復雜薄壁曲面飛機鈑金零件成形分析及加工

翟建武

隨著我國航空行業不斷發展，對飛機制造工藝也提出越來越高的要求。基于此，本文通過對鈑金零件成形確立、零件拆分以及展開成形、模具設計、零件焊接等方面，就復雜薄壁曲面飛機鈑金零件成形工藝進行簡要闡述，并通過成形工藝分析，提出自己一點看法。

鈑金是一種針對金屬薄板（通常在5mm以下）一種綜合冷加工工藝，其中包括折、剪、沖/切/復合、拼接、鉚接、成型等。其最顯著的特征就是零件成形厚度一致。在航空工業中，鈑金零件幾乎占據飛機總數量的65～75%，而且由于飛機的特殊性，需要的鈑金零件品種多、數量少、結構復雜等特點，能夠直接影響到飛機整體的質量以及生產周期，其中一些零件甚至需要反復加工才能正常使用，這也是飛機零件成形困難的主要原因。

1鈑金零件成形可行性分析

本文選用材料為316L不銹鋼板，其厚度為0.3mm，其標準為ASTM A240。材料優點包括：1）耐常規腐蝕性；2）耐大氣腐蝕性；3）高溫強度高；4）無磁性；5）冷軋零件光澤度好。加工復雜薄壁曲面飛機鈑金零件存在的困難包括：1）延展性差；2）轉角處難以加工；3）存在未知條件（曲面弧度），模具設計困難；4）外形尺寸設計困難；5）焊接難度系數大。鈑金零件成形需要通過三維設計軟件的幫助才能完成，具體步驟為：1）運用數字化方式建立三維模型坐標，并且確立高于零件底面1mm處為平面坐標；2）在三維設計軟件中，設置零件材料、材料厚度，并運用可成形性一步式厚度設置對零件進行有效分析，在零件厚度設置變化過程中，發現在折彎拐角處變化達到最大，所以以此判斷，拐點處在形成過程中容易出現起皺問題；3）運用軟件對零件應力分布進行分析，發現形成性應力在折彎拐角處變化最大，所以以此判斷成形時拐角處容易產生拉裂。這些實驗如果在現實中摸索試驗，將會造成非常高的經濟損失，而利用三維設計軟件，便能夠通過分析，最大限度的減少設計缺陷。

2零件拆分以及展開成形

零件拆分、成形是利用軟件對零件進行成形預估，以便于避免零件焊接過程中出現的問題，具體步驟如下所示：1）根據三維設計軟件，將零件拆分為曲面成形以及平面成形，通過對零件的拆分，分別進行加工，從而達到避免一次成型出現類似起皺、拉裂的問題出現；2）利用三維設計軟件分析可成形性一步式，分別對零件的應力、厚度、應變成型平面以及曲面進行分析；3）當鈑金零件設計完成以后，需要將整個設計圖進行展開.以此確定零件的其他數據，以便于進行加工時合理運用材料。一些三維設計軟件存在鈑金設計模塊，可將設計完成的鈑金零件自行展開，生成平面加工使用的二維設計圖；4）根據以上幾點零件成形性進行分析，并對成型方式進行比較：如材料力學性能、零件整體成形、拆分曲面成形、拆分平面成形等方面對比發現，零件整體成形時整體性能超過超過了材料性能，但是存在曲面相交的情況；而零件拆分時，曲面成形以及平面成形都能夠得到有效保證，但是材料性能沒有超過材料力學性能，所以以此判斷展開后加工工藝的零件性能比較好。

3模具設計分析

在三維設計軟件中，需要經過以下幾個步驟：1）建立模型。建立三維模型，并且確定三維模型坐標后，可以運用建模模塊命令，通過抽取零件所有信息命令，包括內平面、內曲面，然后隱藏零件模型，運用曲面掃掠特征，分別作出掃掠后的相關曲面，然后將掃掠的信息與抽取的信息相縫合，組合成為一個新的整體；2）凸模模具。將新整體投入另外一個模板，建立平面坐標，與隱藏的零件水平放置，并且通過拉伸成型來保證修建實體過程中模具不會出現問題。在拉伸完成后，運用修剪體命令對成形零件進行修剪，并且在縫合體設置刀具，縫合體與刀具相剪切通過拉伸命令中求差，最后做出凸模模具；3）加工模具。在三維設計軟件中進行分析，這里需要注意的是，要避免成形過程中出現干涉現象。將凸模模具設置成為二維圖樣，并且記錄好具體尺寸，以便于模具出現問題時對數據進行修改處理。編程技術員運用三維模型圖配合模具加工人員進行模具生產過程。其中需要注意的是在加工復雜曲面時，模具型面以模胎、樣件、模線樣板等模擬量在協調制造的過程性，模具制造精度協調性不容易得到保證，需要進行反復調節才能達到圖樣效果。

4零件焊接

在零件焊接前，需要采用手工成形的方式，即操作人員利用凹模、凸模形成零件平、曲面，從而保證零件平、曲面與三維設計軟件中三維建模數據一致。在焊接過程中，需要注意以下幾點問題1）熱裂紋。焊縫以及熱形象區域金屬冷卻到相固線附近時容易產生熱裂紋，除此之外還會產生脆化、晶間腐蝕以及應力腐蝕導致開裂等情況出現；2）焊接變形。由于焊接過程中導熱性差，而相固線膨脹系數大，也會產生焊接變形的情況出現。焊接工藝采取焊接模具方式，通過夾持保證平、曲面零件穩定性，然后通過點焊將兩者連接在一起，再進行滿焊。在此過程中，需要注意盡量采取小電流、快速焊接的方式進行，這樣就會減少焊接過程中熱量傳遞，達到高速平穩焊接的目的。

綜上所述，復雜薄壁曲面飛機鈑金零件成形通過三維軟件設計，與加工工藝相結合從而實現設計、分析、制造并行，能夠達到提高制造效率的目的。本文通過對不銹鋼板進行分析、軟件定模、凸模模具設計加工、點焊平曲面零件等方式，就復雜薄壁曲面飛機鈑金零件成形進行簡要分析，并且得出這種方式能夠有效縮短產品研發周期、降低成本、降低產品出錯返工率的結論。