多向作用力狀態(tài)下的前緣蒙皮零件成形方法分析

劉輝 張壹 蔣建明 李成 阮培舉

摘 要：蒙皮成形技術(shù)是航空航天領(lǐng)域生產(chǎn)的重要技術(shù)，其精度和質(zhì)量水平影響著航空制造水平?；诖?，本文通過對前緣蒙皮零件的成形工藝難點(diǎn)進(jìn)行分析，并進(jìn)一步分析了零件成形的方法。以期能夠?qū)崿F(xiàn)零件精準(zhǔn)成形，達(dá)到高質(zhì)量航空生產(chǎn)的需要，生產(chǎn)出高品質(zhì)零件。

關(guān)鍵詞：前緣蒙皮零件;成形工藝;多向作用力

引言：前緣蒙皮零件是蒙皮零件中的復(fù)雜零件，作為飛機(jī)氣動(dòng)外形的重要構(gòu)成零件，該類零件具有尺寸長，半徑小的特征，對于生產(chǎn)的精度要求高，常使用拉形成形、閘壓成形等生產(chǎn)工藝，因此需要使用精度更高、生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的成形工藝，達(dá)到蒙皮零件精準(zhǔn)成形要求。因此針對蒙皮零件成形方法的研究具有現(xiàn)實(shí)意義，有利于提高生產(chǎn)質(zhì)量。

1前緣蒙皮零件成形工藝難點(diǎn)

蒙皮零件是飛機(jī)外形薄板件以及內(nèi)部框架包覆件，由于在飛機(jī)外表面覆蓋，飛行過程中和氣流接觸，蒙皮零件成形質(zhì)量對于飛機(jī)氣動(dòng)性和外觀性有重要影響。蒙皮零件多為簡單雙曲度和單曲度的蒙皮，這類零件成形常使用拉伸技術(shù)，其優(yōu)勢在于貼模度較好，具有較高生產(chǎn)效率，成形質(zhì)量更好。前緣蒙皮成形較為復(fù)雜，成形困難，對于工藝的要求較高。使用拉伸成形工藝加工，要在兩端夾持板料，借助于板料和頂升模具接觸，形成不均勻應(yīng)變?；蛘呃美彀策\(yùn)動(dòng)貼合模具表面，保證零件形狀[1]。在拉伸成形過程中易產(chǎn)生應(yīng)力集中問題，應(yīng)力成形過程結(jié)束不會(huì)完全消失，會(huì)殘留部分形成殘余應(yīng)力，造成蒙皮零件形成較大回彈。在拉形過程中不可避免出現(xiàn)，若回彈過大會(huì)影響成形質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成零件的報(bào)廢。在成形過程中降低應(yīng)力是降低回彈關(guān)鍵。拉伸成形過程中，由于存在一定應(yīng)力，無法釋放，也會(huì)增加回彈，造成蒙皮形成彈性變形量。因此需要對前緣蒙皮零件成形工藝進(jìn)行優(yōu)化，使用多種成形工藝方法，充分發(fā)揮出兩種工藝的優(yōu)勢，從而提高蒙皮零件整體質(zhì)量。

2多向作用力狀態(tài)下的前緣蒙皮零件成形方法

2.1前緣蒙皮零件的成形方法

前緣蒙皮零件作為飛機(jī)氣動(dòng)外形的重要零件，其曲率半徑較小，具有較長的外形尺寸，對于尺寸精度要求高。常見方法包括拉形成形、閘壓成形以及橡皮成形等方法。如今航空航天技術(shù)快速發(fā)展，傳統(tǒng)生產(chǎn)方式無法滿足技術(shù)質(zhì)量和精度的需要。成形力卸載回彈問題造成零件不貼模，造成蒙皮零件難以滿足精度標(biāo)準(zhǔn)。為了減少或克服回彈問題。目前各個(gè)航空航天院校和航空主機(jī)廠針對蒙皮成形技術(shù)系統(tǒng)展開研究，從鏡面蒙皮、復(fù)雜蒙皮等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行研究。最早通過對蒙皮橡皮成形回彈數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，將ANSYS軟件作為平臺，對于蒙皮鋁合金板建立成形和回彈數(shù)值模型，研究數(shù)值模擬回彈預(yù)測精度，并掌握了網(wǎng)格尺寸和動(dòng)摩擦以及回彈角的關(guān)系。后來進(jìn)行蒙皮拉形工藝進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，通過對蒙皮零件成形方案的分析，對加載軌跡參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，通過正交試驗(yàn)對拉形工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過有限元分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，通過生產(chǎn)試驗(yàn)獲得了高成形質(zhì)量的零件。

經(jīng)過對前緣蒙皮成形工藝的特點(diǎn)分析，選擇具有更典型的零件，對軌跡方案和參數(shù)進(jìn)行加載和設(shè)計(jì)，經(jīng)過有限元分析優(yōu)化工藝參數(shù)，分析參數(shù)影響規(guī)律和有限元結(jié)果。在FCEFE3軟件生成數(shù)控代碼，經(jīng)過了生產(chǎn)驗(yàn)證，獲得更高質(zhì)量的零件。然后又進(jìn)一步研發(fā)出振動(dòng)輔助成形工藝，成形過程中通過對模具施加固定方向的振幅、頻率的振動(dòng)，讓模具和板料周期性加載卸載，降低摩擦力，減小回彈。上述方法均能對零件成形回彈量進(jìn)行控制，但是工藝準(zhǔn)備過程十分復(fù)雜，對于操作人員專業(yè)素養(yǎng)要求更高，精度準(zhǔn)確性取決于試驗(yàn)參數(shù)，想要大范圍量產(chǎn)存在一定風(fēng)險(xiǎn)。本研究是將壓形成形和拉形成形相結(jié)合，提出從多向作用的成形工藝。通過壓形和拉形交替成形，讓零件成形應(yīng)力得到改變，有效解決回彈問題，實(shí)現(xiàn)大范圍量產(chǎn)。

2.2具體應(yīng)用

使用壓模成形工藝加工前緣蒙皮零件，受到壓力作用，在零件圓角位置上集中塑性變形區(qū)，在零件兩側(cè)的立邊位置屬于變形薄弱區(qū)，并沒有出現(xiàn)塑性變形。采取橫向拉形成形工藝，在零件兩側(cè)立邊可以作為傳力區(qū)域，和拉形模沒有接觸，沒有和模具表面產(chǎn)生摩擦[2]。塑性的變形較大，容易被拉薄。因此零件可以拉形閾值有限，在圓角位置上塑性變形的力度不足，同時(shí)小開口尺寸零件并不能使用拉形機(jī)提供裝夾位置。因此結(jié)合壓形成形工藝以及縱向拉形成形工藝，施加拉力以及壓力，讓應(yīng)力狀態(tài)得以改變，形成具備壓縮應(yīng)變的立體狀態(tài)，利用材料塑性，降低回彈幅度。利用縱向拉伸力達(dá)到材料塑性屈服點(diǎn)，讓零件保持塑性變形，這時(shí)施加壓力完成成形。

以0Cr18Ni9-false0.4材料為例，尺寸為1.8m×0.29m。主體利用壓模結(jié)構(gòu)，使用柔性材料，材料具備一定硬度。根據(jù)外形面對材料加工，制作為凹模，利用膠貼方式在上模容框中固定，通過環(huán)氧樹脂對間隙進(jìn)行填充，在成形設(shè)備上固定零件成形工裝，由封閉式焊接鋼板構(gòu)成設(shè)備，利用可編程軟件加以控制。主體框架左邊增加固定拉伸缸，另外一側(cè)安裝可移動(dòng)拉伸缸，用于縱向拉形，拉伸力要達(dá)到300kN。在框架上懸掛液壓缸，用于對上模進(jìn)行固定，零件使用兩個(gè)液壓缸，每個(gè)拉伸力要達(dá)到36kN。對上模液壓缸下進(jìn)行控制，可以讓成形模保持合模的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)零件板料的預(yù)成形，拉伸的形成設(shè)定為5cm，速度保持5mm/s。保持拉力作用，將上下模進(jìn)行閉合，保證持續(xù)10s壓力，交替三次閉合，完成加工工藝。在零件成形后檢查表面光滑效果，確保貼模效果良好，零件質(zhì)量穩(wěn)定。對蒙皮零件的尺寸和效果進(jìn)行驗(yàn)收，確保零件效果達(dá)到質(zhì)量要求，滿足航空生產(chǎn)需要。

結(jié)論：

綜上所述，前緣蒙皮零件成形生產(chǎn)作為航空航天制造的基礎(chǔ)工藝，蒙皮零件對于成形工藝的精度具有較高要求。通過對零件成形作用力的改變，對成形應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行改進(jìn)，利用零件材料塑性的優(yōu)勢，使用壓形成形和拉形成形的工藝，對成形工藝回彈進(jìn)行測量和實(shí)驗(yàn)，對成形工藝參數(shù)加以優(yōu)化，從而精準(zhǔn)控制蒙皮零件的精度，提高零件整體質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝洪志，王玲，趙天章，等.基于數(shù)字化的蒙皮拉形加載軌跡優(yōu)化與應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù)，2021，46（01）：56-59.

[2]劉愷，王穎，龔志仁，孫高展，聶正欣.某型飛機(jī)垂尾前緣蒙皮的加工方法探討（口框）[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2020，28（29）：69-70.

作者簡介：

劉輝（1990.3-），男，漢族，籍貫：陜西城固，最高學(xué)歷：本科，目前職稱：工程師，研究方向：飛機(jī)制造，塑形加工。

張壹（1989.5-），男，漢族，籍貫：陜西漢中，最高學(xué)歷：大學(xué)本科，目前職稱：工程師，研究方向：飛機(jī)制造，飛機(jī)工藝設(shè)計(jì)。

蔣建明（1994.1-），男，漢族，籍貫：甘肅民勤，最高學(xué)歷：大學(xué)本科，目前職稱：工程師，研究方向：飛機(jī)制造，機(jī)械加工。

李成（1983.3-），男，漢族，籍貫：貴州赫章，最高學(xué)歷：大學(xué)本科，目前職稱：高級工程師，研究方向：飛機(jī)制造，塑形加工。

阮培舉（1984.4-），男，漢族，籍貫：貴州畢節(jié)，最高學(xué)歷：大學(xué)本科，目前職稱：高級工程師，研究方向：飛機(jī)制造，塑性加工。