脫模具有有機基質的複合材料的方法與流程
2023-05-21 08:05:31
本發明涉及包括由纖維結構增強的聚合物基質的複合材料的領域，特別地涉及這種材料在航空零件或渦輪發動機的製造中的使用。
在航空領域，在將發動機力學性能保持在高水平的同時，期望減少發動機組件的重量。更特別地，在航空發動機中，風機外殼如今由複合材料製成，所述風機外殼限定進入發動機的進氣通道外形並且在所述風機外殼內側接收有支撐風機葉片的轉子。以旋轉主體的形式，它包括護罩，所述護罩在其上遊和下遊端設置有用於緊固到發動機的其它結構部分，諸如上遊的進氣輪廓和下遊的中間外殼的向外指向的凸緣。外殼還支撐多種組件，並且它必須能夠保持由風機葉片斷裂或由在發動機進口被吸入的物品所產生的碎片。
通過將纖維增強件的繞組放置到芯軸上的適當位置開始由複合材料製造風機外殼，所述芯軸上具有與被製造外殼的輪廓相匹配的輪廓。例如，該纖維增強件可由三維或多層編織製成，如專利US8322971中所描述的。該纖維增強件構成與對應於外殼凸緣的邊緣整體成型的管狀纖維預製件。製造繼續，由聚合物基質緻密化纖維預製件，其中這包括將該預製件用樹脂浸漬並聚合樹脂以獲得最終部件。
本發明更特別地涉及製造，其中通過樹脂傳遞模塑(RTM)噴射模塑方法浸漬該纖維預製件。在該方法中，通過將其壓縮在不變形狀的剛性模具中封閉該纖維預製件，所述剛性模具具有用於形成纖維預製件的支撐的內半部以及被放置在纖維預製件上的外半部，並且所述剛性模具具有與要獲得外殼的形狀相對應的形狀，在這之後在這兩個模具半部的壁已放置在一起後，並且可能在模具已被抽空後，在壓力下以及在受控溫度，樹脂被噴射到模具內。一旦已噴射了樹脂，其通過加熱模具被聚合，並且在噴射和聚合後，最終部件被脫模然後被修整，以避免多餘的樹脂，並且加工倒角以獲得所需的外殼。
為了便於這種脫模，噴射工具需要完全密封，並且其通常由如下模具構成，所述模具包括：再現空氣通道的兩個相鄰內側滾筒；形成外殼的兩個邊緣的上遊和下遊頰板；以及由多個外扇區組成的外半部。這些扇區及上遊和下遊頰板外被向外移除。這兩個內側滾筒脫耦，然後依靠空氣通道的自然通風從外殼的兩側移除。
不幸地，在某些外殼結構中，空氣通道在外殼的上遊端變窄，該通道例如在上遊第一直逕到中心區域較大的第二直徑之間變化，並且再次到進一步下遊的較小第三直徑，這意味著由於撤回上遊滾筒的不可能性，最終部件不能脫模。對於具有可以是約1500毫米到3500毫米的平均直徑的外殼來說，在小直徑和大直徑之間的差異例如可在40毫米(mm)到80mm的範圍中。
技術實現要素：
因此本發明的一個目的是提供用於製造由複合材料製成的燃氣輪機外殼的噴射工具，所述噴射工具具有逆通風的內部空腔並且很容易實施脫模，特別地沒有明顯增加所涉及的步驟或模具的重量。
通過用於噴射聚合物樹脂到纖維預製件內，製造由複合材料製成的旋轉主體形式的部件的噴射工具實現了該目的，所述部件具有逆通風的內部空腔，所述工具的特徵在於，為了在已經噴射和聚合所述聚合物樹脂後使所述部件脫模，所述工具包括，至少布置在所述內部空腔中的首先扇區環以及其次錐形滾筒，所述扇區環由至少三個相互接觸的插入件組成，該插入件包括形成「拱形石」的一個插入件，所述環具有帶逆通風的與所述內部空腔匹配的外側表面以及具有帶自然通風的內側表面，所述錐形滾筒被固定到所述扇區環的所述內側表面以對其支撐，並且一旦從所述扇區環分離，依靠由所述扇區環的所述內側表面形成的所述自然通風被撤出。
因此，僅僅通過向因此被製成為脫模的模具支撐件添加具有「拱形石」的扇區額外部件，可以脫模具有逆通風的內部空腔的旋轉主體。
在一個優選實施例中，所述扇區環包括至少三個插入件，所述形成拱形石的插入件具有在20°到40°範圍中的角度，並且特別地所述扇區環包括四個插入件，每個都具有110°角的三個插入件，以及具有剩餘30°角的形成拱形石的第四插入件。
優選地，所述插入件通過螺釘緊固被固定到所述上遊滾筒，並且它們包括能夠通過起重機或任何類似的提升系統抽出它們的操作構件。
為了使所述插入件相對於所述錐形滾筒有角度地居中，相互居中的元件有利地彼此面對地分別布置在所述插入件上以及在所述錐形滾筒上，並且為了使所述插入件相對於所述錐形滾筒有角度地居中，環形斜面被布置在所述插入件的一個端部。
有利地，所述插入件金屬材料製成，該金屬材料具有在通過加熱的聚合期間便於膨脹的機械性能和尺寸穩定性，或所述插入件由金屬板製成，所述金屬板在接觸所述上遊滾筒的表面上的加強筋之間包括重量減少的盲孔。
附圖說明
從作為非限制性示例並參照附圖給出的本發明特定實施例的以下描述，本發明的其它特徵和優點顯而易見，其中：
圖1是一種具有使用根據本發明的噴射工具獲得的風機外殼的航空發動機的透視圖；
圖2是製造圖1風機外殼的噴射工具的軸向剖面的半視圖；以及
圖3A-3F示出了在用於脫模圖1的風機外殼的圖2噴射工具中實施的連續步驟。
具體實施方式
本發明通常地適用於由聚合物基質複合材料製成的任何燃氣輪機部件。然而，以下在其應用到燃氣渦輪航空發動機的風機外殼的背景下描述了本發明。
圖1是示出這種燃氣輪機航空發動機的示圖，其在氣流的流動方向中從上遊到下遊包括：被布置在發動機進口的風機10，壓氣機12；燃燒室14；高壓渦輪16；和低壓渦輪18。該發動機具有對應於發動機和內側面的多種元件的連續外殼，所述內側面限定發動機的進氣通道。因此，風機10由旋轉主體形式的風機外殼20圍繞並由纖維增強件製成，例如使用聚合物基質，例如環氧樹脂、雙馬來醯亞胺或聚醯亞胺基質緻密化的碳、玻璃、芳族聚醯胺或陶瓷纖維的纖維增強件。以已知方式通過三維或多層編織獲得了纖維增強件，例如通過編織「聯鎖」織物，並且通過液體技術，使用諸如RTM模塑方法的已知噴射方法獲得該基質。
風機外殼20在其上遊和下遊端具有向外指向的凸緣22和24以使其能夠安裝和連接到發動機的其它元件。在其上遊和下遊端之間，風機外殼具有中間部分(具有逆通風的內部空腔20A)，該中間部分具有與其漸進地連接的端部部分的直徑相比更大的直徑，所述中間部分不可求助於標準RTM噴射工具。
在本發明中，因此提出了通過添加額外工件到上遊滾筒來解決脫模旋轉主體所帶來的問題，所述旋轉主體具有帶逆通風的內部空腔，所述上遊滾筒支撐在該空腔兩側上模塑的部件，以使該部件從外殼的上遊端脫模，該額外工件被添加在接收噴射的纖維預製件和上遊滾筒之間，從而再次產生了使脫模再次可能的自然通風。
圖2是支撐風機外殼20並在外側上省略了通常封閉模具的扇區外半部的本發明噴射工具的剖面。
更準確地，以已知方式，工具30包括與上遊頰板36和下遊頰板38一起的上遊滾筒32和下遊滾筒34。上遊和下遊滾筒經由凹入直徑(通常空氣通道的最小直徑)彼此接觸，從而依靠在該連接處兩側上通道的自然通風可以脫模，並且它們在連接處通過諸如螺栓(參見標記33的軸線)的連接設備彼此固定。用於模塑向外指向的凸緣22和24的上遊和下遊頰板也分別被固定到上遊和下遊滾筒，例如通過螺釘緊固(參見標記35和37的軸線)。應該觀察到的是，上遊頰板和上遊滾筒可包括單件，並且這適用於下遊頰板和下遊滾筒。
根據本發明，該工具進一步包括由扇區環40組成的額外工件，該扇區環40通常具有至少三個接觸插入件，並且通常四個例如螺釘緊固(參見標記41給出的軸線)到上遊滾筒32的這種插入件40A-40D，該上遊滾筒32在帶逆通風的內部空腔以及其兩側上支撐纖維預製件，並且具有輕微錐形以便於在上遊方向中脫模。優選地，螺釘緊固儘可能接近上遊滾筒32的自由端定位，從而當要移除滾筒時便於接近其。此外，為了確保插入件40有角度地居中在上遊滾筒32和下遊滾筒34上，相互居中元件32A和42有利地被布置每個工件上。
更準確地，與帶逆通風的內部空腔匹配的外側表面的扇區環(及其上遊和下遊通路)具有帶自然通風的內表面(即足以適用於現有技術空氣通道的方式脫模的幾度的傾角)。環形斜面44設置在其一個端部，以在上遊滾筒32和下遊滾筒34上提供環形(軸向和徑向)居中。該環由金屬材料製成，該金屬材料具有在通過加熱的聚合期間便於管理膨脹的機械性能和尺寸穩定性，例如在50毫米(mm)到80mm範圍內厚度的金屬板，並且在接觸上遊滾筒的表面上的加強筋48之間包括重量減少的盲孔46。滾筒和插入件優選地由相同材料製成。
為了能夠移除它們，當扇區環由四個插入件組成時，這些插入件中的三個旨在涵蓋相應的110°角，而第四插入件涵蓋剩餘的30°角並且形成額外部件的「拱形石」。然而，根據插入件的總數(這可以在三到五的範圍中，例如)，並且根據其尺寸，「拱形石」第四插入件可涵蓋可能在20°到40°範圍內的角度。由於在模具內側產生真空後在壓力下噴射樹脂，插入件需要良好地適配上遊滾筒。構成該環的材料的機械性能和尺寸穩定性便於成功噴射。自然地，常規墊圈(未示出)還需要設置在模具的多種部件之間，以保證它確實密封。
在模塑階段中，噴射過程不同於常規的RTM噴射過程，纖維預製件被放置在以密封方式封閉的模具內側。此後，低粘度液體熱固性樹脂被噴射到模具內，以浸漬預製件的整個纖維部分。然後通常通過在一個或多個連續周期中加熱模具以達到所需的緻密化程度來實施聚合。一旦已經完成了噴射和聚合，由於修改的工具方式，最終獲得的部件可使用現在與在常規過程中實施的步驟不同的步驟脫模。
在圖3A-3F中順序地示出了脫模步驟。圖3A示出了在聚合步驟結束時的模具，外半部已經在第一脫模步驟中移除，並且最終部件的外表面因此具有被製成外殼的外側形狀。如圖3B所示的第二步驟包括旋開緊固件35並移除上遊頰板36，以釋放上遊滾筒32，一旦通過旋開緊固件33從上遊滾筒34分離，該上遊滾筒32然後在圖3C所示的以下步驟中本身可以撤出(自然地，預先移除了插入件的緊固件41)。上遊滾筒32的撤出和下遊滾筒34的撤出可以同時發生，而不是一個接一個地實施。
上遊滾筒32的該撤出可以釋放可被移除的插入件40A-40D，在移除剩餘其它插入件40B-40D之前從「拱形石」插入件40A開始(如圖3D所示的新步驟)，如圖3E所示。最後，在如圖3F所示的最後步驟，該最終部件可至少進而從模具提取，其中僅剩餘下遊滾筒34和下遊頰板38。該最終部件然後被修整以移除過量樹脂並獲得風機外殼20。
對於所有這些步驟，假設它們的尺寸(幾米的直徑)及其重量(幾個(公制)噸)，所有這些部件需要用預防措施操作，因此它們通過起重機或任何其它類似的提升系統優選地撤出，每個模具部件然後包括需要移動它們的構件。例如，這些操作構件可包括緊固件孔50，緊固件孔50可具有被安裝在其中螺合的螺栓頭部的對接環52(參見圖2)，或用於連接目的的任何其它孔，例如具有操作框架54，本身具有通過與起重機相聯的接合鉤協作的對接環(參見圖3D)。通常，通過使用螺旋到所述載荷的對接環，通過用於操作沉重和/或笨重載荷的系統來操作和緊固大型部件的技術是已知類型的。
應該觀察到的是，為了在最後撤出步驟期間避免對最終部件的任何損害，應該優選地通過使用操作環、吊索或用於操作大型旋轉主體的任何其它等效設備實施該步驟。該最終外殼部件沒有用於操作目的的任何特定構件，因此這確保了它不冒在這種操作中被損壞的任何風險。