本發(fā)明總體上涉及用于制造飛機的復(fù)合增強結(jié)構(gòu)的加工工具和方法，更具體地涉及利用具有剛性芯軸元件的鉸接式桁條芯軸的飛機機翼加工工具和方法。

背景技術(shù)：

飛機的機身、機翼和尾翼通常包括耦合到蒙皮的桁條，蒙皮形成機身、機翼和尾翼的平滑的空氣動力外表面。桁條和蒙皮配合以向飛機的這些部分提供抗彎和抗扭剛度。傳統(tǒng)上，機身、機翼和尾翼表面以及相關(guān)的桁條由金屬制成，例如鋁，鋼或鈦。

纖維增強復(fù)合材料作為金屬的替代物廣泛用于各種商用和軍用飛機產(chǎn)品中，特別是在需要相對低重量和高機械強度的應(yīng)用中。該材料通常包括以層或片布置的增強纖維的網(wǎng)。這些層包括樹脂基質(zhì)，樹脂基質(zhì)基本上浸潤增強纖維并且固化以在樹脂和增強纖維之間形成緊密結(jié)合。這種復(fù)合材料可以通過例如擠制、真空袋裝、高壓法等各種已知的成形方法形成為結(jié)構(gòu)部件。

由于飛機的各個部分的蒙皮和桁條從金屬材料改為纖維增強復(fù)合材料，而出現(xiàn)了很多問題。在稱為預(yù)固化(Pre-cure)/共結(jié)合(Co-bond)或共結(jié)合的當(dāng)前制造工藝中，通過將在樹脂基質(zhì)中包含增強纖維的各層堆疊在一起來形成纖維增強復(fù)合蒙皮。通常，這些層中的一些層相對于彼此錯位，使得堆疊符合期望的輪廓或錐形幾何形狀。堆疊層被加熱并加壓以固化聚合物樹脂基質(zhì)并形成預(yù)固化的蒙皮。桁條芯軸被放置在該堆疊層上，桁條板疊置在桁條芯軸上。使用加工工具施加壓力和熱以固化桁條預(yù)成型件，從而形成附接到預(yù)固化的蒙皮上的纖維增強復(fù)合材料桁條。不幸的是，經(jīng)常沿著預(yù)固化的蒙皮和纖維增強復(fù)合材料桁條之間的界面出現(xiàn)缺陷。具體來說，蒙皮通常具有波狀外表面，該波狀外表面包括由桁條芯軸的芯軸元件之間的間隙形成的小臺階或下降部。大的間隙在復(fù)合桁條內(nèi)導(dǎo)致壓縮不足區(qū)域，例如空隙，以及過壓縮區(qū)域，例如貧樹脂區(qū)域。這些壓縮不足區(qū)域和過壓縮區(qū)域可降低預(yù)固化蒙皮和纖維增強復(fù)合桁條之間的負(fù)載傳遞效率，從而降低由纖維增強復(fù)合桁條提供的剛性和支撐。

然后在第二固化周期中將桁條共固化在預(yù)固化的蒙皮上。預(yù)固化由于均勻的袋裝壓力和相對簡單的幾何形狀而提供良好的蒙皮質(zhì)量，但是需要兩次高壓釜工藝和制備。需要兩次變得非常昂貴和耗時，并且引入與再加熱蒙皮層壓板相關(guān)的風(fēng)險。

另一種當(dāng)前的制造方法是共固化(Co-cure)，其允許在單個高壓釜固化步驟中產(chǎn)生復(fù)雜部件。共固化的缺點是，在復(fù)雜形狀上的袋裝產(chǎn)生不均勻的壓力，由于不均勻的壓力而具有富樹脂區(qū)域/貧樹脂區(qū)域以及潛在的板變形，從而層壓板質(zhì)量可能受損。

第三種當(dāng)前的制造方法是二次結(jié)合，其中所有的構(gòu)成部件都被預(yù)固化，然后在結(jié)合模具中用粘合劑組裝并固化在一起。二次結(jié)合為所有部件提供最好的層壓板質(zhì)量，但需要多個固化周期，需要增加制備，需要額外的加工工具，并且增加了預(yù)固化部件的裝配問題的難度。

傳統(tǒng)的芯軸包括泡沫芯軸和彈性體芯軸。泡沫芯軸在固化后難以從纖維增強復(fù)合桁條上除去，并且經(jīng)常被認(rèn)為是留在復(fù)合翼中的“飛離(flyaway)”加工工具。彈性體芯軸更容易從固化的復(fù)合桁條中除去，但是不提供復(fù)合桁條中明確邊緣所需的剛度和硬度。此外，彈性體芯軸通常僅在彈性體材料開始裂降并且不能經(jīng)受固化過程之前可用于多種用途。

因此，期望提供制造復(fù)合桁條的復(fù)合材料加工工具系統(tǒng)和方法，使得復(fù)合桁條在固化之后可從桁條移除，并且是耐用的，還提供硬度以在固化的復(fù)合桁條上產(chǎn)生明確限定的邊緣。此外，本發(fā)明的其它期望的特點和特性將從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述和所附權(quán)利要求書變得顯而易見。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本文提供用于制造飛機的復(fù)合桁條的復(fù)合材料加工工具系統(tǒng)和方法。根據(jù)一示例性實施例，一種復(fù)合材料加工工具系統(tǒng)包括鋪設(shè)工具和鉸接式桁條芯軸。鋪設(shè)工具具有波狀(contoured)表面，該波狀表面包括具有第一表面復(fù)雜度的第一部分和具有第二表面復(fù)雜度的第二部分。鉸接式桁條芯軸包括第一剛性芯軸元件、第二剛性芯軸元件和纜索。第一剛性芯軸元件限定第一孔、與復(fù)合桁條相符的第一桁條表面以及與波狀表面的第一部分相對的第一底表面。第一剛性芯軸元件具有沿著復(fù)合桁條的縱向方向的第一長度。第二剛性芯軸元件鄰近第一剛性芯軸元件并且限定第二孔、與復(fù)合桁條相符的第二桁條表面以及與波狀表面的第二部分相對的第二底表面。第二剛性芯軸元件具有沿著縱向方向的第二長度。纜索延伸穿過第一孔和第二孔。第一長度與第一表面復(fù)雜度相配，并且第二長度與第二表面復(fù)雜度相配，使得第一剛性芯軸元件和第二剛性芯軸元件之間的間隙不超過預(yù)定間隙閾值。

根據(jù)另一示例性實施例，一種制造飛機的復(fù)合桁條的方法包括將蒙皮板鋪設(shè)在鋪設(shè)工具上，鋪設(shè)工具包括波狀表面，該波狀表面包括具有第一表面復(fù)雜度的第一部分和具有第二表面復(fù)雜度的第二部分。該方法還包括將鉸接式桁條芯軸放置在蒙皮板上。放置鉸接式桁條芯軸進一步包括將第一剛性芯軸元件定位在蒙皮板上，使得第一剛性芯軸的第一底表面與第一部分相對，其中第一剛性芯軸限定第一孔和與復(fù)合桁條相符的第一桁條表面。第一剛性芯軸元件具有沿著復(fù)合桁條的縱向方向的第一長度。放置鉸接式桁條芯軸進一步包括將第二剛性芯軸元件鄰近第一剛性芯軸元件定位在蒙皮板上，使得第二剛性芯軸元件的第二底表面與第二部分相對，第二剛性芯軸限定第二孔和與復(fù)合桁條相符的第二桁條表面。第二剛性芯軸元件具有沿著縱向方向的第二長度。將第一剛性芯軸定位至少部分地基于第一長度和第一表面復(fù)雜度，并且將第二剛性芯軸定位至少部分地基于第二長度和第二表面復(fù)雜度，使得第一剛性芯軸元件和第二剛性芯軸元件之間的間隙不超過預(yù)定間隙閾值。該方法還包括緊固延伸穿過第一孔和第二孔的纜索。該方法還包括將桁條板鋪設(shè)在鉸接式桁條芯軸的頂部上并固化蒙皮板和桁條板。

附圖說明

在下文中將結(jié)合附圖描述本發(fā)明，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，并且其中：

圖1A、1B、1C和1D是根據(jù)示例性實施例的復(fù)合材料加工工具系統(tǒng)的視圖；

圖2是為了便于解釋而具有夸大尺寸的圖1所示的復(fù)合材料加工工具系統(tǒng)的截面圖；

圖3是圖2所示的復(fù)合材料加工工具系統(tǒng)的剛性芯軸元件的前視圖；

圖4是圖2所示的復(fù)合材料加工工具系統(tǒng)的芯軸球的前視圖；以及

圖5是根據(jù)示例性實施例的制造飛機的復(fù)合桁條的方法的流程圖。

具體實施方式

以下詳細(xì)描述本質(zhì)上僅僅是示例性的，并且不意圖限制本發(fā)明或本發(fā)明的應(yīng)用和用途。此外，也不意圖受前述背景技術(shù)或以下詳細(xì)描述中給出的任何理論的約束。

本文考慮的各種實施例涉及用于制造纖維增強復(fù)合桁條的加工工具以及用于制造這種增強復(fù)合桁條的方法。在所提供的實例中，制造工藝是共固化工藝。與現(xiàn)有技術(shù)不同，本文教導(dǎo)的示例性實施例基于在桁條的每個部分處的機翼表面復(fù)雜度來布置鉸接式芯軸(articulating mandrel)的剛性芯軸元件，這解決了傳統(tǒng)工藝的芯軸變形和壓力不均勻引起板變形的缺點。每個剛性芯軸元件具有適于設(shè)置在機翼加工工具的一部分上的尺寸，機翼加工工具的該部分具有與該剛性芯軸元件的尺寸相互作用的表面復(fù)雜度。該相互作用引起相鄰芯軸元件錯位，導(dǎo)致相鄰剛性芯軸元件的邊緣之間的間隙。在該加工工具的具有較高表面復(fù)雜度的部分處，剛性芯軸元件的尺寸較小，使得間隙不超過間隙閾值。通過使間隙保持低于間隙閾值，可以減小臺階(stepping)和其它不期望的復(fù)合缺陷。

參考圖1A-D和圖2-圖4，根據(jù)示例性實施例提供復(fù)合材料加工工具系統(tǒng)100和復(fù)合材料加工工具系統(tǒng)100的部件的視圖。為了便于解釋復(fù)合材料加工工具系統(tǒng)100的特征，與圖1A-D相比，圖2-圖4具有夸大的尺寸。復(fù)合材料加工工具系統(tǒng)100可以用于制造飛機的復(fù)合桁條102和復(fù)合蒙皮104，如圖3所示。復(fù)合桁條102和復(fù)合蒙皮104各自由纖維增強復(fù)合材料形成。如圖所示，根據(jù)示例性實施例，復(fù)合桁條102包括梁主體部分106和從梁主體部分106沿相反方向延伸的兩個徑向部分108。復(fù)合桁條102大體上遵循復(fù)合蒙皮104的輪廓。

復(fù)合材料加工工具系統(tǒng)100包括鋪設(shè)工具110和鉸接式桁條芯軸112。鋪設(shè)工具110限定具有第一部分122和第二部分124的波狀表面120。第一部分122具有第一表面復(fù)雜度，第二部分124具有小于第一表面復(fù)雜度的第二表面復(fù)雜度。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的，表面復(fù)雜度是指波狀表面120的斜率的變化率。表面復(fù)雜度還包括由于芯軸下面的板下降所導(dǎo)致的斜坡。因此，具有高表面復(fù)雜度的部分具有比具有低表面復(fù)雜度的部分更快地變化的斜率。例如，平坦表面沒有表面復(fù)雜度。

鉸接式桁條芯軸112包括第一剛性芯軸元件130、第二剛性芯軸元件132、第三剛性芯軸元件134、纜索136和多個芯軸球138。圖1A-C示出附加的端部元件137，其提供用于通過纜索136緊固鉸接式桁條芯軸112的支承表面。所提供的實例包括多個第一剛性芯軸元件130和多個第二剛性芯軸元件132。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的，剛性芯軸元件130、132、134的數(shù)目可以根據(jù)待制造的具體桁條和蒙皮的形狀而變化。

剛性芯軸元件130、132、134的布置基于波狀表面120的表面復(fù)雜度以及每個剛性芯軸元件130、132、134的尺寸(例如，長度和/或?qū)挾?，以確保各剛性芯軸元件130、132、134之間的間隙139不超過預(yù)定間隙閾值。該預(yù)定間隙閾值基于影響復(fù)合桁條中的臺階的復(fù)合材料工藝特征。例如，間隙閾值可以基于根據(jù)樹脂性質(zhì)、高壓釜壓力或其它復(fù)合材料工藝特征減小臺階。盡管所示的芯軸元件可以基本上相同，但是可以通過在芯軸組件處于其適當(dāng)形狀并且緊固纜索之后對剛性芯軸元件之間的接頭進行打磨或以其他方式修整來進一步減小臺階。

剛性芯軸元件130、132、134和芯軸球138由剛性材料形成。如本文所用，術(shù)語“剛性材料”是指在高壓釜工藝期間基本上保持形狀以固化復(fù)合材料的材料。在所提供的實例中，剛性材料是金屬材料，例如鋁或殷鋼。在一些實施例中，剛性材料具有大于約10GPa的楊氏模量。在一些實施例中，材料的硬度可以是楊氏模量為10×10⁶至30×10⁶psi的金屬。與之相比，在“剛性材料”的前述定義中明確排除了在高壓釜溫度和壓力下容易變形的柔性材料，例如彈性體材料。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的，具體的剛性材料可以基于特定的高壓釜工藝中所涉及的溫度和力而變化。在一些實施例中，可以使用比柔性橡膠具有更高硬度的剛性聚合物，使得如果芯軸被制成一件，則其不具有足以允許從腔中抽出的柔性。通常，該材料足夠剛性以保持形狀，并且足夠堅韌以在取出期間重復(fù)使用而不損壞。

還可以至少部分地基于所需的膨脹特性來選擇剛性材料。殷鋼或碳復(fù)合芯軸相對于復(fù)合部件具有低膨脹，但是更難以移除。在一些實施例中，剛性芯軸元件130、132、134和芯軸球138具有彈性體涂層。

第一剛性芯軸元件130限定第一腔140、孔142、第一橫截面周邊144和第一底表面145。第一剛性芯軸元件130的每個縱向端部包括用于接收芯軸球138的第一腔140。在所提供的實例中，第一腔140由與每個芯軸球138相對的球形表面限定。該球形表面適應(yīng)相鄰的剛性芯軸元件130、132、134的旋轉(zhuǎn)和縱向錯位，使得鉸接式桁條芯軸112可以與波狀表面120相符。

孔142延伸穿過第一剛性芯軸元件130的在第一剛性芯軸元件130的兩側(cè)的第一腔140之間的縱向長度?？?42容納纜索136，以便于組裝鉸接式桁條芯軸112。

第一橫截面周邊144限定復(fù)合桁條102的形狀，在高壓釜固化期間該形狀與第一橫截面周邊144相符。第一橫截面周邊的形狀可以基于具體的實施方式和期望的桁條形狀而變化。在所提供的實例中，第一橫截面周邊144的形狀基本上是梯形。

第一底表面145與波狀表面120的第一部分122相對。第一剛性芯軸元件130具有沿著鉸接式桁條芯軸112和復(fù)合桁條102的縱向方向的第一長度146。第一長度146至少部分地由第一表面復(fù)雜度限定。例如，沿著鉸接式桁條芯軸112的長度的剛性芯軸元件130、132、134的順序的選擇與在鉸接式桁條芯軸112和復(fù)合桁條102的每個部分處的波狀表面120的表面復(fù)雜度協(xié)調(diào)。具有高表面復(fù)雜度的波狀表面120的部分(例如，第一部分122)需要較短的長度(例如，第一長度146)，以確保間隙139不超過間隙閾值。

第二剛性芯軸元件132限定第二腔150、孔152、第二橫截面周邊154和第二底表面155。第二剛性芯軸元件132的每個縱向端部包括第二腔150，以接收芯軸球138。在所提供的實例中，第二腔150由與每個芯軸球138相對的球形表面限定。該球形表面適應(yīng)相鄰的剛性芯軸元件130、132、134的旋轉(zhuǎn)和縱向錯位，使得鉸接式桁條芯軸112可以與波狀表面120相符。在所提供的實例中，第二腔150具有與第一腔140的形狀基本相同的形狀。

孔152延伸穿過第二剛性芯軸元件132的在第二剛性芯軸元件132的兩側(cè)的第二腔150之間的縱向長度?？?52容納纜索136，以便于組裝鉸接式桁條芯軸112。

第二橫截面周邊154限定復(fù)合桁條102的形狀，在高壓釜固化期間該形狀與第二橫截面周邊154相符。在不同的實施例中第二橫截面周邊154的形狀可以基于具體的實施方式和期望的桁條形狀而變化。在一些實施例中，第二橫截面周邊154的形狀可以沿著第二剛性芯軸元件132的長度變化。在所提供的實例中，第二橫截面周邊154在形狀上與第一橫截面周邊基本相同，大于第一橫截面周邊144并且在第二剛性芯軸元件132的長度上具有均勻形狀。在一些實施例中，第二橫截面周邊154具有與第一橫截面周邊144的尺寸和形狀類似的尺寸和形狀。

第二底表面155與波狀表面120的第二部分124相對。第二剛性芯軸元件132具有沿著鉸接式桁條芯軸112和復(fù)合桁條102的縱向方向的第二長度156。第二長度156至少部分地由第二表面復(fù)雜度限定并且大于第一長度146。盡管第二長度156大于第一長度146，但是第二部分124處的表面復(fù)雜度小于第一部分122處的表面復(fù)雜度。因此，間隙139保持低于間隙閾值。

在所提供的實例中，第三剛性芯軸元件134在第一剛性芯軸元件130和第二剛性芯軸元件134之間平滑地過渡。第三剛性芯軸元件具有第一縱向端部160、第二縱向端部162和第三橫截面周邊164。第三橫截面周邊164在第三剛性芯軸元件134的長度上變化，并且與第一縱向端部160處的第一橫截面周邊144基本相同，并且與第二縱向端部162處的第二橫截面周邊154基本相同。

纜索136可以是能夠向鉸接式桁條芯軸112施加張力并且能夠承受高壓釜工藝的溫度和壓力的任何纜索。纜索136延伸穿過孔142、孔152和芯軸球138。在所提供的實例中，纜索136是鋼纜。

芯軸球138每個限定樞轉(zhuǎn)表面170和孔172。每個芯軸球138設(shè)置在每個相鄰的剛性芯軸元件130、132、134之間，至少部分地在腔140、150內(nèi)。在所提供的實例中，芯軸球138基本上被相鄰的剛性芯軸元件130、132、134包在圍腔140、150內(nèi)。樞轉(zhuǎn)表面170與腔140、150的表面相對并且具有與腔140、150的表面基本相同的形狀。第一剛性芯軸元件130和第二剛性芯軸元件132可以相對于彼此樞轉(zhuǎn)，同時使用芯軸球138保持彼此對準(zhǔn)。孔172接收纜索136。

現(xiàn)在參考圖5，根據(jù)一些實施例提供制造飛機的復(fù)合桁條的方法200。所描述的工藝步驟、程序和材料僅被認(rèn)為是為了向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員說明用于實施本發(fā)明的方法而設(shè)計的示例性實施例；本發(fā)明不限于這些示例性實施例。增強復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造中的各種步驟是公知的，因此，為了簡潔起見，一些傳統(tǒng)的步驟在本文中將僅簡要提及或?qū)⑼耆÷?，而不提供公知的工藝?xì)節(jié)。

在操作202中提供具有波狀表面的鋪設(shè)工具。例如，可以提供鋪設(shè)工具110。在操作204中提供桁條芯軸，其中桁條芯軸包括具有不同長度的第一和第二芯軸元件。例如，可以提供鉸接式桁條芯軸112。操作206將蒙皮板鋪設(shè)在鋪設(shè)工具的頂部上。例如，復(fù)合蒙皮104的蒙皮板可以被鋪設(shè)在鋪設(shè)工具110的頂部上。

在操作208中，基于所述不同長度、波狀表面的輪廓復(fù)雜度以及相鄰芯軸元件之間的間隙公差閾值，將第一和第二芯軸元件定位在蒙皮板上。例如，可以基于第一長度146、第二長度156、第一部分122處的表面復(fù)雜度、第二部分124處的表面復(fù)雜度以及預(yù)定間隙閾值來選擇沿著鉸接式桁條芯軸112的長度的剛性芯軸元件130、132的順序。具體地，該順序被選擇為使得較短的芯軸元件放置在波狀表面120的較復(fù)雜的部分處，以確保間隙139不超過該預(yù)定間隙閾值。

在一些實施例中，使用具有不同橫截面周邊區(qū)域的芯軸元件。在這樣的實施例中，具有較大橫截面周邊區(qū)域的芯軸元件更靠近復(fù)合桁條的端部放置，在下面描述的操作220中，桁條芯軸將通過該端部被移除。

在操作210中，用纜索緊固桁條芯軸。例如，可以利用在桁條芯軸的兩個端部芯軸之間承受拉力的纜索136來緊固鉸接式桁條芯軸112。在操作212中，將桁條板鋪設(shè)在桁條芯軸的頂部上。例如，可以在操作212中將復(fù)合桁條102的桁條板鋪設(shè)在鉸接式桁條芯軸112的頂部上。

在操作214中，將蒙皮板和桁條板固化。例如，可以在疊置的板和芯軸上布置真空袋裝置以施加真空。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的，施加熱和壓力以共固化蒙皮板和桁條板，從而形成固定到復(fù)合蒙皮104上的復(fù)合桁條102。用于向未固化的纖維增強材料施加熱和壓力的公知工藝和條件(例如，與真空袋裝置組合的高壓釜)可以用于共固化復(fù)合桁條102和復(fù)合蒙皮104。在一些實施例中，復(fù)合蒙皮104和復(fù)合桁條102可以分別地固化。

在操作216中，松開纜索。例如，可以在操作216中釋放纜索136中的張力。在操作220中，從桁條移除桁條芯軸。例如，可以在操作220中從復(fù)合桁條102和復(fù)合蒙皮104之間拉出鉸接式桁條芯軸112。在所提供的實例中，鉸接式桁條芯軸112的金屬材料具有大于復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)。因此，當(dāng)從固化溫度冷卻時，剛性芯軸元件130、132、134將比復(fù)合桁條102收縮得更多。通過比復(fù)合桁條102收縮得更多，剛性芯軸元件130、132、134產(chǎn)生有助于移除鉸接式桁條芯軸112的間隙。在一些實施例中，可拉動纜索136以移除鉸接式桁條芯軸112。

雖然在本發(fā)明的前述詳細(xì)描述中已經(jīng)給出了至少一個示例性實施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，存在大量的變型。還應(yīng)當(dāng)理解，所述一個或多個示例性實施例僅僅是實例，并且不意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍、適用性或配置。相反，以上詳細(xì)描述將為本領(lǐng)域技術(shù)人員提供用于實現(xiàn)本發(fā)明的示例性實施例的方便的路線圖。應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離如所附權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對示例性實施例中描述的元件的功能和配置進行各種改變。