[发明专利]用于固化复合零件的形状变形工具系统和方法

说明书

技术领域

本公开总体涉及复合材料制造并且更特别地，涉及在复合材料制品的固化期间控制热诱导形状变形。

背景技术

由于复合材料具有优秀的硬度和强度属性以及抗腐蚀性，所以许多直升机和其他旋翼飞机的主旋翼叶片是由复合材料制作的。这种高硬度和强度属性为处于直升机的高振动环境中的旋翼叶片提供了增加的疲劳寿命。此外，复合材料提供了一种手段以便对沿旋翼叶片的跨度的不同位置处的质量和硬度特性进行调适，以便优化旋翼叶片的气动弹性性能。

在这方面，主旋翼叶片可以用被定位在旋翼叶片的翼型形状内的不同位置的不同类型的材料构造，以实现具体的结构硬度和平衡特性。不同的材料也可以被定位在沿翼型形状的具体位置处，或者材料厚度可以沿着长度变化以便为旋翼叶片提供可操作的耐用性。例如，金属蒙皮可以被包含在旋翼叶片的复合翼梁的前缘上，以便为旋翼叶片提供侵蚀耐久性。

在旋翼叶片内用于不同组件的不同类型的材料的使用可以导致不相似材料的热膨胀特性的失衡。例如，金属蒙皮可以具有比复合翼梁的热膨胀系数更高的热膨胀系数。金属蒙皮可以以固化工具内提高的固化温度被粘合地接合到复合翼梁。金属蒙皮和复合翼梁的不同的热膨胀系数可以导致金属蒙皮沿着纵长方向收缩大于复合翼梁的收缩程度。因为在粘合固化期间发生的交叉接合，刚性接合线在金属蒙皮和复合翼梁之间形成。从固化温度冷却下来后，刚性粘结线导致了金属蒙皮和复合翼梁间的应力累积，其可以导致形状变形，例如已固化翼梁组件内的弯曲。

在旋翼叶片的制造期间使形状变形最小化的常规途径包含使用固化工具，其被设计为具有高刚性，和/或其具有低热膨胀系数以便在固化周期期间使变形最小，从而试图将旋翼叶片维持在期望(如，笔直的)形状。在尝试将旋翼叶片组件锁定在期望的笔直状态的过程中，复杂的保持特征也可以被并入子组装件零件以及随后的固化工具内。不幸的是，常规途径不能恰当地解决由于固化后不相似材料关于热收缩性的失衡而导致的在复合旋翼叶片内发生的形状变形(如，弯曲)。已固化复合子组装件内的这种形状变形可以在将已固化子组装件装配到随后的固化工具的过程中提出挑战并且危害最终零件的集成度。

如能够看到的，在本领域内存在对用于最小化或消除由不相似材料组成的已固化复合制品的形状变形的系统和方法的需要。

发明内容

与复合结构内热诱导的形状变形相关联的上文指出的需要具体地通过本公开而被解决和缓解，本公开提供了一种具有固化工具和偏压元件的工具系统。固化工具具有固化工具热膨胀系数(CTE)并且可以被配置为固化由具有不相似组件CTE的两个或多个组件形成的复合制品。偏压元件可以被固定地附连到固化工具并且具有可以不同于固化工具CTE的偏压元件CTE。偏压元件可以被配置为使得当受热时固化工具CTE和偏压元件CTE的结合导致热位移进入固化工具的变形形状内。复合制品可以被固化为变形形状，使得当冷却时，已固化复合制品可以基本呈现出设计的形状。

在进一步的实施例中，公开了一种工具系统，其包括具有固化工具热膨胀系数(CTE)并且可以被配置为固化由具有不相似组件CTE的两个或多个组件形成的复合制品的固化工具。工具系统可以进一步包含可以被固定地附连到固化工具的偏压元件。偏压元件可以具有不同于固化工具CTE的偏压元件CTE。偏压元件可以被配置为使得当被加热到固化温度时，固化工具CTE和偏压元件CTE的结合导致固化工具内的热位移，并且复合制品被固化成变形形状，使得当冷却到环境温度时，固化复合制品在不被约束的情况下基本上呈现出设计的形状。偏压元件可以在固化工具上的某位置处被固定地附连到固化工具，从而使热位移与被固化在无偏压固化工具上的已固化复合制品的冷却位移在方向上基本相反。

还公开了一种制造复合制品的方法，该方法可以包含提供固化工具，该固化工具具有被固定地附连到其上的偏压元件。固化工具具有固化工具热膨胀系数(CTE)。偏压元件可以具有不同于固化工具CTE的偏压元件CTE。该方法可以包含将复合制品加载在固化工具上。复合制品可以由具有不相似组件CTE的组件构成。该方法可以包含将复合制品和固化工具加热到固化温度。该方法可以额外地包含由于固化工具CTE和偏压元件CTE的差异而响应于将固化工具的温度提高到固化温度，将固化工具变形成变形形状。该方法也可以包含将复合制品固化成变形形状，并且然后冷却已固化复合制品，从而使已固化复合制品从变形形状改变形状为设计的形状。

已经论述的特征、功能以及优点能够在本公开的不同实施例中被独立实现，或者可以在又一些其他的实施例中结合，其更多细节通过参考之后的描述和以下附图能够被获知。