制造复合部件的方法与流程

文档序号:13426201
制造复合部件的方法与流程
本发明涉及制造具有主体和整体凸缘的复合部件的方法,特别地,但不排他地为环形复合部件。

背景技术:
复合材料越来越多地用于需要材料性质的特定组合的部件。特别地,由于其高刚度和低重量,复合材料诸如碳纤维增强聚合物(CFRP,CarbonFibreReinforcedPolymer)通常用于航空航天以及其它工业的部件。通常希望制造具有凸缘例如用于燃气轮机的壳体上的环形凸缘的部件,或者机翼的翼梁的侧面。当这些部件由复合材料制成时,凸缘的成形会带来工程问题。例如,可能难以在凸缘模具上铺叠复合材料,特别是在模具的主要部分和凸缘之间的可能难以进入的弯曲区域中。GB2486231公开了一种制造具有整体凸缘的复合部件的已知方法,其公开了一种用于复合预成形件的环形模具,该环形模具具有第一部分和可移动的第二部分。在模具上铺叠多层单向复合胶带之后,将模具和预成形件在高压釜中加热,并且可移动的第二部分被致动以径向向外移动,从而使预成形件的覆盖工具的可移动的第二部分的一端部区域变形以形成凸缘。在GB2486231中,凸缘突然地远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横截面看起来相对平整。换句话说,在圆柱形区域和凸缘之间存在高曲率弯曲。在GB2486231中,过渡区域的形状部分地由具有高曲率边缘的反作用成形工具(或阴形成工具)限定,凸缘围绕高曲率边缘形成。通常希望制造在部件的主要区域和凸缘之间具有低曲率过渡的复合部件。例如,低曲率过渡可以降低应力集中并改善部件的结构特性。在使用凸缘模具的情况下,可以在模具上限定低曲率过渡区域。然而,当使用具有可移动部分的工具来形成凸缘时,因为铺叠表面在铺叠构造中是基本连续的,低曲率过渡区域不能预先限定在工具的铺叠表面上。虽然可以提供反作用成形工具部分以在预成形件的外侧限定过渡区域的轮廓,但申请人已经发现,成形部件的过渡区域可能不符合期望的形状,或者可能在该区域中具有成形缺陷,例如在对准中平面外褶皱的形成和层错位。因此,期望提供一种制造复合部件的改进方法。

技术实现要素:
根据本发明的第一方面,提供一种制造包括主体和整体凸缘的复合部件的方法,所述方法包括:将纤维增强材料施加在具有主体部分和凸缘成形部分的工具上以提供具有第一、第二和第三连续区域的预成形件,第一区域对应于部件的主体,第二区域对应于部件的整体凸缘;并引起凸缘成形部分和主体部分之间的相对运动,使得预成形件的第二区域变形以形成凸缘;其中所述凸缘成形部分和所述主体部分的相对运动导致所述预成形件的第二和第三区域与所述凸缘成形之间的滑动运动,从而在形成凸缘期间,在所述预成形件的至少第二区域中产生张力。所述方法还可以包括在成形操作之后分离形成在工具上的复合材料的一部分,所述复合材料的一部分包括对应于预成形件的第三区域的材料。复合材料的分离部分可以通过切割分离,然后可以被丢弃或再循环。此外,材料的分离部分可以包括对应于预成形件的邻近预成形件的第三区域的第二区域的一部分的材料,以便获得期望的凸缘尺寸和形状。预成形件的第三区域的厚度可以小于预成形件的第二区域的厚度。预成形件的第三区域可以包括比预成形件的第二区域更少层的纤维增强材料。预成形件的第三区域的厚度可以是预成形件的第二区域的厚度的50%或更少。预成形件的第三区域的厚度可以是预成形件的第二区域的厚度的90%或更少,80%或更少,70%或更少,60%或更少,40%或更少,30%或更少,20%或更少,10%或更少,或5%或更少。预成形件的第三区域中的层数可以是层数的50%或更少。预成形件的第三区域中的层数可以是预成形件的第二区域中的层数的90%或更少,80%或更少,70%或更少,60%或更少,40%或更少,30%或更少,20%或更少,10%或更少,或5%或更少。纤维增强材料可以施加在工具上,使得预成形件的第二区域的厚度是基本恒定的,并且使得预成形件的第三区域的厚度是基本恒定的。预成形件的第一区域的厚度可以是基本恒定的,并且可以等于第二区域的厚度。遍及预成形件的第二区域,预成形件的第二区域中的纤维增强材料的层数可以是基本恒定的,并且遍及预成形件的第三区域,预成形件的第三区域中的纤维增强材料的层数可以是基本恒定的。遍及预成形件的第一区域,预成形件的第一区域中的纤维增强材料的层数可以是基本恒定的。预成形件的第一和第二区域中可以有相等数量的层。预成形件可以包括:延伸经过至少预成形件的第二和第三区域的纤维增强材料的基层组;以及延伸经过至少预成形件的第二区域而不经过第三区域的上层组。基层组可以包括至少一层纤维增强材料,并且上层组可以包括多层纤维增强材料。基层组可以包括多层纤维增强材料。基层组可以与工具的表面接触。该方法还可以包括禁止在预成形件的第一区域和工具的主体部分之间的滑动运动。该方法可以包括在成形操作之前将反作用凸缘支撑结构定位为抵靠预成形件,使得预成形件设置在凸缘支撑结构与工具的第一和/或第二部分之间,并且使得在成形操作期间凸缘抵靠凸缘支撑结构成形。凸缘支撑结构可以被定位成使得在工具的第二部分上延伸的预成形件的第二区域与工具的第二部分之间的滑动运动被禁止或阻止。纤维增强材料可以施加在工具上,使得预成形件的第三区域具有至少为预成形件的第二区域的面积的25%的面积。预成形件的第三区域的面积可以是预成形件的第二区域的面积的至少10%,至少50%,至少75%,至少100%或至少150%。可以施加纤维增强材料,使得第一、第二和第三区域沿着大致纵向的方向是连续的,并且预成形件的第三区域可以具有预成形件的第二区域的纵向范围的至少25%的纵向范围。预成形件的第三区域可以具有预成形件的第二区域的纵向范围的至少10%,至少50%,至少75%,至少100%或至少150%的纵向范围。工具的凸缘成形部分可以具有在所述工具的铺叠构造中与工具的主体部分的铺叠表面基本连续的铺叠表面和在所述工具的成形构造中在工具的凸缘成形部分和主体部分的铺叠表面之间延伸的侧表面。通过工具的凸缘成形部分和主体部分的相对运动,工具可在铺叠构造和成形构造之间移动。工具的凸缘成形部分和主体部分的相对运动方向可以平行于凸缘的延伸。复合部件可以是环形或部分环形部件,例如用于燃气涡轮发动机的壳体。工具的主体部分和凸缘成形部分可以被构造为相对的径向移动,并且凸缘可以是径向凸缘。根据本发明的第二方面,提供一种用于具有主体和整体凸缘的复合部件的预成形件,所述预成形件包括:第一、第二和第三连续区域,第一区域对应于部件的主体,第二区域对应于部件的整体凸缘;其中预成形件设置在具有主体部分和凸缘成形部分的工具上;其中,所述预成形件被构造成使得在成形操作期间,在所述凸缘成形部分和所述主体部分之间存在相对运动,所述预成形件的第二区域变形以形成所述凸缘;并且其中所述预成形件被构造成使得所述凸缘成形部分和所述主体部分的相对运动导致所述预成形件的第二和第三区域和所述凸缘成形部分之间的滑动运动,从而在凸缘成形期间至少在预成形件的第二区域中产生张力。附图说明现在将参考下图通过举例的方式描述本发明,其中:图1示意性地示出了燃气涡轮发动机的剖视图;图2示意性地示出了图1的燃气涡轮发动机的壳体;图3示意性地示出了用于制造复合部件的装置的部分截面视图,其中装置的可移动的凸缘成形部分以铺叠构造示出;图4示意性地示出了图3的装置的部分截面视图,其中可移动的凸缘成形部分已相对于装置的主体部分移动;图5示意性地示出了图3和图4的装置的部分截面视图,其中可移动的凸缘成形部分处于凸缘成形构造;图6示意性地示出了用于多个凸缘成形部分的致动机构;以及图7以透视图示意性地示出了图3-6的装置。具体实施方式图1示出了燃气涡轮发动机10,该燃气涡轮发动机10包括外部机舱12,该外部机舱12受具有前凸缘16和后凸缘18的环形壳体14支撑。该壳体14以发动机10的轴线20为中心,并容纳包括多个风扇叶片的风扇22。前环形壳体箱24和后环形壳体箱26支撑机舱12的前部和后部。如图2所示,壳体14具有大致圆柱形的弯曲主体28,并且设置有相对于主体的曲率径向向外延伸的前凸缘16和后凸缘18。壳体14由复合材料诸如碳纤维增强聚合物(CFRP,CarbonFibreReinforcedPolymer)构成。特别地,壳体14包括以铺叠工艺施加到模具并固化的多层预浸(“pre-preg”)单向复合带。图3至图5示出了用于制造复合壳体14的装置100的截面图。装置100包括大致环形的工具102,其被构造为置于水平表面诸如车间地板上,使得其中心轴线(未示出)垂直延伸,但是在其他实施例中,其可以以任何方向被支撑。工具102包括环形支撑结构103以及主体部分104,该环形支撑结构103用于支撑多个呈角度间隔的凸缘成形部分106。主体部分104包括多个周向延伸的弯曲的主体面板108,它们共同限定用于复合预成形件200的圆柱形铺叠表面110。在本实施例中,有六个弯曲的主体面板108,每个主体面板108具有60°的角度范围。主体部分104设置有主体加热器114,主体加热器114包括安装到弯曲的主体面板108的径向内部表面的多个加热垫116,用于加热主体面板108,从而加热设置在主体部分104的外铺叠表面110上的预成形件200。在本示例中,主体面板108由导热金属,特别是不锈钢或铝构成。凸缘成形部分106通过致动机构(未示出)安装到主体部分104上方的支撑结构103上,该些凸缘成形部分106相对于支撑结构103以及主体部分104在铺叠构造(图3)和成形构造(图5)之间径向可移动。每个凸缘成形部分106具有周向延伸的径向外部铺叠表面120,其被构造成在铺叠构造中与相邻的主体部分104的铺叠表面110邻接并连续,且在成形构造中,铺叠表面120设置为主体部分104的径向外侧。在本示例中,每个凸缘成形部分106是半环形块的形式,限定了径向外部铺叠表面120并具有四个径向延伸的侧面:下侧表面122和上侧表面124以及角度间隔开的侧表面(未示出)。如下面将详细描述的那样,在成形操作期间,下侧表面122用作凸缘成形表面。在本实施例中,每个凸缘成形部分106具有12°的角度范围,因此工具102包括30个单独的凸缘成形部分。每个凸缘成形部分106包括空腔126,空腔126内设置有用于加热凸缘成形部分106的凸缘加热器123。每个凸缘成形部分106由导热金属,特别是不锈钢或铝组成。如下面将描述的那样,凸缘加热器123和主体加热器114连接到用于控制凸缘成形和固化操作的控制器(未示出)。类似地,用于凸缘成形部分106的致动器(未示出)连接到控制器,以在凸缘成形操作中控制它们的运动。工具102还包括大致圆柱形的连续部分128,该连续部分128设置在凸缘成形部分106上方,并且具有径向外部铺叠表面130,该径向外部铺叠表面130被布置成当在铺叠构造中时与凸缘成形部分106的铺叠表面120邻接并连续。连续部分128受支撑结构103支撑并且包括多个连续面板131。工具102的主体部分104、凸缘成形部分106和连续部分128的铺叠表面110、120、130一起限定了用于铺叠圆柱形预成形件200的大致圆柱形的连续铺叠表面132。工具102还包括多个附接部分134,该些附接部分134围绕连续部分128上方的工具102的圆周范围成角度间隔开,用于与凸缘支撑结构136连接。凸缘支撑结构136是环形框架的形式,该环形框架被构造成围绕设置在工具的铺叠表面132上的预成形件200延伸,并且通过配合分别位于工具102和凸缘支撑结构136上的附接部分134、135,该环形框架可拆卸地可附接到工具102上。例如,附接部分134、135可以通过螺栓/螺钉(bolts)连接。凸缘支撑结构136包括反作用凸缘支撑部分137,其被布置成在凸缘成形操作期间反作用于工具102的凸缘成形部分106的凸缘成形表面,以便控制成形凸缘的形状。特别地,反作用凸缘支撑部分137被布置成邻接于设置在工具的铺叠表面上的预成形件200,并且限定了环形反作用成形表面140,用于在成形操作期间形成凸缘下侧。反作用成形表面140基本上是水平的并且定位在工具102的凸缘成形部分106的下表面122的平面下方一定距离,该距离对应于凸缘的期望厚度,并且反作用成形表面具有径向内部的圆形弯曲或过渡部分,用于在部件的主体和凸缘相交处的凸缘中形成弯曲或过渡区域。在本实施例中,过渡部分具有相对低的曲率,使得在复合部件的主体和凸缘之间存在连续的弯曲。特别地,在本实施例中,凸缘成形部分被布置为形成具有约65mm的径向范围的凸缘,并且该凸缘的曲率半径为大约10mm。凸缘支撑结构136还包括集成的安装和加热元件,通过该集成的安装和加热元件,反作用凸缘支撑部分137被安装和加热以成形和固化。图6示出了对应于五个凸缘成形部分106的致动机构138的一部分。对于每个凸缘成形部分106,致动机构包括安装到工具102上并联接到控制器的线性电动机140,用于控制凸缘成形部分106在铺叠和成形构造之间的线性径向移动。图7示出了装置100的对应于整个环形的六分之一的一部分,并且具体示出了包括主体部分104、五个可移动的凸缘成形部分106、连续部分128的工具102以及凸缘支撑结构136的对应于所示的五个凸缘成形部分106的一部分。现在将以举例的方式描述使用装置100制造复合部件的方法。装置100定位在支撑表面诸如地板上,使得其中心轴线垂直延伸。装置100通过拆卸凸缘支撑结构132(如果已附接),并通过控制致动机构138以使多个凸缘成形部分106返回到铺叠构造为铺叠操作做准备。因此,连续的铺叠表面132由主体部分104、多个凸缘成形部分106和连续部分128的径向外部表面限定在工具102上,并且该连续的铺叠表面132从径向外部位置可进入。进行铺叠操作,其中使用自动铺带(automatictapelaying,ATL)装置将预浸复合材料的单向带以连续的层(layersorplies)施加到连续铺叠表面132,从而在工具102上形成基本上圆柱形的复合预成形件。在本实施例中,这些带相对于垂直于工具的轴线的平面以±60°和90°(即垂直)方向的组合施加,并且分别在主体部分104、凸缘成形部分106和连续部分128的铺叠表面110、120、130上延伸。在其他实施例中,可采用其他铺叠技术,例如AFP(AutomaticFibrePlacement,自动光纤铺放)或手动铺叠。将复合材料施加到工具上,以提供预成形件,该预成形件具有三个连续的区域:第一区域206,对应于复合材料的主体并设置在工具的主体部分104的铺叠表面110上;第二区域208,对应于部件的凸缘并在工具的凸缘成形部分106的部分铺叠表面120上延伸;及第三区域210,在凸缘成形部分106和连续部分128的铺叠表面120、130上自工具的第二区域延伸。在其他实施例中,第二区域208可以在工具的凸缘成形部分106的整个铺叠表面120和/或连续部分128的铺叠表面130上延伸。在本实施例中,将复合材料施加到工具上,以提供具有1000mm的轴向长度和65mm的凸缘半径(曲率半径为10mm)的用于燃气轮机的壳体的预成形件。复合材料被施加到工具上,使得第一区域206在主体部分104上具有1000mm的轴向范围,第二区域208在工具的凸缘成形部分106上具有65mm的轴向范围,并且第三区域210在工具的凸缘成形部分106和连续部分128上具有大约65mm的轴向范围。在本实施例中,预成形件的第三区域210的面积和轴向范围基本等于对应于部件的凸缘的第二区域208的面积和轴向范围。在其他实施例中,预成形件的第三区域210的面积和/或轴向范围可以大于(例如至少150%)或小于(例如至少10%)第二区域208的面积和/或轴向范围。控制铺叠程序使得第一区域206和第二区域208具有比第三区域210更多层数的复合材料,使得第三区域210的厚度小于第一区域206和第二区域208的厚度。特别地,在本实施例中,有10层复合材料(一基层和九个上层)延伸经过第一区域206和第二区域208,且有2层复合材料(一基层和单个上层)延伸经过第三区域。换句话说,有2层纤维增强材料的基层组和8层纤维增强材料的上层组。第三区域210仅包括基层组的几层。在其他实施例中,在基层组(即,在第三区域210中)中可以仅存在单层,或者可以存在多于两层。在另外的实施例中,在第二区域208和第三区域210中可以存在相等数量的层,并且它们可以具有基本相等的厚度。在本实施例中,基层组大约10mm厚,且上层组大约30mmm厚。一旦铺叠操作完成,粘合带202以环形回路的形式被施加到分别位于预成形件200下方和上方的主体部分104和连续部分128,真空袋204被放置在预成形件200上并且用带202密封抵靠工具102。真空管(未示出)通过真空袋延伸到包围在工具102和真空袋204之间的空间,并且真空源诸如真空泵被施加到真空管上,以在预成形件200占据的空间中产生部分真空。在本示例中,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施加到预成形件200上。成形操作由控制器启动,使得加热装置(即,主体加热器114和凸缘加热器123)将预成形件200加热到临界成形温度,该临界成形温度在本例中为80℃。当预成形件200达到临界成形温度时,控制器使得致动机构138将凸缘成形部分106从铺叠构造径向向外驱动到成形构造(图3-5)。当凸缘成形部分106径向向外移动时,使得预成形件的第二区域208和第三区域210在凸缘成形部分上滑动。凸缘成形部分106的移动导致第二区域208在凸缘成形部分106的下侧表面122与反作用凸缘支撑部分137之间并且围绕其塑性变形,从而形成部件的径向凸缘。相比之下,除了第一区域206和第二区域208相交处的预成形件的过渡区域之外,预成形件的第一区域206基本上保持在抵靠工具100的主体部分104的位置,其被拉向反作用凸缘支撑部分137(如图4和5所示)。凸缘成形部分106被构造成在成形操作期间缓慢地移动,例如以每小时约120mm的速度移动,以确保复合预成形件200的这些层能够在成形操作期间相对于彼此移动,而不在预成形件的第二区域中产生褶皱。预成形件的第一区域208和第二区域210的滑动运动受到作用在这些区域中的基层(基层组)和凸缘成形部分106和连续部分128的铺叠表面120、130之间的摩擦力或剪切粘性力的阻挡。剪切粘性力与在铺叠表面120、130上滑动的第二区域208和第三区域210的面积成比例。剪切粘性力作用在预成形件的第二区域208和第三区域210上,沿着远离预成形件的第一区域206的方向延伸,以便向预成形件200施加张力。预成形件中的张力具有这样的效果:预成形件被拉靠在反作用凸缘支撑部分137的弯曲过渡部分上,因此紧密地与过渡部分相符。在预成形件没有显著的张力的情况下,预成形件可以膨胀到在反作用凸缘支撑部分137与工具100的凸缘成形部分106和主体部分104的接合处之间形成的空隙150中(参见图4和图5)。对于由低曲率过渡区域引起的较大的空隙,或者在其他力(例如重力或由于施加到预成形件的部分真空而引起的力)可能起作用以将预成形件200拉离反作用凸缘支撑部分137的弯曲过渡部分的情况下,这样的问题可能是特别大的。此外,应当理解,由于过渡区域的曲率,预成形件200的过渡区域周围的路径长度对于基层组而言是最长的,并且对于上层组中的这些上层而言减小。对于在下侧表面122和铺叠表面120之间围绕凸缘成形部分106的边缘延伸的预成件的部分则恰恰相反。为了避免在这些位置上的层叠,因此这些层之间彼此相对滑动是有利的,这样的相对滑动通过对预成形件施加张力来辅助。预成形件200中的张力与预成形件的相对于工具的表面滑动的第二区域208和第三区域210的面积成比例。因此,提供具有显著地越过第二区域208延伸并且在成形期间与第二区域208一起滑动的第三区域210的预成形件对形成凸缘具有有益的效果。如图5所示,凸缘成形部分106在成形构造中在成型操作结束时,预成形件的第二区域208稍微延伸越过连接凸缘成形部分106的铺叠表面120和下侧表面122的边缘,并且预成形件的第三区域210沿凸缘成形部分106的铺叠表面120延伸。一旦凸缘成形操作完成(图5),控制器启动固化操作,并使加热装置加热预成形件200,包括形成的凸缘,到至少临界固化温度,该临界固化温度在本实施方案中为135℃。控制器还控制真空源,使得通过真空袋向预成形件施加不平衡的压力。在6小时的固化期之后,控制器关闭加热器,并使固化的壳体14在工具102上冷却。从工具102移除凸缘支撑结构136,从固化部件移除真空袋和相关联的设备。凸缘成形部分106缩回到铺叠构造,并且将固化的壳体14从工具上移除。然后对壳体14进行修整以去除预成形件210的第三区域和可选地预成形件的第二区域208的任何不想要的部分。在本实施例中,预成形件的第二区域延伸到凸缘成形部分的铺叠表面120上的部分被去除。由于预成形件的第三区域210在成形操作之后被丢弃,所以本发明的实施例中,第三区域包括比预成形件的第二区域更薄的厚度和/或更少的层,导致相应的消耗的复合材料的量减少,同时仍然实现在成形期间在预成形件200中增加张力的目的。虽然已经描述了关于用于燃气轮机的壳体的制造的本发明的实施例,但是应当理解,本发明同样可应用于具有凸缘或在部件的一条边缘处从主体部分转移的其它部分的任何结构,并且其在成形操作期间通过相对于工具的可移动部分滑动而形成。特别地,本发明可应用于环形和非环形结构。非环形结构的一个实例是机翼的弯曲翼梁。机翼的翼梁通常包括中心主体和两个侧凸缘。应当理解,关于预成形件的区域的厚度可涉及预成形件的区域上的平均厚度。例如,当预成形件的区域的厚度沿着其长度变化时,应该认为表述“厚度”定义相应区域上的平均厚度。应当理解,在成形操作期间,主体部分和凸缘成形中的任一个可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以相对于凸缘成形部分移动,并且因此可以在凸缘成形部分上拉伸预成形件。虽然已经参考自动铺带(ATL)描述了本发明的实施例,但是应当理解,可以使用其他的铺叠过程,例如自动光纤铺放(AFP),自动长丝缠绕(automaticfilamentwinding)和手动铺叠。...
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