用於模製圓柱形部件的複合材料工具的製作方法

2023-05-23 03:05:21 2

專利名稱：用於模製圓柱形部件的複合材料工具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製造複合材料圓柱形部件的複合材料制工具。本 發明還涉及一種用於製造這樣的工具的方法。
背景技術：
在航空領域，這僅僅用於提及單個應用領域，碳纖維複合材料部件越 來越多用於獲得越來越多的輕質結構，同時不犧牲剛性以及其它所需的性 能，而且也用以獲得比金屬部件具有更多合意方面同時防火的部件。這種複合材料部件的製造需要高精密工具。也可以稱為模具的此種工 具應該既能提供任何工具通常的功能(此後將進行回顧)，保證最終的部 件的形位公差，又有時承受相當特別的熱力以及壓力循環，諸如以進入高 壓釜時涉及的那些情形。通常，用殷鋼通過鈑金加工和機械加工製造的金屬模具或者用環氧樹 脂預浸漬的碳纖維在稱為"母具"的模具中模製金屬模具被用於該目的。儘管殷鋼技術廣泛應用於大規模生產，但仍然存在的事實是，此種模 具的單位成本很高。反過來，用碳纖維製造的模具不是很昂貴，但是所述 模具更脆且實際上不能修理，這主要是緣於它們修理之後出現的洩露問題。如果問題是製造圓柱形部件，尤其是具有大尺寸的圓柱形部件，製造 它們的問題較少來自它們的尺寸以及操作此種模具的困難，而更多地源自 保障部件最終的形位公差，因為形位公差依賴於所述模具在聚合周期中的性能狀態並且還非常強烈地依賴於行將獲得的所述部件的結構以及該部件 在其模具上時的性能狀態。確實，從樹脂的熱膨脹和收縮所產生的問題經常是不能忽略的。在這樣的情況下，只有機械加工方法能夠提供所述部件的最終的公差 的保證。有一些複合材料，在高壓釜中在高溫和高壓下模製和聚合，然後可以 被機械加工以獲得所需的幾何形狀，同時能夠保持用於製造所述最終的部 件時所需的密封。然而，這樣的材料需要製造這樣的"母具"，該"母具" 能夠經受住這些材料在高壓釜中進行聚合反應時的壓力和溫度條件。這樣 的"母具"均更為昂貴和複雜，因為待製造的結構是大尺寸的且幾何形狀
的要求很嚴苛。作為一個例子，對於4m直徑的部件，其公差為+/-0.611101 的情況絕不少見。另外，將工具分割成幾瓣以允許從模具中拆卸使得這樣 的使用更成問題。
如在本說明書開始指示的那樣，製造用環氧樹脂浸漬的碳纖維的複合 材料部件需要高精密的工具，該工具應該具備任何精密工具的通常功能。 在此處所討論的技術領域中，所述工具應該允許覆蓋通過沉積纖維形成的 具有Q形狀輪廓的強化的外殼。所述工具還應該在聚合反應後能夠從覆蓋 結構中抽出。此外，所述模具應該符合要求的公差以及應該能夠容置補強 板及其芯子。最後，用於沉積纖維的表面應該在室溫以及在高壓釜中的高 溫時防漏，以便在聚合反應期間能夠放置真空袋。所述工具還應該為聚合 反應階段而允許連接拋光板或對模(拋光板)。最後，所述工具應該能經 受用於製造所述部件的方法的環境狀態。
再者，用於製造複合材料圓柱形部件的複合材料工具應該包括熱電偶， 應該具有最大為Ra-0.8的粗糙度的接觸表面以及應該集成修整所需部件所 需要的過長。

發明內容
本發明的目的是提出完成各種前述狀況且易於操作的工具，尤其是在 聚合反應後從覆蓋結構中將所述工具抽出的過程中易於操作。
本發明的目的通過這樣的複合材料制工具而實現，所述複合材料制工 具用於製造複合材料圓柱形部件，所述工具用於形成所述圓柱形部件形成 於其上的型芯。
根據本發明，所述工具包括一組構件，其中每個構件形成所述工具的 一圓柱扇形段，每個所述構件包括纖維複合材料制支承結構，以及模製在所述支承結構上的外殼，所述工具進一步包括用於放置於所述工具的構件 之間的連接處的密封裝置。
這樣，本發明的所述工具包括一組機械組裝的構件，且可以根據特定 的順序逐一拆卸所述構件，所述工具允許從模具中移除已經完成的部件。
-製造碳纖維複合材料制標準支承結構。這可以根據標準方法來實現，
在於
*使用標準可擠壓泡沫並且塗"母具"並進行機械加工；這樣的母具 不是太昂貴，因為不需要太精確；
拳在約4(TC/45。C的低溫下在真空爐(因此不是在高壓釜中)中烘烤 所述支承結構，接著是提供高溫強度的後烘烤周期； *所述支承結構可以為自變硬的，以在所述工具的應用期間承受機械 應力；在這些機械應力中，讓我們特別注意在高壓釜中進行聚合反應 期間、在處理操作期間以及在所述工具的拆卸和再組裝期間、由於覆 蓋而涉及到的才幾械應力；
-小厚度的用環氧樹脂預浸漬的碳纖維製成的外殼或者用聚醯亞胺、特 別是雙馬來醯亞胺預浸漬的碳纖維製成的外殼，將在所述支承結構上模製、 在高壓釜中在真空、壓力以及高溫下烘烤以便獲得所需的機械性能以及期 望的材料均一性。所述支承結構允許這樣的應用。
-通過再次機械加工對由此獲得的外殼進行改造，獲得需要的幾何形狀 以及所述構件的集成以得到接觸面處的密封是可能的。
按照此前描述的方式製造的可以根據特定的次序一個瓦片一個瓦片地 拆開的工具允許從已經造好的部件的模具移除而無需顧及後者的尺寸。
我們需要特別注意的是，組成本發明的所述模具的構件的數量完全有 賴於所要製造的部件的尺寸以及有賴於每個所述構件某種操作方面的約 束。進一步描述的示範性實施例具有包括7個瓦片的工具，所述數量7個 是任意選擇的數量，因此絕不會受到限制或被優先考慮。
本發明的解決方案特別適合於研製階段的工具，然而其同樣可以被應 用於大規模生產階段的工具。實際上，用於製造外殼的材料允許在所述工具的壽命期間有必要時進行改造操作和修理，例如作為碰撞或者任何形式 的破壞或者磨損的結果。
根據本發明的所述工具的所選實施例，所述工具可以具有以下分別考
慮的或者根據所有技術上可能的組合的附加特徵 -每個所述構件包括碳纖維複合材料的支承結構； -每個所述構件包括用環氧樹脂預浸漬的碳製成的外殼； -每個所述構件包括用聚醯亞胺結構樹脂預浸漬的碳製成的外殼； -每個所述構件包括用雙馬來醯亞胺預浸漬的碳製成的外殼； -每個所述構件包括在模製和烘烤之後已經經歷了機械加工的外殼，其
-密封裝置包括O形密封墊；
-密封裝置包括矽橡膠製成的可膨脹O形密封墊；
所述工具包括用於放置在所述外殼側的所述構件的連接處的防漏插件。
本發明的目的還可以通過用於製造複合材料圓柱形部件的複合材料制 工具的製造方法實現，所述工具包括一組構件，其中每個構件形成所述工 具的一圓柱扇形段。
根據本發明，所述方法至少包括以下步驟
製造預定數量的具有纖維複合材料制支承結構的構件，
在所述支承結構上模製外殼，
烘烤所述構件，
對每個所述構件的所述外殼進行機械加工，以給每個所述構件提供預 定的尺寸以及給所述外殼提供預定的表麵條件。
所述工具的外殼扇形段由基於用樹脂預浸漬且沿著準等褶皺面 (quasi-iso draping plane )沉積的碳纖維網的複合材料構成。
當預浸漬通過工具樹脂完成時，對於所述外殼而言，不可能通過模製 所需的形位公差直接獲得，也不允許為了確保所需表面粗糙度和密封性的 滿意表面的通過機械加工的任何改造。由於這個理由，所述外殼覆蓋一層 Hextool⑧型的複合材料層，所述Hextool⑧型複合材料層來自於Hexcel,此
7種複合材料具有在表面粗糙度和密封方面的優異性能。
有益地，所述外殼製成為具有l-2mm的額外厚度，以便製成的肋部在 製造和檢測第一個部件後可以進行再加工。所述外殼的建議厚度為約 10mm。
在附圖中，序列圖示出了本發明的工具的不同構件或者瓦片從用此種 工具製造的部件去除的運動。尤其是，其中看出使用本發明的此種設計， 逐個釋放(使自由，使活動)並抽出所述構件是可能的。在上述序列的任 何時刻，不同構件的外殼的表面都不會切割製成的部件的表面。用於執行 此型芯移除操作的方法應該當然適合於所述工具的使用並適合於所需的生 產率。
由於所述工具的密封的實現被認為對於待生產的部件的質量來說是必 不可少的，因此此種密封適合於保持多個圓柱扇形段以確保型芯的移除的 思想，以及適合於用於製造所述部件的方法。
在本發明範圍內的解決方案包括使用兩個O形密封墊，該兩個O形密
封墊設置在距離每個構件的外殼一定距離和不同層面處。使用雙o形密封 墊的解決方案，使得持續地檢測密封屏障的有效性成為可能。另外，以這 種解決方案，在製造複合部件的方法中校正真空度的變化是可能的。
另外，使用充有氟橡膠或矽橡膠的o形密封墊是可能的，因為氟橡膠
或矽橡膠供高溫下使用，比如在高壓釜中。然而，由於設想的角色，在制 造圓柱複合部件的每輪操作中不提供所述密封是可能的。由於這種原因，
優選的是採取可膨脹矽橡膠o形密封墊。
在製造所述部件期間受壓最大的是裡面的o形密封墊，因為一方面其
承受所述高壓釜的壓力，該壓力約為8巴，並且另一方面其承受真空度， 該真空度約為50毫巴。在這樣的條件下，例如可以使用16mm外徑的兩個 管狀可膨脹密封墊。用於容納這些密封墊的凹槽相對地被加工出來，以便 不削弱外殼，這一點已在所述附圖中示出。有益地，裡面的密封墊應該能 夠充氣到約10巴的壓力。實際上，所述可膨脹密封墊導致非常巨大的壓力作用到外殼的縱向壁上。
實際上，考慮到密封墊的壓力作用到凹槽的50°/。上，在長度為6000mm的 外殼的邊緣產生的力約為50， OOON。根據外殼的幾何形狀，這些力在應該
通過將所述密封墊內的空間充氣到8巴的壓力，在部件進入高壓釜之 前，對有關所述高壓釜中的壓力密封的強度的有效性進行有益的檢查。
為了確保聚合反應期間保持真空度，管理兩個相鄰構件的外殼與可膨 脹密封墊以及真空蓋體之間的界面也是非常重要的。為此， 一個可能的辦 法包括在兩個相鄰的構件的連接處、在所述外殼的端部放置防漏插件，該 防漏插件允許被真空蓋體蓋住的所述可膨脹密封墊通過。
本發明的所述工具具有以下優點
本發明的所述工具為一種經濟的解決方案，用於製造可得到的大尺寸 工具來製造具有非常高的幾何精度的特大尺寸的複合結構的部件；
本發明的所述工具包括用環氧樹脂預浸漬的碳纖維製成的結構，允許 低溫聚合，其次是後烘烤；
本發明的所述工具包括用環氧樹脂或者聚醯亞胺樹脂尤其是用雙馬來 醯亞胺預浸漬的碳纖維製成的塗層，以便所述工具的表面可加工而不會出 現變形並且同時保留所述材料的均 一 性和密封性；
所述工具可以根據一個簡單的程序進行修理，該程序可以單獨應用於 所述工具的每個構件；
利用本發明的所述工具的架構，其中通過該架構所述工具的中央部分 是完全自由的，可以提供所述工具的所述構件的操作的機械化，以促進所 述型芯的移除操作以及所述型芯的重新組裝操作並因此縮短大規模生產時 這些操作的持續時間。


本發明的其他特點和優點從以下本發明的所述工具的實施例中將變得 明顯。說明參照附圖進行，其中於抽出
於抽出
圖
1-8示出根據本發明的優選實施例及其拆解運動，也就是 1示出具有自由的以便於抽出的第一構件的所述工具； 2示出本發明的所述工具的第 一 構件抽出的狀態； 3示出自由的以便於抽出的第二構件的所述工具； 4示出本發明的所述工具的第二構件抽出的狀態 5示出具有最後三個構件的工具，其中倒數第三個構件被釋放以便
6示出本發明的所述工具的倒數第三個構件被抽出的狀態；
7示出具有最後兩個構件的工具，其中倒數第二個構件被釋放以便
8示出本發明的所述工具的倒數第二個構件被抽出的狀態；
IO示出圖9中所述構件的橫截面12示意性地示出本發明的工具中的防漏插件的定位。
具體實施例方式
圖1示出用於製造複合材料圓柱形部件，例如用於製造航空器的機身 構件，的複合材料制工具。本身被製成軸對稱的圓柱形構件的所述工具旨 在用來形成型芯，待製造的圓柱形部件將形成在所述型芯上。
根據本發明，所述工具包括7個構件，其中的每個構件形成所述工具 的一個扇形段。所述構件1相互一致，以沿著待製造的部件的周邊被保持 成防漏的4妄觸狀態。
有益地，當問題是要製造軸對稱的圓柱形部件或者是具有接近軸對稱 圓柱體形狀的部件時，本發明的所述工具的所述構件1全部彼此相同或者 相似。
然而，本發明還適用於利用它可製造具有非圓形截面的管狀部件的復 合材料制工具。
為此，構件的數量以及，如果必要的話，他們的形狀對於每個工具單
10獨確定。
如圖1-8的序列所示，所述構件1相互一致以不僅能夠形成圓柱形模 型，而且它們還可以朝向所述工具的內部單獨地挨個被釋放(即，變得自 由或變成活動的)以及可以在不妨礙製成的部件的情況下被移除。
1,所述構件如何朝向所述工具的內部被釋放並且接著從所述工具中並且因 此從製成的部件內部抽出。
容易設想的是，為了處理每個構件，並且這既為了拆解所述模型又為
了重新裝配所述模型，水力的或不同的機械化手段可以被用來操作每個構 件。此外，不得不為機械化手段作規定(或者不)，這允許所述構件一個 接一個的被保持住直到所述工具變成完整的。
本發明的完整的工具的形狀可以容易地從圖1中推知；所述完整的工 具在圖中沒有被單獨示出。圖1示出本發明的所述工具，其中第一構件l 從所述工具的周邊釋放，以從製成的部件(未示出)內部抽出。圖2示出 所述第一構件正被抽出。
圖3和圖4分別示出所述第二構件處於正被釋放的位置和正被從製成 的部件的內部抽出。
圖5和圖6分別示出本發明的所述工具的最後三個剩餘構件，其中所 述7個構件中的第五個構件處於被釋放位置且正被抽出。
以及圖7和圖8示出本發明的所述工具剩餘最後兩個構件時接下來的 步驟。圖7示出倒數第二個構件處於被釋放位置以及圖8示出倒數第二個 構件正被抽出。
圖9單獨地示出了構件1的透視圖，其中示出了構件1的凸出面，即 意欲翻轉以朝向待製造的部件的面。更具體地，從此圖中可以看出所述構 件1的表面具有所有需要的溝槽或者凸出部並且根據規定的幾何形狀來定 位，以使得在待製造的部件的內表面上形成肋部或凹進部。
圖10示出本發明的所述工具的相對於對稱軸線的截面圖。更具體地， 其中看出所述構件1包括由纖維複合材料制的支承結構2,且在所述支承 結構2上的模製外殼3。在附圖中示出的根據所述實施例的支承結構2包括具有依照從所述部件的最終形狀推知的形狀的外殼2、具有矩形截面的U 型梁21、位於所述梁21下部的至少一個橫向隔離部22、位於所述梁21的 開口端的縱向外殼23以及在所述構件1的整個寬度上以及由所述梁3的彎 曲部分限定的高度上延伸的橫向外殼24。
圖11示出兩個相鄰構件1之間的連接。在所述結構2以及模製外殼3 的側折返部內，兩個O形密封墊ll， 12放置在彼此相對且在徑向上彼此偏 移的凹槽13， 14中。通過本發明的這種布置，所述兩個密封墊ll， 12每 一個對相鄰的構件的結構施加壓力。作為一個例子，可以使用具有約16mm 的可膨脹密封墊以及為了不削弱所述結構，凹槽13， 14二者交替地配置在 每個相鄰的瓦片上。
出現在每個所述構件的外殼上的介於相鄰構件1之間的空隙15有利於 填充環氧樹脂。然而，考慮到所述製得部件烘烤期間作用的氣壓，該空隙 15的"填充"不提供任何密封功能。因此所述密封功能完全由兩個環形可 膨脹密封墊ll， 12實現。實際上，作為一個例子，在高壓釜中製造所述部 件期間，作用到所述構件1內側的壓力約為8巴，然而在外殼側， 一蓋體 通過它施加到待製造的部件上作為反模的真空度只有約50毫巴。由於這些 壓力情況，裡面的密封墊12被膨脹到高壓釜的壓力與作用在蓋體上的真空 壓力之間的壓力差的125%，即約為10巴。
由於所述環形可膨脹密封墊11, 12僅僅提供兩個相鄰構件在其縱向延 伸方向上的連接處的密封，所述外殼端部的密封應該通過另外的手段提供。 這裡為這樣的另外手段建議的解決方案包括在所述外殼端部的兩個相鄰構 件的連接處放置防漏插件。
圖12示意性地示出本發明的工具中防漏插件31的布置。
所述插件31為直角部件，例如用矽橡膠製成，其中直角部件利用其兩 個翼板中的、位於兩個相鄰構件l， 1的外殼上的標號為31A的一個翼板、 和相對於所述外殼橫置且位於外殼端部的標號為31B的另一個翼板定位。 所述插件31的翼板31A用真空蓋體蓋住且通過保持所述蓋體的板32保持 定位，且所述翼板31B用保持所述插件的板33保持。
所述插件31還包括兩個孔34， 35,所述兩個孔34, 35面對兩相鄰構件1, 1的凹槽13， 134。這些孔使得所述O形密封墊11, 12露出且使它
們與高壓空氣源相連，從而能夠在預定壓力下使所述兩個密封墊中的每個 密封墊膨脹。
權利要求
1、一種用於製造複合材料圓柱形部件的複合材料制工具，所述工具用於形成所述圓柱形部件將形成於其上的型芯，其特徵在於，所述工具包括一組構件(1)，其中每個構件(1)形成所述工具的一圓柱扇形段，每個所述構件(1)包括纖維複合材料制支承結構(2)；和模製在所述支承結構(2)上的外殼(3)，所述工具進一步包括用於放置在所述工具的構件(1)之間的連接處的密封裝置(11，12)。
2、 根據權利要求1所述的工具，其特徵在於，每個所述構件(1)包 括碳纖維複合材料制支承結構(2)。
3、 根據權利要求1或2所述的工具，其特徵在於，每個所述構件(1 ) 包括用預浸漬環氧樹脂的碳製造的外殼(3)。
4、 根據權利要求1或2所述的工具，其特徵在於，每個所述構件(1 ) 包括用聚醯亞胺結構樹脂預浸漬的碳製造的外殼(3)。
5、 根據權利要求4所述的工具，其特徵在於，每個所述構件(1)包 括用雙馬來醯亞胺預浸漬的碳製造的外殼(3)。
6、 根據權利要求1-5中任一項所述的工具，其特徵在於，每個所述構 件(1)包括在模製和烘烤後、經過機械加工的外殼(3)，所述機械加工 為所述構件(1)提供預定尺寸且為所述外殼(3)提供預定的表麵條件。
7、 根據權利要求1-6中任一項所述的工具，其特徵在於，所述密封裝 置包括O形密封墊(11， 12)。
8、 根據權利要求1-6中任一項所述的工具，其特徵在於，所述密封裝 置包括矽橡膠製成的可膨脹O形密封墊(11， 12)。
9、 根據權利要求1-8中任一項所述的工具，其特徵在於，所述工具包 括用於放置在所述外殼(3)的側面上的所述構件(1)的連接處的防漏插 件。
10、 一種用於製造複合材料圓柱形部件的複合材料制工具的製造方法， 所述工具包括一組構件(1 )，其中每個構件形成所述工具的一圓柱扇形段， 其特徵在於，所述製造方法至少包括下述步驟製造預定數量的構件(1)，所述構件(1)包括纖維複合材料制支承結構(2)，在所述支承結構(2)上模製外殼(3), 烘烤所述構件(1 )，對每個所述構件(1)的所述外殼(3)進行機械加工以為每個所述構 件(1)提供預定的尺寸以及為所述外殼(3)提供預定的表麵條件。
全文摘要
本發明涉及一種用於製造複合材料圓柱形部件的複合材料制工具，所述工具被用於形成圓筒部件形成於其上的型芯，所述工具包括一組構件(1)，每個構件(1)限定所述工具的一圓柱扇形段，每個構件(1)包括纖維複合材料制支承結構(2)，以及模製在所述支承結構(2)上的外殼(3)，所述工具進一步包括布置在所述工具構件(1)之間的連接處的密封裝置(11，12)。
文檔編號B29C33/30GK101600552SQ200680056194
公開日2009年12月9日 申請日期2006年10月23日 優先權日2006年10月23日
發明者丹尼斯·哥倫布, 多米尼克·米謝, 皮埃爾·瓦裡波, 菲利普·馬力諾 申請人:地中海工業製造公司(Cnim)