S形蒙皮零件成形工藝

何文華，李淑蘭，徐莉萍

（中航工業洪都，江西南昌330024）

0 引言

新一代飛機在結構設計上采用了翼身融合體氣動外形和雙發動機結構，隨之產生的S形蒙皮零件的出現，使得S形蒙皮零件的成形難度和成形質量問題更加突出，傳統的拉形制造工藝和拉形設備已制約飛機發展。通過運用S3F軟件對S形蒙皮進行模擬仿真，進行S蒙皮拉形工藝性評估分析，預測拉形過程中可能產生缺陷，確定拉形工藝方法，制定合理工藝方案。同時對零件成形工藝特點、模具設計要點及數控蒙皮拉形機進行闡述，并應用于生產取得了滿意的效果，為類似零件的成形和模具設計提供了可借鑒之處。

1 零件結構分析

某飛機采用雙發動機結構，發動機艙門蒙皮共分前、中、后三個艙門，其型面分別由左、右兩個不規則凸曲面和中間不規則凹曲面組成。本文針對發動機前艙門蒙皮零件制造過程進行詳細的介紹。

艙門蒙皮零件在飛機對稱軸線處分段成左、右兩塊蒙皮。分段后零件橫向呈現雙曲面S形。圖1所示為飛機的前艙門左蒙皮、右蒙皮（零件三維圖），材料為LY12MO厚度1.2毫米，零件長各為1200毫米、,寬850毫米，蒙皮形狀如“S”形，其蒙皮外觀質量和裝配協調要求高。

2 工藝方案的確定

2.1 蒙皮S3F軟件仿真分析

通過FET600-4000/4200數控蒙皮拉伸機自帶模擬仿真S3F軟件進行仿真,首先將零件數模另存為（iges）文件格式并導入CAD2GO前置軟件中進行網格劃分,并輸出GDO文件。同時將GDO文件載入到S3F軟件中，對拉形過程中的各參數如：材料性能、毛料尺寸、摩擦系數、模具位置、拉形次數進行設定，通過拉形模擬計算得出如圖2所示模具右側下角凹陷處零件無法貼模。

圖1 零件三維

圖2 S3F軟件仿真過程結果

2.2 拉形方案的確定

方案一：預拉形+手工校正

根據S3F軟件仿真結果和零件結構特點，通常此類零件制造加工方法是采用拉形模-預拉形+手工校正,由于模具側面凹陷呈S形，零件拉形時側面材料與拉形模凹陷部分無法貼合(見圖2)，板材易產生皺紋，需要工人在拉形機上用橡皮對模具凹陷部位的板材進行抽打,使板材與模具貼合。然后進行淬火，為了消除淬火后的變形，需要再重復拉形，第二次拉形時，使得已成形凹陷部位遭到破壞，工人需繼續用橡皮抽打板材與模具凹陷部位，直到與拉形模貼合。此工藝方法缺陷工人體力消耗量大，零件成形表面質量差，外形準確度差，難以滿足裝配要求。

方案二：采用拉形模+上壓裝置

零件側面凹陷呈S形，單用凸模對零件拉形是無法使材料與拉形模凹陷部位貼合，通過分析認為，只有采用上壓裝置對蒙皮凹陷部位進行反向加壓拉形成形（模具結構見圖3）。由于模具側面凹陷呈S形，當上壓裝置對蒙皮凹陷部位進行反向加壓拉形成形時，上模和下模閉合，上模在下模側面，模具間產生側壓力，模具受力不平衡。造成下模模具側移和定位裝置損壞，引起上、下模之間間隙不均勻，使零件在拉形過程中，板料產生失穩起皺和蒙皮不貼模。因此，采用上壓裝置對凹陷部位進行反向加壓拉形成形，需要對下模側面進行修型，增加補償使其具有對稱性，盡可能使零件受壓部位在模具中間，使上、下模受力平衡。此工藝方法零件成形后表面質量好，外形準確度高，能滿足裝配要求。缺點是模具非工作面過大，零件材料浪費大。

方案三：左、右兩塊蒙皮合拉+上壓裝置

由于發動機艙門分左、右兩塊蒙皮，它們之間曲率距對稱軸是相互對稱。因此，我們通過分析決定將零件左、右兩塊蒙皮連成一整體（見圖4），使模具兩邊具有對稱性，零件凹陷部位在整體蒙皮零件中間，在用上壓裝置對蒙皮進行反向加壓拉形成形時 （見圖5模具結構形式），可使上、下模受力平衡，模具運行保持平穩。此加工方法優點：

1）解決了方案二模具非工作面過大、降低模具制造成本；

2）節約原材料；

3）避免零件拉形模具側移；

4）定位裝置不易損壞；

5）產品外觀質量好,提高了工人勞動效率；

6）減輕飛機裝機重量(減少左、右蒙皮連接帶板)。

圖3 模具結構

圖4 零件

圖5 模具結構形式

2.2 成形設備的選擇

經過分析得出采用上壓裝置對蒙皮凹陷部位進行反向加壓拉形成形，比用預拉形--手工成形表面質量好，外形準確。因此，我們首選機床是具有上壓裝置FET600-4000/4200數控蒙皮拉形機。

2.3 數控蒙皮拉形機簡介

FET600-4000/4200數控蒙皮拉形機是法國ACB公司生產的用于飛機蒙皮橫向拉形成形設備。該設備由兩組水平液壓作動筒和兩組垂直液壓作動筒共八個獨立液壓作動筒（圖6）和一對在龍門架上作垂直運動的液壓作動筒組成（圖7）。

圖6 拉伸缸運動

圖7 龍門架作垂直運動

其工作原理:首先將板料的兩邊被夾持在拉形機的兩個鉗口中，然后通過八個液壓作動筒的作伸縮運動，從而帶動鉗口上下左右運動使得板料產生不均勻的被拉伸并貼合到拉形模表面，同時，龍門架上的上壓裝置通過其液壓作動筒對零件凹陷部位進行反向加壓成形。

3 拉形模設計制造方案的確定

因模具結構上采用上壓裝置，模具需要承受一定壓力,模具結構形式采用鋼板骨架表面增塑料。拉形模的設計是否合理，是直接影響零件拉形是否成功的關鍵。因此，要求在拉形模設計制造過程中應注意以下技術要點：

1)下模兩端頭調水平

由于零件本身一高一低，下模兩端頭需調水平，使模具兩端頭最高處的背脊線大致與模具底平面平行。

2)準確導向塊定位

為了防止模具在拉形過程中上模、下模錯位，在工裝設計時要求上,下模在模具前、后兩端頭用導向塊定位 （見圖5），導向塊厚度40mm左右，寬度80～100mm。同時，導向塊上插銷長度不易過長，插銷過長將會影響板料放入模具工作區內裝夾。

3)上模寬度確定

上模寬度不易過大,上模具表面過大會增加阻力,影響板材流動塑性變形。

4)上模底面必需和下模底面水平

塑造上模表面時，上模底面必需保證和下模底面水平，如果上模底面不和下模底面水平，會造成上模和上壓裝置工作臺裝夾后，上、下模之間間隙不協調，上、下模之間間隙超差，使板料拉形時板材局部產生失穩起皺。

5)零件邊緣線距模具非工作面的距離確定

上模和下模安裝了導向裝置，對板材寬度將加以限制，為了保證板材在拉形時,板材不與導向塊發生碰撞,要求下模模具兩端零件邊緣線與模具非工作面的距離不小于70mm。

6)上模和下模模具閉合高度確定

為了使板材能自由進入模具工作區內裝卸方便，上模行程距離H2必須大于下模最大凹陷深度H1與上模最低點和下模最高點距離H3之和（見圖8）。

圖8 上模與下模

拉形機龍門架上的上壓裝置工作臺最大行程為1000mm；

下模工作臺最高點至上工作臺最高點距離H5=1500mm；

上模最低點和下模最高點距離H3（一般最小取150mm左右）；

上模和下模模具閉合高度一般控制在1100mm左右。

7)上模和下模閉合時模具間隙控制

上模和下模閉合時模具間隙為零件板材厚度需嚴格控制，間隙過大，會造成拉形零件，零件凹陷部位板料受到向上的力，板料和上模貼合而和下模有間隙，板料和下模懸空沒有受到向下的壓力，使板料產生失穩起皺。

4 拉形成形過程控制

4.1 工藝流程

工藝流程是領料—淬火—拉形 （新淬火）—校正--表面外理—作標印—成品檢驗。

4.2 毛料尺寸確定

橫向拉形毛料長度L見圖9。

式中:L為毛料長度（mm）；L1為零件拉形最大剖截面處的展開長度加余量（mm）；L2為拉形模外形至零件切割線距離,一般取50-70mm；L3為橫向拉形時,模具邊緣與鉗口邊緣間的距離,一般取100mm-200mm；L4為鉗口運動時與板材接觸的長度，一般取50mm；L5為鉗口夾緊時所需求的長度,一般取100mm。

毛料寬度按下例公式確定：

式中： B為毛料寬度；b為零件拉形最大剖截面處的展開寬度加余量 （mm）；b1為工藝余量，一般為30mm-50 mm。

4.3 模具的安裝

將上下合攏好的模具吊放在數控蒙皮拉形機下模工作臺上，固定好下模，然后將龍門架上的工作臺與上模合攏，并用“T”字型螺桿固定，龍門架上壓裝置（上模）抬起離開下模，并對模具上下接合部位進行潤滑。

4.4 拉形過程

將新淬火板料的兩邊被夾持在拉形機的兩個鉗口中，通過水平和垂直八個液壓作動筒的作伸縮運動，帶動鉗口運動使得板料包覆于下模上，在板材沒有起皺時鉗口保持固定不變，此時，數控蒙皮拉形機上的龍門架上壓裝置（上模）通過其液壓作動筒對零件凹陷部位進行反向加壓運動，同時，鉗口作垂直向下運動，使板材產生不均勻的被拉伸并貼合到拉形模表面，最終得到零件的形狀。

板材在拉形過程中拉形機的拉和壓動作配合是獲得良好成形的關鍵。當拉形的材料拉伸到基本與模具貼合、起皺還沒有在模體上形成時，上壓裝置壓下,與拉形中的蒙皮材料完全貼合,起到防止起皺的作用。如果上壓裝置提前壓下，會干擾拉形中的材料流動，影響蒙皮外形的準確。

圖9 橫向拉形毛料

4.5 數據存儲

當第一件零件拉形完后，通過數控蒙皮拉形機具有數據存儲功能將該零件的原始加工數據存儲并加以修改，得到該零件的加工程序。為以后成批生產該零件時拉形成形提供機床運行數據。

5 結語

通過S3F軟件對S形蒙皮進行模擬仿真分析和工藝方法分析論證，制定了S形蒙皮零件的合理工藝方法，從工裝定貨開始對S形蒙皮零件的模具設計提出要求，使模具設計符合零件拉形要求，并應用于生產，攻克了公司S形蒙皮成形技術關鍵,確保了產品質量，為類似S形蒙皮零件成形提供了技術支持，使蒙皮成形工藝技術上一臺階。