多向作用力状态下的前缘蒙皮零件成形方法分析

刘辉 张壹 蒋建明 李成 阮培举

摘 要：蒙皮成形技术是航空航天领域生产的重要技术，其精度和质量水平影响着航空制造水平。基于此，本文通过对前缘蒙皮零件的成形工艺难点进行分析，并进一步分析了零件成形的方法。以期能够实现零件精准成形，达到高质量航空生产的需要，生产出高品质零件。

关键词：前缘蒙皮零件;成形工艺;多向作用力

引言：前缘蒙皮零件是蒙皮零件中的复杂零件，作为飞机气动外形的重要构成零件，该类零件具有尺寸长，半径小的特征，对于生产的精度要求高，常使用拉形成形、闸压成形等生产工艺，因此需要使用精度更高、生产质量稳定的成形工艺，达到蒙皮零件精准成形要求。因此针对蒙皮零件成形方法的研究具有现实意义，有利于提高生产质量。

1前缘蒙皮零件成形工艺难点

蒙皮零件是飞机外形薄板件以及内部框架包覆件，由于在飞机外表面覆盖，飞行过程中和气流接触，蒙皮零件成形质量对于飞机气动性和外观性有重要影响。蒙皮零件多为简单双曲度和单曲度的蒙皮，这类零件成形常使用拉伸技术，其优势在于贴模度较好，具有较高生产效率，成形质量更好。前缘蒙皮成形较为复杂，成形困难，对于工艺的要求较高。使用拉伸成形工艺加工，要在两端夹持板料，借助于板料和顶升模具接触，形成不均匀应变。或者利用拉伸包覆运动贴合模具表面，保证零件形状[1]。在拉伸成形过程中易产生应力集中问题，应力成形过程结束不会完全消失，会残留部分形成残余应力，造成蒙皮零件形成较大回弹。在拉形过程中不可避免出现，若回弹过大会影响成形质量，严重时还会造成零件的报废。在成形过程中降低应力是降低回弹关键。拉伸成形过程中，由于存在一定应力，无法释放，也会增加回弹，造成蒙皮形成弹性变形量。因此需要对前缘蒙皮零件成形工艺进行优化，使用多种成形工艺方法，充分发挥出两种工艺的优势，从而提高蒙皮零件整体质量。

2多向作用力状态下的前缘蒙皮零件成形方法

2.1前缘蒙皮零件的成形方法

前缘蒙皮零件作为飞机气动外形的重要零件，其曲率半径较小，具有较长的外形尺寸，对于尺寸精度要求高。常见方法包括拉形成形、闸压成形以及橡皮成形等方法。如今航空航天技术快速发展，传统生產方式无法满足技术质量和精度的需要。成形力卸载回弹问题造成零件不贴模，造成蒙皮零件难以满足精度标准。为了减少或克服回弹问题。目前各个航空航天院校和航空主机厂针对蒙皮成形技术系统展开研究，从镜面蒙皮、复杂蒙皮等多个领域进行研究。最早通过对蒙皮橡皮成形回弹数据进行模拟，将ANSYS软件作为平台，对于蒙皮铝合金板建立成形和回弹数值模型，研究数值模拟回弹预测精度，并掌握了网格尺寸和动摩擦以及回弹角的关系。后来进行蒙皮拉形工艺进一步优化参数，通过对蒙皮零件成形方案的分析，对加载轨迹参数进一步优化，通过正交试验对拉形工艺进行设计。经过有限元分析，优化设计工艺参数，通过生产试验获得了高成形质量的零件。

经过对前缘蒙皮成形工艺的特点分析，选择具有更典型的零件，对轨迹方案和参数进行加载和设计，经过有限元分析优化工艺参数，分析参数影响规律和有限元结果。在FCEFE3软件生成数控代码，经过了生产验证，获得更高质量的零件。然后又进一步研发出振动辅助成形工艺，成形过程中通过对模具施加固定方向的振幅、频率的振动，让模具和板料周期性加载卸载，降低摩擦力，减小回弹。上述方法均能对零件成形回弹量进行控制，但是工艺准备过程十分复杂，对于操作人员专业素养要求更高，精度准确性取决于试验参数，想要大范围量产存在一定风险。本研究是将压形成形和拉形成形相结合，提出从多向作用的成形工艺。通过压形和拉形交替成形，让零件成形应力得到改变，有效解决回弹问题，实现大范围量产。

2.2具体应用

使用压模成形工艺加工前缘蒙皮零件，受到压力作用，在零件圆角位置上集中塑性变形区，在零件两侧的立边位置属于变形薄弱区，并没有出现塑性变形。采取横向拉形成形工艺，在零件两侧立边可以作为传力区域，和拉形模没有接触，没有和模具表面产生摩擦[2]。塑性的变形较大，容易被拉薄。因此零件可以拉形阈值有限，在圆角位置上塑性变形的力度不足，同时小开口尺寸零件并不能使用拉形机提供装夹位置。因此结合压形成形工艺以及纵向拉形成形工艺，施加拉力以及压力，让应力状态得以改变，形成具备压缩应变的立体状态，利用材料塑性，降低回弹幅度。利用纵向拉伸力达到材料塑性屈服点，让零件保持塑性变形，这时施加压力完成成形。

以0Cr18Ni9-false0.4材料为例，尺寸为1.8m×0.29m。主体利用压模结构，使用柔性材料，材料具备一定硬度。根据外形面对材料加工，制作为凹模，利用胶贴方式在上模容框中固定，通过环氧树脂对间隙进行填充，在成形设备上固定零件成形工装，由封闭式焊接钢板构成设备，利用可编程软件加以控制。主体框架左边增加固定拉伸缸，另外一侧安装可移动拉伸缸，用于纵向拉形，拉伸力要达到300kN。在框架上悬挂液压缸，用于对上模进行固定，零件使用两个液压缸，每个拉伸力要达到36kN。对上模液压缸下进行控制，可以让成形模保持合模的状态，实现零件板料的预成形，拉伸的形成设定为5cm，速度保持5mm/s。保持拉力作用，将上下模进行闭合，保证持续10s压力，交替三次闭合，完成加工工艺。在零件成形后检查表面光滑效果，确保贴模效果良好，零件质量稳定。对蒙皮零件的尺寸和效果进行验收，确保零件效果达到质量要求，满足航空生产需要。

结论：

综上所述，前缘蒙皮零件成形生产作为航空航天制造的基础工艺，蒙皮零件对于成形工艺的精度具有较高要求。通过对零件成形作用力的改变，对成形应力状态进行改进，利用零件材料塑性的优势，使用压形成形和拉形成形的工艺，对成形工艺回弹进行测量和实验，对成形工艺参数加以优化，从而精准控制蒙皮零件的精度，提高零件整体质量。

参考文献：

[1]谢洪志，王玲，赵天章，等.基于数字化的蒙皮拉形加载轨迹优化与应用[J].锻压技术，2021，46（01）：56-59.

[2]刘恺，王颖，龚志仁，孙高展，聂正欣.某型飞机垂尾前缘蒙皮的加工方法探讨（口框）[J].科技经济导刊，2020，28（29）：69-70.

作者简介：

刘辉（1990.3-），男，汉族，籍贯：陕西城固，最高学历：本科，目前职称：工程师，研究方向：飞机制造，塑形加工。

张壹（1989.5-），男，汉族，籍贯：陕西汉中，最高学历：大学本科，目前职称：工程师，研究方向：飞机制造，飞机工艺设计。

蒋建明（1994.1-），男，汉族，籍贯：甘肃民勤，最高学历：大学本科，目前职称：工程师，研究方向：飞机制造，机械加工。

李成（1983.3-），男，汉族，籍贯：贵州赫章，最高学历：大学本科，目前职称：高级工程师，研究方向：飞机制造，塑形加工。

阮培举（1984.4-），男，汉族，籍贯：贵州毕节，最高学历：大学本科，目前职称：高级工程师，研究方向：飞机制造，塑性加工。