CN106414031B - 用于形成凸缘的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于形成凸缘的装置具有层压部件和支撑层压部件的鼓筒。成形工具选择性地接合层压部件。隔膜构件在鼓筒和层压部件之间延伸，并且选择性地接合成形工具。隔膜构件的移动使层压部件绕成形工具的边缘远离鼓筒变形，并且层压部件保持基本上均匀的厚度。

Description

用于形成凸缘的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于形成凸缘的装置和方法。

背景技术

飞行器发动机壳体结构是多种结构中的一种，其通常结合用于将一个壳体接合到另一个部件或硬件的面向外面的凸缘。在由层压复合材料制成的这种结构中，期望但是目前难以实现整个面向外面的凸缘的均匀质量。例如，生产复合材料壳体的许多当前的方法，诸如卷绕、缠绕、编织、带铺叠等通常涉及首先生产纤维圆柱体，然后弯曲圆柱体的边缘以形成凸缘。由于它们的性质，当这种局部或不连续的力施加到纤维复合材料时，纤维复合材料倾向于使它们本身扰乱，这大大地使均匀的凸缘形成复杂化。

发明内容

本发明公开了一种用于形成凸缘的装置和方法，由此能够有效地使面向外面的凸缘的整体实现基本上均匀的质量。根据本公开的用于形成凸缘的装置和方法包括层压部件和支撑层压部件的鼓筒。在根据本公开的用于形成凸缘的装置和方法中，成形工具选择性地接合层压部件，并且隔膜构件在鼓筒和层压部件之间延伸并选择性地接合成形工具。隔膜构件的运动使层压部件绕成形工具的边缘远离鼓筒变形，并且层压部件保持期望的纤维构造。根据本公开的用于形成凸缘的装置和方法提供了诸如避免诸如拐角中的皱纹、褶痕、纤维波纹、纤维弯曲和固结的缺陷的优点。

例如，用于形成凸缘的装置可包括层压部件，例如发动机壳体部件，其具有在第一位置相对于彼此的至少第一层和第二层。层压部件还具有主要节段和第一端部。鼓筒支撑层压部件。隔膜构件在鼓筒和层压部件之间延伸，所述隔膜构件与层压部件的第一端部和主要节段的至少一部分重叠，所述隔膜构件具有接近层压部件的第一端部、在层压部件的外面延伸的第一端部。层压部件可包括复合材料，例如碳纤维、芳族聚酰胺纤维、陶瓷纤维和玻璃纤维材料中的一种，和/或编织复合材料和/或织造复合材料。装置还包括成形工具，其具有成形边缘和相对于鼓筒成角度的成形表面，所述成形工具选择性地使成形边缘与层压部件的主要部分接合，所述层压部件的主要部分接近层压部件的所述第一端部，并且与隔膜构件和鼓筒相对。隔膜构件的第一端部被配置成运动远离鼓筒，并且选择性地接合成形工具，隔膜构件被配置成使层压部件的第一端部绕成形工具的成形边缘远离鼓筒而变形，层压部件的第一层和第二层被配置成相对于彼此移位到第二位置，层压部件在第二位置中在第一层和第二层之间具有基本上均匀的厚度。

装置可还包括在隔膜构件和层压部件之间延伸的成形器构件，所述成形器构件具有大于隔膜构件和层压部件中的每一个的刚度，其中，当隔膜构件的第一端部运动远离鼓筒时，所述成形器构件将隔膜构件的运动转移到层压部件，从而使层压部件的第一端部绕成形工具的成形边缘变形。在一些情况下，成形构件包括弹性硅树脂材料。

装置可还包括密封层，其在层压部件的主要节段上方，并且在成形工具和鼓筒之间延伸，其中成形工具相对于鼓筒密封地接合层压部件和隔膜构件，并且隔膜构件的第一端部具有与成形工具的密封的选择性接合，其中成形工具、隔膜构件和鼓筒在其间限定包围层压部件的密封成形腔室。可提供与密封成形腔室流体连通的真空，该真空被配置成选择性地减小腔室中的压力，并且隔膜构件进一步使层压部件的第一端部绕成形工具的成形边缘远离鼓筒变形，该层压部件的第一层和第二层相对于彼此移位到第三位置，层压部件在第三位置中在第一层和第二层之间具有基本上均匀的厚度。

装置可还包括选择性地与成形工具和鼓筒接合的模板，模板与成形工具和鼓筒协作，以支撑层压部件，用树脂以期望的形状固化层压部件。

在另外的示例中，一种用于形成凸缘的方法包括将层压部件，例如发动机部件支撑在鼓筒上，使层压部件与设置在鼓筒上的隔膜构件重叠，用成形工具将层压部件的第一部分和隔膜构件的第一部分夹持在鼓筒上，移动隔膜构件的第二部分远离鼓筒，使层压部件的第二部分绕成形工具的边缘变形，以及保持层压部件所期望的纤维构造。

方法可还包括在隔膜构件和层压部件之间提供成形器构件，该成形器构件具有大于隔膜构件和层压部件中的每一个的刚度；以及将隔膜构件的第二部分远离鼓筒的移动转移到层压部件，以使层压部件的第二部分绕成形工具的边缘变形。

方法可还包括将层压部件密封在鼓筒、隔膜构件和成形工具之间的腔室中；以及向腔室施加真空，以使层压部件的第二部分变形到成形工具。

方法可还包括固化层压部件或修整层压部件中的任何一项或多项。

在示例性方法中，保持层压部件期望的纤维构造可包括保持层压部件的厚度。

在示例性方法中，保持层压部件期望的纤维构造可包括避免层压部件中的皱纹、褶痕、纤维波纹和纤维弯曲。

附图说明

图1是示例性风扇发动机组件的局部剖开的侧视图。

图2是示例性发动机壳体部件的透视图。

图3是示例性发动机壳体部件的凸缘的局部剖视图。

图4是用于发动机壳体部件的现有凸缘的局部剖视图。

图5-11是示例性凸缘成形装置的局部剖视图。

图12是另一个示例性发动机壳体部件的凸缘的局部剖视图。

具体实施方式

图1是示例性风扇发动机组件10的局部剖开的侧视图。应当理解，风扇发动机组件10通常被配置成用于附接到诸如飞行器的交通工具，并且与其协作。壳体12覆盖发动机风扇14，发动机风扇14围绕发动机轴线16旋转。壳体12具有多个部件，其包括风扇容纳壳体20，以及联接在风扇容纳壳体20的相对两侧上的第一边缘部件22和第二边缘部件24。

图2是风扇容纳壳体20的透视图。如该示例性图示中所示，风扇容纳壳体20是围绕发动机轴线16取向的大体上圆柱形的主体。风扇容纳壳体20包括主壳体部分30，第一端部凸缘32，以及被定位成与第一端部凸缘32相对的第二端部凸缘34。第一端部凸缘32和第二端部凸缘34径向向外延伸远离主壳体部分30。还参考图1，第一端部凸缘32和第二端部凸缘34被配置成接收紧固件(未示出)，用于分别将壳体12的第一边缘部件22和第二边缘部件24联接到风扇容纳壳体20。

图3是风扇容纳壳体20的第一端部凸缘32的剖视图。风扇容纳壳体20包括具有多个层40a-40h的层压材料。层40a-40h在第一端部凸缘32的径向向外端部处分别相对于彼此被移位。在层40a-40h在第一端部凸缘32和主壳体部分30两者中重叠的情况下，风扇容纳壳体20具有期望的纤维构造，诸如基本上均匀的厚度和拐角中没有皱纹、褶痕、纤维波纹、纤维弯曲和的固结的轮廓。应当理解，合适的层压材料包括，例如编织复合材料或织造复合材料，其包括一些材料，诸如碳纤维、芳族聚酰胺纤维、陶瓷纤维和玻璃纤维，非织造复合材料包括芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维或陶瓷纤维材料，以及用于飞行器发动机壳体应用的另外已知的层压材料和配置。

图4是用于发动机壳体部件20’的现有凸缘32’的剖视图。部件包括层40a'-40h'；在凸缘32'的形成期间，层40a'-40h'中的至少一些径向上鼓起，并且部件20'不具有均匀的厚度。本文公开的用于形成凸缘的装置和方法避免了这种配置，并且向部件提供具有期望的纤维构造的凸缘，诸如基本上均匀的厚度，以及在拐角中没有皱纹、褶痕、纤维波纹、纤维弯曲和固结的配置。

图5是示例性凸缘成形装置70的剖视图。凸缘成形装置70包括鼓筒组件80，其具有被配置成围绕轴线86的第一鼓筒部件82和第二鼓筒部件84。第一鼓筒部件82和第二鼓筒部件84通过一个或多个螺栓88在轴向方向上被选择性地紧固在一起。

层压部件100围绕鼓筒组件80延伸，并且由鼓筒组件80支撑。层压部件100包括围绕鼓筒组件80缠绕的多个层110a-110e。层压部件100限定主要节段102和第一端部节段104。如图5-6中所示，层压部件100处于具有基本上均匀的径向厚度的大体上径向平坦的配置，同时层110a-110e在第一位置中相对于彼此大体上对准。如上面参考图3所公开的，应当理解，用于层压部件100的合适的层压材料包括编织的复合材料，诸如多层碳纤维和玻璃，以及另外的已知的层压材料及其配置。第一鼓筒部件82包括靠近第二鼓筒部件84的径向向内延伸的成形凹槽112。鼓筒组件80支撑层压部件100，使得层压部件100接合第二鼓筒部件84，并且层压部件100的第一端部节段104轴向重叠第一鼓筒部件82的成形凹槽112。应当理解，通过图5中所示的配置中的已知方法，以及在凸缘成形装置70的进一步操作之后，诸如在第一端部节段104处，可将层压部件100修整到与包括层压部件的期望结构相对应的尺寸。

凸缘成形装置70还包括弹性隔膜构件120。隔膜构件120围绕第一鼓筒部件82的径向向外表面延伸，并且接合第一鼓筒部件82的径向向外表面。隔膜构件120包括与第一鼓筒部件82的成形凹槽112重叠的主要部分122，以及轴向延伸远离成形凹槽112与第二鼓筒部件84相对的的第一端部部分124。隔膜构件120的主要部分122在第一鼓筒部件82和层压部件100之间径向延伸。应当理解，隔膜构件120可包括多种已知的弹性材料中的一种或多种，诸如弹性硅树脂和塑料。

凸缘成形装置70还包括成形器126，其围绕轴线86延伸，与第一鼓筒部件82的成形凹槽112轴向地重叠，并且被径向地设置在隔膜构件120和层压部件100之间。与隔膜构件120和层压部件100中的每一个相比，成形器126是相对刚性的。应当理解，成形器126可包括多种材料中的一种或多种，这些材料包括弹性硅树脂、尼龙和铝。还应当理解，对于一个示例，成形器126可具有多种配置，诸如多个层。在另一个实例中，成形器126的径向厚度为3/8英寸，并且层压部件的径向厚度为1/4英寸。

图6是具有所示附加部件的凸缘成形装置70的示例性剖视图，所述附加部件包括各自也围绕轴线86延伸的第一真空袋128和成形工具组件130。第一真空袋128与层压部件100密封接合，并且在层压部件100的主要节段102上方延伸到接近第一端部节段104。在相反的轴向方向上，第一真空袋128延伸超过层压部件100，以与第二鼓筒部件84(未示出)重叠。第一真空袋128与第二鼓筒部件84密封接合，诸如用已知的胶带材料(未示出)。

成形工具组件130包括主要部件131，其具有成形边缘132，轴向延伸的夹持表面134，以及径向延伸的成形表面136。成形工具组件130被定位在鼓筒组件80的径向外侧，使得夹持表面134轴向地重叠第一鼓筒部件82的成形凹槽112、隔膜构件120的主要部分122、成形器126、接近第一端部节段104的层压部件100的主要节段102、以及第一真空袋128。主要部件131在夹持表面134和第一真空袋128之间密封接合，其可用施加在主要部件131和与成形表面136相对的第一真空袋128之间的胶带(未示出)来提供或加强。应当理解，成形工具组件130及其部件可在配置和形状上变化，以提供多种成形应用。

成形工具组件130还包括固定到主要部件131、并且轴向延伸远离成形表面136的真空盖构件138。真空盖构件138包括凸缘140，并且具有延伸穿过其中的真空通道142。

图7是示例性操作配置中的凸缘成形装置70的剖视图。隔膜构件120被径向拉离第一鼓筒部件82，使得第一端部部分124在成形工具组件130的真空盖构件138的凸缘140上方延伸。借助，例如，诸如钩(未示出)的紧固件，或者在另一个实例中，通过由隔膜构件120的弹性拉伸提供的摩擦或抓持，隔膜构件120的第一端部部分124固定到真空盖构件138，并且将成形腔室144限定在成形工具组件130和隔膜构件120之间，同时成形器126和层压部件100在成形腔室144内延伸。成形腔室144与真空通道142流体连通。

在隔膜构件120的主要部分122的端部和成形器126的端部被夹持在一个侧面上的第一鼓筒部件82与另一个侧面上的层压部件100、第一真空袋128和成形工具组件130的主要部件131之间的情况下，隔膜构件120的径向向外移动使成形器126偏转，进而使层压部件100的第一端部节段104从第一鼓筒部件82朝向成形工具组件130的主要部件131径向向外偏转。层压部件100与成形工具组件130的主要部件131的成形边缘132接合，并且围绕成形边缘132变形。相对刚性的成形器126将转移来自弹性隔膜构件120的径向向外移动的力，并且将其聚焦在层压部件100和成形边缘132之间的接合处。借助在层压部件100和成形边缘132之间的接合处固结的变形力，层压部件100从该接合处往外朝向第一端部节段104变形，并且层压部件100的层110a-110e相对于彼此移位。通过该预定类型的位移，层110a-110e在它们继续重叠的区域中保持基本上均匀的厚度。由于不存在施加到层压部件100的第一端部节段104中的层压层110a-110e的压力，所以允许第一端部节段104中的层110a-110e根据需要基本上单独地移位，从而基本上避免诸如皱纹、褶痕和弯曲的缺陷，并且有助于保持基本上均匀的厚度。

图8是另外的示例性操作配置中的凸缘成形装置70的剖视图。凸缘成形装置70包括真空146(示意性地示出)，其流体地联接到真空通道142，进而联接到成形腔室144。真空146操作以减小形成腔室144中的压力，使得隔膜构件120的第一端部部分124被拉动成与凸缘成形组件130的真空盖构件138接触。隔膜构件120的主要部分122的移动通过成形器126转移到层压部件100，以使层压部件100围绕成形边缘132继续变形，直到层压部件100接触成形表面136。层压部件100的层110a-110e相对于彼此继续移位，并且在它们继续重叠的区域中保持基本上均匀的厚度。如果需要，通过树脂基体的固化，或通过使用如关于图9-11所述的附加模具工具，当在该装置中时层压部件100可进行固化。

图9-10是另外的示例性操作配置中的凸缘成形装置70的剖视图。成形腔室(图7-8)通过真空通道142被再次加压，并且隔膜构件120从真空盖构件138脱开。隔膜构件120和成形器126与层压部件100的变形的第一端部节段104脱离，并且返回到与第一鼓筒部件82径向相邻的位置。第一鼓筒部件82从第二鼓筒部件84脱离，并且真空盖构件138从成形工具组件130的主要部件131脱离。

图11是包括围绕轴线86延伸的模板150的具有所示附加部件的凸缘成形装置70的示例性剖视图。模板150分别用螺栓152,154紧固到成形工具组件130的主要部件131和第二鼓筒部件84。模板150其形状被成形为与第二鼓筒部件84和主要部件131互补，以将变形的层压部件100固定在其间。第二真空袋160被固定在主要部件131、第一真空袋128和层压部件100上方，以在模具板150和第二鼓筒部件84的径向向外表面(未示出)之间的所有这些部件上方提供密封。凸缘成形装置70还包括一个侧面上的第二真空袋160与另一个侧面上的主要部件131和第一真空袋128之间的模具支撑件。将树脂(未示出)施加到层压部件100。树脂被这样施加：通过在工业中实践的用于浸渍复合层压体的各种树脂灌注方法中的任一种，所述方法包括但不限于树脂传递模制，树脂膜溶渗和真空辅助的树脂传递模制；通过使用在层110a-110e之间允许基本上小的粘性的树脂预浸渍材料；或当在温暖条件下、诸如在烘箱中执行凸缘成形工艺时。由此预浸渍层基本上流体足够，以允许层110a-110e的相对位移。

图12是具有被变形为凸缘的第一端部节段104，并且用树脂固化的层压部件100的局部剖视图，用于诸如飞行器的发动机壳体部件的应用中。层110a-110e保持所期望的光纤结构造，例如，基本上均匀的厚度和在其重叠的区域中的拐角中没有皱纹、褶痕、纤维波纹、纤维弯曲和固结的轮廓。

如本文所讨论的，图5-11还示出用于在发动机壳体部件上形成凸缘的方法。层压部件100被支撑在鼓筒组件80上，以便与设置在第一鼓筒部件82上的隔膜构件120重叠。成形器126在隔膜构件120和层压部件100之间延伸，并且成形器126具有大于隔膜构件120和层压部件100中的每一个的刚度。成形工具组件130将层压部件100的一部分和隔膜构件120的一部分与成形器126的一部分一起夹持到鼓筒组件80。隔膜构件120的第一端部部分124运动远离第一鼓筒部件82。成形器126转移该运动，以使层压部件100的第一端部部分104围绕成形工具组件130的成形边缘132变形。层110a-e相对于彼此移位，以保持层压部件100的厚度。层压部件100被密封在成形腔室144中，并且真空146减小腔室144中的压力，以使层压部件100变形到成形工具组件130的成形表面136。层压部件被支撑在成形工具组件130的主要部件131、第二鼓筒部件84和模板150之间，并且用树脂进行固化。层压部件可根据需要或期望进行修整(未示出)。

在附图中，相同的附图标记指示相同的元件。此外，可改变这些元件中的一些或所有。因此，应当理解，上述描述旨在是说明性的而不是限制性的。在阅读上述描述之后，除了所提供的示例之外的许多实施例和应用对于本领域技术人员来说将是显然的。应当确定本发明的范围，不是参考上面的描述，而是应当参考所附权利要求连同这些权利要求授权的等同物的全部范围来确定。可预见和想到，在本文所讨论的技术领域中将会出现进一步的发展，并且所公开的***和方法将被并入此类未来实施例中。总之，应当理解，本发明能够进行更改和变化，并且仅由下面的权利要求限制。

在本文公开的示例中，鼓筒被示出为基本上圆柱形的表面。但是，本公开不限于具有这种配置的装置，并且可适用于椭圆形状，例如，如在诸如发动机风扇整流罩或飞行器框架结构等其它结构中可需要的，或者任何数量的变型，其可包括可变凸缘角度，或者其中凸缘过渡从未成形或不存在到形成的区域的区域。本公开适用于一些结构，其在整个完整圈不连续，并且仅是结构的节段。鼓筒不必具有任何曲率，因为鼓筒可以是平坦表面，或者具有弯曲成凹形或凸形或两者的区域。除了本文公开的用于飞行器的风扇发动机组件的示例性壳体部件之外，本公开的装置和方法可与用于其它应用的部件一起使用，包括例如，用于发动机风扇整流罩，机舱框架和机身框架的部件。

权利要求中使用的所有术语旨在给予其本领域技术人员所理解的普通含义，除非在本文作出相反的明确指示。具体地，使用诸如“一个”，“该”，“所述”等单数冠词应当理解为陈述所指示的元件中一个或多个，除非权利要求中陈述了相反的明确限制。

Claims (8)

1.一种用于形成围绕轴线的壳体的凸缘的装置，所述装置包括：

层压部件，所述层压部件具有在第一位置中相对于彼此的至少第一层和第二层，所述层压部件还具有沿所述壳体的轴线分布的主要节段和第一端部；

鼓筒，其支撑所述层压部件；

隔膜构件，其在所述鼓筒和所述层压部件之间延伸，所述隔膜构件与所述层压部件的所述第一端部和所述主要节段的至少一部分重叠，所述隔膜构件具有接近所述层压部件的所述第一端部、在所述层压部件的外面延伸的第一端部；

成形工具，其具有成形边缘和相对于所述鼓筒成角度的成形表面，所述成形工具选择性地使所述成形边缘与所述层压部件的所述主要节段接合，所述层压部件的所述主要节段接近所述层压部件的所述第一端部，并且与所述隔膜构件和所述鼓筒相对；

其中所述隔膜构件的所述第一端部被配置成运动远离所述鼓筒，并且选择性地接合所述成形工具，所述隔膜构件被配置成使所述层压部件的所述第一端部绕所述成形工具的所述成形边缘远离所述鼓筒变形，所述层压部件的所述第一层和所述第二层被配置成相对于彼此移位到第二位置，所述层压部件在所述第二位置中在所述第一层和所述第二层之间具有基本上均匀的厚度；

所述装置还包括在所述隔膜构件和所述层压部件之间延伸的成形器构件，所述成形器构件具有大于所述隔膜构件和所述层压部件中的每一个的刚度，

其中，当所述隔膜构件的所述第一端部运动远离所述鼓筒时，所述成形器构件将所述隔膜构件的所述运动转移到所述层压部件，从而使所述层压部件的所述第一端部绕所述成形工具的所述成形边缘变形。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述成形工具、隔膜构件和鼓筒在其间限定包围所述层压部件的密封成形腔室，所述装置还包括：

密封层，所述密封层在所述层压部件的所述主要节段上方并且在所述成形工具和所述鼓筒之间延伸；以及与所述密封成形腔室流体连通的真空，所述真空被配置成选择性地减小所述腔室中的压力，并且所述隔膜构件进一步使所述层压部件的所述第一端部绕所述成形工具的所述成形边缘远离所述鼓筒变形，所述层压部件的所述第一层和所述第二层相对于彼此移位到第三位置，所述层压部件在所述第三位置中在所述第一层和所述第二层之间具有基本上均匀的厚度；

其中所述成形工具相对于所述鼓筒密封地接合所述层压部件和所述隔膜构件，并且所述隔膜构件的所述第一端部与所述成形工具密封地选择性接合。

3.根据权利要求1所述的装置，其还包括与所述成形工具和所述鼓筒选择性地接合的模板，所述模板与所述成形工具和所述鼓筒协作，从而以期望的形状支撑所述层压部件。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述层压部件包括编织复合材料和织造复合材料中的一种，所述编织复合材料和织造复合材料中的一种包括碳纤维、芳族聚酰胺纤维、陶瓷纤维和玻璃纤维材料中的一种。

5.一种用于形成绕轴线的壳体的凸缘的方法，其包括：

将层压部件支撑在鼓筒上,所述层压部件具有在第一位置中相对于彼此的至少第一层和第二层,还具有沿所述壳体的轴线分布的第一部分和第二部分；

使所述层压部件与设置在所述鼓筒上的隔膜构件重叠；

用成形工具将所述层压部件的所述第一部分和所述隔膜构件的第一部分夹持在所述鼓筒上；

移动所述隔膜构件的第二部分远离所述鼓筒；

使所述层压部件的所述第二部分绕所述成形工具的边缘变形，使得所述层压部件的所述第二部分的所述第一层和所述第二层被配置成相对于彼此移位到第二位置，所述层压部件在所述第二位置中在所述第一层和所述第二层之间具有基本上均匀的厚度；以及

保持所述层压部件所期望的纤维构造；

所述方法还包括：

在所述隔膜构件和所述层压部件之间提供成形器构件，所述成形器构件具有大于所述隔膜构件和所述层压部件中的每一个的刚度；以及

将所述隔膜构件的所述第二部分远离所述鼓筒的所述移动转移到所述层压部件，以使所述层压部件的所述第二部分绕所述成形工具的所述边缘变形。

6.根据权利要求5所述的方法，其还包括：

将所述层压部件密封在所述鼓筒、所述隔膜构件和所述成形工具之间的腔室中；以及

向所述腔室施加真空，以使所述层压部件的所述第二部分变形到所述成形工具。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述层压部件是发动机壳体部件。

8.根据权利要求5所述的方法，其中保持所述层压部件期望的纤维构造包括保持所述层压部件的厚度。

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