飞机蒙皮数字化制造.doc

飞机蒙皮数字化制造摘要：数字化成形制造技术在航空制造领域的不断推广和应用，使飞机蒙皮从传统的经验型向科学型制造模式转变飞机蒙皮数字化成形工艺是一个综合 CAD 工艺设计系统、CAE 仿真分析、数控柔性工装、数字化测量和CAM 数控成形技术的数字化生产制造技术本文主要阐述了蒙皮传统的拉伸成形技术及先进的多点拉形技术，数字拉伸成形的工艺分析，工艺流程，以及实现蒙皮零件数字化制造需要突破的关键技术关键词: 蒙皮；数字化；拉伸成形；多点成形引言蒙皮是构成飞机气动外形的外表零件，其尺寸大、品种多、外形复杂、批量小，主要采用拉伸成形（简称拉形）工艺，其先进程度是衡量一个国家飞机制造能力和水平的重要标志传统的实体模具蒙皮拉形工艺中，其依据“模线样板—标准样件”协调系统原理，采用“经验—试错”型工作模式每项蒙皮均需一套专用实体模具，其制造所耗工时占零件研制周期的60% ~ 80%; 蒙皮精度主要靠模具和拉形工艺保证, 且实体模具无法考虑回弹补偿, 零件成形超差严重, 难以实现精确装配基于数字化的飞机蒙皮数字化成形制造技术, 是基于柔性多点拉形模具、柔性夹持定位和数控切边构成的可重构柔性工装的全数字量传递的蒙皮制造技术,是综合 CAD 工艺设计系统、CAE 仿真技术、柔性工装数控拉形、数字化测量、形状控制算法和CAM 数控成形技术的数字化蒙皮拉形工艺。

其从蒙皮零件的CAD 数模定义，到成形制造过程，零件的外形测量，都以数字量在各个环节进行传递蒙皮数字化制造技术的应用，解决了传统的基于实体模具蒙皮拉形制造工艺带来的模具工装数量多、协调关系复杂、生产准备周期长等突出问题；提高了大型数控拉形设备效能；并为实现设计制造一体化和工艺过程数字化提供了技术保障1、飞机蒙皮分类及特点1.1分类（如图1从上到下所示）• 局部单曲度• 同向单曲度• 导向单曲度• 同向双曲度• 异向双曲度 图11.2特点外形复杂，协调准确度要求高；不允许划伤和鼓动；结构尺寸大，相对厚度小，刚性差；采用切面样板或样件作为制造依据，并按模胎、切面样板、检验夹具、拉型膜控制外形；需要大型专用设备成形；要求操作工人的技术水平较高2、飞机蒙皮拉形技术2.1传统拉形技术蒙皮拉伸成形属薄板类成形，主要通过拉伸设备的钳口对拉伸毛料施加拉力和弯矩的运动，是拉伸毛料与拉伸成形工装的贴合面逐步扩展，并最终完全贴合的成形方法，如图2所示蒙皮拉伸成形过程比其他类型的成形过程复杂的多，它涉及拉、弯、扭复合加载动作及其组合，并同时受拉伸材料性能参数、材料变形趋势、拉伸成型方式、设备运行参数等的影响。

图2 传统整体拉形2.1.1拉形工艺方法拉形件按几何外形可分为凸峰形和马鞍形凸峰形拉形件的特点是纵横曲率同侧，回弹较小，在成形过程中，板料与拉形模具背脊中间的顶点先接触，零件的最大主应变位于零件中间脊背处;马鞍形件的特点是纵横曲率异侧，回弹较大，板料与拉形模具两端顶点先接触，产生的弯曲使板料背脊凹谷部位起皱，同时纵向产生一分力，使板料向背脊中间凹处产生滑动，零件的最大主应变则位于零件的最外端拉形按工作原理可以分为三类：横向拉形(简单拉形)、纵向拉形(拉伸拉形)和加上压装置拉形(图3)横向拉形是夹钳沿板料横向两侧加紧板料，横向两侧夹钳不产生主动拉力，在工作台顶升的拉形模具作用下使板料和拉形模具贴合的拉形成形方法，横向拉形一般适用于纵向尺寸比横向尺寸小、横向曲度较大、挠度较小的双曲度零件纵向拉形是夹钳沿板料纵向两侧夹紧板料，纵向两端夹钳能产生主动拉力，在工作台夹钳的双重作用下，使板料贴模的成形方法，纵向拉形一般适用于纵向长度较大，成形曲面纵向曲度大的双曲度蒙皮件加上压装置拉形是上压装置提供局部成形力并控制凹凸模相对运动的一种成形方法，加上压装置拉形适合于有局部成形凹凸槽的双曲度零件。

图3 按拉形原理分类2.1.2拉形设备拉形机是拉形成形的主要设备，生产厂家主要分布在美国、法国等国家目前，数控蒙皮拉形机主要分为三种:FET型、FEL型和VTL型FET型和FEL型蒙皮拉形机中，模具固定不动，只有夹钳运动;而VTL型拉形机中，模具和夹钳都可以运动美国cyrllBath公司生产的一种VTL型拉形机V孔1000如图4所示，模具工作台油缸上顶力为1000吨 图4 VTL1000数控蒙皮拉形机拉形机拉形工件时，一般只用一个或两个液压缸产生拉伸动作，钳口处板材沿横向整体移动，如图5所示为了防止拉形中的缺陷，设备的控制精度要求很高，控制系统的设计复杂，设备价格昂贵；拉形用坯料往往需要较大的工艺余量，从而导致材料的利用率降低 图5 常规拉形机多夹钳式柔性拉形机，图6所示，简单地实现了多个夹钳的柔性自协调工作，使大型三维曲面零件在拉形过程中更容易贴模，减少了拉形件的工艺余量，显著提高了成形质量和材料利用率 图6 多夹钳柔性拉形机2.2先进的多点拉形2.2.1简介多点成形(Multi一pointforming，简称MPF)是一种金属板材三维曲面成形的全新技术，是对传统板料成形方式的重大变革与创新。

其基本思想是将传统的整体刚性模具离散化成一系列规则排列、利用计算机控制多个可调整高度的基本体，形成所需的成形曲面，代替模具实现板料快速、无模、数字化成形，可以成形不同的三维曲面件，实现了板料的柔性成形，图7所示利用多点成形可重构模具型面的特点，即柔性的特点，结合不同的工艺，可实现分段成形、多道次成形，多次成形和闭环成形多点成形技术与计算机辅助计算、辅助分析、辅助制造和辅助检测技术相结合，三维曲面板类件的曲面设计、工艺规划、板料成形、精度检测等各个过程都由计算机辅助完成，实现了三维曲面板类件的快速、经济、自动化和数字化成形 图7 传统拉形和多点拉形2.2.2多点成形模具的调形技术多点拉形模具是由规则排列的基本体矩阵和调形机构组成的，通过CAD/CAM软件及机控制系统完成多点拉形模具型面的调整基本体冲头是组成多点拉形模具中最关键的零部件，根据不同的应用情况，多点模具可能有数千个甚至上万个基本体冲头基本体冲头通常由冲头体、球头、调整螺杆三部分组成，通过螺杆调形机构调整基本体的高度，构造模具型面调形过程就是调整基本体的高度、构造出模具型面的过程按基本体调整机构工作原理的不同，调形可分成串行和并行两种基本方式。

串行调形是通过机械手依次调整每个(或同时调整几个)基本体的高度，构造出成形所需的形状，调形过程如图8a所示，串行调形方式的调形效率较低并行式调形是每个基本体都有独立的调形机构和数控系统，可以同时调整每个基本体的高度，明显提高了调形的效率，图8b为其调形过程还可以把串行和并行两种调形方式结合起来，组成混合调形方式，美国开发的RTFF蒙皮拉形装置采用的就是混合调形方式该装置由8个基本体组成一个模块单元，模块单元内的基本体进行串行式调形，而每个单元进行并行式调形，如图9所示 图8 调形方式 图9 RTFF的调形方式 2.2.3多点拉形过程与变形特点多点拉形过程可分为四个基本步骤（如图10所示） 图10 多点拉形的成形过程（1）多点模调形：根据所加工零件的CAD模型，计算出每个基本体的调整高度，构造出多点模，这个过程由计算机控制；（2）板料弯曲贴模：板料两边在夹钳的夹持以及拉形机的拉伸作用下弯曲贴模；（3）拉伸：板料完全贴模后，做少量的拉伸，使整个板料所受的拉应力超过屈服点，目的是减小回弹，提高成形件的精度；（4）卸载：完成拉形后，卸去拉形力，松开夹钳，拉形机回到初始位置，弹性垫恢复到原来的形状。

2.3飞机蒙皮拉伸成形的工艺分析一、 首先针对铝合金蒙皮材料对滑移线和粗晶敏感的原因及控制/滑移线和粗晶出现的工艺方法等进行基础研究，研究出滑移线和粗晶的临界变形程度、拉伸成形速度、毛料几何尺寸、模具几何参数、滑移和加载方式等的相互影响和规律解决蒙皮拉伸成形时因变量大而出现表面缺陷，和因变形量不够引起外形准确度差这一相互矛盾的技术突进和基础工艺参数二、根据基础研究所获得的工艺参数进行蒙皮数字仿真成形分析，确定蒙皮拉伸成形时在机床中的各种拉伸成形状态和成形质量，工装、拉伸毛料等在机床中的具体位置三、进行工艺参数优化后的组合应用与生产验证将通过基础研究和数字仿真成形分析所确定的拉伸成形工艺参数、拉伸成形方式、变形量等的相互定量关系，以及蒙皮拉伸成形时工装、拉伸毛料在机床中的摆放位置和拉伸成形的机床操作程序进行优化组合，选择典型蒙皮零件，最低限度要进行变薄量、贴模度与表面质量的生产验证2.4飞机蒙皮数字化拉伸工艺流程根据蒙皮零件制造的特点，以工程设计的蒙皮零件三维实体数模为数据源，应用基础研究的结果和蒙皮零件数字模拟仿真成形分析平台，实现蒙皮零件拉伸成形工艺参数和拉伸程序的数字化工艺设计，为蒙皮零件的数控拉伸成形确定优化的工艺参数和加工指令。

建立拉伸毛料自动传送、装夹和数字化热处理控制系统，以及蒙皮零件外形数字化立体切割系统和检测系统，实现蒙皮零件CAD/CAE/CAM的数字化制造，图11所示 图11 蒙皮数字化拉伸工艺流程2.5飞机蒙皮数字化制造需要突破的关键技术（1）突破蒙皮零件拉伸成形过程数字化分析及设计技术，使蒙皮零件制造工艺从经验型向科学化、标准化转换2）解决数控蒙皮拉伸成形机床的机构运动反解技术，实现数控拉形机拉伸毛料夹持、工装与板料的自动定位3）解决数控拉伸成形过程质量控制技术4）解决目前蒙皮制造机械化程度低，建设蒙皮零件制造的配套设施5）解决长期以来蒙皮零件型面检测仅依靠检验人员经验判断的问题，实现检测技术3、飞机蒙皮成形的特种成形方法（1）数字化喷丸成形，主要利用高速弹丸冲击材料表面使材料在冲击力下发生塑性成形2）数字化蠕变时效成形，蠕变时效成形是在一定温度和外力的作用下材料缓慢变形的过程，其中伴随着蠕变、应力松弛、时效的综合作用3）数字化激光钣金成形，实质上是基于材料的热胀冷缩特性、以高能激光为热源的一种热应力塑性成形方法4、总结飞机数字化制造技术是未来航空制造业发展的方向，它不仅仅局限于蒙皮零件的制造，飞机的其他零部件也是同样需要采用数字化制造。

目前我国的飞机产量与国外航空制造同行年产量比相差甚远，以及我们没有形成专业优势分工合作生产的制造模式，因此对蒙皮和其他航空产品制造如何实施工业化大生产的研究不够，而且制造精度不高，质量不稳定在今后发展进程中，我们应该加强数字化、信息化、网络化得综合与集成，使我们制造的综合水平不断提高。