CN104210670A - 用于固化复合材料的工件的混合式工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于固化复合材料的工件的混合式工具和用于制造用于飞行器的复合材料的桁条的混合式工具的用途。本发明涉及一种用于固化用于飞行器的诸如桁条、抗扭盒、蒙皮壁板、翼面、水平尾翼或垂直安定面(HTP和VTP)等之类的复合材料(CFRP)结构的工具。该混合式工具包括金属部分和设置在金属部分的表面上的弹性部分。弹性部分和金属部分彼此永久地联结，使得金属部分和弹性部分一起限定具有拷贝需固化的复合材料的工件的表面的至少一部分的形状的表面。本发明的工具能够圆满地固化具有最小厚度和/或非常急剧的厚度变化的、复合材料的工件。

Description

用于固化复合材料的工件的混合式工具

技术领域

本发明总体上涉及一种用于制造用于飞行器的诸如桁条、抗扭盒，蒙皮壁板、翼面、水平尾翼或垂直安定面(HTP和VTP)等之类的复合材料(CFRP)结构的工装。

更特别地，本发明的目的为提供一种能够圆满地固化包括具有最小的厚度和/或非常急剧的厚度变化的部件的CFRP工件的工装。

背景技术

使用由有机基质和诸如碳纤维增强塑料(CFRP)之类的单向取向的纤维形成的复合材料构建飞行器的一些构件，例如机身蒙皮壁板、抗扭盒、桁条、肋、翼梁等在航空业中是众所周知的。

通常，蒙皮壁板通过多个纵向排列的桁条(加强筋)来加强，使得桁条提升了蒙皮壁板的强度和屈曲性能。桁条通常通过将两个部件一起固化或一起结合而结合至蒙皮壁板，或仅通过应用一层粘合剂(二次结合)结合至蒙皮壁板。

桁条的端部引起由桁条和蒙皮支承的负载的再分配。这将产生两方面的影响：

-当增强覆盖层的弯曲产生牵引负载和压缩负载时，桁条的结构中(桁条终端部)的这种恰时的变化在其终点中引起力矩，该力矩倾向于使加强件与蒙皮之间的结合线脱离结合。

-同时，负载的再分配不得不通过结合线来实现，以将负载从桁条传递至位于桁条终端部区域处的蒙皮。在高负载水平下(如例如在翼盖中所实验的)，结合线的抵抗力会被降低。

在飞行器翼部的抗扭盒中的蒙皮与桁条之间的共同结合联合体不得不承载成吨位幅度的负载，这些负载处于所述联合体在如桁条终端部区域的某些关键点处的结构能力的极限。这些共同结合联合体在高负载下在该点处能够裂化，使得因下面两种影响而引起剥离负载：桁条腹板的消除，这引起高的负载尖峰；以及主桁条终端的消除，这产生剪切负载上的尖峰。在通常构型中，这些情景同时发生，使结合线的结构性能恶化。

为克服这些与桁条终端部处的负载传递相关联的问题，在本领域中熟知的是减小桁条的总截面面积，这通常通过减小桁条腹板的高度(通常通过切掉桁条腹板的一片)，以及通过朝向终端部逐渐地减小桁条脚部的厚度，通过朝向终端部顺序地减少板层的数目(减少板层)来实现。

图1示出了桁条1的常规终端部区段联结至蒙皮壁板2，其中，桁条1具有由腹板3和脚部4形成的T形截面。如在图1的附图(a、b)中能够观察到的，腹板3和脚部4的厚度朝向桁条的端部逐渐地减小，以减小腹板3和脚部4的截面面积，从而减小该终端部区段的弹性模量。

例如在美国专利申请US2005/0211846A1和US2012/0100343A1中更详细地描述了该常规解决方案的示例。

然而，用于固化复合材料的工件的现有的金属工具不能根据例如用于终端部区段的腹板和脚部的需要圆满地制造具有陡的厚度减小的桁条。现有的金属工装仅能够制造通常1:200(坡度)的板层减少，这对于一些需要的应用而言是不够的。

如果金属工具被用于固化具有大于1:200的板层减少的部件，则会在成品工件中出现孔隙问题，影响该成品工件的质量。因工具与复合堆叠板层5之间的滑动而产生的工装制造公差和定位公差，会在固定就位的工具与需固化以形成复合材料桁条的堆叠板层5之间产生间隙和不对准。

图2图示了这些孔隙问题如何因复合材料的新的堆叠的板层5与一旦金属工具被定位用于固化过程时和所述板层5接触的金属工具6的坚硬的工装区域之间产生的间隙7而引起的。在固化过程中，新(未固化)形成的碳纤维的堆叠的板层5被加热并通过施用真空而被抵着金属模按压，使得堆叠的板层5被固化并且同时通过金属工具6被压紧。

然而，如果金属工具6的工作表面8(与堆叠的板层5接触的表面)与堆叠的板层5之间存在间隙7，则板层5的复合材料的未固化的热固性树脂因所施用真空的影响而朝向这些间隙7流动。如果间隙太大，则树脂不能填充引起成品工件中的所述孔隙问题的整个间隙。对于通常的桁条的厚度中通常的制造公差，当工装的坡度大于1:200时，则认为该间隙7太大。

相同的限制影响了具有陡的厚度变化的其它CFRP结构元件的制造。

发明内容

本发明在所附的独立权利要求中限定，并且圆满地解决了现存的用于固化不能利用常规的金属工具来生产的、具有所要求的厚度变化和/或最小的厚度的CFRP工件的现存工装的以上描述的问题。本发明的优选的实施方式在所附的从属权利要求中限定。

更特别地，本发明涉及适用于固化复合材料的工件的混合式工具，其中，该工具具有接触表面，该接触表面具有形成需固化的复合材料部件(在前期阶段形成)的形状外形或该接触表面的形状适于与需固化的复合材料部件(在前期阶段形成)的形状大致匹配。所述接触表面由不同性质的两个表面形成，即设置在工具中，对应于需被固化的工件的具有最小厚度和/或具有非常急剧的厚度变化的区段的金属表面和弹性表面。优选地，弹性表面设置成对应于工具的终端部区段并且金属表面设置在工具的内区段处。

工具的金属部分为常规的金属工具，通常由适用于该目的的因瓦合金、钢或任何其它种类的金属材料制成，这与现有技术的工具相类似，并且该金属部分在工具的除终端部区段之外的主要部分上延伸。

该工具的弹性部分由能够弹性地改变其体积和形状的材料制成，即，由因外力而变形并且在当外力移除时回复至其原形状的材料制成。弹性部分以金属部分用作用于弹性部分的支承件或基底的方式设置在金属部分的内表面的一部分上，即，弹性部分设置在金属部分的意在沿着需固化的桁条的终端部区段与需固化的CFRP工件接触的表面上。

优选地，弹性部件由弹性材料制成，由于该材料的弹性特性和强度特性，使得其适合于这种特定应用。

因此，本发明的方面涉及用于固化复合材料的工件的混合式工具，包括至少一个金属部分和设置在该金属部分的表面上的弹性部分。

此外，弹性部分和金属部分彼此永久地联结在一起，这意味着两个部分在固化过程期间和固化过程之后保持固定至彼此。此外，金属部分和弹性部分以其一起形成具有拷贝或复制需固化的复合材料的工件的表面的至少一部分的形状的接触表面的方式相对于彼此设置。

使弹性部分永久地联结至金属部分具有在固化过程完成后弹性部分相对于金属部分保持固定在相同的位置中的效果。因此，混合式工具可被重复地用在许多固化周期中，而无需在每个周期之后再调整弹性部分的位置。

另一方面，弹性部分的弹性特性具有防止或至少显著地减少需获得的CFRP工件中的孔隙问题的效果。在固化过程期间，通常将热和压力(真空)施用至混合式工具及需固化的工件，使得施用的真空引起弹性部分膨胀为使其形状适应板层的堆叠并从而减小在工具和板层之间形成的腔体的容积。由于这些腔体的容积被显著地减小，因而防止了树脂的朝向所述腔体的任何不期望的流动，因此，能够圆满地固化具有急剧厚度变化的预成型的未固化的复合工件。

一旦真空被释放，弹性部分返回至其原来的形状并准备好用于下一固化周期。

与现有技术的全部具有坚硬的或刚性的金属表面的工装相反，本发明的混合式工具在设置弹性部分之处设置有可变形表面。

本发明的另一目的为基于使用上述的混合式工装的用于制造飞行器的诸如桁条之类的复合结构的方法。

本发明也涉及由复合材料制成的用于飞行器的桁条，其圆满地解决了前述的与桁条终端部处负载传递相关联的问题。

本发明的一个优点在于制造具有急剧的减少的板层的桁条，即在终端部区段处在腹板与脚部二者中的陡的厚度减小，实现通常厚度的甚至60％至80％的厚度减小或甚至减到更小。这些桁条可以优良的质量重复地制造。

本发明的混合式工具也可有利地用于制造飞行器的诸如蒙皮壁板之类的易于通过板层的急剧减少而被优化的其它CFRP结构。

附图说明

以下将参照附图描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1示出了桁条终端部区段，其中，附图(a)为与蒙皮面板联结的桁条的立体图；附图(b)为俯视平面图；附图(c)为侧视图。桁条的腹板和脚部二者的厚度的逐渐减小可分别在图(b、c)中观察到。

图2为在具有减小的厚度的区段的未固化的复合部件与常规的金属工具之间产生的不对准和因该不对准而产生的引起孔隙问题的间隙的两个示例的示意性表示。

图3示出根据本发明的工具的立体图，在该例子中，该工具由两个对称的混合L形工具形成。该图也示出了在两个L形工具之间设置的凸模。该凸模用于在混合式工具的制造过程期间在相应的金属部件上形成弹性部件。

图4示出图3的混合式工具中的一个工具的腹板部件的示意性表示。附图(a)为接触表面的平面图；附图(b)为沿附图(a)中的线A-A’截取的截面图。混合式工具的脚部部件的截面图将产生与在该图中示出的示意性表示类似的表示。

图5示出沿根据本发明的混合式工具的腹板区段截取的截面图的示意性表示，该混合式工具由处于用于固化例如T形桁条之类的复合工件的操作位置中的两个对称的L形部件形成。

图6在附图(a)中示出在图5中的线A-A’处截取的横截面图的示意性表示；附图(b)为对应于位于操作位置中的混合式工具的两个部件的终端部区段的沿图5中的线B-B’截取的横截面图；附图(c)为附图(b)中脚部部件的放大视图。

具体实施方式

图3示出根据本发明的优选的实施方式的用于固化复合材料的工件的混合式工具14，其中，该工具14包括第一L形部件9和第二L形部件9’，所述第一L形部件9和第二L形部件9’彼此对称，并构造成用于当其如图5中所示彼此联接时固化T形桁条。

每个L形部件9、9’包括金属部分15、15’和设置在相应的金属部分15、15’的内侧表面上的弹性部分16、16’，使得两个部分15、15’、16、16’一起限定意在与需被(执行)固化的复合部件25接触的接触表面17、17’。出于该目的，接触表面17、17’具有拷贝复合材料的工件25的表面的至少一部分的形状。

图3也示出凸模13，该凸模13通常由铝制成，设置在两个L形部件之间，用于在工具14的两个部件9、9’的制造过程期间在相应的金属部分15、15’上形成弹性部分16、16’。凸模13复制需被固化的部件的形状，因此，凸模13被制造为在其终端部区段处具有期望的坡度或厚度减小使得弹性部分16、16’形成为该坡度的形状。

优选地，弹性部分16、16’由弹性材料制成。

图3的这两个部件9、9’中的每个部件由脚部部件11和腹板部件10形成，并且其中，弹性部分16设置在腹板部件10的内表面和脚部部件11的内表面上。弹性部分16设置在每个部件的端部区段处，即，与该部件的端部相邻。

如可在图3和图4中观察到的，金属部分15为长形体，弹性部分16设置在金属部分的相邻于其远端部18中的一个远端部的区域上(对应于终端部区段)，使得这两部分设置成一起限定或形成具有需固化的复合工件25外形的形状的工作表面或接触表面17，该接触表面17与T形桁条的腹板部件和脚部部件的外表面的形状相匹配。

如可在图4(b)中更清晰地观察的，一部分的金属部分15起到对于弹性部分16的背部支承的作用，弹性部分16的纵向截面的厚度从弹性部分16的内端部19至外端部20增大，以形成具有对应于预成型的桁条的具有陡的厚度减小的终端部区段的所需的形状的斜坡。

如在图4中更清晰地示出的，弹性部分16与金属部分15的表面直接地接触，并且可例如通过粘贴固定至金属部分。替代性地，金属部分和弹性部分以使得其彼此接合以保持永久地固定的方式构造。在图3和图4的示例性实施方式中，该接合通过多个穿过金属部分15的孔眼21获得，使得部分的弹性材料在该材料的固化过程期间穿入所述孔眼21中。

同样由与弹性部分16相同的弹性材料制成的支承层22层压在金属部分15的外表面23上，使得弹性材料填充那些孔眼21，并且支承层与弹性部分物理上连接成一体的部件。

弹性部分16可延伸超过金属部分的远端部18，以形成不由金属部分支承的片状物23。该片状物23设置在工具的两个部件9、9’中，用于在固化过程期间封闭位于这两个部件之间的腔室，以防止树脂流出该腔室。

替代性地，弹性部分16、16’在整个金属部分15上延伸，或至少在其主要部分上延伸，以避免在需固化的复合工件的整个范围中而非仅在终端部处的多孔的问题。该结构的附加的优点为在该金属表面上的任何缺陷由弹性材料覆盖。

由于这些工具的大的长度和重量，通常这些工具如图5中示出的由多个联接在一起的部段形成。内部段26为常规的金属工具，与需被固化的工件25的中央部相对应地设置。在工具的与终端部相对应的端部处，工具14的外部段27根据本发明来构造，具有形成为工件25的终端部28的形状的弹性部16、16’。

如图5中所示，外部段27的两个对称的金属部件30、30’具有用于接纳弹性部分16、16’的凹进区域31、31’。弹性部分16、16’具有过渡区域32，在该过渡区域32处，弹性部分16、16’的内表面与内部段26的内表面平齐。弹性部分16、16’也具有成形如斜坡或斜面的终端部区域33。工具14的接触表面17、17’由金属部分15、15’和弹性部分16、16’的内表面形成。

在弹性部分16、16’中设置过渡区域32具有的效果和优点在于，更多地受到孔隙问题影响的区域——即，终端部区域33在其中开始的拐点区域34——整个由弹性材料16、16’形成，因此，孔隙问题在该整个区域处减少。混合式工具14的外部段27和内部段26均在其一个端部处设置有阶梯状构型29、29’，所述阶梯状构型彼此互补以联接该两个部段。工具14的接触表面17、17’由金属部分15、15’的内表面和弹性部分16、16’的内表面形成。

本发明同样涉及用于制造之前描述的混合式工具的方法，该方法包括以下步骤：

–将金属凸部13制造为具有需固化的工件的形状，

–制造金属部分15、15’，

–将若干层的原始弹性材料层压在金属部分的表面上，直到获得期望厚度的弹性材料，

–通过施加热及将弹性材料抵着凸模13按压来固化该原始弹性材料，以将该弹性材料按照该模子形成，

–使混合式工具从凸模13中脱模。

为了将混合式工具制造成图5或图6中示出的一个，在金属部分中开设若干孔眼21，原始弹性材料也被层压在金属部分的外表面23上。在固化周期中，弹性材料被加热，并且因施用的真空的作用，该弹性材料中的部分流入将支承层22与弹性部分16连接的孔眼21中。该过程使得在支承层22上出现一些凹陷部24，例如在图3中所示。

本发明允许制造用于任何种类的加强件形状的以及在任何种类的加强件形状的任何区段中的任何种类的斜面，其中，与通过常规金属工装所允许的相比，该斜面更陡或厚度更小。作为优选的示例，在终端部(SRO)区段具有陡的斜面的T形桁条可利用本发明的混合式工具制造，这又使得能够优化诸如通过桁条加强的蒙皮之类的结构的性能。

Claims (13)

1.一种用于固化复合材料的工件的混合式工具，所述混合式工具包括至少一个金属部分和设置在所述金属部分的表面上的弹性部分，其中，所述弹性部分和所述金属部分彼此永久地联结，并且其中，所述金属部分和所述弹性部分一起限定具有拷贝需固化的复合材料的工件的表面的至少一部分的形状的接触表面。

2.根据权利要求1所述的混合式工具，其中，所述弹性部分由弹性材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的混合式工具，其中，所述金属部分为长形体，所述弹性部分设置在所述金属部分的与所述金属部分的远端部相邻的区域上。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的混合式工具，其中，所述弹性部分叠置成与所述金属部分的表面直接接触，并且其中，所述弹性部分机械地联结至所述金属部分或胶粘至所述金属部分。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的混合式工具，其中，所述弹性部分具有内端部和外端部，所述内端部位于所述金属部分的内部区域处，所述外端部定位得靠近所述金属部分的远端，并且其中，所述弹性部分的厚度从所述内端部至所述外端部逐渐增大。

6.根据权利要求2和5所述的混合式工具，其中，所述弹性材料已通过加热和将所述弹性材料在所述金属部分与凸模之间按压而形成在金属模上。

7.根据权利要求1所述的混合式工具，所述混合式工具构造成用于固化桁条，所述桁条具有脚部、从所述脚部突出的腹板和位于所述桁条的端部中的一个端部处的终端部区段，所述金属部分具有内表面和外表面，并且其中，所述弹性部分设置在所述金属部分的所述内表面上。

8.根据权利要求7所述的混合式工具，其中，所述金属部分呈具有脚部部件和腹板部件的L形截面，并且其中，所述弹性部分设置在所述腹板部件的所述内表面和所述金属部分的所述脚部部件二者上，所述弹性部分设置在所述工具的端部区段处。

9.根据权利要求7或8所述的混合式工具，其中，所述金属部分具有从所述内表面向所述外表面延伸的多个孔眼，所述工具还包括设置在所述工具的外表面上的大致朝向所述弹性部分的支承层，并且其中，所述支承层和所述弹性部分由相同的弹性材料制成并且通过所述孔眼连接。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的混合式工具，其中，所述弹性部分具有过渡区域，所述过渡区域的内表面与所述金属部分的所述内表面平齐。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的混合式工具，其中，所述金属部分具有凹进区域，并且其中，所述弹性部分设置在所述凹进区域处。

12.一种用于固化复合材料的工件的工具，所述工具包括两个根据前述权利要求中的任一项所述的混合式工具，其中，所述两个混合式工具彼此对称。

13.一种用于制造用于飞行器的复合材料的桁条的根据前述权利要求中的任一项所述的混合式工具的用途。