用于复合成形的多段工具及方法 【技术领域】
本发明总体涉及一种用于真空成形复合材料部件(composite part)的多段工具及方法，尤其是一种关于飞机吊舱(nacell)和相关部件的复合成形的工具及方法。
背景技术
飞机结构有许多部件，这些部件具有带有多个弯曲部分的复杂形状。例如，飞机吊舱和吊架(pylon)系统、反推力装置和火箭推进腔和其他部件中有各种复杂的形状。已知有几种用于形成复杂形状的方法。对于热塑性和热固性的聚合物，可以在注射和压模作业中使用多个工具用以形成复杂的形状。金属成形工艺已经使用了铸造栓塞以便于具有沙漏外形的金属火箭推进腔的成形。然而，这些方法不易应用于使用真空袋复合工艺形成复杂部件。
真空袋成形是一种复合材料制造的方法，其能使用多个工具用于复杂形状的成形。在真空袋成形中，在工具的轮廓周围真空拉伸(vacuum pull)预成形。当使用多个工具形成复合材料部件时，在工具之间必须有足够的真空密封。真空完整性和正确的工具对准对于取得预期的制成品形状和特性是重要的。因为真空将预成形件拉伸至每个外形轮廓，如果工具之间的对准不精确就会产生接缝缺陷。已经尝试使用例如螺栓等机械固定器以保证多个工具之间的对准。然而，这种系统麻烦、费用高并不足以最小化接缝缺陷。在真空完整性方面，已经使用垫圈、O型圈和类似的器件以提高相邻工具之间的真空完整性。这些尝试经常引起达不到完全真空而导致可能的产品缺陷、不良的树脂固化和不良的树脂-基体迁移(resin-to-matrix migration)，导致了潜在的产品故障。为此，有人尝试使用多个真空屏障以确保真空完整性，但是这种解决方法增加了加工的复杂性和费用。
已经产生了能够形成多个弯曲部分的复合材料的需求，或者是整体成形或者是用最小化子部件成形，其中接缝被最小化，取得足够的真空完整性并减少工具的不对准。进一步的，需要一种有效的复杂形状成形的方法，同时提供接受设计约束条件改变的灵活性。
【发明内容】
用于复合材料部件真空成形的多段工具可以包括具有第一表面和第二表面的第一工具。第二工具可以有开口。第二工具能够通过所述开口接收第一工具。第二工具可以进一步能够定位在第一工具上面，位于不同于第一表面或者是第二表面的位置。第一工具能够接收预成形件复合材料的至少一部分。第二工具能够接收预成形件复合材料的至少一部分。第一工具可以具有连接在第一表面和第二表面上的真空挡板，其中真空挡板密闭所述预成形件复合材料和第二工具。
用于复合材料部件真空成形的工具系统可以包括具有型芯和基座的第一工具，所述型芯从基座向上延伸。第二工具可以被定位在型芯上使得所述型芯的一部分在第二工具上方延伸。该工具系统可以进一步包括在第一工具和第二工具上成形的复合材料，该复合材料具有复杂的形状。真空挡板可以压力密封在基座和在第二工具上延伸的型芯部分上。该真空挡板能形成包括复合材料、第一工具和第二工具的加压密封。
复合材料部件的成形方法可以包括提供第一工具和定位在第一工具上的第二工具。第二工具可以具有开口，通过该开口能够接收第一工具。该方法可以包括在第二工具的至少一部分上施加预成形的复合材料。方法可以包括通过在第一工具上固定真空挡板而真空密封复合材料预成形件，同时预成形件和第二工具可以被密闭在真空挡板中。该方法可以进一步包括固化预成形件形成复合材料部件。
本发明前述以及其它特征、方面和优点通过结合附图阅读下述详细描述变得更清楚，描述如下。
【附图说明】
图1A和1B示出了根据第一实施例的多段工具中的第一工具。
图2A、2B和2C示出了多段工具中的第二工具。
图3示出了多段工具。
图4A和4B示出了沿图3的线4-4截取的多段工具的截面。
图5是其上放置有复合材料的多段工具的侧视图。
图6是多段工具的侧视图，复合材料被密闭在示例性的真空挡板中。
图7A和7B示出了从第一工具上拆除第二工具和复合材料部件。
图8是多段工具的第一工具的第二实施例的顶部透视图。
图9是第一和第二工具的顶部透视图。
图10A和10B示出了多段工具的对准特征。
图11是加上了第三工具的第一和第二工具的顶部透视装配图。
图12A是第三工具底部部分的分解透视图。
图12B是第一工具和第三工具的一部分的分解透视图。
图13示出了机架上的多段工具。
图14是拆除了罩子的多段工具的局部放大图。
图15示出了带有复合材料和示例性真空挡板的多段工具。
图16示出了多段工具和复合材料的透视装配示意图。
【具体实施方式】
本发明的一些示范性的实施例描述如下并在附图中示出。这些描述的实施例只是为了示范本发明实施例的目的，而不应该理解为对本发明范围的限制。本发明的其他实施例、所述实施例的某些修改和改进，是本领域技术人员可以想到的，所有这种改变的实施例、修改和改进都在本发明范围之内。
所述工具和方法通常包括两个或多个工具，其能够彼此连接以形成所需的模具(mold)轮廓。然后复合材料施加到上面或置于工具上。然后复合材料可以被装入真空挡板(barrier)或袋里，所述真空挡板或袋可以在复合材料周围密封并固定到其中一个工具的表面。固化后，可选择性的去除部件使得复合材料结构具有复杂的形状。在优选实施例中，可以生产360度的复杂形状来使用，例如，作为飞机发动机吊舱的整体内筒。
更具体地，用于复合材料部件真空成形的工具或系统的第一实施例如图1至7所示。图1A示出了第一工具30。第一工具30可以具有顶部部分32和底部部分36。顶部部分32具有顶部边缘34，底部部分36具有底部边缘38。在示出的实施例中，顶部边缘34和底部边缘38两个都是环形的并形成基本上相互平行定位的平面。第一工具30可以是所示的360度工具。360度工具指的是可以用于模制其中具有某种空的或内部开口腔的类型的三维部件的工具。在优选实施例中的这种部件在工具周围部分或完全成形，因此在部件里形成局部的或延伸的环状开口。例如，360度工具可以用于飞机工业以制造吊舱、吊架系统、反推力装置、火箭推进腔等。在优选实施例中，360度工具具有最上面部分，其具有比工具其他部分更小的横截面，因此允许沿基本上与工具形成的环形开口对准的轴线向上拆除该部件。这样，360度工具可以为截头圆锥形或截头棱锥形以利于制造这种环形部件。
第一工具30可以具有外部形状轮廓，其根据需要被设计为与所预期的复合材料部件相符和/或与另外的工具相配合。底部部分36可以具有底部侧面37，其从底部边缘38向上向内延伸。类似地，顶部部分32可以具有对准斜面33，其也朝向顶部边缘34向上向内倾斜。对准斜面33也能有利于工具对准。为了便于拆除工具和/或复合材料部件，对准斜面33和底部侧面37优选的分别具有直角(90度)或锐角(小于90度)θ1、θ2，(如图1A所示)其相对于与底部边缘38限定的平面正交的线31测得。
第一工具30具有对准脊35，例如如图1A和1B所示。在该实施例中的对准脊35可以是第一工具30上的凸缘、机加工台阶、凹槽或凸台。在第一工具30上可以提供多于一个对准脊35，以便于第一工具30与具有复杂轮廓的匹配工具或与另外的工具相定位。对准脊35围绕第一工具30周边地形成，与底部边缘38形成的平面平行配置。在可选实施例中，对准脊35可以相对于底部边缘38形成的平面形成任何角度。对准脊35也可以根据另外的工具的配合对准的需求而被确定为任何形状。可以在对准脊35上布置时钟销钉(clocking pin)(未示出)以便于另外的工具的定位和对准。
图1B是第一工具30的俯视图，示出了底部边缘38、底部侧面37、对准脊35、对准斜面33和顶部边缘34。内部空间39有利于冷却和触及机械的真空的部件。
图2A、2B和2C示出了第二工具40的实施例，其能够和第一工具30配合对准。第二工具40具有顶部42、底部44和两者之间延伸的第二工具侧部48。
图2B示出了沿图2A的线2B-2B的横截面。示出了顶部42、底部44和第二工具侧部48。侧部48在顶部具有厚度T1，在底部具有厚度T2。侧部内壁47可以配置为安装在第一工具30的顶上并被定位成邻近对准斜面33。为了实现这一点，壁47可以以角度θ2定向，以与对准斜面33平齐地靠在对准斜面33，其与第一工具顶部部分32(见图1A)的对准斜面33定向为相同的角度θ2。位于第二工具40顶部42的内部边缘43构成开口或内部截面区域45，如图2C所示。
图2C是图2A中所示第二工具40的俯视图，示出了由内部边缘43构成的截面区域45以及顶部厚度T1。该内部截面区域45允许第二工具40安装到第一工具30的顶部部分32。
如图2A和2B所示，第二工具40的侧部48的外壁49总体从底部44向外延伸，呈倒置的截头圆锥形状。另外的例子中的第二工具的形状包括倒置的截头棱锥，其中顶部周长也大于底部周长。第二工具40可以是整体成形，例如在图2A、2B和2C中所示，或者可以包括几个分立部件(未示出)，其径向的或周向的布置形成360度部件。
如图3、4A和4B所示，第二工具40可以降低到第一工具30上并安置在其顶部。当第一工具30和第二工具40组装后，就形成了多段工具10。多段工具10具有外部形状12，其成为供复合材料放置在上面的形状，如下所述。所示的实施例反映出一种结构，其中第一工具30的顶部边缘34在第二工具40的顶部42上延伸。
图4A为图3沿线4-4的横截面图。第二工具40示为放在第一工具30的顶部部分32上。图4B是图4A中所示的圆形区域的分解图，示出的第二工具40的内壁47与第一工具30的对准斜面33相邻。第二工具40的侧部48的底部44具有厚度T2，位于第一工具30的对准脊35的顶上。第二工具40在连接处15与对准脊35相接。
第一和第二工具30、40根据需要可以由各种诸如复合材料等非金属材料或金属合金制成，例如铝、镍、铁、钢或大体不昂贵的合金，例如因瓦合金。如本领域通常知晓的，工具材料的选择通常基于制造方法、复合材料部件的允许公差、固化(curing)和/或加热周期的数量、加工材料的热膨胀系数、复合材料部件的所需或要求的表面条件、复合材料构成和成本。在优选实施例中，工具由因瓦合金制成。
图5至7B示出了把复合材料部件16加到多段工具10上。图5中，复合材料部件16可以通过已知的方法置于多段工具10上面，例如包括，把单独层的预浸渍复合材料敷设在一起生产最终的层压结构。在优选实施例中，复合材料通过手工敷设石墨纤维预浸渍层来制备。因为第一部件30和第二部件40的几何形状，复合材料部件16可以是复杂的形状。
复合材料部件16，其在固化前有时候被称为预成形件，通常包括增强体(reinforcement)和基体。增强体可以是石墨、聚芳基酰胺纤维、帕拉胶-芳族聚酰胺纤维(para-aramid fiber)、玻璃纤维、碳化硅纤维、高强度聚乙烯或其他本领域已知的复合物纤维材料。增强体材料可以是短纤维或长纤维、织物、敷层(laid up)增强体、层压或上述任意组合。基体可以是热固性或热塑性聚合树脂，例如聚酯纤维、乙烯基脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯、聚醚醚酮(PEEK)或巴塞尔亚胺(baselimide)。在优选实施例中，增强体为石墨，基体为环氧树脂。
在所示的图6中加上了真空挡板20，该真空挡板20封闭复合材料部件16和多段工具10的一些部分。可以使用本领域技术人员知晓的固定方法把真空挡板20固定并密封到第一工具30的底部部分36和顶部部分32。在优选实施例中，真空挡板20通过密封胶条密封。通过这种方法密封，真空挡板20封闭复合材料部件16和第二工具40。
真空挡板20可以是挠性聚合材料或本领域已知的其他材料，其足以承受在真空袋复合材料固化中遇到的温度和压力。使用真空源(未示出)例如本领域已知的压缩机或文丘里(venturi)泵，从真空挡板20和多段工具10之间的空间中抽取真空。接近大约一个大气压的压力迫使复合材料部件16靠在多段工具10的外部轮廓12上。
在固定真空挡板20并实现预期的压力条件后，固化复合材料部件16。这里用的固化是指导致基体和加强层交联或凝固的过程。固化可以在例如本领域已知的高压釜等装置中，在加压的容器在高温下进行。在可选实施例中，固化可以在环境温度和/或大气压下进行。在需要时，可以使用多次固化循环。例如，预成形件可以经历第一和第二固化以形成复合材料部件16。在一个例子中使用这里描述的工具，碳纤维环氧树脂织物复合材料部件在高压釜内暴露于大约350华氏摄氏度，同时在35到大约100psi，优选从大约70到80psi之间的范围内的压力大约120分钟。在预成形中，特定的温度压力时间参数可以根据特定的增强体和基体的组合进行调整，如本领域所知晓的。
图7A和7B示出了固化后的拆卸和真空挡板20的拆除。第二工具40可以先从第一工具30升高或轴向拆除，如图7A所示。如图7B所示，然后具有复杂形状的复合材料部件16可以从第一工具30被轴向拆除。
用于复合材料部件成形的工具或系统的第二实施例如图8至16所示。
参照图8，第一工具130包括型芯(core)131，其被示为位于基座139顶上。型芯131包括顶部部分132和中间部分136。脊135位于顶部部分132和中间部分136之间。型芯131可以位于第一工具基座139的偏心位置，如图所示。这种偏心的位置允许支承非同心的第二工具140。在可选实施例中，型芯131可以位于第一工具的基座139的中心，以支承同心的第二和第三工具140和160。对准导轨154可以位于型芯131的中间部分136上。导轨154可以围绕中间部分136位于彼此间隔的位置。优选的，使用四个导轨，彼此平行并位于中间部分136的外周上。尽管第一工具130的顶部部分132可以为圆柱形，如图所示，顶部部分132也可以向内倾斜，呈截头的圆锥形状(未示出)。第一工具130的开口内部体积170帮助提供空气循环并最小化工具在接下来的固化中的升温。基座139具有顶部表面151。
所示的图9中增加了第二工具140和输送框架118。第二工具140可以位于第一工具130的顶部表面151(图9中未示出)的顶上。如图10A所示，第二工具140的内侧部上的凹槽157可以和导轨154配合以便于第二工具140在第一工具130上的定位和对准。这样定位后，支承型芯131穿过第二工具140向上延伸，使导轨154部分暴露以接收其他工具。输送框架118可以按需要支承和输送组装的多段工具。输送框架118可以是钢或其他金属合金。
第二工具140具有顶部边缘142和底部边缘144。底部边缘144通常是环状和平面的。如图所示，顶部边缘142也被示为通常与底部边缘144形成的平面不平行。使用这种不平行的分界面，也称为曲线(spline)分模线，可以固化后帮助从工具上拆除复合材料。实践中，可以使用各种不平行的分界面，但是优选的分界面之间的角度会大于大约5度。底部轮廓145构成表面，之后预成形件会被部分地施加到该表面上，如下所述。
图10A和10B示出了关于导轨154和凹槽157的细节。导轨154的凸舌153安装在第二工具140的凹槽157内，且有助于第二工具140在第一工具130上的引导和对准。槽口155的间隙允许第三工具的部件166(图12B中所示)穿过脊135。如图10B所示，第一定位支座(index shoe)152位于第二工具140的内部，便于在接收第三工具160的第二定位支座156(在图12A的外壳163上所示)时对准。第一和第二定位支座152和156可以帮助在第二和第三工具140和160之间形成顺利的接合，并限制两个工具之间的偏离。在优选实施例中，定位支座152具有凹槽，供定位支座156上的凸起安装到该凹槽中。
所示的图11中加上了第三工具160，该第三工具160准备就绪以降低到第一工具130上并定位在第一工具130上，并与第二工具140接触形成多段工具。第三工具160包括定位基准面(station datum plane)168、外壳163和上部轮廓165。定位基准面168允许用于工具之间的调整和配合时的平面参考。定位基准面168也可以允许验证与预期的轮廓线容许公差的符合度。定位基准面168也可以提供对罩子(faring)126(如图13所示)的支承。上部轮廓165的底部边缘164与第二工具140的顶部边缘142和下部轮廓145协同和配合。第三工具160的内部开口167接收第一工具130。外壳163可以具有内部凸缘(未示出)，其与脊135配合并安放在其上。在外壳163的底部，支脚169(也在图12A中示出)允许工具未使用时放置在坚硬的表面上而不会损害工具。
图12A和12B示出了有效用于对准第一、第二和第三工具130、140和160的构件。第二定位支座156可以位于外壳163上。当安装时，第二定位支座156与第二工具140上的第一定位支座152(图10B中所示)对准。如上所述，定位支座可以通过凸舌和凹槽连接机构或其他合适的机械、电子或磁连接机构而轴向接合。优选的，四对定位支座副位于第三和第二工具160和140的周边上。第一工具130的导轨154(图12B中所示)与位于第三工具160的外壳163上的对准部件166配合。对准部件166可以提供与导轨154的径向定位的精密公差，如图12B所示。这样，对准部件166可以对准和定位第一工具130和第三工具160。定位支座152和156可以对准并定位第二工具140和第三工具160。
图13示出了组装后的多段工具110，其也具有罩子126。优选的，四个罩子126可以被定位在第三工具160的顶部上并围绕第一工具130的顶部部分132。罩子126可以由轻质的玻璃纤维材料制成。也可以使用能够经受高温的其它复合材料、金属和固化塑料。例如，例如铝等轻质金属合金可以制造罩子126。罩子126覆盖定位基准面168(图11所示)上的机械紧固件和提升构件或其他高位缺口，并有助于阻止袋在第三工具160顶部上的尖锐物周围收缩。连接到输送框架118上的脚轮182便于多段工具的移动。
在组装的情况下，多段工具110包括组装在一起的第一工具130、第二工具140和第三工具160。下部轮廓145与上部轮廓165相配合，一起形成复合预成形件可置于其上的表面。
图14示出了第三工具160、定位基准面168和罩子126的分解图和局部拆解图。第三工具160上的各种机械紧固件和提升构件169有利于第三工具160在第一工具130的顶部部分132周围和到第二工具140上的运输和定位。如图所示，顶部部分132在第三工具160上方延伸，并提供可以连接真空袋的表面，如下所述。
图15示出了已经施加复合材料部件216和真空挡板220的多段工具110。复合材料部件可以360度整体成形或部分成形。如上所述，复合材料可以用已知的方法放置在工具110上面，包括例如把独立的预浸渍复合材料层放置在一起以生产最终层压结构。复合材料部件216根据多段工具110的几何形状可以为复杂的形状。复合材料可以包含加强材料和基体，例如上面第一实施例中所描述的。顶部部分132的在罩子126上方延伸的部分作为真空挡板220的上部密封表面137。基座139的外部表面作为真空挡板220的下部密封表面133。真空挡板220在复合材料216和第一、第二和第三工具(图15中未示出)上延伸。真空挡板220使用本领域技术人员已知的固定方法固定到上部密封表面137和下部密封表面133。在优选实施例中，真空挡板220通过本领域已知的透气布(breather cloth)和装袋封泥(baggingputty)被密封。为了固化复合材料部件216，可以以与上面第一实施例中描述的类似方式采取进一步的处理。
图16为示意图，示出了多段工具110的部件和复合材料216在固化后如何拆卸。最开始，真空挡板220(图16中未示出)、两个部分132和罩子126可以从多段工具110拆除。之后，第三工具160可以从多段工具110轴向被拆除。第三工具160的轴向拆除最开始把复合材料部件216留在第二工具140周围。然后复合材料部件216可以从第一和第二工具130和140上拆除。接下来的步骤可以包括拆除第二工具140用于保存和/或清洗。在拆卸之后，第一工具130、第二工具140、第三工具160和罩子126可以用于重新组装多段工具110，用于接下来的复合材料部件成形。
本发明允许用于连接其他工具的多于一个可拆除工具部件，而不需要工具之间的真空密封表面。真空挡板可以密封单个结构，并捕获(capture)任何中间工具，以及预成形件或复合材料。这消除了再可拆除工具之间具有密封表面的需求，因此最小化渗漏暴露和产生的接缝数量。这个方法有利于360度加工的应用，但是也可以用于其他360度应用。因为不需要实现压力密封，上部部件和下部部件的分界面可以做成更大的机械误差。
另外，使用了最少的部件保证了正确的对准，如上所述，其对于多段连接工具来说通常是个问题。使用定位部(indexes)有助于确保工具部分和轮廓的精确配合或同步(clocking)。
相对于现有技术方法，本发明的实施例提供了很多的优点。因为真空挡板连接到第一工具的自身是真空密闭的部分(例如，实施例中所示的顶部和底部)，实施例中接收预成形件的下部轮廓(例如部件145)和上部轮廓(例如部件165)不需要真空密闭。因此下部轮廓和上部轮廓(当组合后，本领域有时称为面板(facesheet))能够接纳机械组装、工具置换和清洗所需的工具孔，通过套管，不连续面。因此，面板可以具有更大的机械部件的允许误差，和用于在孔和凸起周围焊接的更宽的标准，这否则会增加工具制造的复杂性。这种允许误差，通孔和面板中的其他通常较小的不相称对真空完整性有着有限的负面影响。这个优点简化了整体的工具结构并允许使用后更有效的工具检修和清洗。
上面描述的本发明各种实施例意图描述和示例本发明的各种要素和方面。本领域普通技术人员会认识到可以对所描述的实施例进行一定的变化和修改，而不脱离本发明的范围。所有这种变化和修改都将落在附加的权利要求范围内。