 제조하는 방법에 있어서,

부품의 소정 주조 라인 형상에 일치하는 형상을 취하는 대면 표면을 갖는 공구 상에 공구측 대면 시트를 위치시키는 단계와,

대면 시트의 외부 둘레의 가장자리의 내측에서 대면 시트 주위 둘레의 홈을 충전시키는 재료로서 공구의 대면 표면과 같은 상부면을 갖는 희생 재료 상에 공구측 대면 시트를 지지하는 단계와,

둘레의 홈 내의 희생 재료에 공구측 대면 시트를 결합하는 단계와,

대면 시트를 공구 상에서 결합 및/또는 경화시키는 단계와,

둘레의 홈을 따라 공작기계 상에서 부품 상의 둘레의 가장자리를, 둘레의 홈으로 연장되어 희생 재료 안을 부분적으로 절단하고 둘레의 가장자리를 절단하도록 대면 표면의 전체 두께에 결합되는 커터로, 절단하는 단계를 포함하는 방법.
제6항에 있어서, 벌집형 코어 재료를 공구측 대면 시트의 상부에 레이업하여 벌집형 재료를 공구측 대면 시트에 결합하는 단계와, 부품의 소정 프로필에 일치하는 프로필을 갖는 절삭된 상부면을 갖춘 벌집형 코어를 생성하도록 벌집형 재료를 가공하는 단계와, 백측 표층을 벌집형 코어의 절삭된 상부면에 결합하는 단계를 더 포함하는 방법.
제7항에 있어서, 벌집형 코어의 가공 중에 생성된 먼지를 연행하기 위하여 가공 후에 벌집형 코어의 셀 내에 공기를 송풍하는 단계와, 상기 셀로부터 송풍되는 먼지가 섞인 공기를 배출하도록 상기 송풍 주위에 진공 흡입력을 인가하는 단계를 더 포함하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 희생 재료가 포움 자체 표층식 재료이고, 상기 희생 재료 표면 형성 단계가 공구의 대면 표면을 코울 시트로 덮는 단계와, 포움 재료를 포움 형성하고 경화시키도록 공구 및 홈 내의 포움 재료를 가열하는 단계와, 홈을 충전하는 단계와, 포움 상에 대면 표면과 같은 높이로 경질의 매끄러운 표면을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
합성재료 부품의 제조 방법에 있어서,

공구의 상부면의 레이업 영역 주위에 실질적으로 연속인 홈에 포움 재료의 비드를 인가하는 단계와,

홈 위에 코울 판을 위치시키고 공구의 상부면에 대하여 코울 판을 평평하게 유지하도록 압력을 인가하는 단계와,

코울 판을 가열하여 홈 내의 포움 재료를 가열하는 단계와,

포움 재료가 포움 형성되어 공구의 상부면과 같은 높이인 포움 재료의 상부면을 생성하도록 코울 판까지 상기 홈을 충전시키게 하는 단계와,

포움 재료가 코울 판 상의 압력을 유지하면서 홈 내의 제위치에 경화되게 해주는 단계와,

포움 재료가 경화된 후에 코울 판을 제거하는 단계와,

부품의 부품 요소를 레이업시키고 공구로부터 상기 요소를 제거함이 없이 공구 상의 제위치에 요소를 경화시키는 단계와,

공구의 기준 표면을 공작기계 베드 상에 위치시키고 공구를 홈의 위치가 정확하게 인지되도록 공작기계 베드 상에 정확하게 위치시키는 단계와,

상기 부품의 가장자리를 정확하게 트리밍하도록 부품의 전체 두께에 결합되는 커터를 사용하여 홈 안에서 부품 주위로 커터를 구동시키도록 공작기계를 안내하기 위하여 공작기계의 공작기계 제어기를 프로그램하는 단계와,

공구로부터 상기 부품을 제거하는 단계를 포함하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 코울 판 가열 단계가 포움의 경화 중에 코울 판에 접촉된 전기 가열 요소를 전기적으로 여기시키는 단계를 포함하는 방법.
제10항에 있어서, 레이업 요소를 포움에 부착시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제10항에 있어서, 홈이 이 홈의 종축에 수직한 도브테일형 단면을 갖는 방법.
제13항에 있어서, 포움 재료의 비드를 인가하기 전에 홈에 해제 작용제를 인가하는 단계를 더 포함하는 방법.
제10항에 있어서, 부품의 구성 요소 중 하나가 공구의 상부면에 수직한 방향으로 위치한 셀을 갖는 벌집형 코어이고, 상기 프로그램 단계가 벌집형 코어를 소정 형상으로 절삭하기 위하여 커터를 구동시키는 공작기계를 벌집형 코어의 상부면 위에 안내하도록 공작기계의 공작기계 제어기를 프로그램하는 단계를 더 포함하는 방법.
제15항에 있어서, 셀의 개방 단부 위로 흡입 후드를 통과시키고 동시에 셀 안으로 공기 제트를 송풍하면서 공기 제트에 의해 셀 외부로 송풍되는 먼지를 제거하도록 후드를 진공화함으로써 벌집형 코어의 셀을 청소하는 단계를 더 포함하는 방법.