专利名称：一种带有加工部分的复合材料接头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料制成的接头，其包括纤维结构增强的聚合物基体。
背景技术：
在机械结构中，部件通常都是借助接头而连接到一起。 一般来讲，接头的定义 是一种用来将另外两^件连接到一起的机械部件，或者用来加强部fK在寻求减 重的结构中，例如，涡轮机中，接头通常采用复合材料制成，带有纤维增强的聚合
物基体，诸如碳纤维、玻璃纤维、或者Kevlar⑧纤维。这种复合材料可提供的密度 大大小于通常使用的轻合金的密度，而且它们还可提供较好的机械性能(就刚性和 抗断裂而言)。
例如，接头可以是环形皿。这种环形接头可以用于连接带有进气套管的固定 壳体或中间机匣。在其中一个轴向端部(即在沿其对称轴线的一端上)带有一个角 度区域或"凸缘"，用来连接接头端部的管状中央部分，该凸缘实际径向延伸。该端 部包括了安装螺栓的孔口，从而将环形接头与所述端部接触的机构相固定。
最新的复合材料题过制备三维纤维预制体来制成的，即通过以三维形式机织
或编织纤维而成。这种预制体实际上用一种聚合物 :密化，以便制作最终完成的
复合材料部件，在这种部件中，预制体的线纱嵌入在固态聚合物基体内。
例如，实现这种致密化的一种己知技术是液体浸渍浸渍和注A^间有明显区 别。4顿浸渍技术时，预制体置放在模塑半体和盖fet间，而后渗透聚合物的化学 先躯体，与此同时，以液态形式舰预制体的一端，在模塑半体和盖fe间建立真 空。在真空的作用下，先躯 预制体中扩散，在扩散后，通过热处理而聚合 该先躯体，以便实现固化。使用注入技术时，预制体置放在模塑中，然后，M多 个注入点将液态先躯体注入到模塑中，直到整个模塑被充满(树脂传递模塑(RTM) 方、法)，然后，通过热处理而实现聚合。
预制体致密化所用的另一种已知技术是化学汽相渗透(CVI)方法。预制体而后 置于一个壳体内，含有聚合物的5fel区体的气相允许进入到壳体内。在壳体内形成的 驗和压力的情况下，气体扩散到预制体内，在这儿，气体与预制体的纤维相接触 而变换成预制体。
为了确保接头具有足够的机械特性，其夕卜表面必须完全与接头相接触和装配部 件的表面相配合。
可惜的是，接头组件的几何特性(或者接头增强部分)变化很大。制作每个组件构造的不同模塑的技术在经济上也是不可行的。此外，对于带有凸缘的接头来讲, 特别是凸缘为周向的环形接头来讲，预制体总是不能得到充分变形以与凸缘角部模 ,卜形完全匹配，因为这些角落处弯曲度半径太小。结果，在致密化后，接头的角 落部位是聚合物最为稠密的区域，因此，机械性能比较弱。
因此，为了适合接头的所有现有几何特性，必须对这种接头与邻近部件表面接 触的那些区，行加工。
可惜的是，因为任何这种加工都要对预制体的纤维进行切割，结果接头的机械 加工总是不能被接受，结果，接头的机械整体性就会受到影响，因为正是纤维来提
供接头的机械强度。
发明内容
本发明旨在提供一种可以适合任何组件或增强结构的接头，与此同时，仍能保 持其自身的机械整体性。
这个目的可以ilil如下方式实现，即，该接头包括由主纤维接头增强的接头部 分、由主纤维结构的第一纤维结构增强的第一加工部分，所述结构部分和所述第一 加工部分的基体都是相同的，所述第一加工部分i立于所述结构部分至少一小部分主 端面上并在第一加工表面上进行了加工，所述第一加工表面和所述主纤维接头的纤 维之间不存在交叉。
S31^些处理，就可以对接头，即其加工部分一进行加工，这样，其外部表面 就可以与接头将 触的部件的表面紧密配合，而且，在加工时，接头的结构部分 (牛寺别^t所述结构部分起增强作用的纤维结构)不会在加工时被切割。这样，接 头,就可以保持其机械性能以及可相对于其所固定的结构保持定位。
有禾啲是，接头腿一步包括由不同于所述主纤维结构的第二纤维结构增强的 并在第二加工面上加工的第二加工部分，所述第二加工表面和所3ii纤维结构的纤 维之间不存在交叉，BW机构部分和所述第二加工部分的基体相同，所述第二加工 部分位于所述主端面对面的至少一小部分端面上。
这样，接头就可以在两个相对的表面上进行加工，且结构部分不会因为加工而 切害U。当接头用于夹紧两^件时，与所述两^件中其中一个部《條触的接头的 端面上的加工预制体就可以赋予接头外部表面一个皿，该形状可以精确地与所述 两个部f^触部分配合。于是，接头就被紧紧而确切地固定在这两个部件之间。
本发明还提供了一种接头的制作方法。
根据本发明，这种方》跑括在芯部J^t第一预制体进行制作成形，在戶腿第一 预制体谓第二预制体进行制作成形，所述两个预制体中的其中一个是结构件，采 用共用聚合物基体对所述第一和第二预制体进行致密4七，从而分别形成戶皿接头的第一部分和第二部分，并对不是结构性预制体的部，行机械加工。
有利的是，该方,括，，第一和第二预制体进行致密^前在戶皿第二 予贼型体J^第三预制体进，讳,成形，用共用聚，基体对所述第一和第二预制 体致密化的同时，对,脱第三预制体进行致密化，以便形織三部分，并对所述第 一部分和所述第三部，行机嫩口工。
通过阅读示例给出的实施例的如下详细说明，可以更好地理解本发明，本发动 的优点就会显现出来，本发明并不仅限于所示示例。
图1为本发明的环形接头的断面透视图2为本发明的环形接头装配到机匣上的断面透视图3为加工预制体的断面透视图，所^ 页制体固定在角度环形模具上，以形成 本发明的环形接头；
图4为一些加工预制体的透视图，所示为预制体固定在角度环形模具上，与背 衬一赵顿，目的是形成本发明的环形接头。
具体实施例方式
图1示出了带有主轴线A并具有环形角度区域105的环形接头100，所示角度 区域于是以所述轴线为中心。角度区域105位于接头100 —端附近，并将接头100 再分成圆柱形区域102和环形径向区域107，后者将角度区域105径向向外延伸。 径向区域107的端部是圆柱形的端面108，在实际与圆柱形区域102厚度￡_相等的 距离上(沿主轴线A)轴向延伸。所述厚度i定义为该圆柱形区域102的径向范围。 另一选择为，该距离可以不同于厚度§。
在所示示例中，角度区域105构成了实际90。的角度，这样，径向区域107沿 径向向外方向垂直于圆柱形102部分延伸。或者，径向区域107可以径向向内延伸 (即，朝向轴线A方向)。更普遍的是，角度区域可以形成一个45°到180°范围的角 度，例如90°到180。范围的角度。
接头100由结构部分130和至少一个加工部分构成。结构部分130用棘受接 头100所受之各种应力。如图1所示，加工部分包括位于结构部分130主端面131 部分上的第一加工部分120，和位于与主端面131相对一侧端面132部分上的第二 加工部分140。主端面131和相对端面132分别为结构部分130的径向外端面和径 向内端面。这样，第一加工部分120位于角度区域105的凸面上。第二加工部分140 位于角度区域105的凹面上。第一加工部分120沿角度区域105和径向区域107从 紧靠成角度区域105的圆柱形区域102的子区域104处一直延伸到端面108处。接头100翻复合材料制成，艮P，其由纤维结构增强的基体组成。为此，结构 部分130包括一个由主纤维结构30增强的聚合物基体。同样，第一加工部分120 包括由第一纤维结构20增强的聚合物基体，而第二加工部分140包括由第二纤维结 构40增强的聚合物基体。这些纤维结构彼此相距较远，即，它们没有共同使用的任 何纤维。结构部分130、第一加工部分120，和第二加工部分140的聚合物基体构成 了一个连续S^，即，它们一起包括一个整体件。这种连续性是因为按接头100下 述制造方法所形成的，而且，这种接头100的机械整体性比采用不同聚合物帝喊的 结构和加工部分基体的接头要好。
例如，第一纤维结构20、主纤维结构30和第二纤维机构40都由机织或编织纤 维预制体构成，这种预审咻为此呈三维(3D)形状。
加工部分120和140的作用主要是几何形状的。这些部分使得接头100的形状 尽可能接近每个接头与之相固定的邻近部件的形状，而且，这些部分还可以进行加 工，从而使得其外表面与那些相邻部件的皿相配合。这样，接头100就可以准确 地抵靠在与之相邻的部件上，而且可以稳定固定在这些部件上。此外，接头100的 机械整体性，艮口，其f柳时的机械性能得以保持。使接头100具有机械性能的主纤 维结构30并不会因为接头100的加工作业而受到损失，因为加工作业只是穿过第一 纤维结构20和第二纤维结构40内的纤维(加工表面，即车床与之衔接的表面和主 纤维结构30的纤维之间没有交叉)。
例如，如图2所示，图1所示接头100的第一加工部分120进行了加工，这样， 与邻近部件200表面222相接触的，一加工部分120的支撑面122就精确地与所 述表面222相匹配。例如，该支撑表面122是实际垂直于主轴线A延伸的第一加工 部分120的端面。
图1所示接头100的第二加工部分140经过加工后，与背衬板300凸面342相 接触的该第二加工部分140的凹支撑面142精确地与该凸面342相匹配。
在接头100两个相对端面上j顿各自加工预制体的4顿可以确保这两个端面确 切平行。
这样，接头100就可以紧紧地支撑在相邻部件200和背衬面300之间。例如， 该组件可以M31穿过接头100的螺栓固定到一起，而螺栓的螺母则麟在衬^i:(或 者，抵靠在置于第二加工部分140上的垫片上)。在接头上进行的螺栓孔的加工作业 不会与在加工部分上进行的加工作业相冲突。这些螺栓孔的加工不是用来将接头的 外表面与其相接触的部件的表面相配合。
根据相邻部件的形状，接头100只需要带有第一加工部分120 (而不需要第二 加工部分140)，或者只需要带有第二加工部分140 (而不需要第一加工部分120)。
接头100的另一轴向端(图中未示)也可以包括一个或多个需要加工的加工部 分，以便与另一个相邻部件的形状相匹配。例如，接头賜另一端的形状可以与图2所示的轴向端的^C相似，艮P，其可以带有角度。
上面^M涉及到接头ioo为环形的接头，例如，装配接头，带有一个或多个角
度区域，这样，加工部分同样带有角度。或者，接头的形状可以是这样的，艮卩，加 工部分实际上是平面的。
这种接头可以用于粗可类型机匣或壳体上的连接。例如，涡轮机可以包皿样 的接头。
接头还可以是一种加强件，用于在壁JJt行固紧(例如通过螺栓)。增强件可
以是一种加强件，例如T形的或L形状的加强件。这种加强件还可以构成设备固定 用的接头。
下面参照图3和图4来介绍接头的带j造方法。图3示出了带有主轴线A的环形 芯部。该芯部10带有一个角度部分15，后者将以主轴线A为中心的芯部10圆柱形 部分12与芯部10径向部分17相分开。在所示示例中，芯部10又再分成包括了径 向部分17、角度部分15以及角度部分15附近管状部分12的子部分14的主部分10a， 以及包括了与角度部分15距离最远的管状部分10的区域。在芯部上的这种细分便 于接头100的后续模制加工，芯部10构成了模具其中一个壁。
第一预制体20围绕心轴10而制作成形，这样，就可以覆盖径向部分17、角度 部分15以及管状部分12的子部分14。第二预制体30而后围绕第一预制体20制作 成形。如上所述，第二预制体30是一个支撑接头将承受的主要部分(机械和热)应 力的结构预制体。如图3所示，然后，第三预成形40围绕第二预制体30而制作成 形。
另一选择为，第二预制体30不需要具有在其周围制作成形的任何预制体。 另一选择为，第二预制体30可以直接在芯部10上制作成形。 预制体可以4顿各种方纟妹制作成形。为此，可以f顿下述其中一种方^W 其制作成形在芯部10的周围机织或编织一道纤维预制体，或者，沿轴线A衔接一 道(圈)环状机织或编织纤维，或者在线轴周围使用纤维细丝缠绕，或者置方，状 结构，每层都是用聚^tJ预浸的纤维制成。在最后两个示例中，预制体为两维(2D) 预制体。
第一预制体20、第二预制体30、以及第三预制体40都雌由相同类型的纤维 构成，以便将预制体之间接口处的应力降到最小。
例如，这些预制体可以用碳纤维或者玻璃纤维制成。
第一预制体20，第二预制体30和第三预制体40然后进行增密，以便^A在共 用聚合物基体中，从而构成由复合材料制成的接头。
可以^顿各种致密化方法。这些方法在所属技术领域中是为人们所知的，因此， 在此仅仅简要介绍。
例如，预制体致密化可以通过浸渍棘行，艮P，在接头100周围放置一个盖板(图中未示)并固定到芯部上，从而构成一个密闭壳体。然后，将构成接头基体的 聚合物插入到壳体内，在壳体内形成真空，以便获得所有预帝咻部分令人满意的浸 渗效果。此后，聚合物按已知方式硬化。
另1择为，使用已知树脂传递模塑(RTM)方法通过注入方式使预制体致密化。 另4择为，预制体采用浸渍方式规行，并如图4所示，i顿一种背衬板70。 该背衬板70覆盖了第三预制体部分40，这样，第一预制体20、第二预制体30以及 第三预制体40就被其固定到所示背衬板和芯部10之间，从而防止在浸渍构成基体 的聚合物期间防止预制條动。为此，对于带有角度区域的环形预制体来讲，如图 4所示，背衬板70带有一个环形角度表面77，后者覆盖了第三预制体40的齡表 面(或者，实际位于戶脱第二预制体30和第一预制体20之间接口对面的第二预制 体30的整个表面)。
本发明的方法可以使用任何预制体致密技术，而且并不限于上述技术。
权利要求
1. 一种复合材料制成的接头(100)，其包括采用纤维结构增强的聚合物基体，所述接头的特征在于，其包括采用主纤维结构(30)增强的结构部分(130)，由不同于主纤维结构(30)的第一纤维结构(20)增强的第一加工部分(120)，所述结构部分(130)和所述第一加工部分(120)的基体相同，所述第一加工部分(120)位于所述结构部分(130)的至少一小部分主端面上并在第一加工表面上进行了加工，所述第一加工表面和所述主纤维结构(30)的纤维之间不存在交叉。
2. 根据权利要求I所述的接头(IOO)，其特征在于，其为环形的。
3. 根据权利要求1或2所述的接头(100)，其特征在于，所述第一纤维结构(20)和 所述主纤维结构(30)是由从机织的预制体和编织的预制体构成的类型中选择的 预制体构成。
4. 根据权利要求1到3中任何一项权利要求所述的接头(IOO)，其特征在于，其进 一步包括由不同于所述主纤维结构(30)的第二纤维结构(40)增强的并在第二加 工表面上加工的第二加工部分(140)，所述第二加工表面和戶;M主纤维结构(30) 的纤纟tt间不存在交叉，所述结构部分(130)和所述第二加工部分(140)的基体 相同，所述第二加工部分(140)位于所述主端面对面的至少一小部分端面。
5. 根据权利要求4所述的接头(100)，其特征在于，所述第一纤维结构(20)、所述 第二纤维结构(40)以及所述主纤维结构(30)都是由从禾几织预制体和编织预制体 构成的类型中选择的预制体构成。
6. 根据权利要求1到5中任何一项权利要求所述的接头(100)，其特征在于，其包 括一个角度区域(105)，所述第一加工部分(120)位于所述角度区域(105)的凸面 上。
7. 根据权利要求6戶脱的接头(100)，其特征在于，所述角度区域(105)构成了一个 90°到180°范围内的角度。
8. —种包括了根据权利要求1到7中任何一项权禾腰求所述接头(IOO)的涡轮机。
9. 一种接头(100)的帝iJ造方法，戶腿方法的特征在于，其包括在芯部上制作成形第 一预制体，在所述第一预制体上制作成形第二预制体，所述两个预制体都是结构 件，用共用聚合物基体对戶脱第一和第二预制体进行致密化以便分别形^^述接 头的第一部分和第二部分，并对带有非结构预制体的部分进行机械加工。
10. 根据权禾腰求9所述的方法，其特征在于，所述第一和第二预制体都^^用机 织和编织方法构成的类型中选择的方法第隨。
11. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其包括在对所述第一和第二预制体 (20， 30)进行致密化之前在所述第二预制体(30)上制作成形第三预制体(40)， 用共用聚合物基体对所述第一和第二预制体(20， 30)致密化的同时，对所述第三 预制体(40进行致密化，以便形成第三部分(140)，并对所述第一部分(120)和所述第三部分(140)进行机働口工。
12. 根据权利要求ll，的方法，其特f正在于，所述第一、第二和第三预制体(20，30， 40)采用从丰;u只和^^编织方法构成的类型中选择的方法制成。
13. 根据权利要求9到12中任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述接头 (100)包括一个角度区域(105)。
14. 根据权利要求13臓的方法，其特征在于，所述角度区域(105)构成了一个90° 到180。范围的角度。
全文摘要
本发明涉及一种复合材料制成的接头(100)，其包括纤维结构增强的聚合物基体。所述接头包括由主纤维机构(30)增强的结构部分(130)，和由不同于主纤维结构(30)的第一纤维结构(20)增强的第一加工部分(120)，结构部分(130)和第一加工部分(120)的基体相同，第一加工部分(120)位于结构部分(130)的至少一小部分主端面上并在第一加工表面上进行机械加工，第一加工表面和主纤维机构(30)的纤维之间不存在交叉。
文档编号F16S5/00GK101476666SQ20091000040
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月4日 优先权日2008年1月4日
发明者弗朗西斯·玛琳, 菲利普·沃瑟斯 申请人:斯奈克玛