專利名稱：兩用敷層工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在其上制作復(fù)合工件的敷層工具(lay-up tools)，更具體地說涉及一種敷層工具，在該工具上可以疊制具有蜂窩芯件的夾層工件，該芯件與第一表面片相粘接并被雕刻，施加和粘接第二表面片，并對工件進行修整，所有這些操作都是在不將工件從工具上取下來的狀態(tài)下進行的，直到工件加工完畢為止。
復(fù)合工件由于其機械性能和較輕的重量而在工業(yè)的各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是一種蜂窩型復(fù)合工件，它具有位于兩個復(fù)合表面片之間的蜂窩芯件，該復(fù)合工件呈現(xiàn)出優(yōu)良的強度-重量比和剛性-重量比，這使得它特別具有價值并廣泛用于航天工業(yè)。然而，盡管這種工件具有公認的優(yōu)點，并得到了廣泛應(yīng)用，但是它卻較為昂貴，這部分地因為制作這種工件的方法仍然笨拙，難于使用，它導(dǎo)致了復(fù)合工件的較高的報廢和返修率。
制作復(fù)合工件的方法包括在一種被稱為“粘接裝配夾具”(bond assemblyjig，BAJ)的工具的表面疊制工具側(cè)皮層(tool-side skin)，該皮層通常是由若干層浸泡了樹脂的玻璃纖維或石墨布制成。如果工件需要具有蜂窩芯件，則將蜂窩材料切割和裝配在所述工具側(cè)皮層上，并在組件上覆蓋一個真空袋，通過一個真空源將該真空袋中的空氣抽出。將套上了真空袋的組件送入到一個熱壓罐中，并再次與真空源相粘接，同時對它進行加熱，以便使工具側(cè)皮層層中的樹脂固化，并使蜂窩芯件與皮層相膠接。將套有真空袋的組件從加壓罐中取出，并去掉該真空袋。
此后，必須對所獲得的工件進行機械加工，以便使蜂窩芯件具有所需的形狀。上述機械加工是由CNC機床來實現(xiàn)的，例如安裝了機械手的龍門式機床，然而工件不可能在BAJ上進行這樣的加工，因為無法將它定位在機床基座上，同時也沒有將敷層組件固定在BAJ的工具表面上的設(shè)施。更為重要的是工具表面上沒有入口，使得刀具能夠伸入其中進行切邊、鉆孔或其他切削加工。事實上，工件從BAJ上取下來，運送到另一個被稱為“粘接銑削夾具”(bond mill fixture，BMF)的工具處。該BMF具有與BAJ相同的輪廓形狀，并具有真空吸口和夾持機構(gòu)，以便在對蜂窩芯件進行加工，將它雕刻成所需的形狀的過程中，將工件固定在BMF的一定位置上。
將工件從所述BMF上取下來，并對蜂窩芯件進行清掃，以便除去其孔洞中的灰塵。重新將經(jīng)過清掃之后的工件定位在BAJ上，使之與夾具和壓緊機構(gòu)重新配合。在蜂窩芯件上層疊構(gòu)成真空袋側(cè)皮層(bag-side skin)的多層材料，然后覆蓋上另一個真空袋。將BAJ再一次送入到熱壓罐中，在該熱壓罐中使真空袋側(cè)皮層與蜂窩芯件相粘接。在固化之后，將固化后的工件再一次從BAJ上取下來，并重新定位在所述BMF上，以便進行最后的修整。
上述過程相當(dāng)費時，且成本很高。它需要采用兩個單獨的工具，這些工具都是很昂貴的，尤其對于大型工件來說就更是如此，而且在兩個工具上將工件取下裝上的過程中需要進行大量的手工操作。大型的復(fù)合工件尤其困難，因為該工件具有柔性，在重新定位時難于將它精確地置于工具上。當(dāng)部分完工的工件上只有一側(cè)皮層時，它是不平衡的，經(jīng)常由于皮層在固化過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力而使之變形，這就使得將工件重新定位在BMF上進行修整以及將工件重新定位在BAJ上層疊真空袋側(cè)皮層的過程變得更為困難。工件在工具上的不準(zhǔn)確定位將導(dǎo)致對工件隨后所進行的操作走位，因為這樣的操作是在假定工件仍然被定位在正確位置上而進行的。這樣，在每一次操作中，對工件的加工都會略有不同，從而導(dǎo)致不可能得到完全相同的成品工件，而且其差別也是完全無法預(yù)測的。在對通過這樣的方法所得到的工件進行形狀質(zhì)量控制的過程中，采用通常所采用的質(zhì)量控制方法，例如統(tǒng)計方法控制等等并不有效。在尺寸的控制以及使工件符合經(jīng)過統(tǒng)計確定的公差范圍要求對于按進度制作產(chǎn)品的能力來說是至關(guān)重要的場合，上述問題就會變得更為突出，因為這將關(guān)系到企業(yè)是否能夠獲得商業(yè)上的成功。
因此工業(yè)上迫切地需要提供這樣一種制作敷層復(fù)合和夾層工件，例如具有蜂窩芯件的工件的方法和裝置，它能夠采用單個的工具來進行工件的各個部件的組裝和粘接，而且可以采用同一個工具來夾持工件以便進行最終形狀的修整而不需要將工件在不同的工具之間來回傳送。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進的方法，用于從構(gòu)成元件，例如表面皮層或疊層、蜂窩芯件和預(yù)先浸泡樹脂的纖維材料，來制作經(jīng)過粘接和固化的工件，該方法能夠顯著地改善所獲工件符合尺寸要求的性能。本發(fā)明的另一個目的是提供一種單個的工具，可以在該工具上對需要被粘接或固化的各個部件進行組裝、粘接和/或固化，然后以很高的精度進行機械加工，即進行雕刻、修整和/或鉆孔等，而所有這些都是在該工件首次被組裝起來的工具的原始位置上進行的，不需要將工件取下來，直到完成機械加工步驟為止。本發(fā)明的再一個目的是提供一種經(jīng)過改進的工件，它由構(gòu)成部件在一個單個的工具上經(jīng)過粘接或固化而組裝在一起，并在同一個工具上進行機械加工，讓工件保持在其原始的被粘接或固化的位置上，不需要將工件從所述位置上取下來，直到完成機械加工為止。
本發(fā)明的上述和其他目的都是在一個單個的工具上實現(xiàn)上的，該工具具有一個工具主體，其表面(facing surface)的形狀被加工成需要在該工具上制作的工件一表面的形狀。在工具主體的表面上形成了一個槽，在該槽中填充犧牲材料(sacrificial material)，該犧牲材料形成了一個與工具主體的表面相齊平的頂面。所述犧牲材料是一種發(fā)泡材料，它能夠形成一層與工具主體的表面相齊平的堅硬而平滑的表層。通過在工具主體上疊放工具側(cè)皮層或疊層，并將該工具側(cè)皮層與位于周邊槽中的所述犧牲材料的齊平表面粘接在一起，從而制作出工件。可以將蜂窩芯件置于所述皮層上，并將組件與和工具表面相一致的工具側(cè)皮層粘接和/或固化在一起。在固化之后，將工具從熱壓罐中取出，并將它重新定位在一個CNC機床的基座上，在該機床上采用適合的刀具將蜂窩芯件加工成所需的形狀，并采用真空處理方式除去芯件中的灰塵。在芯件的經(jīng)過加工的表面上施加用于形成真空袋側(cè)皮層的多層材料，并對組件進行固化。在進行固化之后，將工具重新精確定位在所述CNC機床的基座上，采用該機床上的刀具圍繞工件切削出一個周邊邊緣。該機床的控制器被編程，以便控制刀具圍繞所述周邊槽進行切削。該刀具伸入到所述周邊槽中，并與工件的整個厚度方向相嚙合，以便切削出周邊邊緣。在進行邊緣切削之后，將完成加工的工件從工具上取下來。在整個制作過程中，工件始終位于工具上，因此消除了已知技術(shù)中將工件在不同的制作步驟中使用的工具之間傳送而帶來的定位問題。
通過下面對本發(fā)明實施例的詳細說明結(jié)合附圖，本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點將變得更為清楚。其中

圖1是本發(fā)明的兩用敷層工具的透視圖；圖2是定位在龍門式機床的基座上的兩用敷層工具的透視圖；圖3是如圖1所示工具的頂板的工具表面的剖視圖，在工具上敷設(shè)了工件的部件，并示出了在將工件保持在工具上的原始位置上的狀態(tài)下對工件進行修整和其他加工時刀具的行進路徑；圖4是如圖1所示工具的頂板部分的剖視圖，示出了覆蓋在填充了犧牲材料的槽上的襯板(caul sheet)；圖5是放大的透視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明覆蓋在工具上的電加熱襯板；圖6是本發(fā)明所提供的另一種形式的工具的透視圖，示出了在工具的頂板上用作各種切口的凹部；圖7是用于如圖1所示工具的支持結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖8是如圖7所示工具支持結(jié)構(gòu)的平面視圖；圖9是方框圖，示出了將數(shù)字數(shù)據(jù)由一個數(shù)字工件模型轉(zhuǎn)換為機床控制器所能使用的形式的過程；圖10是一種真空工具的透視圖，該工具用于清掃在如圖1所述工具上加工出的蜂窩芯件的孔洞中的灰塵。
在附圖中，相同或相應(yīng)的工件采用相同的附圖標(biāo)記來表示。參見圖1，它示出了一個兩用鋪疊工具30，具有如頂板32的工具主體，該頂板32有支持結(jié)構(gòu)34予以支持。制作頂板32的材料與制作工件的材料具有彼此兼容的化學(xué)和物理性質(zhì)。例如，制作頂板32的材料最好與部件的材料，特別是與頂板相接觸的那層材料(通常被稱為“工具側(cè)皮層”)，具有彼此匹配的熱膨脹系數(shù)。如果上述工具側(cè)皮層是由一種廣泛使用的材料即環(huán)氧樹脂預(yù)先浸泡的碳纖維織物，則頂板32也應(yīng)當(dāng)由碳纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成，或者由英瓦合金(invar)36制成，該合金是由一種鎳-鐵合金，具有與碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相匹配的熱膨脹系數(shù)。具有鋁蜂窩芯子的鋁制皮層通常采用鋁加工，從而在熱膨脹系數(shù)方面(CTE)相匹配，并具有與鋁制工件材料相匹配的化學(xué)性能。
支持結(jié)構(gòu)34可以采用任何適合的設(shè)計方案，盡管在最佳實施例中是采用如圖1所示的常規(guī)“格子”(egg-crate)式的設(shè)計方案。美國專利5100255號公開了另一種適合的支持結(jié)構(gòu)，它由具有安裝件的復(fù)合管材組裝在一起而制成，本申請以上述美國專利作為背景技術(shù)。支持結(jié)構(gòu)34具有運輸附件，以便在工廠中移動所述工具30。在本最佳實施例中，上述運輸附件包括兩對起重環(huán)36，它們被分別固定在支持結(jié)構(gòu)34的前側(cè)和后側(cè)，用于安裝起重纜繩，該纜繩與行車上的吊鉤相配合，用于在工廠中吊起并運送工具30。另一種運輸附件是如圖1所示的設(shè)置在支持結(jié)構(gòu)34內(nèi)部的叉車起重管40，它可以用于取代上述起重環(huán)，但最好是兩者并具。叉車起重管40用于接納叉車的兩個彼此分開的叉臂，通過該叉臂就能夠?qū)⒐ぞ?0提升起來，并在工廠內(nèi)到處移動。
在支持結(jié)構(gòu)34上設(shè)置了定位和固定機構(gòu)，用于將工具30精確地轉(zhuǎn)動和定位在機床的基座42上(該機床可以是如圖2所示的5軸龍門式機床44)，并將支持結(jié)構(gòu)34固定在機床臺板42的所需位置上。機床44在機床控制器46的控制下，在工具30上疊層的工件固化之后對它進行機械加工。上述定位和固定機構(gòu)有助于工具30在機床基座42上的精確定位，因此機床控制器能夠驅(qū)動機床到正確的位置，以便對工件進行準(zhǔn)確的加工。該定位機構(gòu)包括設(shè)置點、正弦鍵和工具球，下面將會對它們的使用進行詳細說明。采用這些機構(gòu)，能夠非常準(zhǔn)確地將工具30定位在機床的基座42上，并能夠檢驗該位置，并調(diào)節(jié)機床的程序，使之符合工具30的頂板34的實際位置，從而精確地進行隨后的加工操作，因為已經(jīng)準(zhǔn)確地獲知工具30以及在其上疊層的工件的位置。
將工具30固定在機床基座42上的固定機構(gòu)可以采用任何所述技術(shù)領(lǐng)域中公知的用于將工件固定在機床上的機構(gòu)。在這一實施例中，上述固定機構(gòu)是普通的卡盤(toe clamps)，其設(shè)計是所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的。
頂板32具有一個朝上的表面60，在其上層疊了工件的構(gòu)成部件。上述上表面的形狀就是需要由該工具所制作的工件的某一個表面的形狀。在頂板32的上表面60上加工出朝上開口的凹部，該凹部的位置對應(yīng)于在隨后的制作過程中在工件上需要予以機械加工的位置。上述凹部包括位于頂板32上的周邊槽62，其位置就是需要在工件上切割出邊緣的位置；位于頂板32上的圓柱形孔63，其位置就是需要在工件上鉆孔的位置。其他連續(xù)溝槽位于槽62中的需要在工件上切出開口的位置上。凹部的各種形狀中的一些如圖6所示。在凹部中設(shè)置犧牲材料(sacrifical material)64，在該材料上可以將構(gòu)成材料疊層在與上表面60相齊平的頂板32上。
如圖3所示，槽62剖面最好具有楔形榫頭，這將有助于將上述防蝕消耗發(fā)泡材料保持在槽中，直到將它去掉為止。經(jīng)過固化之后，上述發(fā)泡材料具有大約500PSI的強度，這一強度在正常的情況下已經(jīng)足以提供一個支持表面以將工具側(cè)層與工具頂板32表面相齊平。然而，如果需要更高的強度，可以在槽62中加入一層或多層石墨/環(huán)氧樹脂浸漬帶，使之位于發(fā)泡材料64上，以便提供更為堅硬的表面，該表面固化之后能夠使負荷分布在一個更大的表面上，因而能夠承受更大的負荷。為了便于在取出工件之后能夠方便地從槽62中去掉發(fā)泡材料64，可以在將發(fā)泡材料施加到槽62中之前，在槽62上填入另外的經(jīng)過樹脂浸泡的纖維條。
槽62完全環(huán)繞頂板32的上表面60的中心部位，在表面上的編制邊緣條所在的位置上將敷層工件的構(gòu)成部件。其他凹部位于工具的某些位置，該位置對應(yīng)于需要在工件上鉆孔的位置或者其他需要對工件進行加工的位置。外周的槽是一種“連續(xù)”的槽，所謂連續(xù)是指該槽完全環(huán)繞敷層工件的部位。然而，可能會有較為特殊的工件設(shè)計，它需要槽中有間斷或間隙，這就是所謂“基本上連續(xù)”的槽。槽的深度最好使得機床的刀具68在其切割過程中正好能夠伸到表面60的下面，從而使其周邊處的切割齒部能夠與工件外周邊緣的整個厚度相嚙合并進行切割。在這一實施例中，槽62的深度D大約為0.050英寸，但是如果不能為安裝了刀具68的機床設(shè)置程序，使之以所需的精度來跟隨頂板32的輪廓形狀，則可以使上述深度更深一些。
槽62的寬度W的選取應(yīng)當(dāng)適合于刀具68的直徑加上機床44中的刀具68在其行程中所需的公差。在刀具68切割出的切口的兩側(cè)還提供了槽62的附加寬度，用于保持朝著犧牲材料64彎曲的敷層材料的工具側(cè)表面，以便確保工件在切割操作的過程中不會產(chǎn)生移動，而是牢固地保持在頂板32的位置上，直到切割加工完畢和能夠?qū)⒐ぜ墓ぞ?0上取下來為止。
犧牲材料64可以采用任何適合的材料，只要它能夠被方便地置于槽62之中，并具有足夠的強度、耐溫性能以及其他性質(zhì)以能夠在粘合/固化操作過程中支持構(gòu)成材料即可。在這一實施例中采用的材料最好是B.F.Goodrich #PL657可熱膨脹自結(jié)皮泡沫(self-skinning foam)。如圖4所示，將它以顆?；蚯袟l形式置于槽62中，并覆蓋一層平滑模制的網(wǎng)膜片(caul sheet)70。該網(wǎng)膜片70最好用石墨/環(huán)氧樹脂材料制成，在加工形成槽62和其他凹部之前直接模壓在頂板32的上表面上，并在覆蓋一個真空袋71的情況下通過在固化周期加熱到固化溫度來予以固化。通過敷設(shè)一條密封條，可以將真空軌跡73模壓在網(wǎng)膜片70的下側(cè)，該密封條通常用于沿著在頂板表面60上將要加工出槽62的路徑兩側(cè)來密封真空袋71與工具之間的邊緣。用于制作網(wǎng)膜片的石墨/環(huán)氧樹脂片材被置于密封條之上的工具表面60上，并以這種形狀進行固化，以形成真空軌跡73。通過用網(wǎng)膜片70和真空袋來覆蓋槽62，并采用該技術(shù)中熟知的類似于油灰之類的密封條75將真空袋的邊緣密封到頂板32的表面60。上述真空袋被抽真空到大約10英寸(汞柱)的真空度，并將真空施加到真空軌跡73中，以便將網(wǎng)膜片向下保持貼在位于槽62之上的工具上表面60，同時發(fā)泡材料朝著位于槽62之上的網(wǎng)膜片的下側(cè)膨脹，并隨后在這種膨脹的條件下予以固化。為了使發(fā)泡材料膨脹和固化，將工具30置于一個烤箱或熱壓罐之中，并加熱到發(fā)泡材料廠商所指定的加熱溫度，對于B.F.goodrich # PL657材料來說，是在大約260℃的溫度下加熱大約90分鐘。
為了固化發(fā)泡材料64，最好采用圖5所示的用電加熱的網(wǎng)膜片72。在該網(wǎng)膜片72的上表面76上固定電熱條74，電熱條74的位置位于槽62之上，或者在制作網(wǎng)膜片72時就在其中設(shè)置電熱條74。可以將一個絕熱毯子77，部分如圖5中虛線所示，覆蓋在網(wǎng)膜片72的頂面上，以便在固化過程中減少向周圍空氣的散熱，降低將發(fā)泡材料64保持在高溫度下所需的電能。與電熱條相鄰的溫度傳感器78產(chǎn)生一個信號，通過導(dǎo)線79傳送到一個控制器80，該控制器監(jiān)視網(wǎng)膜片72的溫度，并調(diào)節(jié)由電源82向電熱條74提供的電能，以便將溫度保持在位于槽62中的發(fā)泡材料64所需的固化溫度上。由于采用了上述電熱網(wǎng)膜片72，因此在固化過程中不必使用昂貴的烤箱，從而減少了制作過程的成本。
在對發(fā)泡材料64進行固化之后，去掉真空袋71和網(wǎng)膜片70或72，并在工具表面60上或槽62的兩側(cè)涂覆一層脫模涂層，但是不涂覆在位于槽62中的鋪墊發(fā)泡材料64上。上述脫模涂層的作用在于當(dāng)將工件從工具30中取出來時，工件不會粘在工具表面上。工件的工具側(cè)皮層85的各層被置于工具表面60上，覆蓋槽62，并如圖3所示越過該槽一定的距離，以便提供一個余量或邊緣。如果工件是一個具有蜂窩芯子的夾層工件，蜂窩芯件84將通過元件84之間的粘性膨脹發(fā)泡材料置于上述多層工具側(cè)皮層的頂面上。用于槽62中的膨脹發(fā)泡材料64也可以方便地用于將蜂窩元件84粘合在一起。
將一個通氣條87置于多層工具側(cè)皮層85的附近，并將真空袋71置于多層工具側(cè)皮層85和諸如蜂窩芯件之類的其他部件之上。采用密封條75或者所述技術(shù)領(lǐng)域中熟知的其他類似物，將真空袋71的邊緣圍繞槽62的外側(cè)密封在工具表面上。真空袋71之下的空間以及密封油灰周邊的內(nèi)部由真空泵86來抽真空，該真空泵86通過一個抽真空導(dǎo)管88與位于槽62附近的工具中的真空接口90相粘接。在將工具30送到一個熱壓罐(圖中未示)的過程中，可以采用安裝在上述真空接口上的單向閥(圖中未示)來保持真空。在上述熱壓罐中，將真空接口90重新粘接到真空源86，并對熱壓罐進行加壓和加熱，使各層中預(yù)先浸泡的樹脂流出并固化，同時通過抽真空導(dǎo)管88將固化樹脂所產(chǎn)生的任何氣體抽出。
在各層和部件中的樹脂固化之后，將熱壓罐中的溫度和壓力降低到室溫常壓(RTP)，并將工具30輸送到機床的基座42上。工具30的支持結(jié)構(gòu)34上的可伸縮的腳部94被縮回，以便使支持結(jié)構(gòu)34下側(cè)的基準(zhǔn)表面96與機床的基座42相嚙合。這樣就確定了工具30的表面60與機床基座42相距的垂直位置，這是機床程序所“已知”的距離，該程序控制龍門式機床的移動。在其他任何時間中，上述可縮回的腳部94都處于伸出的狀態(tài)，換句話說，在工具30的存放和移動過程中，以及皮層材料和構(gòu)成材料在工具30上層疊的過程中，上述可伸縮腳部處于伸出狀態(tài)，以便保護精確的接地基準(zhǔn)表面％不會產(chǎn)生劃痕或者受到其他損傷，這樣的損傷將會影響基準(zhǔn)表面96與頂板32的頂部表面60之間的距離。
通過材料定位裝置，包括圖7、8中所示的設(shè)置點98和正弦鍵100，來確定工具30在機床基座42上的位置和取向。上述設(shè)置點98包括板102(通過焊接或其他方式將它牢固地固定在工具30的支持結(jié)構(gòu)34的下側(cè))以及在該板102上精確地鉆出和搭接的垂直孔104。如圖2所示，將一個其直徑典型為2英寸的地腳銷子106以緊密滑動配合方式插入到上述孔104中，和使之插入到機床基座42上某一個被選中的具有相同尺寸的孔108中。如圖7、8所示，所述正弦鍵100包括板110，它如同板102那樣被固定在支持結(jié)構(gòu)34的下側(cè)。在板110上精確地鉆出和搭接了一個較小的垂直孔112。同樣，將一個其直徑典型為13/16英寸的地腳銷子以緊密滑動配合方式插入到所述孔112中，并向下穿過板110，進入到機床基座42上的T形槽116中，所述孔108對準(zhǔn)該槽。當(dāng)銷子106和114被定位于板102和110之上，向下穿過孔108和槽116時，工具30在機床基座42的位置就會被唯一地予以確定。通過確定銷子所在的槽116和孔108，就能夠?qū)⑵湮恢幂斎氲綑C床的控制程序中。這一信息連同輸入到機床控制器46之中的工具形狀數(shù)據(jù)和工件形狀數(shù)據(jù)，就足以使機床控制器引導(dǎo)機床進行所需的切削操作。
參見圖9，它以示意的方式顯示了如何將數(shù)字工件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機床44的控制器所能理解和執(zhí)行的機器指令，以便使機床能夠?qū)ぜM行所需的加工，例如切邊和鉆孔。存儲在中心計算機122中的數(shù)字工件模型120被送到NC機床的編程器，該編程器采用上述工件模型120來產(chǎn)生程序124。所述程序包括各種信息，例如刀具的種類、刀具軸速度、刀具給進速度、切削深度、刀具的加工次數(shù)和行進路徑等等。上述NC機床程序由一個后處理器126來進行處理，以便產(chǎn)生一種其格式和載體能夠被機床控制器46讀出的程序。該程序被送入到一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行存儲，以便在需要時可以取出。當(dāng)一個機床操作者準(zhǔn)備好制作工件時，將上述程序調(diào)出，送入到機床控制器并執(zhí)行該程序，以便在將工件固定在機床的基座42上并確認其位置之后進行所需的切削加工。
某些工件需要在脫離工具側(cè)皮層的條件下制作單獨的芯件，然后再經(jīng)過一次操作與工具側(cè)皮層和真空袋側(cè)皮層裝配在一起，并一起予以固化。對于這樣的工件來說，將單層的石墨環(huán)氧樹脂置于工具的表面60上，并將蜂窩芯件置于工具側(cè)層的上面。在發(fā)泡芯件之間插入諸如由B.F.Goodrich # PL657制成的發(fā)泡材料條。在組件上述覆蓋一個真空袋，并采用一個真空泵來抽真空。將該工具置于一個熱壓罐中，將其中的溫度和壓力提高到固化所需要的數(shù)值。在該方法中，沒有必要采用襯板來對槽62中的發(fā)泡材料單獨進行固化，因為蜂窩芯件覆蓋并跨越該槽，提供了一種支持，以便防止真空袋在固化之前使得槽62中的發(fā)泡材料產(chǎn)生凹陷。在芯件被固化之后，將工具送到機床，并安裝在機床的基座42上，使之位于所需的位置。對芯件進行加工，產(chǎn)生采用它的工件所需要的雕刻形狀，并沿著槽62對芯件的周邊進行切削，以便將芯件從工具中取出。經(jīng)過雕刻和加工的芯件被取出，并安裝在同一個或另一個工具的工具側(cè)皮層上。在芯件上施加真空袋側(cè)皮層，并將一個真空袋置于并密封于工具之上。對上述真空袋抽真空，并將工具置于一個熱壓罐中，以便對兩種皮層進行共固化。
對芯件84進行加工以產(chǎn)生工件所需的雕刻形狀是一種有效和精確的技術(shù)，用于使芯件產(chǎn)生所需的形狀。然而，實踐表明在進行加工之后要除去芯子孔洞中的灰塵和碎片是很困難的，尤其是在直到真空袋皮層被固化之前將工件固定在工具上的情況下就更是如此。為了便于從芯子孔洞中除去灰塵和碎片，將圖10所示的真空工具130滑過在芯件的頂部表面上。該真空工具具有一個罩子132，它具有一個用于安裝真空吸管136的粘接件134。在罩子132的另一側(cè)安裝了一個跨過其開口的管子138。該管子138具有一排小孔140，小孔朝著罩子的開口方向，在管子138的端部設(shè)有一個能夠快速拆卸的粘接件142，用于將該管子與一個壓縮空氣管144相粘接。
在操作的過程中，將所述真空工具與來自諸如吸塵器之類的真空源的真空吸管136相粘接，并將壓縮空氣管144粘接到粘接件142上。將罩子放置使其開口于蜂窩芯件的表面上，由一排小孔140吹出的空氣將蜂窩孔洞中的灰塵吹出，然后通過真空吸管136將含有灰塵的空氣從罩子132中抽出。從小孔140吹出的空氣速率小于真空源從真空罩子132抽出的空氣速率，因此不會有灰塵從罩子132中吹出去。沿著罩子132前端邊緣的一排淺槽使得空氣能夠被吸入到罩子中，從而能夠防止在罩子內(nèi)部形成真空，這樣的真空將會妨礙罩子在芯件84的表面上移動。
這樣，本發(fā)明通過提供一個用于在敷層工具上層疊和固化/粘接工件的方法和裝置，并提供對蜂窩芯件進行雕刻以及在工件仍然位于原始工具和仍然處于原始位置的條件下對工件進行修正和鉆孔的裝置，從而實現(xiàn)了本發(fā)明的目的。本發(fā)明克服了已知方法和裝置所存在的問題，大大改進了制作工藝，使之能夠符合規(guī)定的公差要求，并顯著地減少了制作、維護和儲存工具的成本。這種經(jīng)過改善的具有較小公差的制作技術(shù)使新型技術(shù)的采用成為可能，采用這樣的技術(shù)能夠制作大型的敷層工件，例如統(tǒng)計公差和確定裝置，從而進一步提高了質(zhì)量，降低了采用所述工件的裝置的成本。
顯然，在本發(fā)明的基礎(chǔ)上，本技術(shù)領(lǐng)域里的普通技術(shù)人員還能夠作出種種改進。因此應(yīng)當(dāng)指出的是，這些改進及其等同技術(shù)都在下述權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種兩用工具，既用作成型體以在其上施加構(gòu)成材料以便粘接和/或固化成具有所需形狀的工件，又用于在隨后對所述工件的周邊邊緣進行加工的過程中將所述材料固定在原始施加位置上，包括工具主體，其具有一個表面，構(gòu)形成將要在該工具上制作的工件的某一表面的所需形狀；用于支持所述工具主體的支持結(jié)構(gòu)，以便使所述表面保持所需的形狀；在所述工具主體上的開設(shè)于所述表面上的基本上連續(xù)的槽；其中，用于所述工件的所述材料施加在工具主體上，并在位于所述工具主體的原始施加位置的狀態(tài)下進行粘接和/或固化以及邊緣修整。
2.如權(quán)利要求1所述的兩用工具，其中所述槽在垂直于該槽縱向軸線的平面上具有燕尾形的截面形狀，其底部的寬度大于處于所述表面處的寬度。
3.如權(quán)利要求1所述的兩用工具，進一步包括用于填充所述槽并形成與所述工具主體的所述表面相齊平的頂部表面的犧牲材料。
4.如權(quán)利要求3所述的兩用工具，其中所述犧牲材料是一種自結(jié)皮發(fā)泡材料，用于形成與所述工具主體的所述表面相齊平的致密堅硬皮層。
5.如權(quán)利要求1所述的兩用工具，其中所述犧牲材料在其內(nèi)粘結(jié)了纖維條，以便于在圍繞所述工件切削所述周邊邊緣之后從所述槽中取出所述犧牲材料。
6.如權(quán)利要求1所述的兩用工具，進一步包括位于所述工具上的定位裝置，用于將所述支持結(jié)構(gòu)和所述工具主體定位在機床的基座上，該機床根據(jù)有關(guān)所述槽的形狀數(shù)據(jù)和有關(guān)所述支持結(jié)構(gòu)和工具主體的數(shù)據(jù)來編程，以便由該機床對所述周邊邊緣進行自動切削。
7.如權(quán)利要求6所述的兩用工具，其中所述定位裝置包括設(shè)置點和正弦鍵，每一個都具有用于準(zhǔn)確定位的銷子，以便將所述支持結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確地定位在所述機床基座上。
8.如權(quán)利要求7所述的兩用工具，其中所述定位裝置包括位于所述工具主體中的工具球座子，用于承受一個工具球，該工具球具有與所述機床所操縱的一個探針相接觸的表面，以便確定所述工具上的一個基準(zhǔn)表面的實際位置。
9.一種層疊和粘接的工件，包括；位于一個蜂窩芯件相對兩側(cè)上的工具側(cè)皮層和真空袋皮層；圍繞所述工件的周邊邊緣，在該工件保持在工具上的原始層疊位置上的狀態(tài)下對所述邊緣進行加工。
10.一種用于制作層疊而成的經(jīng)過粘接和固化的工件的方法，包括在一個工具的表面上的周邊槽中填充犧牲材料，并形成一個與所述表面相齊平的表面；在所述工具的所述表面上層疊一個工具側(cè)皮層，在所述工具側(cè)皮層的上面層疊該工件的其他部件，所述皮層和部件具有一種粘性/樹脂基體，經(jīng)過粘合/固化之后形成所述皮層和部件的堅固整體性組件；在所述層疊而成的皮層和部件上施加一個真空袋，環(huán)繞所述皮層和部件密封所述真空袋的邊緣區(qū)域；從所述真空袋中抽出空氣，通過真空袋外部的空氣壓力使得所述真空袋緊貼在所述部件上；對所述粘性/樹脂基體進行粘接/固化，使所述皮層和部件形成所述堅固的整體性組件；從所述工具的表面上除去所述真空袋，使所述堅固整體性組件暴露出來；采用定位裝置，將所述工具固定在一個CNC機床的基座的已知位置上，使所述工具的所述表面位于一個已知的位置上，以便由所述機床對所述堅固整體性組件進行邊緣切削；將具有所述工件的數(shù)字條件的數(shù)據(jù)組調(diào)入到一個控制器，以便控制所述機床的加工；所述控制器執(zhí)行采用了所述數(shù)據(jù)組的機床控制程序，引導(dǎo)所述機床的刀具，以預(yù)定軌跡圍繞所述工具的所述表面進行加工，所述刀具切削掉位于所述工具的表面之下的犧牲材料，并切削所述堅固整體性組件的周邊邊緣；從所述工具的所述表面上取下所述堅固的整體性組件。
11.如權(quán)利要求10所述的制造方法，進一步包括采用一個安裝在所述CNC機床上的探針來探測所述工具，以便確定所述工具上的至少三個基準(zhǔn)部位的實際位置；用所述基準(zhǔn)點的實際位置對所述機床控制程序進行校正，根據(jù)所述控制器中基于所述定位裝置的座標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，更新所述機床控制程序中有關(guān)所述工具在所述機床上的所述位置的數(shù)據(jù)。
12.如權(quán)利要求10所述的制造方法，其中所述數(shù)據(jù)組是由一個存放了所述數(shù)據(jù)組的主計算機中轉(zhuǎn)錄到所述機床控制器的所述機床程序中的。
13.如權(quán)利要求10所述的制造方法，其中所述槽是采用所述機床，在所述工具位于機床基座上的狀態(tài)下切削而成的，以便將不同機床所帶來的變化減小到最小程序。
14.如權(quán)利要求12所述的制造方法，其中；所述犧牲材料是一種能夠自結(jié)皮發(fā)泡材料；所述犧牲材料的表面形成步驟包括將所述工具的所述表面覆蓋一層襯板，加熱所述工具和在所述槽中的所述發(fā)泡材料以發(fā)泡和固化所述發(fā)泡材料，填充所述槽，并在所述發(fā)泡材料上形成一個與所述表面相齊平的堅硬而平滑的表面。
15.一種制作層疊的被粘接和/或被固化工件的方法，包括在一個工具上設(shè)置工具側(cè)表面片，該工具的表面被加工制成具有所述工件的所需模制線形狀；將所述工具側(cè)表面片支持在一犧牲材料上，該犧牲材料被填充在圍繞所述表面片的周邊槽中，而所述表面片處于其外周邊邊緣上，所述犧牲材料的上表面與所述工具的所述表面相齊平；使所述工具側(cè)表面片與位于所述槽中的所述犧牲材料相粘接；將所述表面片在所述工具上進行粘接和/或固化；采用機床上的刀具沿著所述周邊槽在所述工件上切削出一個新的周邊邊緣，所述刀具伸入到所述周邊槽中，部分地切入所述犧牲材料，并與所述表面片的整個厚度相嚙合以切削出新的周邊邊緣。
16.如權(quán)利要求15所述的制作層疊的被粘接和/或被固化工件的方法，進一步包括在所述工具側(cè)表面片的頂面上疊層蜂窩芯件材料，并將所述蜂窩芯件材料與所述工具側(cè)表面片相粘合；對所述蜂窩芯件材料進行加工，以便制成一種蜂窩芯件，它具有被雕刻的頂部表面，該頂部表面的形狀與所述工件的所需形狀相一致；將一個真空袋側(cè)皮層粘合到所述蜂窩芯件的所述被雕刻頂部表面上。
17.如權(quán)利要求16所述的制作層疊被粘接和/或被固化工件的方法，進一步包括在進行加工之后對所述蜂窩芯件的孔洞進行空氣吹掃，以便清除在蜂窩芯件的制件過程中所產(chǎn)生的灰塵；在所述空氣吹掃的附近進行真空抽吸，以便將從所述孔洞中吹掃出的灰塵抽吸出來。
18.如權(quán)利要求15所述的制作層疊被粘接和/或被固化工件的方法，其中所述犧牲材料是一種能夠自結(jié)皮的發(fā)泡材料；所述犧牲材料的表面形成步驟包括用一個襯板來覆蓋所述工具的所述表面，加熱所述工具和位于所述槽中的發(fā)泡材料，以便使所述發(fā)泡材料發(fā)泡和固化，填充所述槽，并在所述發(fā)泡材料上形成一與所述表面相齊平的堅硬而平滑的表面。
19.一種制作復(fù)合工件的方法，包括在圍繞一個工具的頂部表面的層疊區(qū)域上的基本上連續(xù)的槽中施加一串發(fā)泡材料將一個襯板覆蓋在所述槽上，對所述襯板施加壓力，將它平壓向所述工具的所述頂部表面；加熱所述襯板，從而加熱位于所述槽中的所述發(fā)泡材料；讓所述發(fā)泡材料發(fā)泡，并將所述槽向上填充達到所述襯板，以便由該發(fā)泡材料形成一個與所述工具的所述表面相齊平的頂部表面；在保持對所述襯板上所施加的壓力的同時，讓所述發(fā)泡材料在所述槽中固化；在所述發(fā)泡材料固化之后去掉所述襯板；層疊所述工件的部件，并使所述部件在所述工具上固化，不將所述部件從所述工具上取下來；將所述工具的一個基準(zhǔn)表面置于一個機床的基座上，并精確地確定所述工具在所述基座上的位置，從而準(zhǔn)確地得知所述槽的位置；對所述機床的控制器進行編程，以便控制所述機床，驅(qū)動圍繞工件處于所述槽中的刀具，使所述刀具與所述工件的整個厚度相嚙合，以便為所述工件形成精確的邊緣；從所述工件上取下所述工件。
20.如權(quán)利要求19所述的制作復(fù)合工件的方法，其中；在所述發(fā)泡材料的固化過程中，所述襯板加熱步驟包括為與所述襯板相接觸的電加熱器通電。
21.如權(quán)利要求19所述的制作復(fù)合工件的方法，進一步包括將所述層疊部件粘合在所述發(fā)泡材料上。
22.如權(quán)利要求19所述的制作復(fù)合工件的方法，其中所述槽具有與該槽的縱向軸線相垂直的燕尾形截面形狀。
23.如權(quán)利要求22所述的制作復(fù)合工件的方法，進一步包括在所述槽中施加一串所述發(fā)泡材料之前，在槽中涂覆一層脫模劑。
24.如權(quán)利要求19所述的制作復(fù)合工件的方法，其中所述工件的所述部件之一是一個蜂窩芯件，它具有與所述工具的所述頂部表面相垂直的孔洞；所述編程步驟進一步包括為所述機床的所述控制器編程，以便控制所述機床，驅(qū)動位于所述蜂窩芯件的頂部表面上的刀具，將所述蜂窩芯件雕刻成所需的形狀。
25.如權(quán)利要求24所述的制作復(fù)合工件的方法，進一步包括讓一個抽吸罩子通過所述孔洞的開口端，在將空氣吹入所述孔洞的同時，對所述罩子抽真空，以便去掉由噴射空氣所吹掃出的灰塵，從而實現(xiàn)對所述孔洞的清掃。
全文摘要
一種制作層疊粘接和固化的復(fù)合工件的方法，包括在一個工具的表面上的槽中填充自結(jié)皮的發(fā)泡材料，覆蓋一層襯板。對工具進行加熱使發(fā)泡材料固化，填充該槽，并在發(fā)泡材料上形成堅硬和平滑的皮層，與所述工具的表面相齊平。在工具的表面上層疊多層材料，以便形成工具側(cè)皮層，再形成其他部件。將粘合/樹脂復(fù)合材料涂覆在皮層上，以便通過粘接/固化，形成一種由所述皮層和部件構(gòu)成的堅固整體性組件。
文檔編號B29C70/54GK1168317SQ9711033
公開日1997年12月24日 申請日期1997年4月8日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月8日
發(fā)明者德懷特·L·恩格沃爾 申請人:波音公司