用于热塑性复合管的感应加热和弯曲的设备及其使用方法与流程

本发明涉及热塑性管的弯曲，并且更具体而言，涉及用于热塑性复合管的感应加热和弯曲的设备和方法。

背景技术：

飞行器构件和飞行器发动机需要轻质零件，以便为有效的。用于燃料流和用于气体流的管道常规地由金属材料形成。将较轻质的热塑性材料代替由金属材料形成的管道可导致较轻质且更有效的发动机和飞行器构件。然而，常规热塑性材料不具有用于此类应用的适合的强度特性。纤维增强复合管可用于一些专门应用，其需要比标准热塑性塑料中可得到的更高的强度。然而，制造适合于飞行器构件和飞行器发动机的、具有弯曲部和匝的纤维增强管的常规方法为复杂且昂贵的。

技术实现要素：

该需要由用于使利用纤维增强的热塑性复合管形成为具有一个或更多个弯曲部的形状的设备和方法解决。该方法使用感应加热来在使管道弯曲之前以受控方式使预定长度的管道软化。

一种用于使复合管弯曲的设备包括感应线圈。感应线圈包括多匝，以及沿着感应线圈的长度变化至少一次的匝间间距。存在定位在感应线圈附近的加热元件，并且感应线圈构造成引起加热元件升高温度。

一种用于使用感应线圈和加热元件来加热复合管用于弯曲而使复合管弯曲的方法。该方法包括以下步骤：将复合管定位成使得复合管的至少一部分定位在加热元件附近；将电流施加于感应线圈；使加热元件加热；使复合管的工作区域w加热；将工作区域w定位成使得其在模具与夹具之间；使弯曲装置闭合成使得工作区域w捕获在模具与夹具之间，并且复合管围绕模具弯曲，形成弯曲部。

技术方案1.一种用于使复合管弯曲的设备，所述设备包括：

感应线圈，其包括多匝，以及沿着所述感应线圈的长度变化至少一次的匝间间距；

加热元件，其定位在所述感应线圈附近；并且

其中所述感应线圈构造成引起所述加热元件升高温度。

技术方案2.根据技术方案1所述的用于弯曲的设备，其特征在于，所述加热元件至少部分地定位在所述感应线圈内。

技术方案3.根据技术方案2所述的用于弯曲的设备，其特征在于，所述感应线圈包括第一区，其包括以第一匝间间距定位的多匝；

第二区，其包括以第二匝间间距定位的多匝；并且

其中所述第一匝间间距不同于第二匝间间距。

技术方案4.根据技术方案3所述的用于弯曲的设备，其特征在于，所述感应线圈包括第三区，并且所述第三区包括以第三匝间间距定位的多匝；并且

其中所述第三匝间间距不同于所述第二匝间间距。

技术方案5.根据技术方案4所述的用于弯曲的设备，其特征在于，所述第一匝间间距小于第二匝间间距，其小于第三匝间间距。

技术方案6.根据技术方案1所述的用于弯曲的设备，其特征在于，所述用于弯曲的设备还包括弯曲装置。

技术方案7.根据技术方案6所述的用于弯曲的设备，其特征在于，所述加热元件为刚性心轴。

技术方案8.根据技术方案7所述的用于弯曲的设备，其特征在于，所述用于弯曲的设备包括柔性心轴，其构造成从所述刚性心轴接收所述复合管。

技术方案9.根据技术方案8所述的用于弯曲的设备，其特征在于，所述柔性心轴延伸到所述弯曲装置中。

技术方案10.根据技术方案9所述的用于弯曲的设备，其特征在于，所述弯曲装置包括模具和夹具。

技术方案11.根据技术方案1所述的用于弯曲的设备，其特征在于，所述加热元件为套筒。

技术方案12.一种用于使用感应线圈和加热元件来加热复合管用于弯曲而使复合管弯曲的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述复合管定位成使得所述复合管的至少一部分定位在所述加热元件附近；

将电流施加于所述感应线圈；

使所述加热元件加热；

使所述复合管的工作区域w加热；

将所述工作区域w定位成使得其在所述模具与所述夹具之间；

使弯曲装置闭合成使得工作区域w捕获在所述模具与所述夹具之间，并且所述复合管围绕所述模具弯曲，形成弯曲部。

技术方案13.根据技术方案12所述的用于使复合管弯曲的方法，其特征在于，所述用于使复合管弯曲的方法还包括以下步骤：

将刚性心轴定位在所述复合管内。

技术方案14.根据技术方案13所述的用于使复合管弯曲的方法，其特征在于，所述用于使复合管弯曲的方法还包括以下步骤：将所述套筒定位成使得其包绕所述复合管的一部分。

技术方案15.根据技术方案所述的用于使复合管弯曲的方法，其特征在于，所述用于使复合管弯曲的方法还包括以下步骤：将所述复合管定位成使得在其中具有所述刚性心轴的所述复合管的至少一部分定位在所述感应线圈内。

技术方案16.根据技术方案所述的用于使复合管弯曲的方法，其特征在于，所述用于使复合管弯曲的方法还包括以下步骤：将所述复合管定位成使得工作区域w的至少一部分在所述柔性心轴上。

技术方案17.根据技术方案所述的用于使复合管弯曲的方法，其特征在于，所述用于使复合管弯曲的方法还包括形成所述复合管中的第二弯曲部的步骤。

技术方案18.一种用于使复合管弯曲的设备，所述设备包括：

弯曲装置；

感应线圈；

加热元件，其定位在所述感应线圈附件；并且

其中所述感应线圈构造成引起所述加热元件升高温度。

技术方案19.根据技术方案18所述的用于弯曲的设备，其特征在于，所述感应线圈包括第一区，其包括以第一匝间间距定位的多匝；

第二区，其包括以第二匝间间距定位的多匝；并且

其中所述第一匝间间距不同于第二匝间间距。

技术方案20.根据技术方案19所述的用于弯曲的设备，其特征在于，所述感应线圈包括第三区，并且所述第三区包括以第三匝间间距定位的多匝；并且

其中所述第三匝间间距不同于所述第二匝间间距。

附图说明

本发明可通过参照连同附图进行的以下描述最佳地理解，在该附图中：

图1为用于热塑性管的感应加热和弯曲的设备的局部剖面侧视图；

图2为用于热塑性管的感应加热和弯曲的设备的局部剖面侧视图，示出了具有一个弯曲部的复合管；

图3为用于热塑性管的感应加热和弯曲的设备的局部剖面侧视图，示出了定位成使得第二弯曲部可形成在其中的具有一个弯曲部的复合管；

图4为用于热塑性管的感应加热和弯曲的设备的局部剖面侧视图，示出了具有形成在其中的两个弯曲部的复合管；以及

图5为将常规感应线圈与根据本发明的感应线圈比较的、示出用于4个不同感应线圈的假设温度廓线的曲线图。

部件列表

s电源

g电气接地

10复合管弯曲设备

12直复合管

22刚性心轴

24柔性心轴

26套筒

40感应线圈

41多个线圈

42第一区

44第二区

46第三区

60弯曲装置

62砧

64锤

66液压缸

68液压轴。

具体实施方式

参照附图，其中同样的附图标记遍及各个视图表示相同的元件，图1示出在管12通过感应加热而加热并且弯曲部80在复合管12中产生之前定位在弯曲设备10内的复合管12。如本文中使用的，用语“感应加热”是指由电磁感应通过由涡流在材料中生成的热加热导电材料的过程。

复合管12为大体上圆柱形的，并且包括定位在聚合物基质内的纤维。根据示出的实施例，纤维为碳纤维并且构造成增强聚合物基质。经由实例而非限制，用于纤维的材料可选自以下中的一种：碳、玻璃、聚合物、玄武岩、石英、金属，以及它们的组合。纤维围绕复合管12周向地定向。经由实例而非限制，纤维可以以下列形式中的一种定向：编织、交织、呈带形式、以54°定位，以及它们的组合。聚合物基质优选为聚醚醚酮(peek)。经由实例而非限制，用于用作基质的其它适合的热塑性塑料包括：聚苯砜(ppsu)、聚苯硫醚(pps)、聚醚酰亚胺(pei)、尼龙、聚酯、聚丙烯，以及它们的组合。复合管12的尺寸可如下：优选地，最大直径为大约1.5英寸；并且更优选地，最大直径为大约四分之三英寸；并且甚至更优选地，二分之一英寸；并且甚至更优选地，四分之一英寸。应当认识到的是，最大直径可大于1.5英寸。

设备10包括刚性心轴22，其构造成在复合管12加热的同时支承复合管12。如图1中示出的，复合管12的至少一部分围绕刚性心轴22定位。刚性心轴22构造成支承复合管12。在示出的实施例中，刚性心轴22由金属材料形成。刚性心轴22可由传导材料形成或者包括传导材料，使得刚性心轴22可通过感应加热来加热。在其它实施例中，刚性心轴22可由非传导材料(如陶瓷)形成，如将在下面进一步论述的。

刚性心轴22的至少一部分以及包绕刚性心轴22的复合管12的至少一部分定位在感应线圈40内。定位在感应线圈40内的复合管12的部分在弯曲过程开始时限定工作区域w，如将在下面进一步描述的。换种方式说，工作区域w为复合管12的将由感应线圈40加热并且随后弯曲的区域。

如图1中示出的，套筒26围绕复合管12的工作区域w定位。套筒26能够操作成向复合管12提供外部支承，使得复合管12的形状和构造被大体上保持，同时复合管12定位在感应线圈40内。根据示出的实施例，套筒26为非传导的，并且因此不构造成在感应线圈40的操作期间提供热。经由实例而非限制，套筒26由以下中的一种形成：陶瓷、氧化铝、二氧化硅、硅酸铝、氮化物、碳化物、瓷器、耐火材料、玻璃、硼硅酸盐，以及它们的组合。

刚性心轴22和套筒26均构造成确保复合管12在中心。如本文中使用的，用语“在中心”是指复合管12在感应线圈40内的位置，并且其中电磁场由感应线圈40生成。

如以上指示的，刚性心轴22优选由金属形成，并且套筒26优选由陶瓷形成。然而，经由实例而非限制，在备选实施例中，刚性心轴22和套筒26中的任一个或两者可由以下中的一种形成：金属、金属材料、传导材料、包含足够传导材料以能够操作成在感应加热期间提供热的非传导材料，以及它们的组合。应当认识到的是，刚性心轴22和套筒26两者由能够在整个加热过程中将其形状保持成足以支承管12的材料形成。

套筒26、刚性心轴22以及管12中的至少一个必须构造成能够操作成在感应加热期间由感应线圈40加热。在这点上，这些结构中的至少一个能够操作为加热元件，并且定位在感应线圈40的有效区域内。在一些实施例中，仅刚性心轴22用于支承复合管12并且将热提供至复合管12的工作区域w。在其它实施例中，仅套筒26用于支承复合管12并且将热提供至复合管12的工作区域w。

在一些实施例中，感应线圈40定位在限定在刚性心轴22内的凹穴或凹部内。在一些实施例中，感应线圈40可定位在复合管12内，使得定位在复合管12外侧的套筒26构造成由感应线圈40加热，因此加热复合管12。

在另一实施例中，复合管12构造成操作为加热元件。在此类实施例中，复合物中的纤维构造成导电的，如碳或金属。因此，复合管12可作为加热元件直接地加热，而不利用刚性管22或套筒26作为加热元件。在此类实施例中，刚性管22和套筒26两者可为陶瓷或另一非传导材料。

感应线圈40构造成电连接于电源s和电气接地g。感应线圈40构造成使得在电流从电源s穿过其至接地g时，热在刚性心轴22内生成，如将在下面关于设备10的操作进一步描述的。

继续参照图1，感应线圈40包括多个线圈或匝41，其分组成第一区42、第二区44以及第三区46。根据示出的实施例，各个区包括相同数量的匝41。因此，感应线圈40内的匝41的总数为各个区中的匝41的数量的3倍。如图1中示出的，匝间间距在各个区内为恒定的。如本文中使用的，用语“匝间间距”是指感应线圈40内的任何两个相邻匝41之间的距离。如图1中示出的，第一区42的匝间间距不同于相邻的第二区44的匝间间距。第一区42内和第三区46内的线圈41的匝间间距为相同的。

应当认识到的是，可在区中存在仅单个匝，并且可存在任何数量的区。以该方式，感应线圈可形成为通过选择区的数量、区内的匝间间距以及区之间的间距来生成预定的温度廓线。

选择区之间的间距和区内的线圈41的间距允许其使感应功率密度成形，并且由此使由感应线圈40赋予在复合管12上的温度廓线成形。如图5中示出的，感应线圈40的构造可影响温度廓线。相信的是，温度廓线越平坦，复合管12将对弯曲作出更一致的响应。因此，较平坦的温度廓线为合乎需要的。此外，当温度廓线为较平坦且较长的时，较容易的是，将复合管12的一定长度的工作区域w保持在可接受的温度范围内。

为了提供关于复合管12的区段的相对平坦的温度廓线，如在图5中由曲线a示出的，在热沿两个轴向方向远离工作区域w自由地传导的情况下，匝间间距应当为对称的，其中最大的匝间间距发生在中间区或多个区中。如在图5中由曲线b和c示出的，第一区42、第二区44以及第三区46内的线圈41的匝间间距的调节提供不同的温度廓线。图5中示出的曲线d代表由具有遍及感应线圈的长度的一致匝间间距的感应线圈提供的加热廓线。大体上平坦的温度廓线的长度优选为待弯曲的管12的直径的至少两倍。

根据假设的实例，感应线圈40可构造成如下：区的数量为3，各个区中的匝的数量为5。第一区中的匝间间距为0.05英寸。第二区中的匝间间距为0.10英寸。第三区中的匝间间距为0.05英寸。根据该实例，5匝的第一区具有0.25”的长度(总长度的25％)，5匝的第二区具有0.5”的长度(总长度的50％)，并且5匝的最后区具有0.25”的长度(总长度的25％)。此类构造将提供如由曲线a指示的相对平坦的热廓线。

根据另一假设的实例，线圈设计可构造成使得匝间间距横跨区为非对称的。此类构造可在导热性质使得热大体上限制于沿远离工作区域w的仅一个方向轴向地传导时，为有用的。因此，线圈设计可包括均具有五匝的三个区。第一区中的匝间间距可为0.04英寸，并且第二区中的匝间间距可为0.06英寸，并且第三区中的匝间间距可为0.1英寸。该示例性实施例给出了具有1”总长度、3个区以及15匝的线圈，其中前5匝占据总长度的前20％，接下来的5匝占据总长度的接下来的30％，并且最后5匝占据线圈的最后50％。应当认识到的是，专用感应加热线圈可利用通过改变区的数量、区内的匝的数量、匝间间距以及区之间的间距来设计。因此，预定的温度廓线可取决于热边界条件利用感应线圈40实现。

再次参照图1，弯曲设备60定位在感应线圈40附近。弯曲设备60包括模具62和夹具64。夹具64由液压轴68连接于液压缸66。液压缸66和液压轴68构造成协作地接合，使得液压缸66和液压轴68可由液压功率源操作，使得液压轴68可从液压缸66延伸并且缩回到其中。以该方式，夹具64和模具62可关于彼此移动。

应当注意的是，弯曲设备60构造成被加热。弯曲设备60大体上正好在工作区域w离开感应线圈40之后加热至接近复合管12的工作区域w的温度的温度。应当认识到的是，弯曲设备60的温度可选择成使得复合管12的冷却速率和物理特性按期望控制。弯曲设备60还构造成使得其可以以受控的方式冷却。以该方式，复合管12的弯曲部80可从弯曲温度逐渐地冷却。

柔性心轴24从刚性心轴22的端部延伸到弯曲设备60中。金属构造成具有足够的柔性，以在弯曲部80的形成期间支承复合管12。更具体而言，柔性心轴24构造成在弯曲部80形成的同时在工作区域w处支承复合管12。柔性心轴24构造成柔性的并且传导热。在示出的实施例中，柔性心轴24由金属形成。经由实例而非限制，柔性心轴24可由以下中的一种形成：金属、黄铜、钢、铜、钛、铝、陶瓷、铜和铝合金(如铝铁青铜)，以及它们的组合。

刚性心轴22和柔性心轴24构造成使得复合管12可在复合材料14的工作区域w加热之后沿着刚性心轴22和柔性心轴24移动。复合管12可移动成使得其部分地在刚性心轴22上并且部分地在柔性心轴24上。作为备选，复合管12可移动成使得其不在刚性心轴22上，而是由柔性心轴24至少部分地支承。

本发明可通过其操作的描述而理解。用于在复合管12中提供弯曲部80的步骤如下：a)将刚性心轴22定位在复合管12内；b)将套筒26定位成使得其包绕复合管12；c)将复合管12定位成使得在其中具有刚性心轴22的复合管12的至少一部分定位在感应线圈40内；d)将电流施加于感应线圈40；e)使刚性心轴22加热；f)使复合管12的工作区域w加热至预定温度范围，预定温度范围内的温度优选在目标温度的加或减20^of内，并且更优选在目标温度的加或减10^of内，其中目标温度大于玻璃转化温度；g)将工作区域w从感应线圈40除去；h)将复合管12定位成使得工作区域w的至少一部分在柔性心轴24上；i)使弯曲装置60加热；j)将工作区域w定位成使得其在模具62与夹具64之间；k)使弯曲装置60闭合成使得工作区域w捕获在模具62与夹具64之间，并且复合管12围绕模具62弯曲，形成弯曲部80；l)将柔性心轴24从复合管12的工作区域w除去；m)使弯曲装置60开启；以及n)将复合管12从其除去。

以以上方式，复合管12的工作区域w可由感应线圈40加热，并且接着移动至其中弯曲装置60可作用成使复合管12弯曲的位置。如图2中示出的，弯曲部80形成在复合管12中。使弯曲装置60闭合以使复合管12弯曲的步骤可递增地执行。递增的弯曲允许模具62在复合管12弯曲几度之后停止。时间提供用于复合管12的材料，以在开始弯曲的进一步递增之前放松。以该方式，与使复合管12弯曲相关联的应变速率保持至可接受的水平。当期望形成附加弯曲部时，如果需要，复合管12重新定位，以限定新w，该新w将为新弯曲部80形成在其中的区域。重复以上描述的过程，使得新w被加热。图3示出复合管12，其重新定位成使得新w在另一弯曲部80的形成之前定位在弯曲装置60内。图4示出形成在复合管12内的新弯曲部80。应当注意的是，弯曲部可处于不同的角θ。

应当认识到的是，为了形成复合管12中的第二弯曲部80，第一弯曲部80形成和移动成使得复合管12的新区域定位在感应线圈40内，限定新工作区域w。过程接着重复并且可重复多次，用于多个弯曲部。应当认识到的是，复合管12可旋转成使得第二弯曲部80和第一弯曲部80延伸到不同的平面中。各个弯曲部80的程度可与单个复合管12内的另一弯曲部80不同。

加热步骤f使工作区域w加热的速率应当视情况而控制，以允许复合管12从刚性心轴22除去。换句话说，金属心轴在暴露于热时比复合管膨胀更快，并且由于感应线圈40的加热速率应当限制成使得金属心轴能够从复合管12除去，如在从感应线圈40除去工作区域w的步骤g中所需的。

通过根据如以上描述的方法使复合管弯曲而提供的优点中的一个在于，可加热并且因此弯曲的复合管12的长度比可根据常规方法加热的更长。由根据以上描述的方法的感应加热提供的优点中的另一个在于，复合管的温度可仔细地控制成使得复合管中的基质不劣化(如其在加热至太高的温度时可能的)。由根据以上描述的方法的感应加热提供的优点中的另一个在于，管可比利用常规方法更快速地弯曲。

前面描述了用于复合管的感应加热和弯曲的设备和方法。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以除其中此类特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合之外的任何组合来组合。

本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的各个特征可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非明确另外指出。因此，除非明确另外指出，否则公开的各个特征仅为普通的一系列等同或类似特征的一个实例。

本发明不限于前述(多个)实施例的细节。本发明延伸至本说明书(包括任何所附潜在新颖点、摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖特征或任何新颖组合，或者延伸至如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖步骤或任何新颖组合。