專(zhuān)利名稱(chēng)：用于復(fù)合成形的多段工具及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種用于真空成形復(fù)合材料部件(composite part)的多段工具 及方法，尤其是一種關(guān)于飛機(jī)吊艙(nacell)和相關(guān)部件的復(fù)合成形的工具及方法。
背景技術(shù)：
飛機(jī)結(jié)構(gòu)有許多部件，這些部件具有帶有多個(gè)彎曲部分的復(fù)雜形狀。例如，飛機(jī)吊 艙和吊架(pylon)系統(tǒng)、反推力裝置和火箭推進(jìn)腔和其他部件中有各種復(fù)雜的形狀。已知 有幾種用于形成復(fù)雜形狀的方法。對(duì)于熱塑性和熱固性的聚合物，可以在注射和壓模作業(yè) 中使用多個(gè)工具用以形成復(fù)雜的形狀。金屬成形工藝已經(jīng)使用了鑄造栓塞以便于具有沙漏 外形的金屬火箭推進(jìn)腔的成形。然而，這些方法不易應(yīng)用于使用真空袋復(fù)合工藝形成復(fù)雜 部件。真空袋成形是一種復(fù)合材料制造的方法，其能使用多個(gè)工具用于復(fù)雜形狀的成 形。在真空袋成形中，在工具的輪廓周?chē)婵绽?vacuum pull)預(yù)成形。當(dāng)使用多個(gè)工具 形成復(fù)合材料部件時(shí)，在工具之間必須有足夠的真空密封。真空完整性和正確的工具對(duì)準(zhǔn) 對(duì)于取得預(yù)期的制成品形狀和特性是重要的。因?yàn)檎婵諏㈩A(yù)成形件拉伸至每個(gè)外形輪廓， 如果工具之間的對(duì)準(zhǔn)不精確就會(huì)產(chǎn)生接縫缺陷。已經(jīng)嘗試使用例如螺栓等機(jī)械固定器以保 證多個(gè)工具之間的對(duì)準(zhǔn)。然而，這種系統(tǒng)麻煩、費(fèi)用高并不足以最小化接縫缺陷。在真空完 整性方面，已經(jīng)使用墊圈、0型圈和類(lèi)似的器件以提高相鄰工具之間的真空完整性。這些嘗 試經(jīng)常引起達(dá)不到完全真空而導(dǎo)致可能的產(chǎn)品缺陷、不良的樹(shù)脂固化和不良的樹(shù)脂-基體 遷移(resin-to-matrix migration)，導(dǎo)致了潛在的產(chǎn)品故障。為此，有人嘗試使用多個(gè)真 空屏障以確保真空完整性，但是這種解決方法增加了加工的復(fù)雜性和費(fèi)用。已經(jīng)產(chǎn)生了能夠形成多個(gè)彎曲部分的復(fù)合材料的需求，或者是整體成形或者是用 最小化子部件成形，其中接縫被最小化，取得足夠的真空完整性并減少工具的不對(duì)準(zhǔn)。進(jìn)一 步的，需要一種有效的復(fù)雜形狀成形的方法，同時(shí)提供接受設(shè)計(jì)約束條件改變的靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
用于復(fù)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。第二工具可以有開(kāi)口。第二工具能夠通過(guò)所述開(kāi)口接收第一工具。第二工具可以 進(jìn)一步能夠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 能夠接收預(yù)成形件復(fù)合材料的至少一部分。第二工具能夠接收預(yù)成形件復(fù)合材料的至少一 部分。第一工具可以具有連接在第一表面和第二表面上的真空擋板，其中真空擋板密閉所 述預(yù)成形件復(fù)合材料和第二工具。用于復(fù)合材料部件真空成形的工具系統(tǒng)可以包括具有型芯和基座的第一工具，所 述型芯從基座向上延伸。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。該工具系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括在第一工具和第二工具上成形的復(fù)合材料，該復(fù)合 材料具有復(fù)雜的形狀。真空擋板可以壓力密封在基座和在第二工具上延伸的型芯部分上。該真空擋板能形成包括復(fù)合材料、第一工具和第二工具的加壓密封。復(fù)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。第二工具可以具有開(kāi)口，通過(guò)該開(kāi)口能夠接收第一工具。該方法可以包括在第二工具 的至少一部分上施加預(yù)成形的復(fù)合材料。方法可以包括通過(guò)在第一工具上固定真空擋板而 真空密封復(fù)合材料預(yù)成形件，同時(shí)預(yù)成形件和第二工具可以被密閉在真空擋板中。該方法 可以進(jìn)一步包括固化預(yù)成形件形成復(fù)合材料部件。本發(fā)明前述以及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)結(jié)合附圖閱讀下述詳細(xì)描述變得更清 楚，描述如下。


圖IA和IB示出了根據(jù)第一實(shí)施例的多段工具中的第一工具。圖2A、2B和2C示出了多段工具中的第二工具。圖3示出了多段工具。圖4A和4B示出了沿圖3的線(xiàn)4-4截取的多段工具的截面。圖5是其上放置有復(fù)合材料的多段工具的側(cè)視圖。圖6是多段工具的側(cè)視圖，復(fù)合材料被密閉在示例性的真空擋板中。圖7A和7B示出了從第一工具上拆除第二工具和復(fù)合材料部件。圖8是多段工具的第一工具的第二實(shí)施例的頂部透視圖。圖9是第一和第二工具的頂部透視圖。圖IOA和IOB示出了多段工具的對(duì)準(zhǔn)特征。圖11是加上了第三工具的第一和第二工具的頂部透視裝配圖。圖12A是第三工具底部部分的分解透視圖。圖12B是第一工具和第三工具的一部分的分解透視圖。圖13示出了機(jī)架上的多段工具。圖14是拆除了罩子的多段工具的局部放大圖。圖15示出了帶有復(fù)合材料和示例性真空擋板的多段工具。圖16示出了多段工具和復(fù)合材料的透視裝配示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一些示范性的實(shí)施例描述如下并在附圖中示出。這些描述的實(shí)施例只 是為了示范本發(fā)明實(shí)施例的目的，而不應(yīng)該理解為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。本發(fā)明的其他實(shí) 施例、所述實(shí)施例的某些修改和改進(jìn)，是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到的，所有這種改變的實(shí)施 例、修改和改進(jìn)都在本發(fā)明范圍之內(nèi)。所述工具和方法通常包括兩個(gè)或多個(gè)工具，其能夠彼此連接以形成所需的模具 (mold)輪廓。然后復(fù)合材料施加到上面或置于工具上。然后復(fù)合材料可以被裝入真空擋 板(barrier)或袋里，所述真空擋板或袋可以在復(fù)合材料周?chē)芊獠⒐潭ǖ狡渲幸粋€(gè)工具 的表面。固化后，可選擇性的去除部件使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的形狀。在優(yōu)選實(shí)施例 中，可以生產(chǎn)360度的復(fù)雜形狀來(lái)使用，例如，作為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙的整體內(nèi)筒。更具體地，用于復(fù)合材料部件真空成形的工具或系統(tǒng)的第一實(shí)施例如圖1至7所示。圖IA示出了第一工具30。第一工具30可以具有頂部部分32和底部部分36。頂部部 分32具有頂部邊緣34，底部部分36具有底部邊緣38。在示出的實(shí)施例中，頂部邊緣34和 底部邊緣38兩個(gè)都是環(huán)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種空的或內(nèi)部開(kāi)口腔的類(lèi)型的 三維部件的工具。在優(yōu)選實(shí)施例中的這種部件在工具周?chē)糠只蛲耆尚?，因此在部件?形成局部的或延伸的環(huán)狀開(kāi)口。例如，360度工具可以用于飛機(jī)工業(yè)以制造吊艙、吊架系統(tǒng)、 反推力裝置、火箭推進(jìn)腔等。在優(yōu)選實(shí)施例中，360度工具具有最上面部分，其具有比工具其 他部分更小的橫截面，因此允許沿基本上與工具形成的環(huán)形開(kāi)口對(duì)準(zhǔn)的軸線(xiàn)向上拆除該部 件。這樣，360度工具可以為截頭圓錐形或截頭棱錐形以利于制造這種環(huán)形部件。第一工具30可以具有外部形狀輪廓，其根據(jù)需要被設(shè)計(jì)為與所預(yù)期的復(fù)合材料 部件相符和/或與另外的工具相配合。底部部分36可以具有底部側(cè)面37，其從底部邊緣 38向上向內(nèi)延伸。類(lèi)似地，頂部部分32可以具有對(duì)準(zhǔn)斜面33，其也朝向頂部邊緣34向上 向內(nèi)傾斜。對(duì)準(zhǔn)斜面33也能有利于工具對(duì)準(zhǔn)。為了便于拆除工具和/或復(fù)合材料部件，對(duì) 準(zhǔn)斜面33和底部側(cè)面37優(yōu)選的分別具有直角(90度)或銳角(小于90度)θ ρ θ 2，(如 圖IA所示)其相對(duì)于與底部邊緣38限定的平面正交的線(xiàn)31測(cè)得。第一工具30具有對(duì)準(zhǔn)脊35，例如如圖IA和IB所示。在該實(shí)施例中的對(duì)準(zhǔn)脊35 可以是第一工具30上的凸緣、機(jī)加工臺(tái)階、凹槽或凸臺(tái)。在第一工具30上可以提供多于一 個(gè)對(duì)準(zhǔn)脊35，以便于第一工具30與具有復(fù)雜輪廓的匹配工具或與另外的工具相定位。對(duì)準(zhǔn) 脊35圍繞第一工具30周邊地形成，與底部邊緣38形成的平面平行配置。在可選實(shí)施例中， 對(duì)準(zhǔn)脊35可以相對(duì)于底部邊緣38形成的平面形成任何角度。對(duì)準(zhǔn)脊35也可以根據(jù)另外的 工具的配合對(duì)準(zhǔn)的需求而被確定為任何形狀?？梢栽趯?duì)準(zhǔn)脊35上布置時(shí)鐘銷(xiāo)釘(clocking pin)(未示出)以便于另外的工具的定位和對(duì)準(zhǔn)。圖IB是第一工具30的俯視圖，示出了底部邊緣38、底部側(cè)面37、對(duì)準(zhǔn)脊35、對(duì)準(zhǔn) 斜面33和頂部邊緣34。內(nèi)部空間39有利于冷卻和觸及機(jī)械的真空的部件。
圖2A、2B和2C示出了第二工具40的實(shí)施例，其能夠和第一工具30配合對(duì)準(zhǔn)。第 二工具40具有頂部42、底部44和兩者之間延伸的第二工具側(cè)部48。圖2B示出了沿圖2A的線(xiàn)2B-2B的橫截面。示出了頂部42、底部44和第二工具側(cè) 部48。側(cè)部48在頂部具有厚度T1，在底部具有厚度T2。側(cè)部?jī)?nèi)壁47可以配置為安裝在第 一工具30的頂上并被定位成鄰近對(duì)準(zhǔn)斜面33。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，壁47可以以角度92定 向，以與對(duì)準(zhǔn)斜面33平齊地靠在對(duì)準(zhǔn)斜面33，其與第一工具頂部部分32(見(jiàn)圖1Α)的對(duì)準(zhǔn) 斜面33定向?yàn)橄嗤慕嵌圈?。位于第二工具40頂部42的內(nèi)部邊緣43構(gòu)成開(kāi)口或內(nèi)部 截面區(qū)域45，如圖2C所示。圖2C是圖2Α中所示第二工具40的俯視圖，示出了由內(nèi)部邊緣43構(gòu)成的截面區(qū) 域45以及頂部厚度1\。該內(nèi)部截面區(qū)域45允許第二工具40安裝到第一工具30的頂部部 分32。如圖2Α和2Β所示，第二工具40的側(cè)部48的外壁49總體從底部44向外延伸，呈 倒置的截頭圓錐形狀。另外的例子中的第二工具的形狀包括倒置的截頭棱錐，其中頂部周 長(zhǎng)也大于底部周長(zhǎng)。第二工具40可以是整體成形，例如在圖2Α、2Β和2C中所示，或者可以 包括幾個(gè)分立部件(未示出)，其徑向的或周向的布置形成360度部件。
如圖3、4A和4B所示，第二工具40可以降低到第一工具30上并安置在其頂部。當(dāng)?shù)谝还ぞ?0和第二工具40組裝后，就形成了多段工具10。多段工具10具有外部形狀12， 其成為供復(fù)合材料放置在上面的形狀，如下所述。所示的實(shí)施例反映出一種結(jié)構(gòu)，其中第一 工具30的頂部邊緣34在第二工具40的頂部42上延伸。圖4A為圖3沿線(xiàn)4-4的橫截面圖。第二工具40示為放在第一工具30的頂部部 分32上。圖4B是圖4A中所示的圓形區(qū)域的分解圖，示出的第二工具40的內(nèi)壁47與第一 工具30的對(duì)準(zhǔn)斜面33相鄰。第二工具40的側(cè)部48的底部44具有厚度T2,位于第一工具 30的對(duì)準(zhǔn)脊35的頂上。第二工具40在連接處15與對(duì)準(zhǔn)脊35相接。第一和第二工具30、40根據(jù)需要可以由各種諸如復(fù)合材料等非金屬材料或金屬 合金制成，例如鋁、鎳、鐵、鋼或大體不昂貴的合金，例如因瓦(Invar )合金。如本領(lǐng)域通常 知曉的，工具材料的選擇通常基于制造方法、復(fù)合材料部件的允許公差、固化(curing)和/ 或加熱周期的數(shù)量、加工材料的熱膨脹系數(shù)、復(fù)合材料部件的所需或要求的表面條件、復(fù)合 材料構(gòu)成和成本。在優(yōu)選實(shí)施例中，工具由因瓦合金制成。圖5至7B示出了把復(fù)合材料部件16加到多段工具10上。圖5中，復(fù)合材料部件 16可以通過(guò)已知的方法置于多段工具10上面，例如包括，把單獨(dú)層的預(yù)浸漬復(fù)合材料敷設(shè) 在一起生產(chǎn)最終的層壓結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選實(shí)施例中，復(fù)合材料通過(guò)手工敷設(shè)石墨纖維預(yù)浸漬層 來(lái)制備。因?yàn)榈谝徊考?0和第二部件40的幾何形狀，復(fù)合材料部件16可以是復(fù)雜的形狀。復(fù)合材料部件16，其在固化前有時(shí)候被稱(chēng)為預(yù)成形件，通常包括增強(qiáng)體 (reinforcement)和基體。增強(qiáng)體可以是石墨、聚芳基酰胺纖維、帕拉膠-芳族聚酰胺纖維 (para-aramid fiber)、玻璃纖維、碳化硅纖維、高強(qiáng)度聚乙烯或其他本領(lǐng)域已知的復(fù)合物 纖維材料。增強(qiáng)體材料可以是短纖維或長(zhǎng)纖維、織物、敷層(laid up)增強(qiáng)體、層壓或上述 任意組合?；w可以是熱固性或熱塑性聚合樹(shù)脂，例如聚酯纖維、乙烯基脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛 樹(shù)脂、聚酰亞胺、聚酰胺、聚丙烯、聚醚醚酮(PEEK)或巴塞爾亞胺(baselimide)。在優(yōu)選實(shí) 施例中，增強(qiáng)體為石墨，基體為環(huán)氧樹(shù)脂。在所示的圖6中加上了真空擋板20，該真空擋板20封閉復(fù)合材料部件16和多段 工具10的一些部分?？梢允褂帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員知曉的固定方法把真空擋板20固定并密封 到第一工具30的底部部分36和頂部部分32。在優(yōu)選實(shí)施例中，真空擋板20通過(guò)密封膠條 密封。通過(guò)這種方法密封，真空擋板20封閉復(fù)合材料部件16和第二工具40。真空擋板20可以是撓性聚合材料或本領(lǐng)域已知的其他材料，其足以承受在真空 袋復(fù)合材料固化中遇到的溫度和壓力。使用真空源(未示出)例如本領(lǐng)域已知的壓縮機(jī)或 文丘里(venturi)泵，從真空擋板20和多段工具10之間的空間中抽取真空。接近大約一 個(gè)大氣壓的壓力迫使復(fù)合材料部件16靠在多段工具10的外部輪廓12上。在固定真空擋板20并實(shí)現(xiàn)預(yù)期的壓力條件后，固化復(fù)合材料部件16。這里用的 固化是指導(dǎo)致基體和加強(qiáng)層交聯(lián)或凝固的過(guò)程。固化可以在例如本領(lǐng)域已知的高壓釜等裝 置中，在加壓的容器在高溫下進(jìn)行。在可選實(shí)施例中，固化可以在環(huán)境溫度和/或大氣壓下 進(jìn)行。在需要時(shí)，可以使用多次固化循環(huán)。例如，預(yù)成形件可以經(jīng)歷第一和第二固化以形成 復(fù)合材料部件16。在一個(gè)例子中使用這里描述的工具，碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂織物復(fù)合材料部件 在高壓釜內(nèi)暴露于大約350華氏攝氏度，同時(shí)在35到大約lOOpsi，優(yōu)選從大約70到80psi 之間的范圍內(nèi)的壓力大約120分鐘。在預(yù)成形中，特定的溫度壓力時(shí)間參數(shù)可以根據(jù)特定的增強(qiáng)體和基體的組合進(jìn)行調(diào)整，如本領(lǐng)域所知曉的。圖7A和7B示出了固化后的拆卸和真空擋板20的拆除。第二工具40可以先從第 一工具30升高或軸向拆除，如圖7A所示。如圖7B所示，然后具有復(fù)雜形狀的復(fù)合材料部 件16可以從第一工具30被軸向拆除。用于復(fù)合材料部件成形的工具或系統(tǒng)的第二實(shí)施例如圖8至16所示。參照?qǐng)D8，第一工具130包括型芯(core) 131，其被示為位于基座139頂上。型芯131包括頂部部分132和中間部分136。脊135位于頂部部分132和中間部分136之間。 型芯131可以位于第一工具基座139的偏心位置，如圖所示。這種偏心的位置允許支承非 同心的第二工具140。在可選實(shí)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。對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)軌154可以位于型芯131的中間部分136 上。導(dǎo)軌154可以圍繞中間部分136位于彼此間隔的位置。優(yōu)選的，使用四個(gè)導(dǎo)軌，彼此平 行并位于中間部分136的外周上。盡管第一工具130的頂部部分132可以為圓柱形，如圖 所示，頂部部分132也可以向內(nèi)傾斜，呈截頭的圓錐形狀(未示出)。第一工具130的開(kāi)口 內(nèi)部體積170幫助提供空氣循環(huán)并最小化工具在接下來(lái)的固化中的升溫?；?39具有頂 部表面151。所示的圖9中增加了第二工具140和輸送框架118。第二工具140可以位于第一 工具130的頂部表面151(圖9中未示出)的頂上。如圖IOA所示，第二工具140的內(nèi)側(cè)部 上的凹槽157可以和導(dǎo)軌154配合以便于第二工具140在第一工具130上的定位和對(duì)準(zhǔn)。 這樣定位后，支承型芯131穿過(guò)第二工具140向上延伸，使導(dǎo)軌154部分暴露以接收其他工 具。輸送框架118可以按需要支承和輸送組裝的多段工具。輸送框架118可以是鋼或其他
^^ I^l 口 ^^ ο第二工具140具有頂部邊緣142和底部邊緣144。底部邊緣144通常是環(huán)狀和平 面的。如圖所示，頂部邊緣142也被示為通常與底部邊緣144形成的平面不平行。使用這種 不平行的分界面，也稱(chēng)為曲線(xiàn)(spline)分模線(xiàn)，可以固化后幫助從工具上拆除復(fù)合材料。 實(shí)踐中，可以使用各種不平行的分界面，但是優(yōu)選的分界面之間的角度會(huì)大于大約5度。底 部輪廓145構(gòu)成表面，之后預(yù)成形件會(huì)被部分地施加到該表面上，如下所述。圖IOA和IOB示出了關(guān)于導(dǎo)軌154和凹槽157的細(xì)節(jié)。導(dǎo)軌154的凸舌153安裝 在第二工具140的凹槽157內(nèi)，且有助于第二工具140在第一工具130上的引導(dǎo)和對(duì)準(zhǔn)。槽 口 155的間隙允許第三工具的部件166 (圖12B中所示)穿過(guò)脊135。如圖IOB所示，第一 定位支座(index shoe) 152位于第二工具140的內(nèi)部，便于在接收第三工具160的第二定 位支座156 (在圖12A的外殼163上所示)時(shí)對(duì)準(zhǔn)。第一和第二定位支座152和156可以 幫助在第二和第三工具140和160之間形成順利的接合，并限制兩個(gè)工具之間的偏離。在 優(yōu)選實(shí)施例中，定位支座152具有凹槽，供定位支座156上的凸起安裝到該凹槽中。所示的圖11中加上了第三工具160，該第三工具160準(zhǔn)備就緒以降低到第一工具 130上并定位在第一工具130上，并與第二工具140接觸形成多段工具。第三工具160包 括定位基準(zhǔn)面(station datum plane) 168、外殼163和上部輪廓165。定位基準(zhǔn)面168允 許用于工具之間的調(diào)整和配合時(shí)的平面參考。定位基準(zhǔn)面168也可以允許驗(yàn)證與預(yù)期的輪 廓線(xiàn)容許公差的符合度。定位基準(zhǔn)面168也可以提供對(duì)罩子(faring) 126(如圖13所示) 的支承。上部輪廓165的底部邊緣164與第二工具140的頂部邊緣142和下部輪廓145協(xié)同和配合。第三工具160的內(nèi)部開(kāi)口 167接收第一工具130。外殼163可以具有內(nèi)部凸緣 (未示出)，其與脊135配合并安放在其上。在外殼163的底部，支腳169 (也在圖12A中示 出)允許工具未使用時(shí)放置在堅(jiān)硬的表面上而不會(huì)損害工具.圖12A和12B示出了有效用于對(duì)準(zhǔn)第一、第二和第三工具130、140和160的構(gòu)件。 第二定位支座156可以位于外殼163上。當(dāng)安裝時(shí)，第二定位支座156與第二工具140上 的第一定位支座152 (圖IOB中所示)對(duì)準(zhǔn)。如上所述，定位支座可以通過(guò)凸舌和凹槽連接 機(jī)構(gòu)或其他合適的機(jī)械、電子或磁連接機(jī)構(gòu)而軸向接合。優(yōu)選的，四對(duì)定位支座副位于第三 和第二工具160和140的周邊上。第一工具130的導(dǎo)軌154(圖12B中所示)與位于第三 工具160的外殼163上的對(duì)準(zhǔn)部件166配合。對(duì)準(zhǔn)部件166可以提供與導(dǎo)軌154的徑向定 位的精密公差，如圖12B所示。這樣，對(duì)準(zhǔn)部件166可以對(duì)準(zhǔn)和定位第一工具130和第三工 具160。定位支座152和156可以對(duì)準(zhǔn)并定位第二工具140和第三工具160。圖13示出了組裝后的多段工具110，其也具有罩子126。優(yōu)選的，四個(gè)罩子126可 以被定位在第三工具160的頂部上并圍繞第一工具130的頂部部分132。罩子126可以由 輕質(zhì)的玻璃纖維材料制成。也可以使用能夠經(jīng)受高溫的其它復(fù)合材料、金屬和固化塑料。例 如，例如鋁等輕質(zhì)金屬合金可以制造罩子126。罩子126覆蓋定位基準(zhǔn)面168 (圖11所示) 上的機(jī)械緊固件和提升構(gòu)件或其他高位缺口，并有助于阻止袋在第三工具160頂部上的尖 銳物周?chē)湛s。連接到輸送框架118上的腳輪182便于多段工具的移動(dòng)。在組裝的情況下，多段工具110包括組裝在一起的第一工具130、第二工具140和 第三工具160。下部輪廓145與上部輪廓165相配合，一起形成復(fù)合預(yù)成形件可置于其上的 表面。圖14示出了第三工具160、定位基準(zhǔn)面168和罩子126的分解圖和局部拆解圖。 第三工具160上的各種機(jī)械緊固件和提升構(gòu)件169有利于第三工具160在第一工具130的 頂部部分132周?chē)偷降诙ぞ?40上的運(yùn)輸和定位。如圖所示，頂部部分132在第三工 具160上方延伸，并提供可以連接真空袋的表面，如下所述。圖15示出了已經(jīng)施加復(fù)合材料部件216和真空擋板220的多段工具110。復(fù)合材 料部件可以360度整體成形或部分成形。如上所述，復(fù)合材料可以用已知的方法放置在工 具110上面，包括例如把獨(dú)立的預(yù)浸漬復(fù)合材料層放置在一起以生產(chǎn)最終層壓結(jié)構(gòu)。復(fù)合 材料部件216根據(jù)多段工具110的幾何形狀可以為復(fù)雜的形狀。復(fù)合材料可以包含加強(qiáng)材 料和基體，例如上面第一實(shí)施例中所描述的。頂部部分132的在罩子126上方延伸的部分作 為真空擋板220的上部密封表面137。基座139的外部表面作為真空擋板220的下部密封 表面133。真空擋板220在復(fù)合材料216和第一、第二和第三工具(圖15中未示出)上延 伸。真空擋板220使用本領(lǐng)域技術(shù)人員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。在優(yōu)選實(shí)施例中，真空擋板220通過(guò)本領(lǐng)域已知的透氣布(breather cloth) 和裝袋封泥(baggingputty)被密封。為了固化復(fù)合材料部件216，可以以與上面第一實(shí)施 例中描述的類(lèi)似方式采取進(jìn)一步的處理。圖16為示意圖，示出了多段工具110的部件和復(fù)合材料216在固化后如何拆卸。 最開(kāi)始，真空擋板220 (圖16中未示出)、兩個(gè)部分132和罩子126可以從多段工具110拆 除。之后，第三工具160可以從多段工具110軸向被拆除。第三工具160的軸向拆除最開(kāi) 始把復(fù)合材料部件216留在第二工具140周?chē)Ｈ缓髲?fù)合材料部件216可以從第一和第二工具130和140上拆除。接下來(lái)的步驟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可以用于重新組裝多段 工具110，用于接下來(lái)的復(fù)合材料部件成形。本發(fā)明允許用于連接其他工具的多于一個(gè)可拆除工具部件，而不需要工具之間的真空密封表面。真空擋板可以密封單個(gè)結(jié)構(gòu)，并捕獲(capture)任何中間工具，以及預(yù)成形 件或復(fù)合材料。這消除了再可拆除工具之間具有密封表面的需求，因此最小化滲漏暴露和 產(chǎn)生的接縫數(shù)量。這個(gè)方法有利于360度加工的應(yīng)用，但是也可以用于其他360度應(yīng)用。因 為不需要實(shí)現(xiàn)壓力密封，上部部件和下部部件的分界面可以做成更大的機(jī)械誤差。另外，使用了最少的部件保證了正確的對(duì)準(zhǔn)，如上所述，其對(duì)于多段連接工具來(lái) 說(shuō)通常是個(gè)問(wèn)題。使用定位部(indexes)有助于確保工具部分和輪廓的精確配合或同步 (clocking)0相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)方法，本發(fā)明的實(shí)施例提供了很多的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)檎婵論醢暹B接到 第一工具的自身是真空密閉的部分(例如，實(shí)施例中所示的頂部和底部)，實(shí)施例中接收預(yù) 成形件的下部輪廓(例如部件145)和上部輪廓(例如部件165)不需要真空密閉。因此下 部輪廓和上部輪廓(當(dāng)組合后，本領(lǐng)域有時(shí)稱(chēng)為面板(facesheet))能夠接納機(jī)械組裝、工 具置換和清洗所需的工具孔，通過(guò)套管，不連續(xù)面。因此，面板可以具有更大的機(jī)械部件的 允許誤差，和用于在孔和凸起周?chē)附拥母鼘挼臉?biāo)準(zhǔn)，這否則會(huì)增加工具制造的復(fù)雜性。這 種允許誤差，通孔和面板中的其他通常較小的不相稱(chēng)對(duì)真空完整性有著有限的負(fù)面影響。 這個(gè)優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)化了整體的工具結(jié)構(gòu)并允許使用后更有效的工具檢修和清洗。上面描述的本發(fā)明各種實(shí)施例意圖描述和示例本發(fā)明的各種要素和方面。本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到可以對(duì)所描述的實(shí)施例進(jìn)行一定的變化和修改，而不脫離本發(fā)明的 范圍。所有這種變化和修改都將落在附加的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于復(fù)合材料部件的真空成形的多段工具，包括具有第一表面和第二表面的第一工具；具有開(kāi)口的第二工具，所述第二工具能通過(guò)所述開(kāi)口接納所述第一工具，并進(jìn)一步能被定位在所述第一工具的除了所述第一表面或第二表面以外的位置上；所述第一工具能接納預(yù)成形件復(fù)合材料的至少一部分；所述第二工具能接納預(yù)成形件復(fù)合材料的至少一部分；所述第一工具進(jìn)一步能具有連接在所述第一表面和所述第二表面上的真空擋板，而所述真空擋板密閉所述預(yù)成形件復(fù)合材料和所述第二工具。
2.如權(quán)利要求1所述的多段工具，其中所述第一工具是連續(xù)的且沒(méi)有在由所述真空擋 板在所述第一表面和所述第二表面之間進(jìn)行密閉期間需要密封的接縫。
3.如權(quán)利要求1所述的多段工具，其中所述第一工具是周向360度工具。
4.如權(quán)利要求1所述的多段工具，其中所述第二工具是具有開(kāi)口的周向360度工具。
5.如權(quán)利要求3所述的多段工具，其中所述第一工具具有包括所述第二表面的突起元 件，所述突起元件通過(guò)所述第二工具的所述開(kāi)口伸出，允許所述第二表面能與所述真空擋 板密封接合。
6.如權(quán)利要求1所述的多段工具，進(jìn)一步包括第三工具，所述第三工具被定位在所述 第一工具上，使得允許所述真空擋板在密閉所述預(yù)成形件、所述第二工具和所述第三工具 的同時(shí)能保持真空密封。
7.如權(quán)利要求1所述的多段工具，進(jìn)一步包括對(duì)準(zhǔn)裝置，以允許在定位時(shí)所述第一工 具和所述第二工具的對(duì)準(zhǔn)。
8.如權(quán)利要求7所述的多段工具，其中所述對(duì)準(zhǔn)裝置包括位于所述第一工具上的脊， 所述脊能接觸所述第二工具的至少一部分以便于對(duì)準(zhǔn)。
9.如權(quán)利要求7所述的多段工具，其中所述對(duì)準(zhǔn)裝置包括在所述第一工具和所述第二 工具上的一個(gè)或多個(gè)定位支座以便于對(duì)準(zhǔn)。
10.一種用于復(fù)合材料部件的真空成形的工具系統(tǒng)，包括具有型芯和基座的第一工具，所述型芯從所述基座向上延伸，且所述基座具有第一平面；第二工具，被定位在所述型芯上，使得所述型芯的一部分在所述第二工具上方延伸； 所述第二工具和所述第一工具在第二平面配合在一起；在所述第一工具和所述第二工具上成形的復(fù)合材料，所述復(fù)合材料具有復(fù)雜的形狀； 真空擋板，壓力密封在所述基座和所述型芯的在所述第二工具上方延伸的所述一部分 上，能夠形成包括所述復(fù)合材料、所述第一工具和所述第二工具的壓力密封。
11.如權(quán)利要求10所述的工具系統(tǒng)，其中所述第一平面平行于所述第二平面。
12.如權(quán)利要求10所述的工具系統(tǒng)，其中所述第一平面與所述第二平面之間的角度大 于約5度。
13.如權(quán)利要求10所述的工具系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與所述第二工具配合并限定第三平面的第三工具。
14.如權(quán)利要求13所述的工具系統(tǒng)，其中所述第三平面平行于所述第二平面。
15.如權(quán)利要求13所述的工具系統(tǒng)，其中所述第三平面與所述第二平面之間的角度大于約5度。
16.一種復(fù)合材料部件的成形方法，包括如下步驟a.提供第一工具；b.在所述第一工具上定位第二工具，所述第二工具具有開(kāi)口，所述第二工具能通過(guò)所 述開(kāi)口接納所述第一工具；c.在所述第二工具的至少一部分上施加復(fù)合材料預(yù)成形件；d.通過(guò)將真空擋板固定至所述第一工具而真空密封所述復(fù)合材料預(yù)成形件，同時(shí)所述 預(yù)成形件和第二工具被密閉在所述真空擋板內(nèi)；以及e.固化所述預(yù)成形件以形成復(fù)合材料部件。
17.如權(quán)利要求16所述的復(fù)合材料部件的成形方法，進(jìn)一步包括以下步驟 從所述第一工具拆除所述真空擋板；拆除所述第二工具；以及從所述第一工具拆除固化后的復(fù)合材料部件。
18.如權(quán)利要求16所述的復(fù)合材料部件的成形方法，進(jìn)一步包括以下步驟 對(duì)準(zhǔn)第一和第二部件以最小化所得的復(fù)合材料部件的接縫。
19.如權(quán)利要求18所述的復(fù)合材料部件的成形方法，其中使用對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)軌對(duì)準(zhǔn)所述第一 部件和所述第二部件。
20.如權(quán)利要求16所述的復(fù)合材料部件的成形方法，進(jìn)一步包括提供第三工具，所述第三工具與所述第二工具配合以形成接納所述預(yù)成形件的輪廓。
21.如權(quán)利要求16所述的復(fù)合材料部件的成形方法，其中所述第二工具從所述第一工 具軸向拆除。
22.如權(quán)利要求16所述的復(fù)合材料部件的成形方法，其中所述復(fù)合材料部件是整體成 形的360度部件。
23.如權(quán)利要求20所述的復(fù)合材料部件的成形方法，其中所述第一工具包括基座和型芯，且所述第二工具和所述第三工具至少部分地被定位在 型芯上；以及所述復(fù)合材料部件在所述第二工具和所述第三工具上成形。
24.如權(quán)利要求23所述的復(fù)合材料部件的成形方法，其中所述第一工具的所述型芯具 有脊，所述脊至少部分地接納所述第二工具。
25.如權(quán)利要求19所述的復(fù)合材料部件的成形方法，其中所述導(dǎo)軌至少部分對(duì)準(zhǔn)所述第二工具和所述第三工具。
全文摘要
一種用于復(fù)合材料部件真空成形的多段工具和工具系統(tǒng)。工具可以包括具有第一表面和第二表面的第一工具。第二工具可以有開(kāi)口，被定位在第一工具上的不同于第一表面或者第二表面的位置。第一工具和第二工具能夠接收預(yù)成形件復(fù)合材料的至少一部分。第一工具可以具有連接在第一表面和第二表面上的真空擋板，真空擋板密閉所述預(yù)成形件復(fù)合材料和第二工具。工具系統(tǒng)可以包括第一工具，其具有型芯和基座，所述型芯從基座向上延伸。第二工具可以定位在型芯上，其中型芯在第二工具上方延伸。密封至基座和型芯的真空擋板能包括復(fù)合材料、第一工具和第二工具。
文檔編號(hào)B29C70/54GK101797806SQ20091100018
公開(kāi)日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2009年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月3日
發(fā)明者克勞德·M·休伯特, 李·A·蒂奇納, 羅恩·朗, 邁克爾·J·萊蘭, 邁克爾·R·阿滕 申請(qǐng)人:羅爾股份有限公司