專利名稱：用于制造帶有具有束縛角部的凸緣的復合結構的方法
用于制造帶有具有束縛角部的凸緣的復合結構的方法 技術領域在此描述的實施例一般地涉及用于制造帶有具有束縛(tether)角部 的凸緣的復合結構的方法。
背景技術：
近年來，復合材料由于其耐久性和相對的重量輕已日益流行地使用 在多種航空應用中。雖然復合材料可以提供出眾的強度和重量特性，但 在由復合材料制造的結構上設計凸緣仍是挑戰(zhàn)。目前的凸緣鋪層(lay up)過程可以一般地涉及重復地施加織物的 層或片層到復合結構直至獲得具有希望尺寸的凸緣。在此過程期間產(chǎn)生 的一個問題是，當施加第二層織物時，它可能覆蓋第一層織物，因此使 得幾乎不能監(jiān)測第一層以保證其放置不改變。作為結果，可能發(fā)生織物 的橋接。當最初的織物層或第 一 織物層從凸緣角部拉開且跨越了角部而非 保持緊密地附著到角部時發(fā)生了橋接。橋接可能導致樹脂富余(resin richness),這是過度的樹脂在第一織物層下方的不希望的聚集，這可能 局部地弱化疊層。橋接可能由數(shù)個因素中的任何因素導致。例如，橋接可能由于不適 當?shù)貙⒆畛醯目椢飳臃胖迷谕咕壗遣績?nèi)導致，使得在鋪層期間施加隨后 的層時，最初的層可能擁擠而導致橋接。同樣，在鋪層期間不適當?shù)貜?織物層移除松散部(bulk)可能導致復合材料的過長的長度，這可能導 致在固化過程期間的橋接。另外，橋接可能由于在固化期間工具與織物 的熱膨脹差異導致。無論何種原因， 一旦初始織物層已經(jīng)被覆蓋則目前對于操作者無法 容易地監(jiān)測初始的織物層來幫助保證防止橋接且保證第 一層織物保持 附著在凸緣角部。目前最好的實踐是在角部終止織物層以允許織物滑 移。然而，此實踐一般地僅在解決在固化期間熱膨脹不同的問題中是有'因此,、應希望的是提供^用;制一造更不易于橋接的凸緣的方法和涉及 前述制造。發(fā)明內(nèi)容本文中的實施例 一般地涉及用于制造帶有具有束綽角部的凸緣的復合結構的方法，方法包括提供包括第一端板和第二端板且具有繞其 形成的復合結構的復合結構形成工具，鄰近復合結構形成工具的第一端 板繞復合結構施加至少一層屏障纖維，和繞屏障纖維纏繞至少一個纖維 束。本文中的實施例也一般地涉及用于制造帶有具有束縛角部的凸緣 的復合結構的方法，方法包括提供包括第一端板和第二端板且具有繞 其形成的復合結構的復合結構形成工具，鄰近復合結構形成工具的第一 端板繞復合結構施加至少一層屏障纖維，繞屏障纖維纏繞至少一個纖維 束，在纖維束上方施加至少一層填充物纖維，和在填充物纖維上方施加 至少 一 層凸緣纖維以獲得凸緣預形成件。本領域一般技術人員將從如下的披露中清楚這些和其他特征、方面 和優(yōu)點。


雖然說明書以權利要求結束特別地指出且清楚地要求了本發(fā)明，但 相信在此闡明的實施例通過結合附圖的如下的描述更好地被理解，附圖 中類似的參考數(shù)字指示類似的元件。圖1是具有端部凸緣和安裝凸緣的風扇外殼的一個實施例的示意性 透視圖；圖2是圖1的示意性端部視圖；圖3是復合結構形成工具的 一 個實施例的示意性透視圖； 圖4是圖2的沿線A-A的示意性截面視圖；和圖5是帶有用于制造具有束縛角部的安裝凸緣的導向件的風扇外殼 的一個實施例的示意性截面^L圖。
具體實施方式
在此描述的實施例 一般地涉及用于制造帶有具有束縛角部的凸緣 的復合結構的方法，該方法可以幫助消除在凸緣鋪層和固化期間發(fā)生的 橋接。雖然實施例在此可以 一般地關注于在燃氣渦輪發(fā)動機的風扇外殼 上的復合凸緣，但本領域一般技術人員將理解的是，描述不應限制于 此。的確，如以下描述所解釋，在此描述的束縛凸緣角部可以利用在由 復合材料制造的任何凸緣上?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，圖1圖示了可接受的復合結構io的一個實施例。如在此所使用，"復合結構，，指任何由復合材料或復合材料的組合制造 的部件。復合結構IO可以包括一般地圓柱形的構件，例如風扇外殼12。風扇外殼12可以具有圓周，如在圖2中示出，且如前所述可以由任何 可接受的材料制造。然而，在一個實施例中，風扇外殼12可以由從包 括如下項的組中選擇的材料制造玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、陶瓷 纟千纟*、農(nóng)'J^口poly (p-phenylenetherephtalamide)纟千纟,即(KEVLAR )的 芳香族聚酰胺纖維，和它們的組合。在一個實施例中，風扇外殼12可 以由碳纖維制造。如在圖1中示出，風扇外殼12可以一般地包括具有前端16和后端 18的圓柱主體14。如在此所使用，"風扇外殼，，用于指固化前和固化 后的復合風扇外殼。本領域一般技術人員將從本說明書理解參考了何種 階段。風扇外殼12也可以包括任何個數(shù)的端部凸緣20,如一般地在圖1 和圖2中示出，和/或安裝凸緣22,如一般地在圖1中示出。如在此所 使用，"安裝凸緣"指任何周向地繞風扇外殼12的主體14,或其他復 合結構插入的凸緣。"插入"意味著安裝凸緣22可以繞風扇外殼12的 主體14周向地定位，如與繞前端16或后端18任一個相對。作為對比， 端部凸緣20可以繞前端16或后端18的任一個或二者定位。風扇外殼12可以使用本領域一般技術人員已知的任何可接受的制 造方法或工具制造。例如，見Xie等人的美國專利申請No. 2006/0201135 和Blanton等人的美國專利申請No 2006/0134251。在一個實施例中，如 在圖3中示出，可以使用復合結構形成工具24,該工具具有圓周、 一般 地圓柱形的芯26以及第 一端板28和第二端板30,它們可移除地聯(lián)接到 工具24的芯26。在圖4中示出了在風扇外殼12上的端部凸緣預形成件32的圖示的 實施例。本領域一般技術人員將理解的是，如下的凸緣和鋪層描述可以 等同地可應用于安裝凸緣。端部凸緣預形成件32可以包括束縛凸緣角 部33,其可以在鋪層和固化期間幫助將凸緣預形成件32錨定到位。束
縛凸緣角部33可以包括至少 一層屏障纖維34和至少 一個周向地繞其纏 繞的纖維束(tow) 36，如在下文中描述。更特定地，束縛凸緣角部33可以一般地包括例如鄰近工具24的第 一端板28和風扇外殼12施加的至少一層屏障纖維34。屏障纖維34可 以包括多方向紡織物預形成件，例如織造物或編織物。如在此所-使用， "多方向"指包括在多于一個方向定向的纖維束的紡織物預形成件。屏 障纖維34的纖維束可以包括本領域一般技術人員已知的任何合適的強 化纖維，包括但不限制于玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、陶瓷纖維、芳 香族聚酰胺纖維，和它們的組合。在一個實施例中，屏障纖維34可以 包括玻璃纖維。另外，屏障纖維34的每個纖維束可以包括從大約3000 至大約24000個纖維絲。通過周向地繞工具24和風扇外殼12纏繞屏障纖維34直至獲得希 望的厚度，屏障纖維34可以施加在鄰近工具24的第一端板28和風扇 外殼12的凸緣角部37內(nèi)。如果希望這樣，則屏障纖維34可以最初地 且當施加到風扇外殼12完成后粘合，以將屏障纖維34保持到位。對于本領域一般技術人員已知的任何可接受的樹脂可以用于粘合屏障纖維 34，例如環(huán)氧樹脂。然后，至少一個單獨的纖維束36可以在凸緣角部37內(nèi)周向地繞風 扇外殼12纏繞在屏障纖維34上方。以此方式，纖維束36可以完成束 綽凸緣角部33且?guī)椭鷮⑵琳侠w維34固定在希望的位置。雖然纖維束36 可以繞風扇外殼l2的圓周纏繞任何次數(shù)，但在一個實施例中，纖維束 36可以繞風扇外殼12的圓周纏繞從大約3次到大約6次。替代地，可 以將多于一個纖維束36繞風扇外殼12纏繞一次或多次以實現(xiàn)相同的結 果。纖維束36可以由本領域一般技術人員已知的任何可接受的材料制 造，包括但不限制于玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、陶瓷纖維、芳香族 聚酰胺纖維，和它們的組合。然而，在一個實施例中，纖維束36可以 由碳纖維制造。另外，每個所利用的纖維束36可以包括從大約3000到 大約24000個纖維絲，且在一個實施例中包括12000個纖維絲。 一旦纖 維束36繞束縛凸緣角部33的屏障纖維34牢固地纏繞，則可以使用本 領域一般技術人員已知的任何可接受的樹脂，例如環(huán)氧樹脂將它粘合， 以在端部凸緣預形成件32的剩余部分制造期間將它保持到位。至少 一層填充物纖維38然后可以施加在纖維束36上方以幫助填充
可能在束縛凸緣角部33和隨后施加的凸緣纖維之間存在的任何空間。類似于屏障纖維34，填充物纖維38的層可以是包括本領域一般技術人 員已知的任何合適的強化纖維的多方向紡織物預形成件，包括但不限制 于玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、陶瓷纖維、芳香族聚酰胺纖維，和它 們的組合。也類似于屏障纖維34,填充物纖維可以繞風扇殼體12的圓 周鄰近第一端板28且在屏障纖維34和纖維束36上纏繞，直至獲得了 希望的厚度。如果需要，則填充物纖維38可以使用本領域一般技術人 員已知的任何可接受的樹脂粘合，以幫助將填充物纖維38在剩余的制 造過程中保持到位。凸緣纖維40然后可以使用本領域任何已知的凸緣制造方法施加在 填充物纖維38上，以完成端部凸緣預形成件32的制造。凸緣纖維再次 可以包括任何合適的材料，例如玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、陶瓷纖 維、芳香族聚酰胺纖維，和它們的組合，它們可以在填充物纖維38上 方繞工具24巻繞。為加固端部凸緣預形成件32,可以進行壓實(debulk)步驟。特別 地，例如屏障纖維34、填充物纖維38和凸緣纖維40的強化纖維可以固 有地具有大量的松散部。為幫助在最終的材料固化期間防止褶皺和/或空 隙且為在最終的固化期間利用接近凈形狀(net shape)工具，材料的纖 維可以被加固或壓縮為更接近希望的最終固化厚度的尺寸。此加固在壓 實期間發(fā)生。壓實可以使用本領域一般技術人員已知的任何普通方法執(zhí)行，例如 通過以真空袋、收縮帶或其他機械裝置向復合纖維施加壓力。在壓實前 施加到纖維的樹脂可以幫助 一旦施加壓力則將纖維粘合或鎖定到位。如 果粘合的纖維不能在室溫下如希望地^皮加固，則可以施加熱以降^f氐樹脂 的粘性。樹脂然后可以更好地滲入復合纖維且允許將加固進行到希望的 程度。在完成端部凸緣預形成件32的鋪層和壓實后，可以將最終的固化 工具繞包括任何端部凸緣預形成件和安裝凸緣預形成件的風扇外殼12 放置，以用作固化過程期間的模具。如本領域一般技術人員將理解，最 后的固化工具和過程可以^4居例如所使用的樹脂、零件幾何形狀和設備 容量的因素變化。如前所述，上文等同地可應用于安裝凸緣以及端部凸緣。當制造繞
風扇外殼12的主體定位的安裝凸緣預形成件41時，可以使用導向件42 來替代第 一或第二端板以提供將屏障纖維34和纖維束36靠著它施加的 表面，如一jt殳地在圖5中示出。在一個實施例中，導向件42可以包括「 離散的弓形構件，每個跨過180度以相應地繞風扇外殼12配合。導向 件42的弧可以可釋放地連接在一起，以容易地繞風扇外殼12放置和調(diào) 整。然而，將理解的是，導向件42可以包括任何個數(shù)的部件且具有任 何對應于復合結構形狀的形狀。如前所討論，導向件42可以用作用于 施加屏障纖維34和纖維束36以及凸緣預形成件41的剩余纖維層的支 承件。導向件42可以是圓周形的且如所示出具有L形截面，且可以由 任何剛性的輕量材料構造，例如由鋁或復合物構造。 一旦安裝凸緣預形 成件41的一側(cè)如圖5中所示構造，則導向件42可以去除。安裝凸緣預 形成件41的其他側(cè)然后可以以于第一側(cè)相同的方式構造。在此描述的束縛角部的實施例可以提供數(shù)個益處。例如，將纖維束 繞屏障纖維施加允許纖維束用作束縛件來在隨后的鋪層步驟期間將屏 障纖維保持在凸緣的角部。更特定地，當另外的填充物纖維層和/或凸緣 纖維層放置和擁擠時，屏障纖維因為纏繞的纖維束而保持束縳在角部。 這可以幫助降低或甚至消除在當前的凸緣制造過程中經(jīng)常面臨的橋接 問題。另外，在固化期間，復合結構形成工具端板和芯具有因固化過程的 熱和壓力相互膨脹和拉離的趨勢。這又能導致屏障纖維被拉出角部且導 致橋接。由纖維束造成的束縛角部可以幫助以兩個方式解決此問題。首 先，束縛角部可以通過幫助保持所教示的屏障纖維而在第一情形中降低 橋接的發(fā)生。第二，在固化過程期間，前述的復合結構形成工具的膨脹 可以使束綽角部的纖維束變緊，因此有效地將它和屏障纖維在希望的取 向相互拉靠且強化它們之間的附著。此書面描述使用了例子來披露本發(fā)明，包括披露本發(fā)明的最佳模 式，且也使得任何本領域一般技術人員能制成和使用本發(fā)明。本發(fā)明的 可專利的范圍由權利要求書限定且可以包括本領域一般技術人員想到 的其他例子。這樣的其他例子如果其結構元件與權利要求的文字語言沒 有不同或如果其包括不大體上與權利要求的文字語言不同的等價結構 元件，則它們意圖于在權利要求書的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種用于制造帶有具有束縛凸緣角部(33)的凸緣(20、22)的復合結構(10)的方法，其包括提供復合結構形成工具(24)，其包括第一端板(28)和第二端板(30)且具有繞其形成的復合結構(10)；鄰近復合結構形成工具(24)的第一端板(28)繞復合結構(10)施加至少一層屏障纖維(34)，屏障纖維(34)由從包括如下項的組中選擇的材料制成玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、陶瓷纖維、芳香族聚酰胺纖維，和它們的組合，優(yōu)選地由玻璃纖維制成；和繞屏障纖維(34)纏繞至少一個纖維束(36)，纖維束(36)由從包括如下項的組中選擇的材料制成玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、陶瓷纖維、芳香族聚酰胺纖維，和它們的組合，優(yōu)選地由碳纖維制成。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，包括提供復合結構形成工具(24),其包括第一端板(28)和第二端板 (30)且具有繞其形成的復合結構(10);鄰近復合結構形成工具(24)的第一端板(28)繞復合結構(10) 施加至少一層屏障纖維(M),屏障纖維(34)由從包括如下項的組中 選擇的材料制成玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、陶瓷纖維、芳香族聚 酰胺纖維，和它們的組合，優(yōu)選地由玻璃纖維制成；繞屏障纖維(34) 纏繞至少一個纖維束(36),纖維束(36)由從包括如下項的組中選擇 的材料制成玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、陶瓷纖維、芳香族聚酰胺 纖維，和它們的組合，優(yōu)選地由碳纖維制成；在纖維束(36)上方施加至少一層填充物纖維U8);和在填充物纖維(38)上方施加至少一層凸緣纖維(40)以獲得凸緣 預形成件(32、 41 )。
3. 根據(jù)權利要求1或2的任何項所述的方法，其中復合結構(10) 具有圓周，且屏障纖維(34)鄰近復合結構形成工具(24)的第一端板(28)繞復合結構(10)的圓周纏繞，以形成凸緣角部(37)。
4. 根據(jù)權利要求l、 2或3的任何項所述的方法，其中纖維束(36) 在凸緣角部(37)內(nèi)繞屏障纖維(34)纏繞。
5. 根據(jù)權利要求l、 2、 3或4的任何項所述的方法，其中復合結構 (10)是燃氣渦輪發(fā)動機風扇外殼(12)。
6. 根據(jù)權利要求l、 2、 3、 4或5的任何項所述的方法，其中凸緣 (20、 22)從包括端部凸緣(20)、安裝凸緣(22)和它們的組合的組中選擇。
7. 根據(jù)權利要求l、 2、 3、 4、 5或6的任何項所述的方法，其中纖 維束(6)繞屏障纖維(34)纏繞3次至6次。
8. 根據(jù)權利要求l、 2、 3、 4、 5、 6或7的任何項所述的方法，其 中多于一個的纖維束(36)繞屏障纖維(34)纏繞。
9. 根據(jù)權利要求l、 2、 3、 4、 5、 6、 7或8的任何項所述的方法， 進一步包括固化凸緣預形成件(32、 41 )以獲得具有束縛凸緣角部(33) 的凸緣(20、 22)。
全文摘要
用于制造帶有具有束縛角部的凸緣的復合結構的方法，方法涉及提供包括第一端板和第二端板且具有繞其形成的復合結構的復合結構形成工具，鄰近復合結構形成工具的第一端板繞復合結構施加至少一層屏障纖維，和繞屏障纖維纏繞至少一個纖維束。
文檔編號B29C70/30GK101209589SQ200710160870
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權日2006年12月27日
發(fā)明者C·B·庫爾蒂斯, F·沃爾托夫, L·A·布蘭頓 申請人:通用電氣公司