复杂薄壁曲面飞机钣金零件成形分析及加工

翟建武

随着我国航空行业不断发展，对飞机制造工艺也提出越来越高的要求。基于此，本文通过对钣金零件成形确立、零件拆分以及展开成形、模具设计、零件焊接等方面，就复杂薄壁曲面飞机钣金零件成形工艺进行简要阐述，并通过成形工艺分析，提出自己一点看法。

钣金是一种针对金属薄板（通常在5mm以下）一种综合冷加工工艺，其中包括折、剪、冲/切/复合、拼接、铆接、成型等。其最显著的特征就是零件成形厚度一致。在航空工业中，钣金零件几乎占据飞机总数量的65～75%，而且由于飞机的特殊性，需要的钣金零件品种多、数量少、结构复杂等特点，能够直接影响到飞机整体的质量以及生产周期，其中一些零件甚至需要反复加工才能正常使用，这也是飞机零件成形困难的主要原因。

1钣金零件成形可行性分析

本文选用材料为316L不锈钢板，其厚度为0.3mm，其标准为ASTM A240。材料优点包括：1）耐常规腐蚀性；2）耐大气腐蚀性；3）高温强度高；4）无磁性；5）冷轧零件光泽度好。加工复杂薄壁曲面飞机钣金零件存在的困难包括：1）延展性差；2）转角处难以加工；3）存在未知条件（曲面弧度），模具设计困难；4）外形尺寸设计困难；5）焊接难度系数大。钣金零件成形需要通过三维设计软件的帮助才能完成，具体步骤为：1）运用数字化方式建立三维模型坐标，并且确立高于零件底面1mm处为平面坐标；2）在三维设计软件中，设置零件材料、材料厚度，并运用可成形性一步式厚度设置对零件进行有效分析，在零件厚度设置变化过程中，发现在折弯拐角处变化达到最大，所以以此判断，拐点处在形成过程中容易出现起皱问题；3）运用软件对零件应力分布进行分析，发现形成性应力在折弯拐角处变化最大，所以以此判断成形时拐角处容易产生拉裂。这些实验如果在现实中摸索试验，将会造成非常高的经济损失，而利用三维设计软件，便能够通过分析，最大限度的减少设计缺陷。

2零件拆分以及展开成形

零件拆分、成形是利用软件对零件进行成形预估，以便于避免零件焊接过程中出现的问题，具体步骤如下所示：1）根据三维设计软件，将零件拆分为曲面成形以及平面成形，通过对零件的拆分，分别进行加工，从而达到避免一次成型出现类似起皱、拉裂的问题出现；2）利用三维设计软件分析可成形性一步式，分别对零件的应力、厚度、应变成型平面以及曲面进行分析；3）当钣金零件设计完成以后，需要将整个设计图进行展开.以此确定零件的其他数据，以便于进行加工时合理运用材料。一些三维设计软件存在钣金设计模块，可将设计完成的钣金零件自行展开，生成平面加工使用的二维设计图；4）根据以上几点零件成形性进行分析，并对成型方式进行比较：如材料力学性能、零件整体成形、拆分曲面成形、拆分平面成形等方面对比发现，零件整体成形时整体性能超过超过了材料性能，但是存在曲面相交的情况；而零件拆分时，曲面成形以及平面成形都能夠得到有效保证，但是材料性能没有超过材料力学性能，所以以此判断展开后加工工艺的零件性能比较好。

3模具设计分析

在三维设计软件中，需要经过以下几个步骤：1）建立模型。建立三维模型，并且确定三维模型坐标后，可以运用建模模块命令，通过抽取零件所有信息命令，包括内平面、内曲面，然后隐藏零件模型，运用曲面扫掠特征，分别作出扫掠后的相关曲面，然后将扫掠的信息与抽取的信息相缝合，组合成为一个新的整体；2）凸模模具。将新整体投入另外一个模板，建立平面坐标，与隐藏的零件水平放置，并且通过拉伸成型来保证修建实体过程中模具不会出现问题。在拉伸完成后，运用修剪体命令对成形零件进行修剪，并且在缝合体设置刀具，缝合体与刀具相剪切通过拉伸命令中求差，最后做出凸模模具；3）加工模具。在三维设计软件中进行分析，这里需要注意的是，要避免成形过程中出现干涉现象。将凸模模具设置成为二维图样，并且记录好具体尺寸，以便于模具出现问题时对数据进行修改处理。编程技术员运用三维模型图配合模具加工人员进行模具生产过程。其中需要注意的是在加工复杂曲面时，模具型面以模胎、样件、模线样板等模拟量在协调制造的过程性，模具制造精度协调性不容易得到保证，需要进行反复调节才能达到图样效果。

4零件焊接

在零件焊接前，需要采用手工成形的方式，即操作人员利用凹模、凸模形成零件平、曲面，从而保证零件平、曲面与三维设计软件中三维建模数据一致。在焊接过程中，需要注意以下几点问题1）热裂纹。焊缝以及热形象区域金属冷却到相固线附近时容易产生热裂纹，除此之外还会产生脆化、晶间腐蚀以及应力腐蚀导致开裂等情况出现；2）焊接变形。由于焊接过程中导热性差，而相固线膨胀系数大，也会产生焊接变形的情况出现。焊接工艺采取焊接模具方式，通过夹持保证平、曲面零件稳定性，然后通过点焊将两者连接在一起，再进行满焊。在此过程中，需要注意尽量采取小电流、快速焊接的方式进行，这样就会减少焊接过程中热量传递，达到高速平稳焊接的目的。

综上所述，复杂薄壁曲面飞机钣金零件成形通过三维软件设计，与加工工艺相结合从而实现设计、分析、制造并行，能够达到提高制造效率的目的。本文通过对不锈钢板进行分析、软件定模、凸模模具设计加工、点焊平曲面零件等方式，就复杂薄壁曲面飞机钣金零件成形进行简要分析，并且得出这种方式能够有效缩短产品研发周期、降低成本、降低产品出错返工率的结论。