用于固化复合零件的形状变形工具系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开总体涉及复合材料制造并且更特别地，涉及在复合材料制品的固化期间控制热诱导形状变形。
【背景技术】
[0002]由于复合材料具有优秀的硬度和强度属性以及抗腐蚀性，所以许多直升机和其他旋翼飞机的主旋翼叶片是由复合材料制作的。这种高硬度和强度属性为处于直升机的高振动环境中的旋翼叶片提供了增加的疲劳寿命。此外，复合材料提供了一种手段以便对沿旋翼叶片的跨度的不同位置处的质量和硬度特性进行调适，以便优化旋翼叶片的气动弹性性倉泛。
[0003]在这方面，主旋翼叶片可以用被定位在旋翼叶片的翼型形状内的不同位置的不同类型的材料构造，以实现具体的结构硬度和平衡特性。不同的材料也可以被定位在沿翼型形状的具体位置处，或者材料厚度可以沿着长度变化以便为旋翼叶片提供可操作的耐用性。例如，金属蒙皮可以被包含在旋翼叶片的复合翼梁的前缘上，以便为旋翼叶片提供侵蚀耐久性。
[0004]在旋翼叶片内用于不同组件的不同类型的材料的使用可以导致不相似材料的热膨胀特性的失衡。例如，金属蒙皮可以具有比复合翼梁的热膨胀系数更高的热膨胀系数。金属蒙皮可以以固化工具内提高的固化温度被粘合地接合到复合翼梁。金属蒙皮和复合翼梁的不同的热膨胀系数可以导致金属蒙皮沿着纵长方向收缩大于复合翼梁的收缩程度。因为在粘合固化期间发生的交叉接合，刚性接合线在金属蒙皮和复合翼梁之间形成。从固化温度冷却下来后，刚性粘结线导致了金属蒙皮和复合翼梁间的应力累积，其可以导致形状变形，例如已固化翼梁组件内的弯曲。
[0005]在旋翼叶片的制造期间使形状变形最小化的常规途径包含使用固化工具，其被设计为具有高刚性，和/或其具有低热膨胀系数以便在固化周期期间使变形最小，从而试图将旋翼叶片维持在期望(如，笔直的)形状。在尝试将旋翼叶片组件锁定在期望的笔直状态的过程中，复杂的保持特征也可以被并入子组装件零件以及随后的固化工具内。不幸的是，常规途径不能恰当地解决由于固化后不相似材料关于热收缩性的失衡而导致的在复合旋翼叶片内发生的形状变形(如，弯曲)。已固化复合子组装件内的这种形状变形可以在将已固化子组装件装配到随后的固化工具的过程中提出挑战并且危害最终零件的集成度。
[0006]如能够看到的，在本领域内存在对用于最小化或消除由不相似材料组成的已固化复合制品的形状变形的系统和方法的需要。
【发明内容】
[0007]与复合结构内热诱导的形状变形相关联的上文指出的需要具体地通过本公开而被解决和缓解，本公开提供了一种具有固化工具和偏压元件的工具系统。固化工具具有固化工具热膨胀系数(CTE)并且可以被配置为固化由具有不相似组件CTE的两个或多个组件形成的复合制品。偏压元件可以被固定地附连到固化工具并且具有可以不同于固化工具CTE的偏压元件CTE。偏压元件可以被配置为使得当受热时固化工具CTE和偏压元件CTE的结合导致热位移进入固化工具的变形形状内。复合制品可以被固化为变形形状，使得当冷却时，已固化复合制品可以基本呈现出设计的形状。
[0008]在进一步的实施例中，公开了一种工具系统，其包括具有固化工具热膨胀系数(CTE)并且可以被配置为固化由具有不相似组件CTE的两个或多个组件形成的复合制品的固化工具。工具系统可以进一步包含可以被固定地附连到固化工具的偏压元件。偏压元件可以具有不同于固化工具CTE的偏压元件CTE。偏压元件可以被配置为使得当被加热到固化温度时，固化工具CTE和偏压元件CTE的结合导致固化工具内的热位移，并且复合制品被固化成变形形状，使得当冷却到环境温度时，固化复合制品在不被约束的情况下基本上呈现出设计的形状。偏压元件可以在固化工具上的某位置处被固定地附连到固化工具，从而使热位移与被固化在无偏压固化工具上的已固化复合制品的冷却位移在方向上基本相反。
[0009]还公开了一种制造复合制品的方法，该方法可以包含提供固化工具，该固化工具具有被固定地附连到其上的偏压元件。固化工具具有固化工具热膨胀系数(CTE)。偏压元件可以具有不同于固化工具CTE的偏压元件CTE。该方法可以包含将复合制品加载在固化工具上。复合制品可以由具有不相似组件CTE的组件构成。该方法可以包含将复合制品和固化工具加热到固化温度。该方法可以额外地包含由于固化工具CTE和偏压元件CTE的差异而响应于将固化工具的温度提高到固化温度，将固化工具变形成变形形状。该方法也可以包含将复合制品固化成变形形状，并且然后冷却已固化复合制品，从而使已固化复合制品从变形形状改变形状为设计的形状。
[0010]已经论述的特征、功能以及优点能够在本公开的不同实施例中被独立实现，或者可以在又一些其他的实施例中结合，其更多细节通过参考之后的描述和以下附图能够被获知。
【附图说明】
[0011]通过参考附图，本公开的这些和其他的特征将变得更加明显，其中全文相同标号指相同的零件，并且其中:
[0012]图1是旋翼叶片的翼梁组装件的透视图，所述旋翼叶片包括预固化复合D翼梁和被接合到D翼梁的金属侵蚀带，并且其中D翼梁和金属侵蚀带可以具有不相似的热膨胀系数(CTE)；
[0013]图2是工具系统的一个实施例的透视图，所述工具系统可以被实施用于将金属带接合到D翼梁前缘以形成图1中说明的翼梁组装件；
[0014]图3是工具系统的侧视图，其说明了固化工具被支撑在支撑框架上并且进一步说明了偏压元件被固定地附连到固化工具的工具基座的下侧，并且其中偏压元件的热膨胀系数(CTE)不同于固化工具CTE ；
[0015]图4是沿图3中的线4获得的工具系统的横截面视图，并且说明了偏压元件被附连到工具基座的下侧，并且进一步说明了被加载在由工具基座和工具盖限定的固化工具腔内的金属侵蚀带和复合D翼梁；
[0016]图5是固化工具的透视图，所述固化工具具有被安装到工具基座的上侧的工具盖并且偏压元件被固定地附连到工具基座的下侧；
[0017]图6是固化工具、偏压元件以及翼梁组装件的分解透视图并且其说明了可以被加载到固化工具内的金属侵蚀带和D翼梁；
[0018]图7是包含工具盖、固化工具、偏压元件的工具系统的分解横截面图，并且其进一步说明了可以使用固化工具而接合到D翼梁的翼梁组装件；
[0019]图8是缺少偏压元件的无偏压工具系统的分解侧视图；
[0020]图8A是包含工具盖和工具基座而无偏压元件的无偏压工具系统的分解横截面图；
[0021]图9是图8中的无偏压工具系统处于组装状态的侧视图；
[0022]图9A是图9的无偏压工具系统的横截面图；
[0023]图10是被固化在无偏压工具系统内的翼梁组装件的侧视图并且说明了由于复合D翼梁和金属侵蚀带的不相似的热膨胀系数而发生在翼梁组装件内的具有沿翼展方向的弯曲形式的冷却位移；
[0024]图11是根据本文公开的工具系统的一个实施例的分解侧视图，所述工具系统具有被固定地附连到工具基座的下侧的偏压元件；
[0025]图1lA是图11的工具系统的分解侧视图；
[0026]图12是在图11-11A的工具系统内正被固化的翼梁组装件的侧视图并且说明了当被加热到固化温度时由于偏压元件CTE和固化工具CTE之间的差异而导致的并且引起翼梁组装件被固化成变形(如，弯曲)形状的固化工具内的热位移；
[0027]图13是从固化温度冷却下来后被从工具系统中去除的翼梁组装件的侧视图，并且使得翼梁组装件呈现出沿翼展方向基本笔直或无弯曲的形状；以及
[0028]图14是说明了可以被包含在制造复合制品的方法内的一个或多个操作的流程图。
【具体实施方式】
[0029]现在参考附图，其中的显示内容是出于说明本公开的优选且不同实施例的目的，图1中所显示的是用于(例如用于直升机的)旋翼叶片190的翼梁组装件202的透视图。翼梁组装件202包括复合制品170，其包含具有不同的组件热膨胀系数(CTE) 176的至少两个组件174。在这方面，翼梁组装件202可以包含复合组件174，其包括从旋翼叶片190的根部192延伸到尖端194的复合D翼梁204，并且复合D翼梁204可以具有后掠尖端部分196。复合D翼梁204可以被形成为具有复合叠层热膨胀系数(CTE) 180的纤维增强材料复合叠层178。翼梁组装件202可以进一步包含金属组件182，其包括具有金属组件CTE 184的金属带186。金属带186可以升高的固化温度被粘连地接合到复合D翼梁204的前缘200。尽管金属带186被显示为从根部192延伸到后掠尖端部分196，但是主旋翼叶片190可以被构造为使得金属带186可以终止在任何位置，例如在尖端194处。
[0030]图2说明了工具系统100的一个实施例，所述工具系统100可以有利地被用于制造复合制品170(例如图1中说明的翼梁组装件202)的制造过程中而没有已固化复合制品172(图1)中的显著的形状变形。例如，图2中的工具系统100可以被用于固化粘合剂188 (图1)，以便在升高的固化温度下将金属带186 (图1)接合到复合D翼梁204。但是，如在此公开的工具系统100可以被配置为制造具有各种不同尺寸、形状以及配置中的任何一种(但不作为限制)的复合制品170，并且不限于制造旋翼叶片190的翼梁组装件202 (图1)。
[0031]而且，在此公开的工具系统100和方法不限于固化用于接合不相似的组件174的粘合剂188 (图1)。在这方面，在此公开的工具系统100可以被实施以用于由具有不相似组件CTE 176的两个或多个组件174 (如，材料)组成的任何类型的复合制品170的任何类型的升高温度的处理。例如，工具系统100和方法可以被实施以用于固化包含至少一个未固化复合叠层178 (图1)的复合制品170和/或用于在接合具有不相似组件CTE 176的两个组件174的接合操作过程中固化粘合剂188。工具系统100也可以被实施以用于在升高处理温度下的共同固化操作和/或共同接合操作，或用于复合制品170中的在升高处理温度下的任何其他类型的操作，所述复合制品170包括具有不同组件CTE 176的至少两个组件174。
[0032]例如