专利名称：用于长丝绕制复合壳体的泡沫心轴的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于成形长丝绕制复合壳体造型的一种心轴。
长丝绕制复合壳体应用在许多不同的领域，如压力容器、汽油箱和火箭发动机壳体。一般地，这样的壳体是自撑式的，在一端或两端有相对较小通孔的柱状结构。这种壳体的制造是通过在心轴周围绕制一种或多种长丝或纤维，这样就可以赋予壳体以所需的形状并在制造过程中支撑壳体。纤维可以用可熟化树脂预浸渍或者在绕制过程中或之后用可熟化树脂浸渍。绕制工序完成以后，在心轴还在其位置的时候熟化树脂以形成熟化的复合壳体。然后将心轴从壳体中除去从而在壳体内形成一个空的内部空间。
多年来，使用过几种不同类型的心轴来生产长丝绕制复合壳体。一种类型的心轴包括一种型砂和粘结剂如聚乙烯醇的混合物，常常制在一种丝网结构上。粘结剂熟化后，把心轴加工成所需的尺寸，这种心轴是尺寸稳定的且能够用在上述的绕制过程中。绕制后，用溶剂如水进行冲洗以溶解粘结剂，使心轴粉碎，把湿沙从壳体内除去，通过这样的方法将心轴从熟化的壳体中除去。尽管这种类型的心轴成功地应用在许多领域特别是在需要经常变化设计的原型样领域中，但是把心轴从熟化的复合壳体中除去比较困难。另外，随着所用的溶解粘结剂的溶剂的不同，该方法中所产生的废物可能需要特殊处理。
另一种普通类型的心轴包括许多小的、精确加工的金属片，这些金属片配合在一起可以形成所需的形状。这种类型的心轴本身可重复使用，但是生产成本较高且很难装配。在熟化的复合壳体内限定的空间中拆卸这种类型的心轴甚至比沙子和粘结剂类型的心轴还要困难。另外，这种类型的心轴不太适合应用在需要经常变化设计的领域。
因此，工业上所需要的心轴是在合理的成本下易于形成所需的形状、易于处置并且能够快速地从成品壳体中除去。
本发明所涉及的心轴是在合理的成本下易于形成所需的形状、易于处置并且能够快速地从成品壳体中除去。
本发明一方面包括一种制造长丝绕制复合壳体的方法。所提供的心轴具有所需形状的外表面且包含易碎的泡沫材料。在心轴外表面周围绕制一种或多种长丝以形成至少有一个通孔的未熟化壳体，熟化这种壳体形成熟化的复合壳体。通过将心轴破碎成许多易于除去的碎片以此把心轴基本上全部从复合壳体中除去的方法把心轴和复合壳体相分离。通过通孔把心轴碎片从复合壳体中除去。
本发明另一方面包括一种心轴，它包含易碎的泡沫材料，适用于形成其外表面为所需形状的长丝绕制复合壳体。
本发明的这些特点和其它特点及其优点在下面的说明书和附图中将变得更为明显。
图1示出本发明的整体式泡沫心轴。
图2示出本发明的分段式泡沫心轴。
图3示出安装在绕线设备上的本发明的心轴。
图4示出一个置于本发明心轴的空心里的压力气囊。
图5示出一个置于本发明心轴的外表面周围的气囊。
图6示出一个嵌入本发明的心轴内的丝网。
图7示出一个置于本发明心轴的外表面周围的丝网。
如图1所示，本发明的泡沫心轴2具有和将要用其形成的复合壳体的所需形状相一致的外表面4并且可以具有限定一个任选的空心8的内表面6。心轴2可以是整体式的，也可以如图2所示包括许多分段10。
本发明的泡沫心轴2可以是由任一泡沫材料所制成，这种泡沫材料在经受到纤维绕制或熟化操作期间加到其上的压力时是尺寸稳定的，而在经受到为破碎心轴而设定的压力时是易碎的。在本申请的文本中，术语“易碎的”的意思是能够破碎成易于除去的碎片。易于除去的碎片优选为具有的最大尺寸是大约1英寸(2.5cm)，最优选的可以是粒状的或粉末状的。例如，在绕制和熟化过程中，这种泡沫材料在经受到压力高达大约每平方英寸100磅(psi)(690kPa)时应当是尺寸稳定的。优选地是，在绕制和熟化过程中，这种泡沫材料在经受到压力高达大约190psi(1310kPa)时是尺寸稳定的。但是，这种泡沫材料在经受到大约200psi(1380kPa)或更大压力时应当是易碎的。优选地是，这种泡沫材料在经受到高达大约300psi(2070kPa)的压力时是易碎的。
在泡沫材料中，酚醛泡沫具有所需的性能。酚醛泡沫可从多种不同的地方买到，包括American Foam Products(Painsville，Ohio)和Jiffy Foam，Inc.(Newport，Rhode Island)。一种可从Jiffy Foam，Inc.得到的优选泡沫是通过将一种酚醛树脂和脲和一种异氰酸酯反应而得到的。不论特定的泡沫组成如何，这种泡沫都优选为是由不受到限制的发泡剂如水所形成的，这样可以减小对环境的影响。
可以用任一方便的方法或方法的组合把选择好的泡沫材料形成所需的形状。例如，可以用传统技术把液体泡沫浇铸到模具里将泡沫材料浇铸成网状或近似网状。如果所需形状的特定细节部分铸模不方便，例如内表面6，可以把它们加工成近似网状的铸件。可替代的方式是，整个心轴2是由一大块泡沫材料加工而成。运种方法可能特别适用于原型样领域，这样就省去了浇铸用模具的生产成本。为了能够达到所需的尺寸稳定性，泡沫的密度应当至少为大约10lbs/ft3(0.16g/cm3)并且如上所述，在绕制和熟化过程中，经受到高达100psi(690kPa)的压力时应当是尺寸稳定的。优选地是，泡沫的密度为至少大约10lbs/ft3(0.16g/cm3)并且在绕制和熟化过程中，经受到高达大约190psi(1310kPa)的压力时是尺寸稳定的。
心轴2形成所需的形状后，可以如图3所示把它安装在绕线设备12里。可在心轴2里选择性地使用脱模剂，这样可在绕制和熟化后更加容易地除去心轴2。合适的脱模剂包括聚四氟乙烯、其它含氟化合物及树脂基配合物，所有这些都可由Mclube division of McGee Industries，Inc(Aston，Pennsylvania)大量供应。然后在心轴2上绕制所需的复合壳体14，一般地，至少形成一个通孔16，接着从绕线设备12上取下来，使用传统技术进行熟化。
本发明的心轴2适用于许多不同的长丝18、绕制技术、可熟化树脂和养护期。合适的长丝包括碳纤维、玻璃纤维和Kevlar(即聚(对亚苯基-对苯二甲酰胺))纤维，这些可由厂家如Hercules，Inc.(Wilmington，Delaware)、Owens Corning(Toledo，Ohio)及E.I.Du Pont De Nemours andCompany(Wilmington，Delaware)大量供应。正如本领域所熟知的那样，长丝可以用可熟化树脂预浸渍或者在绕制过程中或之后用可熟化树脂浸渍。合适的树脂包括胺和酸酐熟化的环氧树脂，这些可由厂家如Dow ChemicalCompany(Midland，Michigan)及Shell Chemical Company(Houston，Texas)大量供应。本发明的泡沫心轴2适用于所有传统的养护期，例如可将心轴2暴露于温度高达大约350°F(160℃)、压力高达大约100psi(690kPa)下。
熟化后，通过将心轴2破碎成易于除去的碎片并将易于除去的碎片除去的方法把心轴2和复合壳体14相分离。易于除去的碎片优选为具有的最大尺寸是大约1inch(2.5cm)，最优选的是粒状或几乎是粉末状的。可以用任何方便的破碎方法破碎心轴2，如图4所示的可膨胀的压力气囊20，其可插入心轴的空心8里并膨胀以传递足够的压力来破碎心轴2且提供了易于除去和盛放心轴碎片的运载工具。可替代的是，如图5所示的可收缩的气囊22，其在绕制操作之前已装配在心轴的外表面4上，使其收缩以传递足够的压力来破碎心轴2。还有一种可供选择的破碎方法是切割法，例如一个嵌在心轴2里的丝网24，用足够的力可以将其拉出以把心轴2破碎或切割成易于除去的碎片。丝网24可由任一具有适当抗张强度例如至少大约300,000psi(2MPa)的材料制成，以能够传递所需的力。优选地是，用于制造丝网24的丝的直径不大于大约0.040英寸(0.1cm)以减少将丝网拉过泡沫心轴2的阻力。还有另外一种替代方式是将丝网24环绕在心轴的外表面4上，用足够的力拉以把心轴2破碎或切割成易于除去的碎片。
可以不用破碎的方法把心轴2与复合壳体14分离，把心轴2冷却到大约-10°F(-23℃)以下，用磨粒流冲击心轴。可以用干冰喷吹清理法以相似的射流(vein)冲击心轴2使之破碎，以足够的力使干冰粒子冲击泡沫心轴2从而使心轴2破碎成易于除去的碎片。干冰喷吹清理设备可由Cold Jet，Inc.(Loveland，Ohio)大量供应，干冰粒子可具有的最大尺寸是大约0.25英寸(0.6cm)。
心轴2破碎成易于除去的碎片后，通过复合壳体14上的通孔16或类似的孔将易于除去的碎片(未示出)从复合壳体14中除去。
本发明的泡沫心轴2与现有技术相比有几个优点。例如，相对来说它比较便宜且易于制成不同的尺寸和形状。尤其是，心轴2在开始制成后如果需要支撑特殊工艺时可以重新制成另外的形状。另外，心轴2可以作为整体制成，这样就不需要象分段金属心轴那样把许多小的精确加工的部件精确地装配起来。再则，泡沫心轴2比金属心轴轻许多，从而导致更大的结构刚度，泡沫心轴由于重量而产生较小的偏差并且更易处置。
权利要求
1.一种制造长丝绕制复合壳体的方法，包括以下步骤a.提供具有所需形状的外表面的心轴，其中心轴包含易碎的泡沫材料；b.在心轴外表面周围绕制一种或多种长丝以形成至少有一个通孔的未熟化壳体；c.熟化这种壳体形成熟化的复合壳体；d.通过将心轴破碎成许多易于除去的碎片从而将基本上全部的心轴从复合壳体中除去的方法把心轴和复合壳体相分离；和e.通过通孔把易于除去的碎片从复合壳体中除去。
2.权利要求1的方法，其中心轴是整体式的。
3.权利要求1的方法，其中心轴包括许多分段，每一段都具有所需形状的外表面。
4.权利要求1的方法，其中易碎的泡沫材料包括酚醛泡沫。
5.权利要求1的方法，其中易碎的泡沫的密度至少为大约0.16g/cm3，在绕制和熟化步骤中，经受到高达大约690kPa的压力时是尺寸稳定的且在经受到大于大约1380kPa的压力时是易碎的。
6.权利要求1的方法，其中心轴具有限定一个空心的内表面，通过用足够的力将一个置于空心里的可膨胀的压力气囊膨胀把心轴破碎成易于除去的碎片的方法将心轴破碎成易于除去的碎片。
7.权利要求1的方法，其中心轴具有限定一个空心的内表面，心轴的外表面包括置于易碎的泡沫材料周围的可收缩气囊，通过用足够的力使气囊收缩把心轴破碎成易于除去的碎片的方法将心轴破碎成易于除去的碎片。
8.权利要求1的方法，其中通过切割心轴的方法将心轴破碎成易于除去的碎片。
9.权利要求1的方法，其中通过用冷冻粒子流冲击心轴的方法将心轴破碎成易于除去的碎片。
10.权利要求1的方法，其中通过把心轴急冷并用磨粒冲击心轴的方法将心轴破碎成易于除去的碎片。
11.一种用于形成具有所需形状的外表面的长丝绕制复合壳体的心轴，包含易碎的泡沫材料。
12.权利要求11的心轴，进一步包括限定空心的内表面。
13.权利要求11的心轴，其中易碎的泡沫材料包括酚醛泡沫。
14.权利要求11的心轴，其中易碎的泡沫的密度至少为大约0.16g/cm3，在绕制和熟化步骤中，经受到高达大约690kPa的压力时是尺寸稳定的且在经受到大于大约1380kPa的压力时是易碎的。
15.权利要求11的心轴，进一步包括一个置于空心里的可膨胀的压力气囊。
16.权利要求11的心轴，进一步包括一个置于外表面上的可收缩气囊。
17.权利要求11的心轴，其中一个丝网嵌在心轴里。
18.权利要求11的心轴，进一步包括一个置于外表面上的丝网。
全文摘要
一种长丝绕制复合壳体可以这样制造,提供具有所需形状的外表面的心轴且包含易碎的泡沫材料。在心轴外表面周围绕制一种或多种长丝以形成至少有一个通孔的未熟化壳体,熟化这种壳体形成熟化的复合壳体。通过将心轴破碎成易于除去的碎片从而把心轴基本上全部从复合壳体中除去的方法把心轴和复合壳体相分离。通过通孔把心轴碎片从复合壳体中除去。
文档编号B29C33/48GK1260265SQ9912586
公开日2000年7月19日 申请日期1999年12月7日 优先权日1998年12月15日
发明者福里斯特·R·古德森, 唐纳德·L·科纳莱斯伯罗, 弗兰克·S·英曼 申请人:联合工艺公司