热膨胀系数控制结构的制作方法

专利名称：：热膨胀系数控制结构的制作方法
技术领域：
：本发明涉及在制造过程中控制工具的热膨胀，更具体地，涉及在航空航天制造过程中减小心轴的有效热膨胀系数。
背景技术：
：众所周知材料膨胀和收缩随温度而变化。该自然现象的常用量词是热膨胀系数或CTE0通常，CTE被认为是随单位温度变化引起的物体的线段的长度变化与基准温度下物体的线段的长度的比值。当一种材料被加热，其线性尺寸随温度近似成比例地增加。随着温度适度的变化，材料的长度变化量为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中Δ表示“变化”，T是温度(用华氏温度表征)，L是长度(用英寸表征)。常数α叫做热膨胀系数(通常用10-6in./in.°F表征)，Ltl是膨胀前的初始长度(用英寸表征)。因为在制造过程中和当材料被使用时可能发生大的温度变化，所以考虑到在航空航天中应用的材料的CTE非常重要。在理想情况下，正在被加工的零件和用于加工该零件的工具应该由相似或相同的材料构成因为CTE应该匹配，因此工具和正在被加工的零件应该优选随着任何温度变化以相同的比率膨胀或收缩。然而，该相同的CTE实际上并不总是能实现。不同材料通常具有不同的CTE，不同材料的结合能够在材料之间产生残余热负载效应，因为他们以不同的比率膨胀和收缩。零件和用于加工该零件的工具的CTE不匹配经常使维持尺寸精确复杂化。例如，如果一个碳/环氧树脂零件使用铝制工具制造，该工具在制造过程中的增长可以是碳/环氧树脂零件的3-4倍，因此改变了被加工零件的希望尺寸。该碳/环氧树脂零件可能固化变硬，当工具和零件冷却后，该铝制工具可以比正在被加工的碳/环氧树脂零件多收缩3-4倍。由于冷却，收缩和膨胀上的差异通常导致该零件由于残余热负载效应而尺寸失配。然而，尽管存在这些缺点，但在航空航天制造应用中，经常需要使用与被加工的零件的材料不同的工具，因为该工具材料可以提供其他优点。在过去，一些航空航天的应用使用碳/环氧树脂工具加工复合材料零件。应该理解碳/环氧树脂心轴的穿越平面(thru-plane)的CTE高于碳/环氧树脂层压板的面内的CTE0因此，心轴的热膨胀通常高于层压板的热膨胀，但是该物理性质可能有助于消除被加工零件的任何缺陷。此外，在制造过程中压热处理工具和零件时，可以使零件的褶皱最小化。然而，问题发生在冷却心轴和零件时。一旦该组合被冷却，零件最后结构仍然光滑(即几乎没有可见的褶皱)；然而，零件出现不希望的下垂，例如从心轴上。尽管碳/环氧树脂有时可以被用作工具，但是很多用于生产飞机复合材料零件的工具通常用殷钢，包括一些碳和铬的铁和镍合金构成。殷钢具有和某些复合材料相似的膨胀率，例如碳/环氧树脂，因此维持精确公差便于尺寸控制。尽管殷钢工具通常为被制造的零件制作一个理想的最终蒙皮形状(即不像使用碳/环氧树脂心轴时那么大的下垂)，通常蒙皮层压板不如使用殷钢工具加工的零件上有时出现的褶皱好。该褶皱通常因为在殷钢工具上固化的零件不可以足够生长以消除体积因数褶皱而产生。此外，本领域需要提供能足够膨胀这些零件以处理和褶皱有关的潜在问题同时也能消除由此产生的结构的工具。一种工具是心轴。使用传统方法由碳/环氧树脂制成的心轴在工具加工过程期间通常增长的比期望值多，特别是压热器部分的制造过程期间。被加工的零件的周长和半径被增加是因为所用工具的CTE持续高于优选值，部分是由于帽(hat)半径扩大开放，帽半径扩大开放是因为碳/环氧树脂的穿越平面的CTE和面内的CTE的差异。所产生的周长扩大和更高的CTE的工具形成在压热处理过程结束时从心轴下垂的零件。此外，增长需要在去毛边的过程期间需要薄垫片将零件保持在合适的位置。因此，确定使用传统的碳/环氧树脂心轴制造高质量的层压板；然而最终蒙皮形状可能比不上期望值因为被加工零件的半径和周长尺寸可能太大而不能用于航空航天领域应用的单体桶(barrel)0为了解决这些由使用复合工具导致的问题，想到可以设计一个更小的工具以便该工具可以在制造过程中增长。本质上，工具的形状可以被调整以便当工具膨胀时，其可以膨胀到合适的位置。然而，因为工具的膨胀影响正在被加工的零件的尺寸和整体形状，所以不优选调整工具的尺寸。因此，需要理解什么导致在复合工具中比期望值大的热生长并且在制造过程期间确定控制这些工具热膨胀的方法以便减小正在被加工的零件遭受下垂或褶皱的可能性。因此，需要在航空航天制造过程期间控制复合工具的热膨胀以便消除使用此类工具加工的零件所出现的下垂条件。
发明内容本发明是关于减小复合工具热膨胀的一种系统和方法。该系统和方法优选包括在制造期间将子结构合并入复合工具以便限制所述工具的直径增长。将所述子结构合并入所述工具的实施例优选包括额外的端板(headers)和角板，减少所述工具表面薄片/表皮的厚度，和/或将内蒙皮引入所述工具中。本发明的另外实施例是关于控制心轴的热膨胀的方法。该方法优选包括添加子结构到所述心轴限制所述心轴的帽壁旋转。本发明的其他实施例包括将端板和角板的组合合并到所述心轴形成所述子结构的全部或一部分。在本发明的其他实施例中，所述心轴限制表面薄片的厚度可以被减小以便进一步减小心轴的热膨胀。另外的实施例包括将内蒙皮合并进所述心轴。前面已经大体概述了本发明的特点和技术优势，以便可以更好地理解后面的本发明的详细描述。本发明额外的特点和优势将在下文中描述，形成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应该理解公开的思想和具体实施例可以方便的用作调整或设计执行本发明相同目的其他结构的基础。本领域技术人员也应该认识到此类等效的结构未偏离附属权利要求陈述的本发明的思想和范围。根据下面描述结合附图将更好地理解被认为是本发明特征的新颖特征，其组织结构和操作方法，和其他目的和优势。然而，应该清楚地明白，提供的每一幅图仅仅是为了图示说明和描述的目，而不是作为限制本发明的定义。为了更完整的理解本发明，参考下面描述以及附图，其中图1描述了根据本发明的一个实施例的合并子结构的工具的剖视图。图2a描述了根据本发明的另一个实施例的合并子结构的工具的视图。图2b描述了根据本发明的一个实施例的图2a中描述的合并内蒙皮的工具的视图。具体实施例方式航空航天应用已经更多地关注使用复合材料，因为它们重量轻，通常具有理想的CTE，并且由于它们的强度还能在苛刻的环境中使用。然而，这些复合材料的CTE有时候难以用想要的精度水平进行表征，这是由于复合材料是固有的多组元系统，就其本身而言，由具有不同CTE的材料形成。此外，一种特定复合系统的CTE取决于铺叠(lay-up)结构和形成该系统使用的材料的组成。为了生产一个在合适的容差范围内具有所需周长和半径的零件，需要控制制造过程中使用的工具的热膨胀系数(CTE)。本发明的实施例是关于将附加结构(其可以被称为用于本发明目的子结构)合并到复合工具以便在航空航天制造过程中控制工具的热膨胀。子结构可以被添加到所述工具中以便限制层压板膨胀的增长和/或在固化周期期间控制工具的直径增长。优选子结构(诸如端板或角板)可以被设计到所述工具中以便防止在制造零件(诸如气缸或机身部件)的过程中所述工具增长太多或一旦它被放置进入压热器，防止其膨胀超过理想值。转到图1，图1描述了根据本发明实施例的合并子结构的工具10的剖视图。角板102，105优选被放置在全高端板103，104之间的子结构，主要目的是控制由于结合工具10的几何形状的层压板的穿越平面CTE和面内CTE的差异导致的高效CTE。在其他实施例中，所述工具的表面薄片可以优选被减薄以便在制造过程进一步控制所述工具的膨胀。图1包括表面薄片101，并且表面薄片101的厚度可以被减薄以便减小有效CTE。该减薄是对所述工具仅有的更改，但是在本发明其他实施例中，优选减薄连同引入其他子结构，诸如端板103，104和/或角板102，105，如图1所示。工具10优选用本领域普通技术人员所知的常用方式制造，但是子结构被添加到该工具和/或该工具的表面薄片被减薄以便限制所述工具的帽壁的旋转并因此在随后的制造应用期间控制所述工具的增长量。因此，所述工具包含的子结构优选用来最小化或阻止使用所述工具加工的零件上的褶皱和下垂。使用Nastran进行有限元分析以确定所述工具的有效CTE如何根据工具的结构而变化。进行分析，具体包括但不限于CTE敏感性的研究，以便根据理解所述工具的特征来评价组装行为。所述CTE敏感性研究的结果在下面展示的图表1中被描述。图表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>CTE敏感性研究的结果，诸如图表1中所描述的结果，显示当面内的CTE保持为常数时，当所述穿过厚度的CTE增加时，有效CTE将增加。例如，参考图表1，基准，A和B都具有相同的面内的CTE和不同的穿过厚度的CTE。当基准的穿过厚度的CTE翻倍时(参见图表1的示例Α)，有效CTE也有效的翻倍，如图表1中标记为“有效CTE与基准的比值”的栏所表示的。而且，当基准的穿过厚度的CTE减小一半时(参见图表1示例B)，有效CTE与基准的比值也减小几乎一半。因此，增加穿过厚度的CTE可以增加工具的有效CTE。然而，当穿过厚度的CTE保持常数而面内的CTE减小时，通常观察到有效CTE与基准的比值几乎没有变化(对比图表1的C和D)。类似的，当面内的CTE和穿过厚度的CTE相对基准都增加时，观察到有效CTE与基准的比值远不如仅仅增加穿过厚度的CTE时的大(对比图表1的A和E)。此外，CTE敏感性研究显示所述工具的帽壁中铺叠结构(fabriclay-up)的高的穿过厚度的CTE导致工具的有效CTE更高。因此，这些研究证明如果所述工具的帽壁中铺叠结构的穿过厚度的CTE高，则通常导致过度的周长膨胀。分析也被用来评估如何调整所述工具的表面薄片厚度影响所述工具的有效CTE。所述表面薄片厚度通过移除行元素而变化；然而在本研究中，应该理解所述工具不存在支撑结构(即仅存在表面薄片)。该研究的结果被总结在如下面所示的图表2中。图表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>因此，减小被限制表面薄片的厚度可以有利影响有效CTE。进行其他分析以评估添加沿工具外围的填充方向高度可变化的角板的影响。当1英寸高的角板被合并到所述工具中时，有效CTE优选减小到4.3xl0_6in./in.°F。当优选添加更高的角板时(在本发明的一个实施例中，优选合并2英寸高的角板)，可以较好地实现有效CTE的进一步减小(大约2.5xl0_6in./in.°F)。将更高的角板合并到所述工具连同减薄表面薄片(例如，将表面薄片厚度从0.75英寸减小到0.45英寸，如图表2示例G所示)使所述工具的有效CTE进一步减小(大约2.2xl0_6in./in.°F)。应该理解合并入所述工具的角板的高度不应该被限制于被具体陈述的高度，同样，角板的高度可以变化以便在不偏离本发明目的的情况下控制工具的热膨胀。如前面所描述的，结构板层(fabricplies)弯成所述工具的帽槽导致在加热期间帽壁旋转。帽壁的此旋转导致工具的热膨胀大于期望的热膨胀。有限元分析证实结构板层弯成所述工具的帽槽导致在压热处理过程期间帽壁旋转。帽壁的此旋转导致工具的热膨胀大于期望的热膨胀。通过最小化或消除结构的弯曲限制该帽壁旋转可以较好地减小所述工具的热膨胀。此消除显著地减小有效CTE，因为其可以在制造过程期间防止高的穿过厚度的CTE影响所述工具。通过加工所述工具的一侧而使铺叠弯曲最小化，可以较好地将有效CTE减小到1.9X10_6in./in.°F。类似的对于有效CTE的影响可以通过添加更高的端板和角板作为部分心轴的子结构而实现。因此，工具可以优选被调整为包括减薄表面薄片及更多和/或更高的角板和端板以便进一步控制工具的热膨胀。应该理解被添加的子结构可以包括下面描述的实施例A-D中显示的子结构中一种或几种的组合。类似的，在优选实施例中，可以减薄工具表面薄片连同添加子结构以便进一步减小工具的有效CTE。应该理解具有端板的碳/环氧树脂心轴被用于下面所详细描述的每一个实施例中，同时，优选这些类型的心轴以便获得特定航空航天应用中所需的最终蒙皮形状和蒙皮平整度。然而，在不偏离本发明目的的情况下，可以使用其他复合材料形成所述工具并相应地合并子结构和/或更薄的表面薄片用来控制热膨胀。实施例A在本发明的一个实施例中，在任何调整或附加子结构之前的心轴的表面薄片厚度是0.75英寸。然后所述表面薄片厚度被调整并且被减小大约一半，即减小到0.375英寸。在这个实施例中，端板(例如图1描述的端板103，104)被合并为所述心轴子结构的部分。所述端板之间的间距初始是36英寸。然而，所述端板间距优选被调整并且被减小三分之一，即减小到间距为24英寸。通过减小所述表面薄片厚度连同减小所述端板间距的距离，有效CTE优选从大约8.7x10,11·/in.°F减小至大约3.Ixl0_6in./in.°F。此外，基于调整端板间距和减薄心轴的表面薄片，优选地，有效CTE被减小超过50%。实施例B在本发明的另一个实施例中，端板(例如图1描述的端板103，104)优选被合并进心轴。然后优选测量大约2英寸高的角板(例如图1描述的角板102，105)被添加在所述端板之间。优选包含所述端板和所述角板获得一个大约3.0xl0-6in./in.°F的有效CTE。该有效CTE实质上等于通过如前面关于实施例A讨论的减小表面薄片厚度和端板间距而获得的有效CTE。实施例C在本发明的再一个实施例中，类似于实施例A和B，优选端板(例如图1描述的端板103，104)被合并作为心轴的子结构的部分。也类似于实施例B，优选角板(例如图1描述的角板102，105)被添加到所述心轴的端板之间。然而，在该实施例中，比实施例B中使用的那些角板高的角板被合并作为所述心轴的子结构的部分。在本发明的一个实施例中，实施例B的高2英寸的角板被高6英寸的角板替代。通过将更高的角板合并到所述心轴的子结构中，有效CTE可以较好地被进一步减小到大约2.8xl0_6in./in.°F。实施例D在本发明一个附加实施例中，如关于实施例B和C所讨论的，优选高的角板被合并作为所述心轴的子结构的部分。然而，另外，也优选所述心轴的表面薄片厚度(例如图1描述的表面薄片101)被减小。在这个实施例中，表面薄片厚度大约是0.45英寸。使用此种子结构和更薄的表面薄片的组合，有效CTE可以较好地被进一步减小到大约<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>从上述描述的实施例A-D，显而易见的是因为优选所述表面薄片厚度被减小，所以优选所述有效CTE也被减小。当被合并进心轴的端板之间的间距被减小时，产生类似的结果。此外，当角板被较好地插入被合并进心轴子结构的端板之间时，有效CTE可以被进一步地减小，并且随着所述角板的高度被较好地增加，所述有效CTE可以被进一步地减小。应该理解尽管本发明的实施例已经在上述实施例A-D中被陈述，但是本发明不局限于上述实施例A-D中描述的子结构或者调整心轴的具体组合。作为合并端板和角板和/或减少心轴的表面薄片厚度的附加或替代，可以优选将内蒙皮合并进心轴的帽部分。图2a描述了工具20a，它是一个具有基准201a的基准工具设计，在基准201a处可以优选将一层内蒙皮合并进所述工具设计。然而，图2b描述了本发明的一个实施例，其中工具20b包括一个更厚的内蒙皮201b。应该理解合并内蒙皮作为所述工具的部分可以被执行作为调整表面薄片厚度的附加或者替代，因为内蒙皮通常具有与表面薄片相同的属性。为了评估包含内蒙皮的效果，所述内蒙皮的厚度被调整并且此评估的结果如下表3所示表3<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表3的上述描述证明随着内蒙皮被合并进所述工具并且其厚度的增加，所述工具的有效CTE被较好地逐渐减小。然而，应该理解，当内蒙皮厚度在0.2英寸的厚度被合并时所述有效CTE可以减小大约一半，当合并进所述心轴的内蒙皮的厚度增加超过大约0.2英寸厚度时，有效CTE的改进不明显。当比较表面薄片中间平面的径向偏转值时，可以发现类似的结果，因为一旦内蒙皮厚度增加远超过0.2英寸，这个值以更慢的速率减小。关于特定结构布置如何较好地影响所述工具的有效CTE的二维研究结果的概要，和相应的，当与一个基准比较时，有效CTE比值被包括在下面的图表4中。图表4<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>图表4显示当结构布置包括从层压板的两边都加工时，有效CTE减小最明显；然而，并不是在本发明的所有实施例中都优选加工。此外，可以优选通过合并角板到所述工具的子结构以及通过减小表面薄片的厚度实现有效CTE类似减小。当使用不同形状的材料时，三维研究也评估行为证明。特别地，使用立方体，环和帽带模型。深的端板被合并到固体模型中测试在它们包含的基础上产生的位移。三维研究的结果证实当优选表面薄片厚度被减小时，中间平面有效CTE被减小。类似地，这些研究证实当被合并作为工具子结构的部分的角板的数目增加时，中间平面有效CTE也被减小。然而，应该理解，当表面薄片厚度减小但是没有如此多的角板被合并进工具的子结构时，所述中间平面的有效CTE的减小不明显。因而，合并进所述工具的子结构的角板数目可以有优选提供比表面薄片厚度对所述中间平面的有效CTE的减小更大的贡献；然而，表面薄片厚度和角板被组合使用时可以较好地减小中间平面的有效CTE。包括子结构的碳/环氧树脂心轴，诸如角板和全深度端板，优选与更薄的表面薄片一起，提供在当前的航空航天制造应用中使用殷钢和碳/环氧树脂工具所缺乏的特征。本发明的调整的碳/环氧树脂心轴使得使用心轴加工的零件的褶皱最小，如果有褶皱的话。此外，即便有下垂，当与理想的容差值比较时几乎没有下垂发生。在本发明的被调整工具的一个实施例中当一个零件被固化时，所述工具可以从所述零件上拆卸下来因此而产生的零件具有好的最终蒙皮平整度并且优选匹配所述零件的理想的形状和尺寸。通过包含角板和端板，优选合成产生的零件在工具上不需要加垫片进行修剪操作。通过在碳/环氧树脂复合心轴上合并端板，可以获得一个理想的平衡，在其中没有垫片修剪心轴并且在垫板片缝隙没有明显的褶皱是可能的。虽然本发明和它的优势已经被详细描述，应该理解在不偏离附属权利要求中限定的本发明的思想和范围的情况下，可以在此进行各种各样的变化，替换和修改。此外，本发明的范围不意欲被限于说明书中描述的过程、机器、制造、组合物、装置、方法和步骤的的具体实施例。作为本领域的普通技术人员将轻而易举的从本发明的公开中明白，根据本发明，可以利用与此处描述的相应实施例执行基本相同的功能或实现基本相同的结果的当前存在的或随后将被发展的过程、机器、制造、组合物、装置、方法和步骤。此外，附属权利要求意欲包括它们的范围内的此过程、机器、制造、组合物、装置、方法和步骤。权利要求一种用于控制复合工具热膨胀的方法，所述方法包括提供一个具有一个表面薄片的复合工具；选择热膨胀系数CTE控制特殊子结构以合并入所述复合工具；以及合并所述CTE控制特殊子结构到所述复合工具以在制造期间限制所述复合工具到一个预定增长。2.根据权利要求1的所述方法，其中所述CTE控制特殊子结构包括CTE控制特殊角板。3.根据权利要求1的所述方法，所述方法进一步包括减小所述复合工具的所述表面薄片的厚度。4.根据权利要求3的所述方法，其中所述复合工具的所述CTE控制特殊子结构包括至少一个角板。5.根据权利要求1的所述方法，其中所述复合工具的所述CTE控制特殊子结构包括至少一个端板；及至少一个角板。6.根据权利要求5的所述方法，其中当所述至少一个角板的高度增加时，所述复合工具的所述热膨胀被进一步控制。7.根据权利要求5的所述方法，其中所述复合工具的所述热膨胀通过增加多个所述端板和多个所述角板被进一步控制，所述多个所述角板被设置在所述多个所述端板之间。8.根据权利要求1的所述方法，其中合并CTE控制特殊子结构到所述复合工具包括合并端板到所述复合工具，其中当所述端板之间的间距被减小时，所述复合工具的所述热膨胀被进一步控制。9.根据权利要求8的所述方法，所述方法进一步包括减小所述复合工具的所述表面薄片的厚度。10.一个用于控制复合工具的热膨胀的系统，所述系统包括具有表面薄片的复合工具；及被合并进所述复合工具的子结构。11.根据权利要求10所述的系统，所述子结构包括多个端板；及多个角板。12.根据权利要求11所述的系统，其中当所述多个端板之间的间距被减小时，所述复合工具的所述热膨胀被进一步控制。13.根据权利要求11所述的系统，其中当所述多个角板的高度被增加时，所述复合工具的所述热膨胀被进一步控制。14.根据权利要求10所述的系统，所述表面薄片具有被减小的厚度以进一步控制所述复合工具的热膨胀。15.根据权利要求10所述的系统，所述子结构包括多个角板，及其中所述表面薄片具有被减小的厚度以进一步控制所述复合工具的热膨胀。16.一种用于减小复合心轴的热膨胀系数CTE的方法，所述方法包括提供复合心轴，其具有一个预定厚度的被限制表面薄片，及增加子结构到所述复合心轴。17.根据权利要求16所述的方法，其中增加子结构到所述复合心轴包括合并端板进入所述复合心轴，及合并角板进入所述复合心轴。18.根据权利要求17所述的方法，所述方法进一步包括减小所述复合心轴的所述被限制表面薄片的厚度。19.根据权利要求16所述的方法，其中所述复合心轴的所述子结构包括至少一个端板并且其中内蒙皮被合并进所述心轴。20.根据权利要求16所述的方法，其中所述复合心轴由碳/环氧树脂复合材料构成。全文摘要本发明是关于合并一个子结构进入用来构造复合结构的工具以便控制该工具在航空航天制造过程的热膨胀。子结构，诸如端板和/或角板，被添加到所述工具中限制层压板膨胀的增长和/或控制工具在固化循环期间的直径的增长。工具表面薄片的厚度可以被减小以便进一步减小工具的有效热膨胀系数(CTE)。文档编号F16D1/00GK101815882SQ200880109730公开日2010年8月25日申请日期2008年7月24日优先权日2007年7月31日发明者C·G·利塔克,J·J·杜瓦永,T·L·纽科尔克,W·R·小克里瑞申请人:波音公司