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CN113858650B - 制造复合材料环形件的方法 - Google Patents

制造复合材料环形件的方法 Download PDF

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CN113858650B CN202010620464.8A CN202010620464A CN113858650B CN 113858650 B CN113858650 B CN 113858650B CN 202010620464 A CN202010620464 A CN 202010620464A CN 113858650 B CN113858650 B CN 113858650B
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Abstract

本发明的目的在于提供一种制造复合材料环形件的方法，其能替代传统的激光投影结合示踪纱的技术，并完成纤维织物的准确变形。为实现所述目的的制造复合材料环形件的方法，其在芯模上安装定位销，该定位销的位置与预制体径向和纬向的示踪纱交叉点对应，在预制体缠绕到芯模上时，定位销穿透预制体上的示踪纱的交叉点，将不满足设计变形的预制体进行经纱和纬纱的位置调整，以校正纱线的位置；在完成预制体的缠绕后，将定位销的至少一部分作为层间增强相保留在预制体中，以提高预制体的层间强度。

Description

制造复合材料环形件的方法
技术领域
本发明与燃气涡轮和涡扇航空发动机的机匣相关，特别是其中的风扇包容机匣。
背景技术
航空发动机和燃气轮机中存在大量高速旋转的叶片，在外物冲击、工艺缺陷等情况下，旋转中的叶片可能发生脱落。因此要求发动机机匣具备良好的包容性，保证高速高能的碎片不穿透机匣，对设备和人员造成损伤。叶片飞脱后的发动机转子存在巨大不平衡载荷，会使发动机在停车前产生持续的振动，这期间仍要求机匣保持一定的结构完整性，不发生解体。
同时，发动机机匣尺寸较大，其重量会对发动机总重有明显影响，进而影响发动机效率。新一代商用发动机中的低温端机匣普遍采用碳纤维复合材料。专利EP1674244中提出了使用三轴机织预制体，加树脂液体成型工艺制造等厚度的风扇包容机匣。专利EP1674671中提出了一种变厚度的风扇包容机匣，机匣复材核心的增强相是周向对齐、多层叠加的编织物，除此之外的复材层由螺旋缠绕的编织物获得。专利US8322971B2提出了一种复合材料包容机匣，先采用三维机织方法加工变厚度纤维预制体，再在一个芯轴上叠层缠绕获得机匣预制体，然后通过树脂液体成型得到机匣。
在使用纤维织物制造大曲率的复合材料构件时，需要将纤维织物进行扭转、缠绕、压实等变形来满足成型要求，在进行扭转和缠绕时，通常采用传统的激光投影结合示踪纱的技术来完成纤维织物的变形。当示踪纱与激光投影位置不匹配时，只能通过人工测量获得偏差值，继而根据偏差值调整下一个纤维织物的示踪纱或者预制体,无法在当前预制体上进行实时调整。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制造复合材料环形件的方法，其能替代传统的激光投影结合示踪纱的技术，并完成纤维织物的准确变形。
为实现所述目的的制造复合材料环形件的方法，其在芯模上安装定位销，该定位销的位置与预制体径向和纬向的示踪纱交叉点对应，在预制体缠绕到芯模上时，定位销穿透预制体上的示踪纱的交叉点，将不满足设计变形的预制体进行经纱和纬纱的位置调整，以校正纱线的位置；在完成预制体的缠绕后，将定位销的至少一部分作为层间增强相保留在预制体中，以提高预制体的层间强度。
在一个或多个实施方式中，将所述定位销设置成包括销钉和芯模连接件，所述芯模连接件的熔融温度低于该复合材料环形件的成形树脂注射温度的材料，利用所述芯模连接件将该销钉连接在该芯模上，所述销钉穿透预制体上的示踪纱的交叉点；
完成纤维预制体的缠绕后，进行合模，将模具升温，以进行成形树脂注射，在升温过程中，所述芯模连接件被软化直至熔融，熔融液体流动至芯模中，而销钉留存于纤维预制体中，将铺覆后预制体的每层连接起来。
在一个或多个实施方式中，所述销钉为中空结构，所述芯模连接件为T形钉，所述T形钉拧入到所述销钉内，并嵌入到芯模的凹槽中；所述芯模还包括与所述凹槽相连通的储液槽，所述储液槽设置成能容纳所述T形钉熔融后的液体。
在一个或多个实施方式中，所述销钉为金属、树脂、橡胶或者固化后的预浸料。
在一个或多个实施方式中，该复合材料环形件为风扇包容机匣。
在一个或多个实施方式中，所述预制体缠绕、铺放到芯模的步骤包括将一块平面仿型预制体在一个芯模上连续缠绕，该仿型预制体展平为长方形，通过编织工艺织造获得，该预制体的长度方向为预制体的经纱方向，宽度方向为预制体的纬纱方向，长度方向上包含了起始端和尾端，起始端和尾端位于预制体的两端，并且厚度向端部逐渐减小。
在一个或多个实施方式中，将起始端和尾端各自的长度设置成不小于复合材料环形件外径10°的弧长。
在一个或多个实施方式中，所述预制体为编织、机织或缝合方式制造的2维织物或者3维织物。
前述技术方案的有益效果是：
通过在复合材料环形件成型的芯模上设置示踪纱交叉点定位销，在预制体缠绕时，校正经纱和纬纱的位置，满足了预制体卷绕变形精度控制和设计要求,通过该方法可以实现经纱和纬纱的实时调整，同时将定位销的至少一部分作为层间增强相保留在预制体中，进一步提升复合材料环形件在冲击载荷下保持结构完整性的能力，提升安全性。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1是制造复合材料环形件的方法的流程图。
图2是在芯模上完成预制体的缠绕的示意图。
图3是嵌入式定位销的结构示意图。
图4是定位销调整示踪纱偏差的示意图。
图5是嵌入式定位销与芯模结合的示意图。
图6是模具升温前的定位销的状态。
图7是模具升温后嵌入定位销部分熔化后的示意图。
具体实施方式
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。
在后述实施方式中，以发动机的包容机匣为例描述复合材料环形件的制造方法。
图1示出了制造复合材料环形件的方法的流程。在步骤31中，制造或提供机匣的平板纤维预制体或者防型预制体。可以使用碳纤维、玻纤、凯夫拉纤维、聚酰亚胺纤维、SiC纤维等制成机织、编织、缝合等2维或3维预制体。在一个实施方式中，该仿型预制体展平为近似于长方形，通过编织工艺织造获得。该预制体的长度方向为预制体的经纱方向，宽度方向为预制体的纬纱方向，长度方向上包含了起始端15和尾端16，起始端15和尾端16的位置见图2。
结合图2，在步骤32中，将平板纤维预制体缠绕在芯模上，该缠绕包括扑覆、缠绕以及可能的扭转，将预制体缠绕在刚性的芯模1上，缠绕层数≥2，如图所示的实施例采用了3层预制体10、17、18。起始端15和尾端16位于预制体6的两端，各自的长度不小于机匣外径10°的弧长，厚度向端部逐渐减小，减少端部的台阶高度，从而减小此处应力集中导致界面失效发生的可能。起始端15和尾端16之间可存在对应缠绕机匣若干圈的预制体区。机织时通过调整纱线的层数，使预制体各个区的厚度按需要变化，实现模仿机匣轮廓和厚度分布的仿型预制体。
继续参照图2，在步骤33中，将定位销7、8、9穿透预制体经向、纬向示踪纱交叉点，然后调整交叉点的位置。每层预制体10、17、18之间只有树脂，层间强度较弱，容易在受到叶片冲击时发生分层。具体而言，通过缠绕预制体的方法制备包容机匣，不同预制体层的界面处，只存在基体材料进行连接。一旦遭受叶片脱落载荷，界面处的基体材料在层间应力的作用下机匣失效，导致界面处脱粘，不同层开始分离，特别是在机匣外侧的缠绕预制体的尾端，属于自由端，更容易在受到叶片脱落的冲击载荷后，与内层发生界面脱开，继而引发大面积的层间脱粘。而叶片脱落后，发动机会出现持续一段时间的剧烈振动，引起界面失效脱粘的影响范围不断增大，最终导致机匣的刚度严重下降，甚至机匣解体，对人机安全造成巨大威胁。通过后述内容，将理解到，在完成预制体的缠绕后，将定位销的至少一部分作为层间增强相保留在预制体中，以提高预制体的层间强度，从而可解决该问题。
如图4所示，将芯模上设置好定位销7、8、9，对应示踪纱设计交点4'2'，3'2'，5'2'。图4示出了部分预制体6，设计位置20和示踪纱21通过不同的线型显示，点的附图标记由经线、纬线的附图标记组合而成，以表示相应的经向、纬线的交点，例如交点4'2'，3'2'，5'2'分别是理想的经线4'，3'，5'与理想的纬线2'相交的点，交点42，32，52分别是实际的经线4，3，5与实际的纬线2相交的点。缠绕一圈10直到覆盖住起始端15，缠绕过程中定位销7、8、9穿过预制体上经、纬示踪纱叉点42，32，52，从而将实际的示踪纱交叉点42，32，52调整至设计的交叉点4'2'，3'2'，5'2'。继续缠绕两圈17、18，缠绕过程中，定位销穿过17、18圈预制体上的经、纬示踪纱的交叉点，确保实际的示踪纱交叉点位于设计位置，直至尾端16结束。
定位销可称之为嵌入式定位销，其结构在图3中示例性地显示，包括销钉12和芯模连接件13，芯模连接件13的熔融温度低于该复合材料环形件的成形树脂注射温度的材料，如图5所示，利用芯模连接件13将该销钉12连接在芯模1上，如图6所示，销钉12穿透预制体各层10、17、18上的示踪纱的交叉点。
继续参照图3，芯模连接件13为T形钉，销钉12为中空结构，芯模连接件13拧入销钉12，同时其头部嵌入到芯模1的T形槽中。
销钉12的材料可以是金属、树脂、橡胶、固化后的预浸料等材料，长度为1mm-300mm，直径为1mm-30mm，厚度为0.5mm-10mm。而芯模连接件13采用熔融温度低于机匣成形树脂注射温度的材料，如低温热塑性树脂、橡胶等，如聚丙烯，长度为1mm—300mm，直径为1mm-30mm，厚度为0.1mm-10mm。
通过将前述定位销固定在芯模1的外表面的凹槽中，定位销的位置与预制体径向和纬向的示踪纱交叉点对应，在预制体缠绕到芯模上时，定位销穿透预制体上的示踪纱的交叉点，将不满足设计变形的预制体进行经纱和纬纱的位置调整，对每个示踪纱交叉点的卷绕量进行径向和纬向的精确控制和调整，从而保证变直径预制体在卷绕过程中示踪纱位置保持在设计的偏差内。
回到图1，在步骤34中，完成平板预制体的缠绕后，合模，升温。使用刚性外模或柔性材料，包裹在完成缠绕的机匣预制体外表面，与芯模形成液体成型所需的型腔。采用烘箱、压机、热压罐、自加热或其他一切适当的加热方式对包裹好的机匣预制体及模具加热升温。
在步骤35中，芯模连接件或T形钉熔融，销钉12与芯模1脱离，并保留在机匣预制体中，销钉连接预制体的各层10、17、18，增强了预制体层间的连接，提高了层间强度。当升温至T形钉熔融时，熔融液体流入芯模中。如图5所示，芯模1具有与容纳T形钉的头部的T形凹槽连通的储液槽13，14。此时，销钉12处于预制体上经、纬示踪纱的交叉点，连接预制体的各层10、17、18。
在步骤36中，使用合适的液体成型工艺，往型腔内通入液态树脂，并采用升温、加压、抽真空或其他一切适当的工艺方法使树脂固化。
在步骤37中，将固化好的机匣脱模，完成后续加工。
前述实施方式提供了一种机匣制造方法，通过在机匣成型的芯模上设置示踪纱交叉点定位销，在预制体缠绕时，校正经纱和纬纱的位置，满足了预制体卷绕变形精度控制和设计要求，通过该方法可以实现经纱和纬纱的实时调整。同时，完成纤维预制体的缠绕后，进行合模，将模具升温进行成形树脂注射，在升温过程中，定位销内部的T形钉或者芯模连接件被软化直至熔融，熔融液体流动至芯模凹槽中的储液槽中，定位销的销钉与芯模分离，留存于纤维预制体中，将缠绕后预制体的每层预制体连接起来，可以通过定位销的密度和外部销钉的材料调整预制体的层间强度。采用嵌入式定位销，每层预制体之间不止有基体材料进行连接，还有定位销的外部销钉与将预制体层与层制件连接，降低了各层间界面发生的失效的几率，提高了机匣的包容能力，也即进一步提升风扇包容机匣在冲击载荷下(如FBO)保持结构完整性的能力，提升发动机的安全性。
同时该机匣制造方法适合于类似于机匣的复合材料环形件。将定位销的至少一部分作为层间增强相保留在预制体中的方法除了前述实施方式外，还可以采用其他适合于定位销与芯模脱离的结构，例如芯模为可分块拆卸结构，在机匣固化后，拆卸机匣，然后切割凸出的定位销。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.制造复合材料环形件的方法，其特征在于，在芯模上安装定位销，该定位销的位置与预制体径向和纬向的示踪纱交叉点对应，在预制体缠绕到芯模上时，定位销穿透预制体上的示踪纱的交叉点，将不满足设计变形的预制体进行经纱和纬纱的位置调整，以校正纱线的位置；在完成预制体的缠绕后，将定位销的至少一部分作为层间增强相保留在预制体中，以提高预制体的层间强度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述定位销设置成包括销钉和芯模连接件，所述芯模连接件的熔融温度低于该复合材料环形件的成形树脂注射温度的材料，利用所述芯模连接件将该销钉连接在该芯模上，所述销钉穿透预制体上的示踪纱的交叉点；
完成纤维预制体的缠绕后，进行合模，将模具升温，以进行成形树脂注射，在升温过程中，所述芯模连接件被软化直至熔融，熔融液体流动至芯模中，而销钉留存于纤维预制体中，将铺覆后预制体的每层连接起来。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述销钉为中空结构，所述芯模连接件为T形钉，所述T形钉拧入到所述销钉内，并嵌入到芯模的凹槽中；所述芯模还包括与所述凹槽相连通的储液槽，所述储液槽设置成能容纳所述T形钉熔融后的液体。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述销钉为金属、树脂、橡胶或者固化后的预浸料。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该复合材料环形件为风扇包容机匣。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预制体缠绕、铺放到芯模的步骤包括将一块平面仿型预制体在一个芯模上连续缠绕，该仿型预制体展平为长方形，通过编织工艺织造获得，该预制体的长度方向为预制体的经纱方向，宽度方向为预制体的纬纱方向，长度方向上包含了起始端和尾端，起始端和尾端位于预制体的两端，并且厚度向端部逐渐减小。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将起始端和尾端各自的长度设置成不小于复合材料环形件外径10°的弧长。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预制体为编织、机织或缝合方式制造的2维织物或者3维织物。
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