飛機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

本文介紹了飛機批產過程中蒙皮的常規成型方法。在研制階段通過展開技術建立凹、凸兩塊工藝模型，利用數控、鈑金滾彎成型技術實現變厚度單曲率蒙皮快速成型法。

一、現狀調查

飛機設計是一項復雜且周期很長的工作，通常分成幾個階段進行：擬定設計、概念設計、初步設計、詳細設計、原型機試制、試飛、成批生產和改進改型。由于飛機設計過程中成熟度概念一直在升級，相應演變的是參數調整、結構布局修改，零件數模升版。導致工藝準備處于二難位置：不進行工藝準備，則后續工作無法繼續進行，無法得知零件的加工實際性；進行工藝準備，則需要制造大量的工藝工裝設備，耗時較長，如果零件模型升版，則導致前期的工藝準備階段材料、設備報廢，嚴重浪費。如何縮短試制階段周期及節約研制成本成了飛機研制階段的關鍵問題。

機身是飛機最復雜的部件之一。它的用途是多種多樣的，裝載有效載重、乘客、設備、裝備、動力裝置和燃料，并把飛機的重要部件聯成一體。這種功能上的復雜性決定了在設計過程中不論是選擇機身參數、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計時速等因素，飛機的中段機身多采用單曲度等直段結構設計。

飛機蒙皮類零件是構成飛機氣動外形的薄板件和內部結構框架的包皮，該類型零件的典型特征是壁厚薄，僅為 2～6mm，而且零件結構尺寸大，零件上設計有下陷、孔、外形帶缺口，壁厚公差僅為 ±0.2mm，中機身 30多塊蒙皮結構尺寸都不同，如圖 1所示。

二、傳統加工方法介紹

由傳統的飛機制造模式可知，由于飛機產品的特殊性，飛機制造技術及其過程與一般的機械制造有著明顯的不同，有自己的獨特之處。這些零件不能用一般的機械加工的方法來制造，而是利用大量標準和專用的工藝裝備來制造。

飛機蒙皮是構成飛機氣動外形的關鍵零件，蒙皮制造技術是衡量一個國家飛機制造能力和水平的重要標志之一。因此蒙皮制造技術對于我國航空制造業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床上對板材進行彎曲的一種方法，機床附有通用或專用的模具，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的輥軸間通過，并連續地產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（板料兩端在拉形機夾鉗夾緊下，被工作臺頂升的拉形模和板材接觸，產生不均勻的平面拉應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→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構，如果先成型蒙皮的曲度外形，然后再由機加加工蒙皮表面下陷區，大曲度零件外形會造成機加時真空吸附困難，機加用模具體積大、造價高昂。還會導致厚度超差，無法滿足設計要求。反之如先按展開設計后的平板數字模型銑削出零件，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銑切技術，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控加工兩方面存在的困難。在具備一定物質、技術條件下，盡量采用數字量傳遞法、CAD/CAM工作法，結合展開設計技術，優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、樣板等工藝數據的制造，由于成型之后工藝板坯無法再次使用，所以在飛機研制階段這種快速成型的方法有很大的優勢。下面詳敘各過程的具體情況。

1.蒙皮零件展開基準面選擇

隨著數字化制造技術的廣泛應用，相應的設計軟件在航空航天等領域廣泛適用。其中應加工工藝性要求，展開技術已經廣泛應用。根據曲面展開情況可分為可展曲面和不可展曲面兩類，介于中機身蒙皮曲面為等直段結構設計，可視為可展曲面?？烧骨媾c平面之間存在等距關系，經過等距變換，可以準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生塑性變形，使得成形后尺寸偏離設計值。為實現零件的精確展開，減少后期修邊量，避免廢品產生，展開工藝數模設計時應考慮零件成形變形的補償方法。

常規的零件展開依據各自不同的成形工藝分為1/2層，1/4層，中性層，外表面和內表面展開，正確選取展開基準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，所得的結果不一樣。將等直段蒙皮近似擬合為圓弧，具體參數定義為： 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為蒙皮展開的基準層參數。（0 ≤ a≤ 1，內型表面展開時a=0，理論外形面展開時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。

考慮到飛機裝配的實際情況，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先保證理論邊緣線不變。數控時為了方便定位和夾持，以理論外形為基準面加工更加方便。 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面成線性關系，但由于環境溫度、成型工藝參數以及材料本身應力狀態及工藝方法選擇、工藝參數設計和成形道次選擇，這些方面對變形值也有影響。

2.蒙皮零件展開重建技術

上面講述了蒙皮展開是基于法線展開，不完全等同于飛機機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，需要將工藝數模進行優化，在數控加工過程由于底角不能進行清根處理，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圓角過渡區處理圖

在數控加工及滾彎成型時由于蒙皮零件薄而且要保護零件表面保護層無氣泡、無皺褶。為了方便工藝要求在展開數模和工藝數模上添加工藝耳片，工藝耳片主要起定位、裝夾、安裝等功能，在最終產品零件裝機之前去除。如圖 5所示。

3.數控下料及滾彎成型

目前數控機床在工業領域廣泛應用，對于蒙皮類新材料零件加工可以使用20，000轉/min以上高速五坐標機床，這些機床配備了測刀儀、對刀儀、動平衡檢測儀和磨刀機等輔助設備。對于新材料主要研究內容包括：蒙皮的銑切參數；機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備可以滿足變厚度蒙皮滾彎的要求，主要研究內容包括：滾彎成形參數；滾彎成型對蒙皮表面質量的影響；成型后蒙皮的回彈量以及修整方法。

四、結語

航空工業是國家經濟和國防建設的重要產業，它的持續發展推動了多種先進制造技術的發展。在制造過程中需要使用大量的工裝來生產零件。用于設計制造工裝的生產周期和成本在整機研制中占很大比例。本文綜合考慮鈑金成型、數控加工兩方面存在的困難，創新地采用飛機研制階段變厚度蒙皮成型方法，快速準確地制造出產品零件并裝機驗證合格，為后續飛機研制周期打下基礎，同時也為將來的蒙皮零件成型和加工積累先進的加工經驗。