半刚性工具制造技术

本发明专利技术涉及制备工具（１３，１４）和用于形成聚合物基质复合产品例如碳纤维复合产品的方法。该工具包括在其间限定腔（１５）的第一部分和第二部分，在固化之前产品在其中形成。基于该工具的第二部分在固化条件下要求的挠度，选择该工具的第二部分（１３）的刚度，以便在整个固化期间在层压制品上保持压力。上面的第二部分（１３）显示具有不同的厚度（１６Ａ、１６Ｂ和１６Ｃ），这导致这些区域的不同刚度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半刚性工具本专利技术涉及用于制备聚合物基质复合部件的工具和相关方法。聚合物基质复合材料(PMC)，也称为纤维-强化的聚合物(FRP)，可以使用玻璃、 碳、芳族聚酰胺或杂化纤维作为强化剂。它们可通过将一系列纤维织物或网状层铺设到对 应于期望组件的形状的模具中而形成。当在模具中形成产品时，织物可用树脂预浸渍或可 将树脂施加至碳纤维层。然后将树脂固化，以形成最终产品。在本领域中已知用于形成纤维-强化的聚合物产品的各种制备技术，包括压缩模 具、封闭式和部分封闭式工具加工、开放式模具加工(mould tooling)、中空工具加工等。现 有制备技术，例如以上所列技术，一般适用于大多数碳纤维产品的制备。然而，在需要严格 的几何公差的产品制备中出现了大量问题。在使用用真空袋覆盖的开放式模具(open mould)制备复合材料的情况，缺点是与 模具接触的组件表面是被控制的，但袋侧表面则不被控制。袋侧几何形状的变化量与组件 厚度成比例。部件的截面越厚，与标称的偏差可以越大。在使用常规的封闭式模具安排制备复合材料的情况，缺点是一旦上部和下部模具 连结在一起，模具内表面施加至部件的内部压力可变化。在固化处理期间，一旦密闭，部件 不再承受外部压力，但相反模具内的内部压力变成流体流变学和所选复合材料的结构特性 的函数。因此，施加至部件的压力和得到的几何形状不能被控制。对于具有大公差的简单 产品，这些问题一般是不考虑的，但当制备具有复杂剖面的部件例如机翼(aerofoil)时， 它们尤其成问题。应理解，在制备空气动力学组件例如机翼等时，产品的最终几何形状对于 产品的操作是必要的。本申请人已确定现有制备技术不允许形成的产品具有一些航空组件和特别是空 气动力学组件所必需的公差。具体地说，申请人认为，现有碳纤维制备技术例如封闭式模具 加工在固化处理期间没有将控制的压力施加至内部组件(在模腔内)，导致差的树脂固结 和差的部件公差。本专利技术提供一种工具加工安排(tooling arrangement)，该工具加工安排克服了 本领域的问题，且其允许使用碳纤维等制备改进的组件。从第一方面看，提供了聚合物基质复合产品成形工具，该工具包括在其间限定 腔的第一部分和第二部分，其中第二部分被安排成在固化条件下相对于第一部分挠曲 (deflect)0本专利技术提供一种工具，其能够形成较厚的层压组件，其中开放式模具加工等由于 许多航空组件必需的严格几何形状控制而不能使用。允许工具的一部分在固化条件下按照预定量挠曲，这允许固化期间部件上的压力 以及被制备的部件的最终形状被控制。因此，按照本专利技术的一方面的工具安排提供一种工 具和相应的制备方法，该工具和方法确保使用任何纤维形成具有改善的精确度的组件，并 去除所得组件的填充和/或广泛机械加工的需要。此外，按照本专利技术的工具加工安排允许 形成的实心(solid)部件具有改善的精确度并符合严格的公差。本专利技术改善了所制备组件 的上表面几何形状，改善了上表面的精加工，并给出了树脂对纤维比的更大控制。这对于空气动力学组件例如机翼包括风机叶片等特别重要。术语"刚度"用于表示工具第二部分的变形能力的程度。实际上，相对于工具的 第一部分，工具的第二部分提供有一定程度的柔性。当将压力施加至工具时，工具的第二部 分可以通过其被控制的刚度相对于第一部分变形或挠曲。因此，工具的第二部分可以将被 控制的固化压力施加至包含于腔内的部件的整个表面。结果，大大改善了工具内树脂的固 结并控制部件的几何形状。实际上，提供了两部件(two-part)工具，其中工具第二部分的全部或部分安排成 半刚性的。术语半刚性用于显示刚度，选择该刚度以允许一定程度的挠曲。需要该挠度以 在整个固化过程中在产品上保持压力。因此，如果产品体积减小至上下模具形成的模腔之 下，那么上部的模具(第二工具部分)可有利地变形，以相应地减少模腔体积和保持产品上 的压力。第二部分的刚度基于在固化压力和温度下，工具的第二部分相对于工具的第一部 分要求的挠度确定。固化条件一般通过高压釜施加。根据待制备的部件，刚度可为均勻的 刚度，均勻的刚度是指整个表面按照相同的量挠曲。或者，第二部分可提供有跨越其表面变 化的刚度，以跨越部件表面按照变化的量挠曲。刚度可根据局部组件厚度而变化，对一些区 域给予比其它区域更好的几何形状控制。第二部分可最好提供有外周区域，该外周区域具有一般对应于工具的第一部分刚 度的刚度，和中心区域，该中心区域具有跨越其表面不同和/或变化的刚度。因此，工具的 两部分可以对齐并按常规方式(例如使用螺栓等)连接在一起，第二部分的中心区域可按 照要求挠曲，以与所要求的最终产品几何形状匹配。所述工具可由构成上述第一部分和第二部分的许多子部分形成。例如，这可能是 更复杂的部件所必需的。实际上，第一部分和第二部分(或第一子部分和第二子部分)形 成模具，纤维和树脂可以常规方式置于其中。通常，第一部分对应于工具的下部，第二部分对应于工具的上部。在使用中，上部 位于下部的顶部，从而在两部分之间限定腔，该腔对应于待形成产品的几何形状。因此，在 高压釜内可将工具置于表面上，并可将压力施加至工具的上部和下部。第一工具部分即下部可以常规方式形成。例如，该部件可通过研磨金属坯件以产 生该部件下表面所要求的剖面而形成。这有利地允许下部支撑整个工具和未固化产品的重 量，以及允许在高压釜内和外操纵工具加工。这也使制备成本最小化。或者，下部可由复合 材料形成，该复合材料可有利地使工具组件的不同热膨胀的影响最小化。工具的第二部分(上部)的刚度基于许多因素来确定或'调节'，但主要基于待 施加至上部工具表面的高压釜压力和温度来确定。高压釜压力和温度是基于将用于制备工 具或模具内组件的特定材料自身确定的。所要求刚度的确定应使在高压釜的操作压力和温 度下，工具上部向工具下部挠曲，以在工具内保持层压制品上的压力。将需要太多的挠曲和 填充以将部件精加工，最终部件将需要较少的挠曲和机械加工。在应用例如机翼的制备中， 期望使任何精加工制备步骤最小化。应认识到，刚度的实际值和刚度如何跨越上部工具变化将取决于待制备的特定部 件、用于制备部件的材料和相应的高压釜条件。一旦确定工具第二部分所要求的刚度剖面，可以制备具有预定刚度的工具第二部分。可以许多方式提供工具上部所要求的刚度。例如，可通过选择特定材料(具有特 定机械特性)及其提供所要求刚度的横截面来提供刚度。挠度可另外或或者通过使用肋材 或其它强化手段强化工具上部全部或部分来控制。在一种安排中，上部工具部分可由单一 材料形成，以使成本最小化，并可提供有跨越表面变化的厚度，以提供跨越上部工具所要求 的刚度。组件例如机翼具有复杂的剖面，且工具的上部可提供有跨越部件整个表面的不均 勻的刚度，导致对应于机翼形状的不同厚度变化的挠度。例如，与部件的厚横截面对齐的上 部部件区域可具有比部件的较薄外部区域大的刚度。提供具有跨越该部分变化的刚度的上 部，确保该区域按照预定量挠曲，适当的压力因此施加至部件的相应区域。结果导致有可能 改善组件特定区域的几何形状，同时在固化过程期间保持对整个层压制品的压力。在使用中，部件(例如机翼)用在工具的下部中的碳纤维织物层构建以形成层压 制品。然后将上部置于工具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：S巴伯，P格赖恩格，
申请(专利权)人：GKN航天服务有限公司，
类型：发明
国别省市：GB