飛機(jī)研制階段變厚度單曲率蒙皮快速成型法

陽波　賴麗珍　陳金平

本文介紹了飛機(jī)批產(chǎn)過程中蒙皮的常規(guī)成型方法。在研制階段通過展開技術(shù)建立凹、凸兩塊工藝模型，利用數(shù)控、鈑金滾彎成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)變厚度單曲率蒙皮快速成型法。

一、現(xiàn)狀調(diào)查

飛機(jī)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜且周期很長的工作，通常分成幾個(gè)階段進(jìn)行：擬定設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、原型機(jī)試制、試飛、成批生產(chǎn)和改進(jìn)改型。由于飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中成熟度概念一直在升級，相應(yīng)演變的是參數(shù)調(diào)整、結(jié)構(gòu)布局修改，零件數(shù)模升版。導(dǎo)致工藝準(zhǔn)備處于二難位置：不進(jìn)行工藝準(zhǔn)備，則后續(xù)工作無法繼續(xù)進(jìn)行，無法得知零件的加工實(shí)際性；進(jìn)行工藝準(zhǔn)備，則需要制造大量的工藝工裝設(shè)備，耗時(shí)較長，如果零件模型升版，則導(dǎo)致前期的工藝準(zhǔn)備階段材料、設(shè)備報(bào)廢，嚴(yán)重浪費(fèi)。如何縮短試制階段周期及節(jié)約研制成本成了飛機(jī)研制階段的關(guān)鍵問題。

機(jī)身是飛機(jī)最復(fù)雜的部件之一。它的用途是多種多樣的，裝載有效載重、乘客、設(shè)備、裝備、動力裝置和燃料，并把飛機(jī)的重要部件聯(lián)成一體。這種功能上的復(fù)雜性決定了在設(shè)計(jì)過程中不論是選擇機(jī)身參數(shù)、尺寸和形狀，還是確定作用在它上面的外載荷都有一定的難道?？紤]到民用航空的合理布局及設(shè)計(jì)時(shí)速等因素，飛機(jī)的中段機(jī)身多采用單曲度等直段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

飛機(jī)蒙皮類零件是構(gòu)成飛機(jī)氣動外形的薄板件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架的包皮，該類型零件的典型特征是壁厚薄，僅為 2～6mm，而且零件結(jié)構(gòu)尺寸大，零件上設(shè)計(jì)有下陷、孔、外形帶缺口，壁厚公差僅為 ±0.2mm，中機(jī)身 30多塊蒙皮結(jié)構(gòu)尺寸都不同，如圖 1所示。

二、傳統(tǒng)加工方法介紹

由傳統(tǒng)的飛機(jī)制造模式可知，由于飛機(jī)產(chǎn)品的特殊性，飛機(jī)制造技術(shù)及其過程與一般的機(jī)械制造有著明顯的不同，有自己的獨(dú)特之處。這些零件不能用一般的機(jī)械加工的方法來制造，而是利用大量標(biāo)準(zhǔn)和專用的工藝裝備來制造。

飛機(jī)蒙皮是構(gòu)成飛機(jī)氣動外形的關(guān)鍵零件，蒙皮制造技術(shù)是衡量一個(gè)國家飛機(jī)制造能力和水平的重要標(biāo)志之一。因此蒙皮制造技術(shù)對于我國航空制造業(yè)具有十分重要的意義。蒙皮零件按幾何形狀可分為單曲度、雙曲度兩種。目前對于等厚度蒙皮成型技術(shù)較成熟，對單曲度等厚度鈑金零件，則采用蒙皮閘壓成形及蒙皮滾彎成形法。蒙皮閘壓成形是在閘壓機(jī)床上對板材進(jìn)行彎曲的一種方法，機(jī)床附有通用或?qū)Ｓ玫哪＞?，利用凹凸模將板材逐段彎曲。蒙皮滾彎成形是將板料從兩至四根同步旋轉(zhuǎn)的輥軸間通過，并連續(xù)地產(chǎn)生塑性彎曲的成形方法，通過改變輥軸間的相互位置（下輥軸間距，上下輥軸間距）可獲得零件所需的曲率；雙曲度等厚度鈑金零件，則采用蒙皮拉形法（板料兩端在拉形機(jī)夾鉗夾緊下，被工作臺頂升的拉形模和板材接觸，產(chǎn)生不均勻的平面拉應(yīng)變而使板料與拉形模貼合的成形方法）等厚度蒙皮零件成型流程是：展開下料→拉伸、滾彎、閘壓→修整→檢驗(yàn)→表面處理。

目前對于變厚度蒙皮零件有下陷、孔、外形帶缺口的特征結(jié)構(gòu)，如果先成型蒙皮的曲度外形，然后再由機(jī)加加工蒙皮表面下陷區(qū)，大曲度零件外形會造成機(jī)加時(shí)真空吸附困難，機(jī)加用模具體積大、造價(jià)高昂。還會導(dǎo)致厚度超差，無法滿足設(shè)計(jì)要求。反之如先按展開設(shè)計(jì)后的平板數(shù)字模型銑削出零件，再按鈑金來成形，那么由于零件不同部位上的厚度差異，造成鈑金成型時(shí)必然存在表面缺陷。所以針對這類大型變厚度單曲度蒙皮零件只能采用多次化學(xué)銑切技術(shù)，這樣的制造成本大幅提升，研制周期較長。變厚度蒙皮零件成型具體流程如圖 2所示。

三、展開滾彎成型法

鑒于上面敘述的變厚度蒙皮零件成型方法，綜合考慮鈑金成型和數(shù)控加工兩方面存在的困難。在具備一定物質(zhì)、技術(shù)條件下，盡量采用數(shù)字量傳遞法、CAD/CAM工作法，結(jié)合展開設(shè)計(jì)技術(shù)，優(yōu)選出相對合理的工藝流程-展開滾彎成型法，具體流程如圖 3所示。

這種成型方法省去了模胎、樣板等工藝數(shù)據(jù)的制造，由于成型之后工藝板坯無法再次使用，所以在飛機(jī)研制階段這種快速成型的方法有很大的優(yōu)勢。下面詳敘各過程的具體情況。

1.蒙皮零件展開基準(zhǔn)面選擇

隨著數(shù)字化制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的設(shè)計(jì)軟件在航空航天等領(lǐng)域廣泛適用。其中應(yīng)加工工藝性要求，展開技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用。根據(jù)曲面展開情況可分為可展曲面和不可展曲面兩類，介于中機(jī)身蒙皮曲面為等直段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可視為可展曲面。可展曲面與平面之間存在等距關(guān)系，經(jīng)過等距變換，可以準(zhǔn)確得到曲面的展開形狀。

蒙皮類的零件基本都是法向邊界，但對于帶角度的非法向蒙皮類零件的三維數(shù)模展開。展開滾彎成型法的蒙皮類零件成型可以看做為等厚度鈑金零件成型。蒙皮類零件在成形過程中產(chǎn)生塑性變形，使得成形后尺寸偏離設(shè)計(jì)值。為實(shí)現(xiàn)零件的精確展開，減少后期修邊量，避免廢品產(chǎn)生，展開工藝數(shù)模設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮零件成形變形的補(bǔ)償方法。

常規(guī)的零件展開依據(jù)各自不同的成形工藝分為1/2層，1/4層，中性層，外表面和內(nèi)表面展開，正確選取展開基準(zhǔn)面對零件的展開有著重要的意義。對于等直段零件按照不同層展開，所得的結(jié)果不一樣。將等直段蒙皮近似擬合為圓弧，具體參數(shù)定義為： R為蒙皮近似圓弧的半徑； r為蒙皮成型之后圓弧的半徑； θ為蒙皮對應(yīng)的圓心角； δmax為蒙皮最大厚度值； δmin為蒙皮最小厚度值；a為蒙皮展開的基準(zhǔn)層參數(shù)。（0 ≤ a≤ 1，內(nèi)型表面展開時(shí)a=0，理論外形面展開時(shí)a=1）； L外理為蒙皮理論外形邊緣長度； L展為按不同a展開的邊緣長度； L中展為蒙皮展開中型層邊緣長度； L外展為蒙皮展開外形邊緣長度； m為展開修正值； k為鈑金折彎系數(shù)。

考慮到飛機(jī)裝配的實(shí)際情況，成型之后主要保證理論外形之間的貼合度，所以在展開過程中優(yōu)先保證理論邊緣線不變。數(shù)控時(shí)為了方便定位和夾持，以理論外形為基準(zhǔn)面加工更加方便。 L

m=L外理 -L外展 =θ*R-θ*r= R *（δmax+δmin）*（a-k）

從理論上可以近似理解修正值與展開的基準(zhǔn)面成線性關(guān)系，但由于環(huán)境溫度、成型工藝參數(shù)以及材料本身應(yīng)力狀態(tài)及工藝方法選擇、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和成形道次選擇，這些方面對變形值也有影響。

2.蒙皮零件展開重建技術(shù)

上面講述了蒙皮展開是基于法線展開，不完全等同于飛機(jī)機(jī)翼壁板大型零件的展開，但方法也異曲同工。為方便滾彎成型，需要將工藝數(shù)模進(jìn)行優(yōu)化，在數(shù)控加工過程由于底角不能進(jìn)行清根處理，主要是考慮過渡圓角的處理，為了示意采用簡化視圖，如圖 4所示。

圖4圓角過渡區(qū)處理圖

在數(shù)控加工及滾彎成型時(shí)由于蒙皮零件薄而且要保護(hù)零件表面保護(hù)層無氣泡、無皺褶。為了方便工藝要求在展開數(shù)模和工藝數(shù)模上添加工藝耳片，工藝耳片主要起定位、裝夾、安裝等功能，在最終產(chǎn)品零件裝機(jī)之前去除。如圖 5所示。

3.數(shù)控下料及滾彎成型

目前數(shù)控機(jī)床在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，對于蒙皮類新材料零件加工可以使用20，000轉(zhuǎn)/min以上高速五坐標(biāo)機(jī)床，這些機(jī)床配備了測刀儀、對刀儀、動平衡檢測儀和磨刀機(jī)等輔助設(shè)備。對于新材料主要研究內(nèi)容包括：蒙皮的銑切參數(shù)；機(jī)加后不平整表面缺陷的減少、消除方法。

CNC-38三維立體自動液壓滾彎設(shè)備可以滿足變厚度蒙皮滾彎的要求，主要研究內(nèi)容包括：滾彎成形參數(shù)；滾彎成型對蒙皮表面質(zhì)量的影響；成型后蒙皮的回彈量以及修整方法。

四、結(jié)語

航空工業(yè)是國家經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的重要產(chǎn)業(yè)，它的持續(xù)發(fā)展推動了多種先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。在制造過程中需要使用大量的工裝來生產(chǎn)零件。用于設(shè)計(jì)制造工裝的生產(chǎn)周期和成本在整機(jī)研制中占很大比例。本文綜合考慮鈑金成型、數(shù)控加工兩方面存在的困難，創(chuàng)新地采用飛機(jī)研制階段變厚度蒙皮成型方法，快速準(zhǔn)確地制造出產(chǎn)品零件并裝機(jī)驗(yàn)證合格，為后續(xù)飛機(jī)研制周期打下基礎(chǔ)，同時(shí)也為將來的蒙皮零件成型和加工積累先進(jìn)的加工經(jīng)驗(yàn)。