S形蒙皮零件成形工藝

何文華，李淑蘭，徐莉萍

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

新一代飛機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了翼身融合體氣動(dòng)外形和雙發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，隨之產(chǎn)生的S形蒙皮零件的出現(xiàn)，使得S形蒙皮零件的成形難度和成形質(zhì)量問(wèn)題更加突出，傳統(tǒng)的拉形制造工藝和拉形設(shè)備已制約飛機(jī)發(fā)展。通過(guò)運(yùn)用S3F軟件對(duì)S形蒙皮進(jìn)行模擬仿真，進(jìn)行S蒙皮拉形工藝性評(píng)估分析，預(yù)測(cè)拉形過(guò)程中可能產(chǎn)生缺陷，確定拉形工藝方法，制定合理工藝方案。同時(shí)對(duì)零件成形工藝特點(diǎn)、模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)及數(shù)控蒙皮拉形機(jī)進(jìn)行闡述，并應(yīng)用于生產(chǎn)取得了滿意的效果，為類似零件的成形和模具設(shè)計(jì)提供了可借鑒之處。

1 零件結(jié)構(gòu)分析

某飛機(jī)采用雙發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙門蒙皮共分前、中、后三個(gè)艙門，其型面分別由左、右兩個(gè)不規(guī)則凸曲面和中間不規(guī)則凹曲面組成。本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前艙門蒙皮零件制造過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

艙門蒙皮零件在飛機(jī)對(duì)稱軸線處分段成左、右兩塊蒙皮。分段后零件橫向呈現(xiàn)雙曲面S形。圖1所示為飛機(jī)的前艙門左蒙皮、右蒙皮（零件三維圖），材料為L(zhǎng)Y12MO厚度1.2毫米，零件長(zhǎng)各為1200毫米、,寬850毫米，蒙皮形狀如“S”形，其蒙皮外觀質(zhì)量和裝配協(xié)調(diào)要求高。

2 工藝方案的確定

2.1 蒙皮S3F軟件仿真分析

通過(guò)FET600-4000/4200數(shù)控蒙皮拉伸機(jī)自帶模擬仿真S3F軟件進(jìn)行仿真,首先將零件數(shù)模另存為（iges）文件格式并導(dǎo)入CAD2GO前置軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并輸出GDO文件。同時(shí)將GDO文件載入到S3F軟件中，對(duì)拉形過(guò)程中的各參數(shù)如：材料性能、毛料尺寸、摩擦系數(shù)、模具位置、拉形次數(shù)進(jìn)行設(shè)定，通過(guò)拉形模擬計(jì)算得出如圖2所示模具右側(cè)下角凹陷處零件無(wú)法貼模。

圖1 零件三維

圖2 S3F軟件仿真過(guò)程結(jié)果

2.2 拉形方案的確定

方案一：預(yù)拉形+手工校正

根據(jù)S3F軟件仿真結(jié)果和零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通常此類零件制造加工方法是采用拉形模-預(yù)拉形+手工校正,由于模具側(cè)面凹陷呈S形，零件拉形時(shí)側(cè)面材料與拉形模凹陷部分無(wú)法貼合(見圖2)，板材易產(chǎn)生皺紋，需要工人在拉形機(jī)上用橡皮對(duì)模具凹陷部位的板材進(jìn)行抽打,使板材與模具貼合。然后進(jìn)行淬火，為了消除淬火后的變形，需要再重復(fù)拉形，第二次拉形時(shí)，使得已成形凹陷部位遭到破壞，工人需繼續(xù)用橡皮抽打板材與模具凹陷部位，直到與拉形模貼合。此工藝方法缺陷工人體力消耗量大，零件成形表面質(zhì)量差，外形準(zhǔn)確度差，難以滿足裝配要求。

方案二：采用拉形模+上壓裝置

零件側(cè)面凹陷呈S形，單用凸模對(duì)零件拉形是無(wú)法使材料與拉形模凹陷部位貼合，通過(guò)分析認(rèn)為，只有采用上壓裝置對(duì)蒙皮凹陷部位進(jìn)行反向加壓拉形成形（模具結(jié)構(gòu)見圖3）。由于模具側(cè)面凹陷呈S形，當(dāng)上壓裝置對(duì)蒙皮凹陷部位進(jìn)行反向加壓拉形成形時(shí)，上模和下模閉合，上模在下模側(cè)面，模具間產(chǎn)生側(cè)壓力，模具受力不平衡。造成下模模具側(cè)移和定位裝置損壞，引起上、下模之間間隙不均勻，使零件在拉形過(guò)程中，板料產(chǎn)生失穩(wěn)起皺和蒙皮不貼模。因此，采用上壓裝置對(duì)凹陷部位進(jìn)行反向加壓拉形成形，需要對(duì)下模側(cè)面進(jìn)行修型，增加補(bǔ)償使其具有對(duì)稱性，盡可能使零件受壓部位在模具中間，使上、下模受力平衡。此工藝方法零件成形后表面質(zhì)量好，外形準(zhǔn)確度高，能滿足裝配要求。缺點(diǎn)是模具非工作面過(guò)大，零件材料浪費(fèi)大。

方案三：左、右兩塊蒙皮合拉+上壓裝置

由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙門分左、右兩塊蒙皮，它們之間曲率距對(duì)稱軸是相互對(duì)稱。因此，我們通過(guò)分析決定將零件左、右兩塊蒙皮連成一整體（見圖4），使模具兩邊具有對(duì)稱性，零件凹陷部位在整體蒙皮零件中間，在用上壓裝置對(duì)蒙皮進(jìn)行反向加壓拉形成形時(shí) （見圖5模具結(jié)構(gòu)形式），可使上、下模受力平衡，模具運(yùn)行保持平穩(wěn)。此加工方法優(yōu)點(diǎn)：

1）解決了方案二模具非工作面過(guò)大、降低模具制造成本；

2）節(jié)約原材料；

3）避免零件拉形模具側(cè)移；

4）定位裝置不易損壞；

5）產(chǎn)品外觀質(zhì)量好,提高了工人勞動(dòng)效率；

6）減輕飛機(jī)裝機(jī)重量(減少左、右蒙皮連接帶板)。

圖3 模具結(jié)構(gòu)

圖4 零件

圖5 模具結(jié)構(gòu)形式

2.2 成形設(shè)備的選擇

經(jīng)過(guò)分析得出采用上壓裝置對(duì)蒙皮凹陷部位進(jìn)行反向加壓拉形成形，比用預(yù)拉形--手工成形表面質(zhì)量好，外形準(zhǔn)確。因此，我們首選機(jī)床是具有上壓裝置FET600-4000/4200數(shù)控蒙皮拉形機(jī)。

2.3 數(shù)控蒙皮拉形機(jī)簡(jiǎn)介

FET600-4000/4200數(shù)控蒙皮拉形機(jī)是法國(guó)ACB公司生產(chǎn)的用于飛機(jī)蒙皮橫向拉形成形設(shè)備。該設(shè)備由兩組水平液壓作動(dòng)筒和兩組垂直液壓作動(dòng)筒共八個(gè)獨(dú)立液壓作動(dòng)筒（圖6）和一對(duì)在龍門架上作垂直運(yùn)動(dòng)的液壓作動(dòng)筒組成（圖7）。

圖6 拉伸缸運(yùn)動(dòng)

圖7 龍門架作垂直運(yùn)動(dòng)

其工作原理:首先將板料的兩邊被夾持在拉形機(jī)的兩個(gè)鉗口中，然后通過(guò)八個(gè)液壓作動(dòng)筒的作伸縮運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鉗口上下左右運(yùn)動(dòng)使得板料產(chǎn)生不均勻的被拉伸并貼合到拉形模表面，同時(shí)，龍門架上的上壓裝置通過(guò)其液壓作動(dòng)筒對(duì)零件凹陷部位進(jìn)行反向加壓成形。

3 拉形模設(shè)計(jì)制造方案的確定

因模具結(jié)構(gòu)上采用上壓裝置，模具需要承受一定壓力,模具結(jié)構(gòu)形式采用鋼板骨架表面增塑料。拉形模的設(shè)計(jì)是否合理，是直接影響零件拉形是否成功的關(guān)鍵。因此，要求在拉形模設(shè)計(jì)制造過(guò)程中應(yīng)注意以下技術(shù)要點(diǎn)：

1)下模兩端頭調(diào)水平

由于零件本身一高一低，下模兩端頭需調(diào)水平，使模具兩端頭最高處的背脊線大致與模具底平面平行。

2)準(zhǔn)確導(dǎo)向塊定位

為了防止模具在拉形過(guò)程中上模、下模錯(cuò)位，在工裝設(shè)計(jì)時(shí)要求上,下模在模具前、后兩端頭用導(dǎo)向塊定位 （見圖5），導(dǎo)向塊厚度40mm左右，寬度80～100mm。同時(shí)，導(dǎo)向塊上插銷長(zhǎng)度不易過(guò)長(zhǎng)，插銷過(guò)長(zhǎng)將會(huì)影響板料放入模具工作區(qū)內(nèi)裝夾。

3)上模寬度確定

上模寬度不易過(guò)大,上模具表面過(guò)大會(huì)增加阻力,影響板材流動(dòng)塑性變形。

4)上模底面必需和下模底面水平

塑造上模表面時(shí)，上模底面必需保證和下模底面水平，如果上模底面不和下模底面水平，會(huì)造成上模和上壓裝置工作臺(tái)裝夾后，上、下模之間間隙不協(xié)調(diào)，上、下模之間間隙超差，使板料拉形時(shí)板材局部產(chǎn)生失穩(wěn)起皺。

5)零件邊緣線距模具非工作面的距離確定

上模和下模安裝了導(dǎo)向裝置，對(duì)板材寬度將加以限制，為了保證板材在拉形時(shí),板材不與導(dǎo)向塊發(fā)生碰撞,要求下模模具兩端零件邊緣線與模具非工作面的距離不小于70mm。

6)上模和下模模具閉合高度確定

為了使板材能自由進(jìn)入模具工作區(qū)內(nèi)裝卸方便，上模行程距離H2必須大于下模最大凹陷深度H1與上模最低點(diǎn)和下模最高點(diǎn)距離H3之和（見圖8）。

圖8 上模與下模

拉形機(jī)龍門架上的上壓裝置工作臺(tái)最大行程為1000mm；

下模工作臺(tái)最高點(diǎn)至上工作臺(tái)最高點(diǎn)距離H5=1500mm；

上模最低點(diǎn)和下模最高點(diǎn)距離H3（一般最小取150mm左右）；

上模和下模模具閉合高度一般控制在1100mm左右。

7)上模和下模閉合時(shí)模具間隙控制

上模和下模閉合時(shí)模具間隙為零件板材厚度需嚴(yán)格控制，間隙過(guò)大，會(huì)造成拉形零件，零件凹陷部位板料受到向上的力，板料和上模貼合而和下模有間隙，板料和下模懸空沒(méi)有受到向下的壓力，使板料產(chǎn)生失穩(wěn)起皺。

4 拉形成形過(guò)程控制

4.1 工藝流程

工藝流程是領(lǐng)料—淬火—拉形 （新淬火）—校正--表面外理—作標(biāo)印—成品檢驗(yàn)。

4.2 毛料尺寸確定

橫向拉形毛料長(zhǎng)度L見圖9。

式中:L為毛料長(zhǎng)度（mm）；L1為零件拉形最大剖截面處的展開長(zhǎng)度加余量（mm）；L2為拉形模外形至零件切割線距離,一般取50-70mm；L3為橫向拉形時(shí),模具邊緣與鉗口邊緣間的距離,一般取100mm-200mm；L4為鉗口運(yùn)動(dòng)時(shí)與板材接觸的長(zhǎng)度，一般取50mm；L5為鉗口夾緊時(shí)所需求的長(zhǎng)度,一般取100mm。

毛料寬度按下例公式確定：

式中： B為毛料寬度；b為零件拉形最大剖截面處的展開寬度加余量 （mm）；b1為工藝余量，一般為30mm-50 mm。

4.3 模具的安裝

將上下合攏好的模具吊放在數(shù)控蒙皮拉形機(jī)下模工作臺(tái)上，固定好下模，然后將龍門架上的工作臺(tái)與上模合攏，并用“T”字型螺桿固定，龍門架上壓裝置（上模）抬起離開下模，并對(duì)模具上下接合部位進(jìn)行潤(rùn)滑。

4.4 拉形過(guò)程

將新淬火板料的兩邊被夾持在拉形機(jī)的兩個(gè)鉗口中，通過(guò)水平和垂直八個(gè)液壓作動(dòng)筒的作伸縮運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)鉗口運(yùn)動(dòng)使得板料包覆于下模上，在板材沒(méi)有起皺時(shí)鉗口保持固定不變，此時(shí)，數(shù)控蒙皮拉形機(jī)上的龍門架上壓裝置（上模）通過(guò)其液壓作動(dòng)筒對(duì)零件凹陷部位進(jìn)行反向加壓運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，鉗口作垂直向下運(yùn)動(dòng)，使板材產(chǎn)生不均勻的被拉伸并貼合到拉形模表面，最終得到零件的形狀。

板材在拉形過(guò)程中拉形機(jī)的拉和壓動(dòng)作配合是獲得良好成形的關(guān)鍵。當(dāng)拉形的材料拉伸到基本與模具貼合、起皺還沒(méi)有在模體上形成時(shí)，上壓裝置壓下,與拉形中的蒙皮材料完全貼合,起到防止起皺的作用。如果上壓裝置提前壓下，會(huì)干擾拉形中的材料流動(dòng)，影響蒙皮外形的準(zhǔn)確。

圖9 橫向拉形毛料

4.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

當(dāng)?shù)谝患慵瓮旰?，通過(guò)數(shù)控蒙皮拉形機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能將該零件的原始加工數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并加以修改，得到該零件的加工程序。為以后成批生產(chǎn)該零件時(shí)拉形成形提供機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)S3F軟件對(duì)S形蒙皮進(jìn)行模擬仿真分析和工藝方法分析論證，制定了S形蒙皮零件的合理工藝方法，從工裝定貨開始對(duì)S形蒙皮零件的模具設(shè)計(jì)提出要求，使模具設(shè)計(jì)符合零件拉形要求，并應(yīng)用于生產(chǎn)，攻克了公司S形蒙皮成形技術(shù)關(guān)鍵,確保了產(chǎn)品質(zhì)量，為類似S形蒙皮零件成形提供了技術(shù)支持，使蒙皮成形工藝技術(shù)上一臺(tái)階。