热膨胀系数控制结构制造技术

本发明专利技术是关于合并一个子结构进入用来构造复合结构的工具以便控制该工具在航空航天制造过程的热膨胀。子结构，诸如端板和／或角板，被添加到所述工具中限制层压板膨胀的增长和／或控制工具在固化循环期间的直径的增长。工具表面薄片的厚度可以被减小以便进一步减小工具的有效热膨胀系数（ＣＴＥ）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在制造过程中控制工具的热膨胀，更具体地，涉及在航空航天制造过 程中减小心轴的有效热膨胀系数。
技术介绍
众所周知材料膨胀和收缩随温度而变化。该自然现象的常用量词是热膨胀系数或 CTE0通常，CTE被认为是随单位温度变化引起的物体的线段的长度变化与基准温度下物体 的线段的长度的比值。当一种材料被加热，其线性尺寸随温度近似成比例地增加。随着温 度适度的变化，材料的长度变化量为<formula>formula see original document page 4</formula>其中Δ表示“变化”，T是温度(用华氏温度表征)，L是长度(用英寸表征)。常 数α叫做热膨胀系数(通常用10-6in./in. ° F表征)，Ltl是膨胀前的初始长度(用英寸表 征)。因为在制造过程中和当材料被使用时可能发生大的温度变化，所以考虑到在航空航天 中应用的材料的CTE非常重要。在理想情况下，正在被加工的零件和用于加工该零件的工 具应该由相似或相同的材料构成因为CTE应该匹配，因此工具和正在被加工的零件应该优 选随着任何温度变化以相同的比率膨胀或收缩。然而，该相同的CTE实际上并不总是能实 现。不同材料通常具有不同的CTE，不同材料的结合能够在材料之间产生残余热负载 效应，因为他们以不同的比率膨胀和收缩。零件和用于加工该零件的工具的CTE不匹配经 常使维持尺寸精确复杂化。例如，如果一个碳/环氧树脂零件使用铝制工具制造，该工具在 制造过程中的增长可以是碳/环氧树脂零件的3-4倍，因此改变了被加工零件的希望尺寸。 该碳/环氧树脂零件可能固化变硬，当工具和零件冷却后，该铝制工具可以比正在被加工 的碳/环氧树脂零件多收缩3-4倍。由于冷却，收缩和膨胀上的差异通常导致该零件由于 残余热负载效应而尺寸失配。然而，尽管存在这些缺点，但在航空航天制造应用中，经常需 要使用与被加工的零件的材料不同的工具，因为该工具材料可以提供其他优点。在过去，一些航空航天的应用使用碳/环氧树脂工具加工复合材料零件。应该理 解碳/环氧树脂心轴的穿越平面(thru-plane)的CTE高于碳/环氧树脂层压板的面内的 CTE0因此，心轴的热膨胀通常高于层压板的热膨胀，但是该物理性质可能有助于消除被加 工零件的任何缺陷。此外，在制造过程中压热处理工具和零件时，可以使零件的褶皱最小 化。然而，问题发生在冷却心轴和零件时。一旦该组合被冷却，零件最后结构仍然光滑(即 几乎没有可见的褶皱)；然而，零件出现不希望的下垂，例如从心轴上。尽管碳/环氧树脂有时可以被用作工具，但是很多用于生产飞机复合材料零件的 工具通常用殷钢，包括一些碳和铬的铁和镍合金构成。殷钢具有和某些复合材料相似的膨 胀率，例如碳/环氧树脂，因此维持精确公差便于尺寸控制。尽管殷钢工具通常为被制造的 零件制作一个理想的最终蒙皮形状(即不像使用碳/环氧树脂心轴时那么大的下垂)，通常 蒙皮层压板不如使用殷钢工具加工的零件上有时出现的褶皱好。该褶皱通常因为在殷钢工具上固化的零件不可以足够生长以消除体积因数褶皱而产生。此外，本领域需要提供能足 够膨胀这些零件以处理和褶皱有关的潜在问题同时也能消除由此产生的结构的工具。一种工具是心轴。使用传统方法由碳/环氧树脂制成的心轴在工具加工过程期间 通常增长的比期望值多，特别是压热器部分的制造过程期间。被加工的零件的周长和半径 被增加是因为所用工具的CTE持续高于优选值，部分是由于帽(hat)半径扩大开放，帽半径 扩大开放是因为碳/环氧树脂的穿越平面的CTE和面内的CTE的差异。所产生的周长扩大和更高的CTE的工具形成在压热处理过程结束时从心轴下垂 的零件。此外，增长需要在去毛边的过程期间需要薄垫片将零件保持在合适的位置。因此， 确定使用传统的碳/环氧树脂心轴制造高质量的层压板；然而最终蒙皮形状可能比不上期 望值因为被加工零件的半径和周长尺寸可能太大而不能用于航空航天领域应用的单体桶 (barrel) 0为了解决这些由使用复合工具导致的问题，想到可以设计一个更小的工具以便该 工具可以在制造过程中增长。本质上，工具的形状可以被调整以便当工具膨胀时，其可以膨 胀到合适的位置。然而，因为工具的膨胀影响正在被加工的零件的尺寸和整体形状，所以不 优选调整工具的尺寸。因此，需要理解什么导致在复合工具中比期望值大的热生长并且在制造过程期间 确定控制这些工具热膨胀的方法以便减小正在被加工的零件遭受下垂或褶皱的可能性。因 此，需要在航空航天制造过程期间控制复合工具的热膨胀以便消除使用此类工具加工的零 件所出现的下垂条件。
技术实现思路
本专利技术是关于减小复合工具热膨胀的一种系统和方法。该系统和方法优选包括在 制造期间将子结构合并入复合工具以便限制所述工具的直径增长。将所述子结构合并入所 述工具的实施例优选包括额外的端板(headers)和角板，减少所述工具表面薄片/表皮的 厚度，和/或将内蒙皮引入所述工具中。本专利技术的另外实施例是关于控制心轴的热膨胀的方法。该方法优选包括添加子结 构到所述心轴限制所述心轴的帽壁旋转。本专利技术的其他实施例包括将端板和角板的组合合 并到所述心轴形成所述子结构的全部或一部分。在本专利技术的其他实施例中，所述心轴限制 表面薄片的厚度可以被减小以便进一步减小心轴的热膨胀。另外的实施例包括将内蒙皮合 并进所述心轴。前面已经大体概述了本专利技术的特点和技术优势，以便可以更好地理解后面的本专利技术的详细描述。本专利技术额外的特点和优势将在下文中描述，形成本专利技术权利要求的主题。本 领域技术人员应该理解公开的思想和具体实施例可以方便的用作调整或设计执行本专利技术 相同目的其他结构的基础。本领域技术人员也应该认识到此类等效的结构未偏离附属权利 要求陈述的本专利技术的思想和范围。根据下面描述结合附图将更好地理解被认为是本专利技术特 征的新颖特征，其组织结构和操作方法，和其他目的和优势。然而，应该清楚地明白，提供的 每一幅图仅仅是为了图示说明和描述的目，而不是作为限制本专利技术的定义。附图说明为了更完整的理解本专利技术，参考下面描述以及附图，其中图1描述了根据本专利技术的一个实施例的合并子结构的工具的剖视图。图2a描述了根据本专利技术的另一个实施例的合并子结构的工具的视图。图2b描述了根据本专利技术的一个实施例的图2a中描述的合并内蒙皮的工具的视图。具体实施例方式航空航天应用已经更多地关注使用复合材料，因为它们重量轻，通常具有理想的 CTE，并且由于它们的强度还能在苛刻的环境中使用。然而，这些复合材料的CTE有时候难 以用想要的精度水平进行表征，这是由于复合材料是固有的多组元系统，就其本身而言，由 具有不同CTE的材料形成。此外，一种特定复合系统的CTE取决于铺叠(lay-up)结构和形 成该系统使用的材料的组成。为了生产一个在合适的容差范围内具有所需周长和半径的零件，需要控制制造过 程中使用的工具的热膨胀系数(CTE)。本专利技术的实施例是关于将附加结构(其可以被称为 用于本专利技术目的子结构)合并到复合工具以便在航空航天制造过程中控制工具的热膨胀。 子结构可以被添加到所述工具中以便限制层压板膨胀的增长和/或在固化周期期间控制 工具的直径增长。优选子结构(诸如端板或角板)可以被设计到所述工具中以便防止本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制复合工具热膨胀的方法，所述方法包括：提供一个具有一个表面薄片的复合工具；选择热膨胀系数ＣＴＥ控制特殊子结构以合并入所述复合工具；以及合并所述ＣＴＥ控制特殊子结构到所述复合工具以在制造期间限制所述复合工具到一个预定增长。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：WR小克里瑞，CG利塔克，TL纽科尔克，JJ杜瓦永，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]