[发明专利]用于固化复合材料的工件的混合式工具

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种用于制造用于飞行器的诸如桁条、抗扭盒，蒙皮壁板、翼面、水平尾翼或垂直安定面(HTP和VTP)等之类的复合材料(CFRP)结构的工装。

更特别地，本发明的目的为提供一种能够圆满地固化包括具有最小的厚度和/或非常急剧的厚度变化的部件的CFRP工件的工装。

背景技术

使用由有机基质和诸如碳纤维增强塑料(CFRP)之类的单向取向的纤维形成的复合材料构建飞行器的一些构件，例如机身蒙皮壁板、抗扭盒、桁条、肋、翼梁等在航空业中是众所周知的。

通常，蒙皮壁板通过多个纵向排列的桁条(加强筋)来加强，使得桁条提升了蒙皮壁板的强度和屈曲性能。桁条通常通过将两个部件一起固化或一起结合而结合至蒙皮壁板，或仅通过应用一层粘合剂(二次结合)结合至蒙皮壁板。

桁条的端部引起由桁条和蒙皮支承的负载的再分配。这将产生两方面的影响：

-当增强覆盖层的弯曲产生牵引负载和压缩负载时，桁条的结构中(桁条终端部)的这种恰时的变化在其终点中引起力矩，该力矩倾向于使加强件与蒙皮之间的结合线脱离结合。

-同时，负载的再分配不得不通过结合线来实现，以将负载从桁条传递至位于桁条终端部区域处的蒙皮。在高负载水平下(如例如在翼盖中所实验的)，结合线的抵抗力会被降低。

在飞行器翼部的抗扭盒中的蒙皮与桁条之间的共同结合联合体不得不承载成吨位幅度的负载，这些负载处于所述联合体在如桁条终端部区域的某些关键点处的结构能力的极限。这些共同结合联合体在高负载下在该点处能够裂化，使得因下面两种影响而引起剥离负载：桁条腹板的消除，这引起高的负载尖峰；以及主桁条终端的消除，这产生剪切负载上的尖峰。在通常构型中，这些情景同时发生，使结合线的结构性能恶化。

为克服这些与桁条终端部处的负载传递相关联的问题，在本领域中熟知的是减小桁条的总截面面积，这通常通过减小桁条腹板的高度(通常通过切掉桁条腹板的一片)，以及通过朝向终端部逐渐地减小桁条脚部的厚度，通过朝向终端部顺序地减少板层的数目(减少板层)来实现。

图1示出了桁条1的常规终端部区段联结至蒙皮壁板2，其中，桁条1具有由腹板3和脚部4形成的T形截面。如在图1的附图(a、b)中能够观察到的，腹板3和脚部4的厚度朝向桁条的端部逐渐地减小，以减小腹板3和脚部4的截面面积，从而减小该终端部区段的弹性模量。

例如在美国专利申请US2005/0211846A1和US2012/0100343A1中更详细地描述了该常规解决方案的示例。

然而，用于固化复合材料的工件的现有的金属工具不能根据例如用于终端部区段的腹板和脚部的需要圆满地制造具有陡的厚度减小的桁条。现有的金属工装仅能够制造通常1:200(坡度)的板层减少，这对于一些需要的应用而言是不够的。

如果金属工具被用于固化具有大于1:200的板层减少的部件，则会在成品工件中出现孔隙问题，影响该成品工件的质量。因工具与复合堆叠板层5之间的滑动而产生的工装制造公差和定位公差，会在固定就位的工具与需固化以形成复合材料桁条的堆叠板层5之间产生间隙和不对准。

图2图示了这些孔隙问题如何因复合材料的新的堆叠的板层5与一旦金属工具被定位用于固化过程时和所述板层5接触的金属工具6的坚硬的工装区域之间产生的间隙7而引起的。在固化过程中，新(未固化)形成的碳纤维的堆叠的板层5被加热并通过施用真空而被抵着金属模按压，使得堆叠的板层5被固化并且同时通过金属工具6被压紧。

然而，如果金属工具6的工作表面8(与堆叠的板层5接触的表面)与堆叠的板层5之间存在间隙7，则板层5的复合材料的未固化的热固性树脂因所施用真空的影响而朝向这些间隙7流动。如果间隙太大，则树脂不能填充引起成品工件中的所述孔隙问题的整个间隙。对于通常的桁条的厚度中通常的制造公差，当工装的坡度大于1:200时，则认为该间隙7太大。

相同的限制影响了具有陡的厚度变化的其它CFRP结构元件的制造。

发明内容

本发明在所附的独立权利要求中限定，并且圆满地解决了现存的用于固化不能利用常规的金属工具来生产的、具有所要求的厚度变化和/或最小的厚度的CFRP工件的现存工装的以上描述的问题。本发明的优选的实施方式在所附的从属权利要求中限定。