飛機(jī)大型復(fù)雜蒙皮模胎設(shè)計(jì)技術(shù)

盧文權(quán)，張偉慶，羅建宏，韓　波

(陜西飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，陜西 漢中 723213)

飛機(jī)大型復(fù)雜蒙皮模胎設(shè)計(jì)技術(shù)

盧文權(quán)，張偉慶，羅建宏，韓波

(陜西飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，陜西 漢中 723213)

摘要：針對大型復(fù)雜蒙皮零件成型難度大，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工裝無法滿足零件的制造要求和工裝使用單位的起吊要求等問題，進(jìn)行了一種全新的大型復(fù)雜蒙皮成型工裝設(shè)計(jì)與制造。通過建立三維模型并輸入相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了有限元分析，確定了大型蒙皮模胎鋼骨架的結(jié)構(gòu)、用料及布局。該模具的關(guān)鍵技術(shù)是模胎的基體采用鋼骨架空心結(jié)構(gòu)，型面采用可加工塑料。模胎基體采用鋼骨架空心結(jié)構(gòu)解決了模胎基體變形的問題，而且該基體可以多次重復(fù)使用。型面采用可加工塑料以及數(shù)控加工的方法取得最終的型面，可以保證大型蒙皮類零件的精確成型。

關(guān)鍵詞：蒙皮模胎；鋼骨架空心結(jié)構(gòu)；輕量化

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，鈑金類零件所占的比例較大，數(shù)量多，常見的鈑金件有蒙皮、長桁以及角片等零件。其中，蒙皮零件由于尺寸大、剛度小以及壁薄，其制造不能使用通用的加工設(shè)備來，而應(yīng)采用專用的蒙皮成型工裝和專用設(shè)備來完成。現(xiàn)階段常用的蒙皮成型工裝是蒙皮成型胎[1]，即蒙皮模胎。

1常用蒙皮模胎的基本結(jié)構(gòu)形式及其不足

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，常用的蒙皮模胎結(jié)構(gòu)形式主要有3種：1)傳統(tǒng)的由木質(zhì)框架、環(huán)氧膠砂和環(huán)氧型面組成的結(jié)構(gòu)形式；2)先鑄造基體，再對基體進(jìn)行數(shù)控加工取得最終型面的結(jié)構(gòu)形式；3)先鑄造基體，再采用可加工塑料型面并對其進(jìn)行數(shù)控加工取得最終型面的結(jié)構(gòu)形式。

上述3種結(jié)構(gòu)的蒙皮模胎基本滿足了目前大部分飛機(jī)蒙皮零件的制造；但是隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，以及加工設(shè)備加工范圍的擴(kuò)大，飛機(jī)蒙皮的外形尺寸變得越來越大。在這種情況下，上述3種蒙皮模胎的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)不能滿足超大蒙皮的生產(chǎn)需求。實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果表明，這種不適應(yīng)主要表現(xiàn)在：1)按照上述幾種結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)制造的蒙皮模胎自重大(最大蒙皮模胎質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到25 t)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般工裝使用廠房吊車的承載范圍；2)如此重的蒙皮成型工裝容易變形(主要是蒙皮模胎自身變形以及在承受350 t拉力情況下的開裂變形)，難以滿足工裝的制造和使用；3)大型蒙皮模胎的整體鑄造困難重重，實(shí)際工程應(yīng)用也非常少。因此，迫切需要尋找新的輕量化的蒙皮成型工裝結(jié)構(gòu)，一方面應(yīng)提高工裝強(qiáng)度，保證工裝制造質(zhì)量；另一方面應(yīng)減小工裝自重，滿足工裝使用要求。

2解決超大蒙皮成型的技術(shù)方案及驗(yàn)證結(jié)果

大型復(fù)雜蒙皮成型工裝因?yàn)槌?、超大及變形等原因無法滿足蒙皮制造需求。為解決該問題，經(jīng)過研究分析，確定了3項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上提出了2種新的輕量化的工裝結(jié)構(gòu)方案。

2.1技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)為：模胎總質(zhì)量不得大于工裝使用廠房吊車的承載范圍；鋼骨架要承受兩端頭各350 t的拉力不變形；模胎在起吊過程中型面不發(fā)生開裂等現(xiàn)象。

2.2技術(shù)方案

1)方案a：將尺寸超大的類似工裝改成鋼骨架、膠砂基體、環(huán)氧塑料型面或者可加工塑料型面。該方案的關(guān)鍵技術(shù)是模胎的基體采用了鋼骨架空心結(jié)構(gòu)，型面采用了可加工塑料。模胎基體采用鋼骨架空心結(jié)構(gòu)，型面采用可加工塑料并且采用數(shù)控加工的方法取得最終型面(見圖1)。

圖1　鋼骨架基體理論圖

2)方案b：將尺寸超大的類似工裝改成整體基座、多基體拼裝、環(huán)氧塑料型面或者可加工塑料型面。該方案的關(guān)鍵技術(shù)是模胎底座采用整體鋼板，基體采用多個(gè)鑄件，將鑄件拼接和整體鋼板連接在一起做成模胎的框架，型面采用可加工塑料并且采用數(shù)控加工的方法取得最終型面(見圖2)。

圖2　拼接式骨架理論圖

2.3驗(yàn)證結(jié)果

1)方案a：設(shè)計(jì)制造的模胎完全滿足了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求。

2)方案b：設(shè)計(jì)制造的模胎滿足了模胎的自重要求；不足之處是承受350 t的拉力時(shí)模具的強(qiáng)度不高，模胎發(fā)生變形，型面裂開。

通過對比驗(yàn)證分析，最終確定大面積推廣應(yīng)用方案a，并取得了較好效果。

3方案a的具體情況介紹

按方案a的要求，利用數(shù)字化設(shè)計(jì)建立三維模型，并輸入相關(guān)數(shù)據(jù)。通過有限元分析方法，對所設(shè)計(jì)的鋼骨架進(jìn)行強(qiáng)度校核，從而確定大型蒙皮模胎鋼骨架的結(jié)構(gòu)、用料及布局[2]。

3.1模胎底座的設(shè)計(jì)

鋼骨架空心結(jié)構(gòu)模胎的關(guān)鍵技術(shù)為底座制造工藝，底座的強(qiáng)度決定了模具型面的穩(wěn)定性。底座的制造方法如下：底座采用槽鋼與A3鋼板抱焊的工藝方法焊接成框；下表面的鋼板采用整體式連續(xù)焊接；上表面采用分塊隔斷式焊接，分塊位置同隔框位置尺寸；底座外擴(kuò)尺寸按零件外形線并留100 mm余量，以保證模體尺寸；底座中間的隔框采用方鋼沿底座長度方向，按均勻間距排列和矩形框連接成一個(gè)整體(見圖3)。

圖3　底座結(jié)構(gòu)

底座效果圖如圖4所示。如果模胎寬度尺寸>2 000 mm，地腳墊塊在寬度方向2 000 mm有效尺寸范圍內(nèi)應(yīng)保證有地腳墊塊，保證模胎在蒙皮拉伸機(jī)工作臺(tái)上的有效支承，地腳墊塊在制造過程中還需要保證模胎的平穩(wěn)放置。

圖4　底座效果圖

3.2型面基體的設(shè)計(jì)

當(dāng)模胎整體框架焊接完畢后，為了保證型面的塑造，用鋼管做隔框支架，隔框的位置均勻分布在底座上；然后用鋼管做縱梁，縱向根據(jù)模胎具體寬度尺寸合理分布；最后在隔框上用鋼筋焊接成排狀(見圖5)。加工完成后結(jié)構(gòu)如圖6和圖7所示。

圖5　型面基層原理圖

圖6　型面基層效果圖

圖7　型面基層局部效果圖

當(dāng)模胎底座及型面基體加工完畢后，應(yīng)在基體上面填充環(huán)氧膠砂。為方便填充環(huán)氧膠砂，在基體周圍圍一圈圍板，保證環(huán)氧膠砂不外流。圍板上斷面應(yīng)根據(jù)蒙皮零件外形切割，以保證模胎型面光順(見圖8)。

圖8　圍板安裝效果圖

3.3熱處理及表面處理

當(dāng)蒙皮模胎鋼骨架在焊接完畢后，進(jìn)行燜火和吹砂處理，以消除鋼骨架焊接殘余應(yīng)力并防止表面銹蝕。

3.4吊掛的選擇

根據(jù)模胎尺寸的大小選擇相應(yīng)規(guī)格的吊掛，根據(jù)有限元分析所得出的結(jié)論選擇吊掛位置，保證起吊平穩(wěn)、安全(見圖9)。

圖9　吊掛安裝效果圖

3.5最終的蒙皮模胎效果圖

最終的蒙皮模胎效果圖如圖10所示。

4結(jié)語

自主研制了大型復(fù)雜蒙皮模胎的鋼骨架空心結(jié)構(gòu)，大大減輕了模胎質(zhì)量，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和模胎的使用壽命；應(yīng)用有限元分析方法，優(yōu)化了鋼骨架空心結(jié)構(gòu)，保證了工裝兩端頭的剛度和抗拉強(qiáng)度；采用可加工塑料作為模胎型面，實(shí)現(xiàn)了模胎型面的數(shù)控加工，保證了模胎型面的準(zhǔn)確度，提高了效率。

以8 m×1.5 m的蒙皮模胎為例，采用新型模胎質(zhì)量為13 t，比木框架、環(huán)氧膠砂基體、環(huán)氧塑料型面制造的模胎質(zhì)量減小了約7～9 t，瘦身率達(dá)到了40%。采用鋼骨架制造的模胎，比采用傳統(tǒng)方法制造的模胎，節(jié)約成本約30%。

經(jīng)過研究，掌握了鋼骨架用料的原則、框架的布局以及模胎的相關(guān)制造工藝，為同類工裝的設(shè)計(jì)做了很好的技術(shù)鋪墊；此外，大型鋼骨架蒙皮模胎完全采用數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造，為此類新型結(jié)構(gòu)工裝的成功研制奠定了良好的基礎(chǔ)。

該技術(shù)的成功應(yīng)用豐富了大型復(fù)雜蒙皮零件成型方法，為今后飛機(jī)蒙皮分塊提供了參考數(shù)據(jù)支撐，在航空領(lǐng)域具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 范玉清. 現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[2] 楊海成. 數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

責(zé)任編輯鄭練

Design Technology of Large and Complex Skin Die for Airplane

LU Wenquan, ZHANG Weiqing, LUO Jianhong, HAN Bo

(Shaanxi Aircraft Manufacturing Corporation, Hanzhong 723213, China)

Abstract：Considering the great difficulties of forming large and complex skin components, it is impossible for the traditional technical equipments to meet the components manufacturing needs and the lifting needs of tooling users. The paper presents a method of designing and manufacturing a brand-new, large and complex forming tooling. FEM analysis is carried out through establishing three-dimensional model and inputting related data to determine the structure, material and distribution of large skin mold steel skeleton. The key technology of the mold is that the main body is made of hollow steel-skeleton structure and the molded surface adopts processable plastics. The way hollow steel-skeleton structure is applied in mold body overcomes the defect of the body deformation, and moreover, the body can be used in several times. The molded surface is obtained by NC machining processable plastics. This method can ensure the precision forming of large skin components.

Key words:skin die, hollow steel structure, lightweight

收稿日期：2014-03-11

作者簡介：盧文權(quán)(1976-)，男，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事工藝裝備設(shè)計(jì)及制造等方面的研究。

中圖分類號：V 261

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A