CN105209243A - 用于复合材料的具有一体式切割的成形工具 - Google Patents

用于复合材料的具有一体式切割的成形工具 Download PDF

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Abstract

一种成形和修整工具(100)，其是可操作的以对复合材料零件进行成形和修整。所述工具包括下部模具(150)、安装到所述下部模具的核心(115)、安装到所述下部模具的至少一个下部压力垫片(120)，以及安装到所述下部模具的切割器(125)。另外，所述工具包含上部模具(105)、安装到所述上部模具的腔室，以及安装到所述上部模具的至少一个上部压力垫片(110)。

Description

用于复合材料的具有一体式切割的成形工具
技术领域
本发明的实施例涉及用于复合材料的具有一体式切割的成形工具以及使用方法。
背景技术
对于车辆中的更大燃料效率的需求驱动了使用较轻材料的需要，包含，例如，碳纤维复合材料。如今碳纤维复合材料表示一种传统上未用于大批量生产的新类别的材料。因此，用于复合材料车辆零件的经济的大批量生产的组件设计、工程技术、材料和制造过程研发并未得到非常好的理解。此外，碳纤维复合材料的可持续性尚未被彻底地视作它涉及汽车市场中的大量商品化。
因此，在本领域中需要用于形成复合材料以便例如实现碳纤维复合物的重量减轻的潜能的改进的方法和装置。
发明内容
本发明的实施例涉及全自动组合形式修整***和使用方法。在实施例中，所述***具有短暂的循环时间(例如，小于3分钟)，具有用于成形和修整复合材料的优化处理步骤(在固化过程之前)。通过实施本发明的实施例以产生经成形和修整的复合材料，可以更有效地实现碳纤维复合物的重量节省潜能。成形和修整工具的使用可以引起减少的废弃物同时满足结构层合物的性能需求。
本发明的一个实施例涉及一体式成形和修整工具，所述工具是可操作的以对复合材料零件进行成形和修整。所述成形和修整工具包括下部模具、安装到下部模具的核心、安装到下部模具的至少一个下部压力垫片，以及安装到下部模具的切割器。另外，所述工具包括上部模具、安装到上部模具的腔室，以及安装到上部模具的至少一个上部压力垫片。
在本发明的另外的实施例中，所述成形/修整工具进一步包括安装到上部模具的多个上部止挡区块，以及安装所述下部模具的多个下部止挡区块。
在本发明的额外的实施例中，成形/修整工具进一步包括安装在上部模具上的多个对齐插销，以及安装在下部模具上的多个对应的衬套。所述多个对应的衬套经结构化和布置以相应地接纳多个对齐插销以提供核心和腔室的对齐。
在本发明的再其它实施例中，所述核心和腔室包括对应于复合材料零件的所需形状的基本上交互的形状。
在本发明的另外的实施例中，所述至少一个下部压力垫片包括多个下部压力垫片。
在本发明的另外的实施例中，所述成形/修整工具进一步包括至少一个安装件，所述安装件经结构化和布置以支撑所述至少一个下部压力垫片。
在本发明的又其它实施例中，所述成形/修整工具进一步包括多个下部压力垫片弹簧，所述多个下部压力垫片弹簧经结构化和布置以在处于预加载状态的同时在加载位置中维持下部压力垫片。
在本发明的另外的实施例中，所述成形/修整工具进一步包括多个上部压力垫片弹簧以及核心弹簧和氮气气缸中的至少一个的多个。
在本发明的额外的实施例中，多个下部压力垫片弹簧、多个上部压力垫片弹簧和多个核心弹簧经结构化和布置使得在上部模具朝向下部模具的竖直向下的移动之后，以及所得的所施加的压力的增大，多个下部压力垫片弹簧开始首先压缩，多个上部压力垫片弹簧在多个下部压力垫片弹簧完成压缩之后进行压缩，并且多个核心弹簧在多个上部压力垫片弹簧完成压缩之后进行压缩。此施加的压力可以另外与竖直方向成角度以用于具有允许传递竖直运动到成角度运动的硬件的某些应用。
在本发明的又其它实施例中，所述上部模具经结构化和布置以用于相对于下部模具的竖直移动。
在本发明的另外的实施例中，在上部模具朝向下部模具的竖直向下的移动之后，至少一个上部压力垫片朝向至少一个下部压力垫片移动以提供夹持力到复合材料坯料。
在本发明的额外的实施例中，其中在上部模具朝向下部模具进一步竖直向下移动之后，腔室朝向核心移动以从复合材料坯料中对复合材料零件进行塑形。
在本发明的又其它实施例中，其中在上部模具朝向下部模具的进一步竖直向下移动之后，腔室的剪切边缘移动经过切割器的剪切边缘以修整复合材料坯料。这些剪切边缘可以另外与竖直方向成角度以用于具有允许传递竖直运动到成角度运动的硬件的某些应用。
在本发明的另外的实施例中，夹持力经配置以在成形操作期间以及在修整操作期间用充足的力夹持复合材料坯料的周边区域。
在本发明的额外的实施例中，所述充足的力是足够大的以防止复合材料坯料的起皱，但是又是足够小的以防止复合材料坯料的撕裂，同时允许复合材料坯料的受控制的滑动。
在本发明的又其它实施例中，施加到复合材料坯料的力随着上部模具朝向下部模具的竖直向下的移动动态地增加。这些力可以另外与竖直方向成角度以用于具有允许传递竖直运动到成角度运动的硬件的某些应用。
在本发明的另外的实施例中，所述成形/修整工具进一步结合压力机，所述压力机经结构化和布置以提供上部模具相对于下部模具的竖直移动。
在本发明的额外的实施例中，压力机的冲程连续经过复合材料固持和控制阶段、复合材料成形阶段，以及复合材料边缘修整阶段。
在本发明的又其它实施例中，至少一个上部压力垫片和至少一个下部压力垫片包括钢。
本发明的一个实施例涉及对复合材料零件进行成形和修整的方法。所述方法包括：在布置在压力机中的成形/修整工具中加载复合材料坯料；降低压力机以将成形/修整工具从加载位置移动到初始位置；降低压力机以将成形/修整工具从初始位置移动到最终成形位置以从复合材料坯料中形成复合材料零件；降低压力机以从最终成形位置将成形/修整工具移动到最终切割位置以修整复合材料坯料；升高压力机以将成形/修整工具从最终切割位置移动到加载位置；以及从成形/修整工具中移除经成形和修整的复合物零件。
本发明的一个实施例涉及成形/修整工具，所述成形/修整工具是可操作的以对复合材料零件进行成形和修整。所述成形/修整工具包括第一模具、安装到第一模具的至少一个第一压力垫片，以及安装到第一模具的切割器。所述成形/修整工具另外包括第二模具，以及安装到第二模具的至少一个第二压力垫片。所述成形/修整工具进一步包括安装到第一模具和第二模具中的一个的核心以及安装到第一模具和第二模具中的另一个的腔室。
附图说明
为了更完整地理解本发明和其它目标及其进一步的特征，可以结合以下示例性且非限制性附图参考本发明的以下详细描述，在附图中：
图1说明处于打开(或加载)位置的成形/修整设备(工具)的示例性且非限制性实施例的视图，所述设备经配置以形成根据本发明的实施例的三维的部分双半球面形状的复合零件；
图2说明根据本发明的实施例处于闭合(或最终修整)位置的示例性工具的视图；
图3说明根据本发明的实施例处于初始位置的工具的下部部分的视图；
图4说明根据本发明的实施例处于压缩最终修整位置的工具的下部部分的视图；
图5说明根据本发明的实施例的示例性工具的上部部分的视图；
图6说明根据本发明的实施例的示例性工具的上部部分的替代视图；
图7说明根据本发明的实施例处于初始位置的示例性工具的截面图；
图8说明根据本发明的实施例展示在成形步骤的开始(例如，在初始位置中)坯料固持器操作的工具的示例性截面图；
图9说明根据本发明的实施例展示在成形步骤的末尾(或修整步骤的开始)坯料固持器操作的工具的示例性截面图；
图10说明根据本发明的实施例展示在修整步骤的末尾坯料固持器操作的工具的示例性截面图；
图11示出用于管理根据本发明的实施例的过程的说明性环境；以及
图12示出用于执行本发明的实施例的方面的示例性流程。
贯穿附图的各个图式，参考标号指代本发明的相同或等效部分。
具体实施方式
在以下描述中，将参考附图描述本发明的各个实施例。
这些细节在此示出是作为举例并且仅仅出于对本发明的实施例进行说明性讨论的目的，并且呈现的理由是为了提供被认为是对本发明的原理和概念性方面最有用的并且容易理解的说明的这些内容。在此方面，相比对本发明的基础理解所必须的，不试图更详细地示出本发明的结构细节，本说明书加上图示使得本领域的技术人员很清楚如何在实际中实施本发明的形式。
如本文所使用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一个”和“所述”包含复数参考。除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中所用的表示例如弹簧力等的量应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除非指明为相反的，否则本说明书和权利要求书中所阐述的数值参数是可能视试图通过本发明获得的所需性质而变化的近似值。最低限度地，且不试图限制将等效物原则应用于权利要求书的范围，应根据有效数字的数量和一般四舍五入方法来理解每一数值参数。
另外，本说明书内的数字范围的引述被视为是该范围内的所有数值和范围的揭示。举例来说，如果范围是从大约1到大约50，那么它被认为是包含，例如，1、7、34、46.1、23.7或所述范围内的任何其它值或范围。
另外，参考工具的竖直移动还包含工具的与竖直方向成角度的移动。这些成角度的移动可以包含针对具有需要非竖直动作的特征的某些零件的夹持、成形和切割。
除非专门陈述为相反的，否则本文所揭示的各种实施例可以单独地使用以及以各种组合使用。
为了与示例性的复合物层合物的“手工处理”(或手工敷涂方法)进行比较，在手工成形和修整操作之前对复合材料(例如，预浸体层)进行切割、定向、堆叠和缝合，随后在红外(IR)炉中加热。所述零件一旦经过成形和修整就被移动到模制工具台以用于随后的零件固化和强化。通过此示例性“手工处理”，整个循环耗时大约一个小时(1-hr)，其中成形和修整占超过所述过程时间的一半。
与“手工处理”相反，通过根据本发明的实施例包含组合成形修整操作且另外包含一个或多个例如自动织物处理/切割和层合/缝合的复合物层合物的自动处理，可实现小于三(3)分钟的循环时间。也就是说，通过利用本发明的实施例，零件循环时间按数量级减小(例如，从一小时减到几分钟)。
本发明的实施例涉及经结构化和布置用于层合物的成形和切割的组合成形/修整***以及使用方法。在实施例中，所述***可以是全自动的。在实施例中，所述***具有带用于复合材料层合物的成形和切割的优化处理步骤的短循环时间(例如，小于3分钟)。通过实施本发明的实施例以产生经成形和修整的复合材料，举例来说，可以更有效地实现碳纤维复合材料的节省重量的潜能。在实施例中，复合材料可以包含基于CF热固性基质的预浸体(例如，连续的和/或随机切短的)、分散预浸体材料和热熔胶预浸体材料。通过示例性和非限制性实施例，复合材料的热固温度大约是60℃到80℃。
通过根据本发明的实施例在单个工具中利用组合成形和修整，总体处理成本通过在成形之后消除第二组修整复合材料的工具而减少。此外，组合处理通过在单个工具中执行这两个步骤而减少了总制造时间。通过组合处理，实现了成形零件和切割(或修整)边缘的精确对齐，产生了较高质量压缩模制零件。此外，所述工具是可操作的以按最终形状或近似最终形状对所成形的零件塑形。因此，在成形/修整过程的下游(例如，在固化过程期间)需要成形零件的极小的额外塑形或不需要额外塑形，产生了更有效的过程。
另外，根据本发明的另外方面，通过在压缩模制(例如，固化)之前预成形和修整所述零件，可以简化压缩模制工具。因为所述零件是已经成形的(或大部分成形的)，所以在压缩模制期间不太可能发生起皱或其它成形问题。因此，当组合本发明的实施例使用时，压缩模制工具可能需要较少特征来控制和/或防止起皱。
本发明的实施例利用高容量制造过程中的复合物以用于成形预浸体复合物以使用快速循环时间对预浸体复合物进行塑形和修整(或切割)。在实施例中，这些过程步骤中的每一个可利用机器人自动化。根据本发明的实施例，通过成形和修整复合材料(例如，预浸体层)，在压缩模制(例如，固化)之前，本发明的实施例使得能够形成复杂的几何形状并且极大地简化随后的压缩模制过程。
根据本发明的实施例，在预成形步骤中(即，在成形和修整之前)，可以加热复合材料坯料以对复合材料坯料进行软化(但是没有固化)。另外，加热可以是受控制的(例如，升高或降低的)以调节(例如，增大或减小)复合材料的一个或多个层的粘性。根据本发明的实施例，可能需要增加粘性以例如改进复合材料的层之间的粘附。在具有复合材料的机器人处理的实施例中，可降低复合材料的粘性以改进通过机器人的处理(例如，处理精确性和/或放置精确性)。
图1说明处于打开(或加载)位置的一个示例性且非限制性实施例成形/修整设备(或工具)100的视图。通过图1的示例性实施例，所述工具经配置以形成三维形状复合零件。工具100是可操作的以(1)将预浸体形成所需形状；以及(2)切割(或修整)外部周长到合适大小。根据本发明的方面，在压缩模制(例如，固化)过程之前执行两个步骤。
如图1中所示，工具100包含上部模具105和下部模具150(例如，丹利模具组)。安装在下部模具150上的核心115连同安装在上部模具105上的腔室(未在图1中示出，但是参见图5)经配置以形成成形的复合零件。通过图1的示例性实施例，核心115和腔室(未示出)经配置以形成双重圆顶形状的复合零件。工具100另外包含经由一个或多个对应的支架170安装到上部模具105的一个或多个上部压力垫片110以及安装到下部模具150的一个或多个下部压力垫片120。在实施例中，压力垫片110、120可以包括钢或其它合适的材料。在另外的实施例中，压力垫片110、120也可以包括尼龙模座。根据本发明的实施例的方面，上部压力垫片110和/或下部压力垫片120的材料特性(例如，材料类型、表面光滑度等)可经选择和/或配置以改变上部压力垫片110和/或下部压力垫片120的摩擦系数。虽然将工具特征参考为“上部”和“下部”，但是应理解这是示例性的且非限制性的实施例，并且工具100可以相反地安装且仍然以相同方式操作。
如图1中所示，工具100包含安装到下部模具150的切割器125。在实施例中，切割器125可以是单个一体式结构，或者可以包含离散元件(例如，四个离散部分)。工具100进一步包含安装到上部模具105的多个上部止挡区块130以及安装到下部模具150的多个下部止挡区块135。上部止挡区块130和下部止挡区块135经结构化和布置以按可配置阈值(例如，最小距离)停止核心115和腔室的相对移动以防止执行修整操作的剪切边缘的过度行进。通过示例性且非限制性实施例，上部和下部止挡区块经大小设定以允许腔室的剪切边缘绕过切割器125的剪切边缘3mm。在实施例中，上部止挡区块130和/或下部止挡区块135可与经不同大小设定的止挡区块互换以调节所述可配置阈值。
工具100另外包含安装在上部模具105上的多个对齐插销145以及安装在下部模具150上的多个对应的衬套140。在实施例中，对齐插销145(例如，大直径插销)可以包含衬套滚珠轴承以提供上部模具105与下部模具150的更精确的对齐(并且因此，剪切边缘的对齐)，并且防止锁住。
在实施例中，工具100经结构化和布置以在上部压力垫片110与下部压力垫片120之间保持复合材料(例如，碳纤维预浸纺织织物(或预浸体)材料(未示出))的一个或多个层，将所述复合材料的一个或多个层成形为腔室(未示出)与核心115之间的3D形式，通过压力将复合材料的层接合在一起，并且通过腔室的剪切边缘和切割器125的剪切边缘切割复合材料的一个或多个层。根据本发明的实施例的方面，所有这些过程都通过使用“连续”按压操作的单个自足式工具(例如，示例性工具100)执行。通过一个示例性实施例，成形工具100安装在压力机(未示出，参见图11)中，所述压力机经结构化和布置以相对于下部模具150驱动上部模具105。
根据本发明的实施例的方面，工具100是可操作的以在进行成形的同时通过上部压力垫片110与下部压力垫片120之间的适当(或最佳)量的压力保持一个或多个碳纤维层。最佳压力允许复合材料(或织物)适当地滑动以便符合在工具100内形成的形状，同时也防止了起皱、撕裂或织物损坏。在实施例中，工具100包含夹持机构(例如，包含上部压力垫片110和下部压力垫片120、多个支架170、多个止挡插销155，以及多个垫片对齐插销160以及其它组件)，所述夹持机构经结构化和布置以施加可配置量的力从而允许固持复合材料同时还允许复合材料以预先确定的且可调节的力穿过固持器的滑动移动。在实施例中，夹持机构利用多个下部压力垫片弹簧165以及多个上部压力垫片弹簧(未示出)。
如图1中所示，本发明的示例性且非限制性实施例，多个下部压力垫片120可以包含四个下部压力垫片，其具有安装在具有相关联的下部压力垫片弹簧165的对应的安装件170上的各自对应的压力垫片。多个止挡插销155经结构化和布置以防止下部压力垫片120上升的过远。多个垫片对齐插销160经结构化和布置以精确地对齐下部压力垫片120和支架170与下部模具150。虽然示例性工具100包含四个下部压力垫片120和对应的支架170，但是本发明的实施例还构想出更少数目或更大数目的下部压力垫片120和对应的支架170(例如，一个压力垫片、六个压力垫片、八个压力垫片、十六个压力垫片等)。
虽然固持了复合材料(或织物)，工具100的形成运动包含在工具的闭合期间腔室(未示出)的行进以在复合材料中通过与核心115介接而形成成形形状。通过闭合工具的压力，由于预浸体粘性表面和施加的工具压力的组合，复合材料的层变得结合在一起。
根据本发明的实施例的额外方面，一旦工具100的形成运动完成，那么工具100的切割移动(或动作)开始。腔室的进一步的向下移动造成在腔室(未示出)的周边上的剪切边缘(未示出)绕过切割器125的剪切边缘引起复合材料的切割(或修整)。
图2说明在闭合(或最终修整)位置中的示例性工具100的视图。在闭合位置中，上部模具105和下部模具150已经相对地朝向彼此移动，使得核心115和腔室(未示出)形成成形的复合零件。在闭合位置中，一个或多个上部压力垫片110和一个或多个下部压力垫片120夹持复合材料的一个或多个层(例如，碳纤维预浸纺织织物(或预浸体)材料)(未示出)。如图2中另外所示，在闭合位置中，多个上部止挡区块130接触多个下部止挡区块135，并且多个对齐插销145接纳在多个对应的衬套140内。
在本发明的实施例中，所述过程涉及在***到工具100中之前加热复合材料片(或坯料)高达软化温度(例如，50℃到70℃，例如，低于固化温度)。工具100随后闭合，其中发生成形、接合和切割。在实施例中，工具100可维持在室温或低温下以从经预热的复合材料中向外抽取热量。此加热和冷却过程辅助一旦从工具100中移除的成形零件的形状保持。
图3说明在初始位置中的示例性工具100的下部部分300(例如，下部模具150和附接到其上的组件)的视图。如图3中所示，下部部分300包含核心115、一个或多个下部压力垫片120和对应的支架170、多个下部止挡区块135、多个对应的衬套140以及切割器125。在此初始位置中，下部压力垫片120和对应的支架170与切割器125相隔一定距离，并且多个弹簧165在相对未经压缩的状态中。
图4说明在压缩最终修整(或闭合)位置中的示例性工具100的下部部分300′(例如，下部模具150和附接到其上的组件)的视图。在图4中所示的压缩最终修整(或闭合)位置中(其无需工具100的上部部分示出以更清楚地说明本发明的实施例的方面)，多个支架170(具有安装在其上的下部压力垫片120)接触切割器125。在压缩(或闭合)位置中，下部压力垫片弹簧165处于相对经压缩状态。
图5说明示例性工具100的上部部分500(例如，上部模具105和附接到其上的组件)的视图。如图5中所示，上部部分500包含上部模具105、具有剪切边缘510的腔室505、一个或多个上部压力垫片110、多个上部止挡区块130和多个对齐插销145。图6说明示出上部模具105、上部压力垫片110、多个上部止挡区块130和多个对齐插销145的示例性工具100的上部部分500的替代视图。
在闭合冲程(例如，从加载位置，穿过初始位置行进到最终修整位置)期间，工具100是可操作的以：(1)固持复合材料；(2)使复合材料形成所需形状；以及(3)切割(或修整)复合材料的外周到合适的大小。随着闭合冲程中的压力的降低，最初，没有力被施加到材料，随后随着上部压力垫片110和下部压力垫片120接触材料施加增大的力，并且最后，在复合材料的切割(或修整)期间施加峰值力。根据本发明的实施例的方面，工具100是可操作的以按顺序固持、形成和切割复合材料。重要的是每个步骤在前进到下一个步骤之前完成。举例来说，如果切割发生在成形完成之前，那么切割过程将中断成形过程。在本发明的实施例中，闭合冲程的速率可以是可调节的以减小或增大工具100的抽取速度。
图7说明在初始位置中的示例性工具100的截面图。如图7中所示，通过使工具100处于初始位置中，复合材料的一个或多个层(例如，碳纤维预浸纺织织物(或预浸体)材料)705布置在多个下部压力垫片120之上，所述下部压力垫片布置在对应的支架170上。多个下部压力垫片120的上表面基本上与核心115的中心对齐，使得优选地，不会在核心上发生复合材料705的过早偏转。上部压力垫片110和腔室505的周边部分接触复合材料705的上表面。切割器125的上表面与核心115的周边边缘对齐。如图7中进一步所示，在初始位置中，上部止挡区块130和对应的下部止挡区块135彼此分离，并且对齐插销145部分地接纳在对应的衬套140内。如图7中另外所示，示例性工具100包含核心弹簧710(以虚线示出)和上部压力垫片弹簧715(以虚线示出)。
虽然在图7中未示出，但是在将工具100移动到初始位置中之前利用工具的加载位置。在加载位置中，布置在对应的支架170上的多个下部压力垫片120和核心115与上部压力垫片110和腔室505竖直地间隔开(例如，通过升高上部模具105)以允许接近工具100中的复合材料705的放置。多个下部压力垫片120的上表面与核心115的中心基本上对齐，并且下部压力垫片120和核心115的中心一起支撑复合材料(或织物)705。复合材料坯料705最初与静置在三维核心的顶部上的核心115的中心部分水平。在此高度处，核心115提供平坦复合材料(或坯料)705的额外支撑直到上部压力垫片110与下部压力垫片120之间的夹持。根据本发明的实施例的方面，利用核心115的中心部分支撑定位复合材料坯料705促进复合材料705的适当成形。在复合材料705的加载之后，上部压力垫片110和腔室505从复合材料705的上表面竖直地间隔开。
图8说明工具100的示例性截面图，展示了在成形步骤的开始处(例如，在初始位置中)的复合材料坯料固持器操作。如图8中所示，在成形过程开始之前，复合材料坯料固持器表面(例如，上部压力垫片110和下部压力垫片120)在复合材料(或织物)705上施加压力。
随着工具100接近初始位置，如图8中所示，平坦复合材料705夹持在上部压力垫片110与下部压力垫片120之间。也就是说，坯料固持器压力在成形过程的最开始施加，而复合材料坯料705仍然是平坦的。腔室505的周边接触预浸体材料705的上表面。随着工具100从初始位置进一步闭合，由此开始成形过程，将下部压力垫片弹簧(在图8中未示出)压缩到工具100的核心侧中。通过一个示例性实施例，上部压力垫片110和下部压力垫片120利用弹簧以在工具100的周边上施加压力并且维持(或增大)压力直到完成成形和切割。
图9说明工具100的示例性截面图，展示了在成形步骤的末尾(并且因此在修整步骤的开始)的复合材料坯料固持器操作。如图9中所示，上部模具105和腔室505已经降低并且成形的复合材料705′在腔室505与核心115之间成形。在成形步骤的末尾，成形复合材料705′的周边部分仍然在上部压力垫片110与下部压力垫片120之间。在图9中所示的位置中，下部压力垫片弹簧(未示出，参见图1)是完全压缩的并且核心115和腔室505位于预先确定的且可配置的偏移(例如，2.20毫米)处。应注意，在此位置(最终成形位置)中，核心115与下部模具150间隔开(其允许在修整阶段期间核心115连同腔室505的进一步向下移动)。上部压力垫片弹簧(未示出，参见图7)经大小设定以产生更硬的弹簧力，以便不会通过下部压力垫片力压缩。核心弹簧(未示出，参见图7)经大小设定并且经配置以提供足够压力以在切割(或修整)过程开始之前形成零件。在示例性且非限制性实施例中，核心弹簧包括氮气弹簧(气缸)，所述弹簧是可操作的以在紧凑的区域中提供较高力。在一个示例性且非限制性实施例中，核心115与腔室505之间的成形力是来自弹簧预载的76,500N，这相当于零件面积上的490kPa。
图10说明工具100的示例性截面图，展示了在修整步骤的末尾处的坯料固持器操作。如图10中所示，修整步骤是使用腔室505的剪切边缘510和切割器125的剪切边缘完成的。随着工具100继续关闭通过最终成形位置，腔室505按压核心115以压缩核心弹簧(未示出)。应注意在最终修整位置中，核心115与下部模具150接触。通过此运动，腔室505的剪切边缘510绕过切割器125的剪切边缘引起切割零件的周边。举例来说，如图10中所示，对成形和修整预浸体材料705″进行切割(或修整)，方法是通过上部模具105的进一步相对移动朝向下部模具150传送剪切边缘。在修整操作期间，复合材料(或织物)705″仍然由上部压力垫片110和下部压力垫片120夹持以辅助产生复合材料的清洁切割。
并且，根据本发明的实施例的方面，切割器125的剪切边缘位于非常接近成形零件几何形状处，并且复合材料坯料固持器布置成非常接近于切割边缘以减少任何不必要的废料(或废弃材料)并且改进切割(例如，质量和/或精确度)。在实施例中，两个剪切边缘之间的尺寸公差比较小(间隙+/-0.038mm)以便在切割时是有效的。如果间隙大小过大，那么切割材料(或织物)将不是清洁的(例如，切割将留下未切割织物的线)。如果间隙过小，那么可能存在与两个边缘的干扰，作为它们绕过彼此，并且可能引起损坏。通过示例性且非限制性实施例，每一侧的0.038mm的较少间隙可用于消除公差叠加并且干净地切割复合材料705。
通过示例性且非限制性实施例，工具100利用绕过剪切边缘以切割复合材料(例如，碳纤维预浸体材料)同时保持适当的固持力。在实施例中，峰值适当固持力可随着被切割的复合材料的层的数目而增大。剪切边缘产生围绕腔室505的周边的清洁切割，这通过刀片切割工具是无法实现的。也就是说，与剪切边缘相反，锋利的刀片边缘并不产生清洁切割，引起例如，纤维被拉动离开织物。此外，相比于刀片边缘，上述实施例的耐久性绕过剪切边缘也是大的多的，并且重新锐化、设计问题和制造公差对于剪切绕过设计是不太关键的。
所描述实施例的夹持机构(或复合材料坯料固持器)包括压力垫片***，所述***是可操作的以在成形期间夹持和控制复合材料(或织物)的张力和滑动。夹持机构围绕待成形的零件的完整周边夹持织物。在进行成形时，夹持机构以上部压力垫片110与下部压力垫片120之间的适当(或最佳)量的压力固持一个或多个碳纤维层(或预浸体材料或织物)705。最佳压力允许复合材料适当地滑动以便符合在工具内形成的形状，同时也防止了复合材料的起皱、撕裂或损坏。举例来说，在成形期间如果所施加的压力并不足够或过极大，那么碳纤维预浸体的起皱和/或撕裂可以成为问题。因此，通过使用夹持机构(或坯料固持器)，复合材料705的起皱和撕裂通过适当保持复合材料而在适当或最佳压力下。举例来说，如果出现皱折，那么所施加的压力过低或摩擦系数过低，并且夹持机构的弹簧压力可能增大。如果在成形过程期间出现撕裂，那么所施加的压力过高或摩擦系数过高，并且夹持机构的弹簧压力可能减小。
不同零件(例如，不同成形物品、不同材料、不同材料厚度)可具有不同最佳坯料固持器压力(例如，足够的压力以防止起皱，但是不是过量的以便促进织物的撕裂)。因此，根据本发明的实施例，坯料固持器压力在工具上是可调节的(例如，以减少或消除无意的起皱或撕裂)。通过一个示例性实施例，通过改变弹簧类型(例如，大小、材料等)力在每个区域中可以得到调节。在某些实施例中，弹簧压力可通过手动地改变一个或多个弹簧和/或弹簧的总数调节(例如，单独地和/或以模块化方式)。虽然图1的示例性实施例包含十个弹簧，但是可利用额外的或较少的弹簧，例如，以增大或减小所施加的压力的间隔尺寸。在实施例中，所述工具可以包含一个或多个螺杆驱动弹簧以确保用于各个量的压力的配置。在另外的实施例中，弹簧压力可自动地调节，例如，通过调节一个或多个弹簧(或弹簧的群组)的弹簧压力的计算机控制。通过弹簧压力的计算机控制，压力(例如，所检测的弹簧力)与弹簧压力控制之间的反馈可用于优化所施加的弹簧压力。
在实施例中，坯料固持器还被划分成区域使得夹持压力在零件的不同区域中是可调节的。在示例性且非限制性实施例中，压力垫片***被划分成四个独立区域。在实施例中，施加到织物的每单元长度的力在独立区域中的每一个中可以是大致相同的。在另外的实施例中，施加到织物的每单元长度的力在独立区域中的一些或全部中可能是不同的。
在实施例中，工具100包含具有三个不同弹簧加载***的夹持机构(例如，下部压力垫片弹簧165、上部压力垫片弹簧(未示出)和核心弹簧(未示出))，所述三个不同弹簧加载***在闭合冲程期间一起作用于主要偏转。弹簧的各种设置用于允许压力的生成并且允许在工具100中发生不同组件的移动。弹簧经设计以便生成适当量的力来夹持织物(在坯料固持器中)，同时允许受控制的织物滑动。另外，使用适当弹簧以允许每个处理步骤按顺序出现(如同偏转和力的增大)。在本发明的实施例中，工具利用压力表面和运动；其中外部液压不是完成所有的步骤所必需的。冲程连续经过所有功能。弹簧加载***的三个功能包含：(1)织物固持和控制；(2)织物成形；以及(3)织物边缘修整。
通过示例性和非限制性实施例，下部压力垫片弹簧提供在初始位置处(例如，初始材料接触)围绕完整周边的858N的力并且当工具完全闭合时(但是边缘并没有修整)增加到4,853N。在实施例中，下部压力垫片120通过插销和衬套导引，所述衬套经大小设定以随着复合材料(或织物)705被拉动到模具中(例如，在核心115与腔室505之间)而容纳侧面力。在边缘修整位置中，上部压力垫片110压缩以实现剪切边缘的绕过移动。在成形步骤的末尾，核心上的预先加载力是76,500N。然而，通过此示例性实施例，当上部压力垫片以12mm压缩时在切割步骤期间，所述力增加到92,500N。
在成形和切割复合材料之后，上部模具105升高，并且成形零件705″被移除。随后，成形零件705″经受固化。成形零件705″在被成形之后且在固化之前很好地保持其形状。在实施例中，成形零件705″可能被立即发送到固化过程或可能存储用于稍后固化。为了考虑成形零件中的任何回弹，在实施例中，核心115和腔室505可经配置、结构化和/或布置以形成略微地超过所需轮廓的形状以在从工具100被移除之后补偿成形零件705″的任何松弛(或回弹)。
***环境
如所属领域的技术人员将了解，本发明的方面可实施为***、方法或计算机程序产品。因此，本发明可能呈完全硬件实施例或组合在本文中可能通常全部被称作“电路”、“模块”或“***”的软件和硬件方面的实施例的形式。此外，本发明的实施例的方面可能呈计算机程序产品的形式，所述计算机程序产品以具有有形地实施于媒体中的计算机可用程序代码的表达的任何有形媒体实施。
可利用一个或多个计算机可用或计算机可读媒体的任何组合。所述计算机可用或计算机可读媒体可以是例如(但不限于)电子、磁性、光学、电磁、红外线或半导体***、设备、装置或传播媒体。计算机可读媒体的更多具体实例(非穷尽性列表)包含以下项：
-具有一个或多个导线的电连接，
-便携式计算机磁盘，
-硬盘，
-随机存取存储器(RAM)，
-只读存储器(ROM)，
-可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)，
-光纤，
-便携式光盘只读存储器(CDROM)，
-光学存储装置，
-传输媒体，例如支持互联网或企业内部网的那些，
-磁性存储装置，和/或
-移动装置。
在本文档的情形下，计算机可用或计算机可读媒体可以是可以含有、存储、传达、传播或传送供指令执行***、设备或装置使用或与指令执行***、设备或设备结合的程序的任何媒体。计算机可用媒体可以包含具有计算机可用程序代码的传播数据信号，所述计算机可用程序代码在基带中或作为载波的一部分与其一起实施。计算机可用程序代码可使用任何适当媒体传输，包括(但不限于)无线、有线、光纤电缆、RF等。
可以一种或多种编程语言的任何组合撰写用于执行本发明的操作的计算机程序代码，所述一种或多种编程语言包含例如Java、Smalltalk、C++或其类似者等面向对象的编程语言，以及例如“C”编程语言或类似编程语言等常规程序性编程语言。所述程序代码可完全在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为单独软件包执行、部分地在用户计算机上且部分地在远程计算机上执行或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情境中，远程计算机可通过任何类型的网络连接到用户计算机。这可以包含例如局域网(LAN)或广域网(WAN)，或连接可以为连接到外部计算机(例如，使用互联网服务提供商通过互联网)。另外，在实施例中，本发明可以在现场可编程门阵列(FPGA)中实施。
图11示出用于管理根据本发明的过程的示意性环境1900。为此，环境1900包含可以执行本文所描述的方法的服务器或其它计算***1905。具体而言，服务器1905包含计算装置1910。计算装置1910可以驻留在第三方服务提供商的网络基础设施或计算装置上(其中的任何一个通常呈现在图11中)。
在实施例中，计算装置1910包含压力机控制工具1945和弹簧控制工具1955，所述工具是可操作的以控制压力机1950，并且在实施例中，控制成形/修整工具100中的一个或多个弹簧张力，例如，本文所描述的过程。压力机控制工具1945和弹簧控制工具1955可以实施为存储于存储器1925A中的程序控件1940中的一个或多个程序代码作为分离或组合模块。
计算装置1910还包含处理器1920、存储器1925A、I/O接口1930和总线1926。存储器1925A可以包含在程序代码的实际执行期间所采用的本地存储器、大容量存储体以及高速缓冲存储器，它们提供至少一些程序代码的暂时存储，以便减少在执行期间必须从大容量存储体检索代码的次数。另外，计算装置包含随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和操作***(O/S)。
计算装置1910与外部I/O装置/资源1935和存储***1925B通信。举例来说，I/O装置1935可以包括使得个体能够与计算装置1910相互作用的任何装置或使得计算装置1910能够使用任何类型的通信链路与一个或多个其它计算装置通信的任何装置。外部I/O装置/资源1935可以是例如手持式装置、PDA、手机、键盘、智能电话等。另外，根据本发明的实施例的方面，环境1900包含成形/修整工具100和压力机1950。根据本发明的实施例，成形/修整工具100安装在压力机1950中以用于操作。
一般来说，处理器1920执行计算机程序代码(例如，程序控件1940)，所述计算机程序代码可以存储于存储器1925A和/或存储***1925B中。此外，根据本发明的实施例，具有程序代码的程序控件1940控制压力机控制工具1945，并且在实施例中，控制弹簧控制工具1955。在执行计算机程序代码的同时，处理器1920可以从存储器1925A、存储***1925B和/或I/O接口1930中读取数据和/或将数据写入到存储器1925A、存储***1925B和/或I/O接口1930。所述程序代码执行本发明的过程。总线1926提供计算装置1910中的组件中的每一个之间的通信链路。
计算装置1910可以包括能够执行安装在其上的计算机程序代码的任何通用计算制品(例如，个人计算机、服务器等)。然而，应理解计算装置1910仅表示可执行本文所描述的方法的各种可能的等效计算装置。为此，在实施例中，通过计算装置1910提供的功能可以通过包含通常和/或特定目的硬件和/或计算机程序代码的任何组合的计算制品实施。在每个实施例中，程序代码和硬件可以相应地使用标准编程和工程技术形成。
类似地，计算基础设施1905仅说明用于实施本发明的计算机基础设施的各种类型。举例来说，在实施例中，服务器1905包括在任何类型的通信链路(例如网络、共享内存或类似物)上通信的两个或两个以上计算装置(例如，服务器群集)以执行本文中描述的过程。另外，在执行本文所描述的方法的同时，服务器1905上的一个或多个计算装置可以使用任何类型的通信链路与服务器1905外部的一个或多个其它计算装置通信。通信链路可以包括有线和/或无线链路的任何组合；一种或多种类型的网络的任何组合(例如，互联网、广域网、局域网、虚拟专用网络等)；和/或利用传输技术和协议的任何组合。
流程图
图12示出用于执行本发明的实施例的方面的示例性流程。图12的步骤可以例如在图11的环境中实施。流程图可同等地表示本发明的实施例的高阶框图。图12中的流程图和/或框图说明根据本发明的各种实施例的***、方法及计算机程序产品的可能实施方案的架构、功能性及操作。就这一点而言，流程图或框图中的每个框可表示模块、区段，或代码的部分，其包括用于实施所规定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应该注意，在一些替代的实施方案中，在所述框中提及的功能可以不按图中所提及的顺序出现。例如，根据所涉及的功能，连续示出的两个框实际上可基本上同时执行，或所述框有时可能以相反顺序执行。流程图的每个框可以通过执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***实施，或通过专用硬件和计算机指令和/或软件的组合实施，如上文所述。此外，流程图的步骤可以在处于客户端服务器关系中的服务器上实施和执行，或者它们可以在具有传送到用户工作站的操作信息的用户工作站上运行。在一个实施例中，软件元件包含固件、驻留软件、微码等。
此外，本发明的实施例可以呈可自计算机可用或计算机可读媒体访问的计算机程序产品形式，所述计算机可用或计算机可读媒体提供由计算机或任何指令执行***使用或结合计算机或任何指令执行***的程序代码。软件和/或计算机程序产品可以在图11的环境中实施。出于此描述的目的，计算机可用或计算机可读媒体可以是可以含有、存储、传达、传播或传送由指令执行***、设备或装置使用或结合指令执行***、设备或装置的程序的任何设备。所述媒体可以是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体***(或设备或装置)或传播媒体。计算机可读存储媒体的实例包含半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘和光盘。光盘的当前实例包含光盘只读存储器(CD-ROM)、压缩光盘读取/写入(CD-R/W)和DVD。
图12说明用于成形和修整复合材料的示例性流程1200。在步骤1205处，复合材料坯料布置在成形/修整工具中。在步骤1210处，压力机控制工具从加载位置到初始位置降低压力机。在步骤1215处，压力机控制工具从初始位置到最终成形位置降低压力机以对复合材料进行成形(或塑形)。在步骤1220处，压力机控制工具从最终成形位置到最终切割位置降低压力机以修整复合材料。在步骤1225处，压力机控制工具从最终切割位置到加载位置升高压力机。在步骤1230处，从成形/修整工具中移除经成形和修整的复合材料。
虽然已经参考具体实施例描述本发明，但所属领域的技术人员将理解可以在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下作出各种改变并且等效物可取代其元件。另外，可以在不脱离本发明的必需教示的前提下作出修改。

Claims (20)

1.一种成形和修整工具，所述成形和修整工具是可操作的以对复合材料零件进行成形和修整，所述成形和修整工具包括：
下部模具；
核心，其安装到所述下部模具；
至少一个下部压力垫片，其安装到所述下部模具；
切割器，其安装到所述下部模具；
上部模具；
腔室，其安装到所述上部模具；以及
至少一个上部压力垫片，其安装到所述上部模具。
2.根据权利要求1所述的成形和修整工具，其进一步包括：
多个上部止挡区块，其安装到所述上部模具；以及
多个下部止挡区块，其安装到所述下部模具。
3.根据权利要求1所述的成形和修整工具，其进一步包括：
多个对齐插销，其安装在所述上部模具上；以及
多个对应的衬套，其安装在所述下部模具上，
其中所述多个对应的衬套经结构化和布置以相应地接纳所述多个对齐插销以提供所述核心和所述腔室的对齐。
4.根据权利要求1所述的成形和修整工具，其中所述核心和所述腔室包括对应于所述复合材料零件的所需形状的基本上交互的形状。
5.根据权利要求1所述的成形和修整工具，其中所述至少一个下部压力垫片包括多个下部压力垫片。
6.根据权利要求1所述的成形和修整工具，其进一步包括至少一个安装件，所述安装件经结构化和布置以支撑所述至少一个下部压力垫片。
7.根据权利要求1所述的成形和修整工具，其进一步包括多个下部压力垫片弹簧，所述多个下部压力垫片弹簧经结构化和布置以在处于预加载状态的同时在加载位置中维持所述下部压力垫片。
8.根据权利要求7所述的成形和修整工具，其进一步包括多个上部压力垫片弹簧以及核心弹簧和氮气气缸中的至少一个的多个。
9.根据权利要求8所述的成形和修整工具，其中所述多个下部压力垫片弹簧、所述多个上部压力垫片弹簧以及多个核心弹簧经结构化和布置使得在所述上部模具朝向所述下部模具的竖直向下的移动之后，以及所得的所施加的压力的增大，所述多个下部压力垫片弹簧开始首先压缩，所述多个上部压力垫片弹簧在所述多个下部压力垫片弹簧完成压缩之后进行压缩，并且所述多个核心弹簧在所述多个上部压力垫片弹簧完成压缩之后进行压缩。
10.根据权利要求1所述的成形和修整工具，其中所述上部模具经结构化和布置以用于相对于所述下部模具的竖直移动。
11.根据权利要求10所述的成形和修整工具，其中在所述上部模具朝向所述下部模具的竖直向下的移动之后，所述至少一个上部压力垫片朝向所述至少一个下部压力垫片移动以提供夹持力到复合材料坯料。
12.根据权利要求11所述的成形和修整工具，其中在所述上部模具朝向所述下部模具进一步竖直向下移动之后，所述腔室朝向所述核心移动以从所述复合材料坯料中对所述复合材料零件进行塑形。
13.根据权利要求12所述的成形和修整工具，其中在所述上部模具朝向所述下部模具又进一步竖直向下移动之后，所述腔室的剪切边缘移动经过所述切割器的剪切边缘以修整所述复合材料坯料。
14.根据权利要求11所述的成形和修整工具，其中所述夹持力经配置以在成形操作期间以及在修整操作期间用充足的力夹持所述复合材料坯料的周边区域。
15.根据权利要求14所述的成形和修整工具，其中所述充足的力是足够大的以防止所述复合材料坯料的起皱，但是又是足够小的以防止所述复合材料坯料的撕裂，同时允许所述复合材料坯料的受控制的滑动。
16.根据权利要求1所述的成形和修整工具，其中施加到所述复合材料坯料的力随着所述上部模具朝向所述下部模具的竖直向下的移动动态地增加。
17.根据权利要求1所述的成形和修整工具，其结合压力机，所述压力机经结构化和布置以提供所述上部模具相对于所述下部模具的竖直移动。
18.根据权利要求17所述的成形和修整工具，其中所述压力机的冲程连续经过复合材料固持和控制阶段、复合材料成形阶段，以及复合材料边缘修整阶段。
19.根据权利要求1所述的成形和修整工具，其中所述至少一个上部压力垫片和所述至少一个下部压力垫片包括钢。
20.一种对复合材料零件进行成形和修整的方法，所述方法包括：
在布置在压力机中的成形/修整工具中加载复合材料坯料；
降低所述压力机以将所述成形/修整工具从加载位置移动到初始位置；
降低所述压力机以将所述成形/修整工具从所述初始位置移动到最终成形位置以从所述复合材料坯料中形成所述复合材料零件；
降低所述压力机以从所述最终成形位置将所述成形/修整工具移动到最终切割位置以修整所述复合材料坯料；
升高所述压力机以将所述成形/修整工具从所述最终切割位置移动到所述加载位置；以及
从所述成形/修整工具中移除所述经成形和修整的复合物零件。
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