[发明专利]使用铰接式芯轴的复合飞机制造工具

说明书

本文提供用于制造飞机的复合桁条的复合材料加工工具系统和方法。一种复合材料加工工具系统包括铺设工具和铰接式桁条芯轴。铺设工具具有波状表面，该波状表面包括具有不同表面复杂度的多个部分。铰接式桁条芯轴包括两个刚性芯轴元件和缆索。第一刚性芯轴元件限定第一孔、第一桁条表面以及第一底表面。第二刚性芯轴元件邻近第一刚性芯轴元件并且限定第二孔、第二桁条表面以及第二底表面。第一刚性芯轴元件的第一长度与第一刚性芯轴元件处的表面复杂度相配，并且第二刚性芯轴元件的第二长度与第二刚性芯轴元件处的第二表面复杂度相配，使得刚性芯轴元件之间的间隙不超过预定间隙阈值。

本申请为申请日为2016年12月14日，申请号为201611153776.2，发明名称为“使用铰接式芯轴的复合飞机制造工具和方法”的申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及用于制造飞机的复合增强结构的加工工具和方法，更具体地涉及利用具有刚性芯轴元件的铰接式桁条芯轴的飞机机翼加工工具和方法。

背景技术

飞机的机身、机翼和尾翼通常包括耦合到蒙皮的桁条，蒙皮形成机身、机翼和尾翼的平滑的空气动力外表面。桁条和蒙皮配合以向飞机的这些部分提供抗弯和抗扭刚度。传统上，机身、机翼和尾翼表面以及相关的桁条由金属制成，例如铝，钢或钛。

纤维增强复合材料作为金属的替代物广泛用于各种商用和军用飞机产品中，特别是在需要相对低重量和高机械强度的应用中。该材料通常包括以层或片布置的增强纤维的网。这些层包括树脂基质，树脂基质基本上浸润增强纤维并且固化以在树脂和增强纤维之间形成紧密结合。这种复合材料可以通过例如挤制、真空袋装、高压法等各种已知的成形方法形成为结构部件。

由于飞机的各个部分的蒙皮和桁条从金属材料改为纤维增强复合材料，而出现了很多问题。在称为预固化(Pre-cure)/共结合(Co-bond)或共结合的当前制造工艺中，通过将在树脂基质中包含增强纤维的各层堆叠在一起来形成纤维增强复合蒙皮。通常，这些层中的一些层相对于彼此错位，使得堆叠符合期望的轮廓或锥形几何形状。堆叠层被加热并加压以固化聚合物树脂基质并形成预固化的蒙皮。桁条芯轴被放置在该堆叠层上，桁条板叠置在桁条芯轴上。使用加工工具施加压力和热以固化桁条预成型件，从而形成附接到预固化的蒙皮上的纤维增强复合材料桁条。不幸的是，经常沿着预固化的蒙皮和纤维增强复合材料桁条之间的界面出现缺陷。具体来说，蒙皮通常具有波状外表面，该波状外表面包括由桁条芯轴的芯轴元件之间的间隙形成的小台阶或下降部。大的间隙在复合桁条内导致压缩不足区域，例如空隙，以及过压缩区域，例如贫树脂区域。这些压缩不足区域和过压缩区域可降低预固化蒙皮和纤维增强复合桁条之间的负载传递效率，从而降低由纤维增强复合桁条提供的刚性和支撑。

然后在第二固化周期中将桁条共固化在预固化的蒙皮上。预固化由于均匀的袋装压力和相对简单的几何形状而提供良好的蒙皮质量，但是需要两次高压釜工艺和制备。需要两次变得非常昂贵和耗时，并且引入与再加热蒙皮层压板相关的风险。

另一种当前的制造方法是共固化(Co-cure)，其允许在单个高压釜固化步骤中产生复杂部件。共固化的缺点是，在复杂形状上的袋装产生不均匀的压力，由于不均匀的压力而具有富树脂区域/贫树脂区域以及潜在的板变形，从而层压板质量可能受损。

第三种当前的制造方法是二次结合，其中所有的构成部件都被预固化，然后在结合模具中用粘合剂组装并固化在一起。二次结合为所有部件提供最好的层压板质量，但需要多个固化周期，需要增加制备，需要额外的加工工具，并且增加了预固化部件的装配问题的难度。

传统的芯轴包括泡沫芯轴和弹性体芯轴。泡沫芯轴在固化后难以从纤维增强复合桁条上除去，并且经常被认为是留在复合翼中的“飞离(flyaway)”加工工具。弹性体芯轴更容易从固化的复合桁条中除去，但是不提供复合桁条中明确边缘所需的刚度和硬度。此外，弹性体芯轴通常仅在弹性体材料开始裂降并且不能经受固化过程之前可用于多种用途。