飛行器翼肋零件橡皮囊成形研究與模具設計

田甜

摘 要：飛行器的翼肋就像鳥類翅膀的骨骼，飛行器缺少它不能實現在天空飛行。隨著科學技術不斷地發展，翼肋零件成形技術也在不斷的提高和改進，本文研究的翼肋零件的橡皮囊成形、翼肋零件成形模具型面設計、成形模具設計，從零件的結構、材質以及成形方面分析，進一步提高這類零件的質量和精度。

關鍵詞：翼肋零件與橡皮成形；翼肋零件模具型面設計；成形模具設計

中圖分類號：V224 文獻標志碼：A

1 翼肋零件與橡皮成形

飛機機身材料的組成中，有60%以上的材料是鋁合金，復合材料占有的比重為20%，鈦合金占有10%，翼肋零件也是由鋁合金和鈦合金材料為主，翼肋零件在結構分類中可以稱為翻邊零件，它的成形是通過將平板零件進行翻邊加工得到的，在工藝制定中，需要設定翻邊高度和角度等，同時還要控制圓角半徑。

在機械加工制造中，零件的制造周期非常短，大部分時間都是耗費在成形設計上。翼肋零件成形過程中，成形工藝是最復雜的，因為這種工藝是通過改變零件的形狀實現零件成形，在成形中常會產生各種問題和缺陷，如在零件進行凸翻邊成形的時候，曲率較大的位置容易產生起皺。為避免這種缺陷，需要添加側壓塊，如圖1所示。

在進行成形的時候需要計算極限翻邊高度，計算公式如下：

翼肋加工中采用橡皮囊成形方法是一個經濟快速的工藝方式，它的原理是采用橡皮胎為原料，制造成為剛性半模，再通過加壓流體的液壓作用使板料通過柔性胎受壓，并迫使坯料成為剛性半模的形狀，通過壓力使零件成形，成形的步驟如圖2所示。

（a）步驟：將要加工零件的毛坯放置在模具上，同時還將橡皮囊壓力機一起放入。

（b）步驟：將壓力施加在橡皮囊上，將毛坯與模具貼合。

（c）步驟：將設備復位，零件取出。

橡皮囊成形的優點為：毛坯零件在成形過程中，厚度是均勻變化的，同時得到零件的尺寸精度高，回彈量也小。在零件變形過程中，零件的表面質量得到保證，基本沒有缺陷，同時在模具的設計上得以簡化，只需要設計下模具，縮短制造周期，降低費用。

2 翼肋零件模具型面設計

翼肋零件模具型面的設計一般是采用計算機軟件進行輔助設計，軟件采用CAD、UG、CATIA、PRO/E比較多，本文通過CATIA軟件對型面進行設計，選用該軟件進行設計時候需要先分析零件的結構，通過對曲面進行分解，選擇造型方法對零件進行獨立設計，最后實現曲面造型設計，流程如下：

（1）零件結構分析和曲面分析。

（2）選擇造型方法，進行獨立曲面的造型設計。

（3）曲面結合，形成整體曲面。

（4）整體曲面評價。

翼肋零件在結構分析的時候，零件本身可以分解為頂面、翻邊和過度圓角，所以在CATIA造型過程中，采用各個部分分別進行設計，最終實現整體設計，一般的方法為掃掠法和橋接法。

橡皮囊成形技術的使用，是需要通過三維軟件進行輔助的，通過三維軟件進行有限元分析，主要的算法有以下幾種：

（1）動態顯示算法，這種算法的優點就是結果精確、穩定，是以動力學為基礎，運用數學的差分方法，通過這種計算方法可以快速得到結果，這種算法主要是分析飛機板料零件的沖裁、沖壓、拉深、橡皮囊成形等過程的求解。

（2）靜態隱式算法，這種算法是解決飛機金屬零件成型的，它是通過虛擬原理，一般是需要靜態平衡方程進行計算，在利用這個計算方法的時候，一般是解決與時間無關的靜力學問題。

通過三維軟件的輔助，可以設計出橡皮囊成形設備，這個設備的主要組成結構有橡皮囊、內壓單元、板料和壓力內腔模具等。

3 成形模具設計

橡皮囊設備的工作原理是將飛機零件的毛坯（鈑金零件）放置在橡皮囊與剛性模具之間，剛性模具是通過工作臺進行支撐的，也就是下模具，通過動力設備將壓力施加在橡皮囊上，橡皮囊對鈑金施加力，然后鈑金與模具成形，最終將零件加工出來，在整個成形的過程中，需要考慮鈑金零件的回彈，剛性模具的強度，主要位置的精度，在成形過程中，橡皮囊會保護鈑金零件，不會產生拉傷、斷裂等現象，橡皮囊成形技術是一個柔性技術，解決傳統沖壓和拉伸成形對毛坯的損傷。

飛行器翼肋零件橡皮囊成形中，模具主要是指下模具，沒有上模具，而下模具的設計主要取決于零件的形狀尺寸，一般是與零件形狀尺寸相同，設計方面要保證以下幾個原則：

（1）功能要求。模具設計上要滿足加工的要求，要能滿足零件加工效率，加工精度。

（2）整體性。由于曲面零件的厚度薄，在加工的時候要保證整體加工，不能將模具設計成分割的，保證是一個整體。

（3）可靠性。零件在橡皮囊成形過程中，壓力是先作用在橡皮囊上，然后壓力再作用在零件上，最后施加在模具上，所以要保證模具整體的可靠性。

（4）可擴展性。因為在模具的使用中，零件的形狀是不統一的，加工的種類會不同，所以需要將模具設計成可以擴展，保證可以對不同零件進行成形。

結論

飛行器的翼肋在分類上可以分為普通翼肋和加強翼肋，在作用上它們有著不同的承擔載荷的作用，但是在成形方面是一致的。翼肋零件屬于大曲率的零件，同時在結構上還有翻邊，最常見的成形工藝就是橡皮囊液壓成形，而隨著科學技術的不斷發展，成形方法也增加了一些分析方法，例如有限元分析法、試錯法，最終實現翼肋零件的質量和精度最優化。

參考文獻

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