一種降低飛機蒙皮回彈的裝置及工藝

柏玲磊，周 遨，趙坤民

（合肥工業大學 工業與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009）

一種降低飛機蒙皮回彈的裝置及工藝

柏玲磊，周 遨，趙坤民

（合肥工業大學 工業與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009）

拉伸成形是飛機蒙皮的基本成形方法。結合蒙皮拉伸成形回彈過大的缺陷及影響因素，設計了一種振動輔助拉伸成形裝置，分析了施加振動減小回彈的機理并提出了振動輔助拉伸成形的工藝方法。以單曲度蒙皮拉伸成形為例，通過數值仿真模擬，分析了施加振動對成形蒙皮零件回彈的影響，結果表明施加振動后回彈量明顯減小，最大回彈值由1.44mm降到0.75mm，成形質量顯著提高。

振動；飛機蒙皮；拉伸成形；回彈；數值模擬

拉伸成形（簡稱拉形）是常見的金屬板材成形方式，在航空航天結構件尤其是飛機蒙皮成形中廣泛應用。板料在拉伸成形過程中極易產生應力集中現象，這些應力隨著成形過程的結束并不會完全消失，而會殘留下來一部分，形成殘余應力，導致成形的蒙皮零件產生較大的回彈。回彈問題在蒙皮成形過程中不可避免。目前針對蒙皮回彈過大的問題，人們一直沒有好的解決方法，仍然依靠多次拉形試模獲得的經驗來確定合適的拉形工藝參數，從而盡可能減小回彈。

減小成形蒙皮零件的殘余應力是有效降低回彈的關鍵。在現有的蒙皮拉伸成形設備上，通過改變原有結構，加入激振器裝置，在成形過程中，通過激振器的振動帶動模具振動，可有效減小板料內部的殘余應力，達到降低回彈的目的。

1 振動輔助拉伸成形裝置

在現有飛機蒙皮拉伸成形設備基礎上，通過改進結構并引入振動輔助[1-3]設備，組成滿足工藝要求的振動輔助拉伸成形裝置。該裝置由拉伸設備與成形機構組成，具體如圖1、圖2所示。在成形過程中施加振動，可能會對拉伸設備造成一定的影響，從而降低設備本身的使用壽命。為解決這一問題，對傳統蒙皮設備[4-5]進行改進。將傳統的整體式拉伸成形設備中拉伸設備與成形機構進行分離。

圖1 振動輔助拉伸成形裝置

圖2 成形機構

如圖1所示，在拉伸設備的中間位置設置有中空區，在中空區內放置有互不接觸的成形機構，在振動時，可以保護拉伸設備本身，并保證能量有效傳遞。同時為達到振動效果，在成形機構中引入激振器裝置。圖2是成形機構。在模具兩側內部對稱設置有n對激振器；模具通過固定件與工作臺相連接；在模具和工作臺之間設置有彈性墊，從而形成成形機構；該成形機構通過設置彈性墊阻止了振動傳遞到工作臺上，減少了能量流失。同時，在實際工作環境中，還減小了振動產生的噪聲。需要說明的是，激振器數量根據具體成形蒙皮件的成形力大小而定。對于激振器的固定形式，本裝置中考慮到要安裝固定在模具兩側內部，所以未采用常見的夾鉗剛性固定方式，而是采用了螺栓連接方式。

2 振動輔助拉伸成形工藝

2.1 工藝機理

成形蒙皮是對稱零件，其在拉伸成形過程中的受力狀態，可以用圖3所示的對稱板幾何形狀來表達。其中，r為中間平面曲率半徑，θ為彎曲角，在施加振動過程中，相當于給板料提供了一個交變載荷F。

圖3 蒙皮成形機理圖

這里引入應力函數 ψ，假設 φ=F（r）sinθ，則該方程應滿足平面應變問題應力函數方程▽4φ=0，據此可以推出應力

式中：σθ——切向應力；

τrθ——剪切應力。

下面來確定式中C值。極坐標下應變公式為

式中：εθ——切向應變；

rrθ——剪切應變；

μr——徑向位移；

μθ——切向位移。

由方程（1）、（2）、（3）、（4）和虎克定律，可推得平面應變公式

式中：υ——泊松比；

G——剪切彈性模量。

由此得

在拉伸成形過程中由于施加了振動，相當于給板料提供了疊加的位移[6]，假設從板料開始受力到最終成形（假設最終成形時如圖3所示板料幾何形狀圓心角為θ0）板料所受的疊加位移為b。

由于（μr）θ=π-（μr）θ=0=b，所以由（7）式可得

這樣解得

將（10）式代入（1）、（2）中，最終可以得到

由上式可以看出應力受到施加振動產生的交變載荷影響，當 σθ＞σs時（σs為材料的屈服極限），零件即會發生塑性形變，使殘余應力峰值降低，從而減小回彈。

2.2 工藝方法

本工藝方法中，拉伸設備通過自身的夾鉗夾住板料兩側并放置于模具上表面，通過液壓缸驅動夾鉗按照加載軌跡進行拉伸，同時啟動激振器使其帶動模具與板料同時振動，直到成形過程結束。

本工藝實施方法中，需要重點指出的是，所施加的振動頻率是低頻率，這在技術上是可行的。低頻振動輔助的好處在于可以減小板料內部的殘余應力，降低回彈，也可以減小板料與模具之間的摩擦力，使板料變形更加充分、均勻，保證蒙皮成形質量。同時要保證拉伸設備與激振器同步工作。

3 單曲度蒙皮拉伸成形仿真

3.1 仿真模型

本次仿真中以單曲度蒙皮橫向拉伸成形為例，材料選擇鋁合金2024系列，板料長度2m，寬度 1m，厚度2mm。如圖4所示。由于蒙皮零件為對稱結構，在仿真中取1/2模型作為研究對象。仿真軟件為Dynaform。

在仿真約束條件及參數設定中，板料定義為彈塑性體，模具定義為剛體；板料與模具的剪切摩擦因子定義為0.18；運動速度設置為5000mm/s。

圖4 單曲度蒙皮

3.2 仿真結果

仿真結果主要是輸出無振動與施加低頻振動的對比回彈結果云圖。其中無振動拉伸成形過程是模具不動，通過夾鉗的拉伸包覆運動使板料成形；施加的低頻振動，是等效給模具加載一個正弦曲線的位移，來達到模具帶動板料振動的效果。施加正弦曲線的頻率是低頻，本仿真選擇在50Hz以內，振幅選擇為幾個毫米。結果如圖5所示。圖5a為無振動回彈云圖，圖5b為低頻振動回彈云圖。

為了定量分析二者回彈大小，以零件對稱中心為坐標原點，取沿寬度方向（如圖5b中截面線）對稱切面上的點為測量點。結果如圖6所示。從圖中可以發現施加低頻振動后回彈量明顯減小，最大回彈值由1.44mm降到0.75mm，效果十分顯著。

圖5 回彈對比云圖

圖6 回彈量對比

4 結論

本文設計了一種振動輔助拉伸成形裝置，從工藝機理分析上證明了將低頻振動應用于飛機蒙皮拉伸成形中具有可行性，并給出了裝置具體的工藝方法。通過仿真分析發現：施加低頻振動，蒙皮零件的回彈得到明顯改善。為飛機蒙皮拉伸成形提供了一種新的思路。

[1]王家鵬.超聲振動輔助成形本構模型理論及其實驗研究[D].上海：上海交通大學，2015.

[2]陳得民.振動時效技術及殘余應力測試[J].上海計量測試測試，2015，（1）：8-10.

[3]劉 揚.振動消除殘余應力的原理[J].湖南工業大學學報，1996，（1）：69-75.

[4]王 強，吳建軍，張 深，等.蒙皮拉伸成形裝備及其數值模擬研究[J].航空制造技術，2014，454（10）：55-60.

[5]鄭曉君.新型數控蒙皮拉伸機[J].航空制造技術，2007，（5）：110-110.

[6]蘆亞萍.振動消除殘余應力機理分析及試驗研究[D].浙江：浙江大學，2002.

A device and process of reducing springback of aircraft skin

BAI Linglei,ZHOU Ao,ZHAO Kunmin
（Industry and Equipment Technology Institute,Hefei University of Technology,Hefei 230009,Anhui China）

Stretch forming process is the primary manufacturing method for aircraft skin.Avibration-assisted stretch forming device has been designed by combination of too much springback during skin stretching process.The principle of small springback by applying vibration has been analyzed.The technical process of vibration-assisted stretch forming has been put forward.Taking the single curvature skin stretch forming as an example,the influence of the applied vibration on the springback of the skin parts has been analyzed by numerical simulation.The results show that the maximum springback value has been cut down from 1.44mm to 0.75mm after being applied the vibration.The forming quality has been obviously improved.

Vibration;Aircraft skin;Stretch forming;Springback;Numerical simulation

TG386.3

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.026

1672-0121（2017）04-0089-03

2017-03-23；

2017-05-12

國家自然科學基金資助項目（11472072）

柏玲磊（1991-），男，碩士在讀，主要研究方向板料成形數值模擬與工藝優化。E-mail：hfutllbai@sina.com；趙坤民（1971-），男，博士，教授，博士研究生導師，國家第八批“千人計劃”引進專家。主要研究方向金屬沖壓成形回彈分析與控制、智能材料與結構的基礎研究等。E-mail：kmzhao@dlut.edu.cn