橡皮成形在某實驗教學飛機普通隔框成形模具設計及制造中的應用

陳驍 翁威 彭晶 段欣怡 張冉陽

摘 要：xx實驗教學飛機普通隔框制造的傳統鍛壓方式存在著諸多問題，產品周期長、成本高以及成型之后的零件相對不可靠因素較多，相比之下利用橡皮囊液壓成型技術來制造具有橡皮囊成形的過程中，零件變化相對均勻，能夠明顯減輕重量、降低零件數量等，而橡皮囊液壓成型所需要的模具與傳統的模具相比只需要半模，對設計人員來講是個新的挑戰，通過對CATIA的二次開發能夠很輕松地得到相應的剛性半模。

關鍵詞：橡皮囊成型、模具設計及制造、橡皮囊液壓、CATIA二次開發

1 XX實驗教學飛機普通隔框與橡皮成型

飛機機身的結構零件中，有約35%到50%的結構零件為鈑金零件，而此類的鈑金零件，而此類鈑金零件的成形方式為彎曲、翻邊、壓延等機械沖壓、落壓等方式，而此類的成形方式會對零件本身造成較大的損害，人工的錘印、裂紋、壓痕等，在隨著橡皮成型的發展與運用，使用橡皮成型來對隔框類零件進行加工已占到約為50%，在零件進行凸翻邊的時候，常常會發生起皺，為了減少這一類起皺所帶來的影響，需要測壓塊進行側壓，通常還要計算極限翻邊高度，如下：

2 橡皮囊液壓成型工作原理

橡皮成形是利用橡皮做通用上摸，在壓力作用下將板料包貼在剛性下模上成形（橡皮成形設備見圖1）。由于其具有生產效率高、模具結構簡單（只需要凸模或凹模）和成形表面質量好，而且能夠有效地減少修模時間、降低模具制造費用，在航空航天框肋等輕合金鈑金零件成形中得到了廣泛的應用。

一、橡皮囊液壓成型的意義及其研究現狀

橡皮墊成形具有生產效率高、模具結構簡單（只需要凸模或凹模）和成形表面質量好，而且能夠有效地減少修模時間、降低模具制造費用，在航空航天框肋等輕合金鈑金零件成形中得到了廣泛的應用。然而，模具的設計制造質量和成形工藝參數的合理性很大程度上決定了XX實驗教學飛機普通隔框零件的成形質量，關乎到飛機的理論外形和安全性，進而影響了飛機機身裝配的準確度、服役性能和使用壽命。該研究對發展復雜薄壁件橡皮成形先進理論與技術具有重要的科學意義和教學應用價值。

目前橡皮成型技術已經逐漸被世界各大航空工廠所采用，橡皮成型技術吸引越來越多的國內外學者對其進行了深入的理論性研究和試驗性研究，并得到了一定的成果。

上世紀40年代，我國航空航天工廠就開始采用橡皮液壓成型的工藝方法，其中35%-45%的零件采用的都是橡皮囊液壓式的成型工藝，并且采用橡皮成型技術制造的零件有進一步增多的趨勢，但是這種工藝受到液壓設備的工作能力限制，在當時的條件下，液壓成型機產生的壓力大多在40MPa左右。由于單位壓力小，導致橡皮成型后的工件需要手工進行校形，工作量很高，占到總工時的50%左右，占掉了一半零件總工時，而且在人工校形時零件表面還會殘留大量的錘印，大大降低了零件的疲勞強度和使用壽命[1]。

目前國內主要都是航空制造廠和航空航天研究院在研究橡皮液壓成形技術。中航工業成飛的戴美云與張和興分析了橡皮成型產生的缺陷，并提出橡皮液壓成型主要存在有裂紋、回彈、起皺等一系列缺陷，對這些缺陷逐一進行分析，提出了預防措施并且應用到實際的生產當中。

南京航空航天大學的王巖、安魯陵已經對CATIA進行二次程序開發，CATIA是一款功能及其強大的作圖軟件，它提供的許多對外開放的端口供使用者按照自己的需求進行功能定制。CATIA開發系統分為兩種，一種為“宏”，另一種則為CAA，其中“宏”是以腳本語言序列編寫的函數指令序列，其本身的開發方式就有一定的局限性，而CAA不同，最終生成的是一個可執行文件，并且改可執行文件包含了各個類的關系;而面向組建編程而言，各個模塊是相互交互并且也是相互獨立的，而其獨立性可以可以使得用戶不用了解其工作原理。由于CAA具備上述的一系列優點，所以基于CAA對CATIA進行二次操作，開發了鈑金模具快速設計系統[2] 。

該鈑金模具快速設計系統分為了三個大的板塊，分別為模具工作部分生成、模具建模參數化及設計模具工程圖板塊，如圖所示

設計流程：（1） 導入產品曲面;（2） 對曲面缺陷進行檢測，并逐一將檢測出的缺陷予以修復;（3） 將已修復的曲面邊界向外整體延拓（對于存在缺角或彎邊的鈑金曲面，需要利用本文所開發的缺角修復功能修復為展開后無凹陷特征的曲面）;（4） 利用 CATIA 零件模塊的拉深、鏡像、分割等操作完成模具凹凸模及壓邊圈的建模;（5）調用標準件庫內的各類參數化標準件完成模具模架的快速裝配;（6） 利用三維模型屬性管理工具對模具各個零部件的三維屬性進行定義;（7） 通過 CATIA 工程圖功能生成實體模型的二維圖紙，并利用工程圖繪圖環境初始化工具對標題欄、圖幅、放置方式等進行初始化;（8） 基于之前三維模型屬性管理工具設定的三維模型屬性，利用本文所開發的明細表自動生成工具生成模具明細表，完成模具工程圖出圖工作[2]。

總結：橡皮囊液壓成型技術，不管在國內還是在國外，都已經得到了較為寬泛的運用，然而此種類型的設計剛性半模，對于不少設計師來說是一種挑戰，基于此類開發軟件，我們只需要輸入我們想要設計的圖紙的參數即可得到相應的橡皮囊剛性半模，橡皮囊成形模雖然總體結構較為簡單，但是這一類型的表面是對形狀精度以及在表面的質量要求較高，對于工程設計師來說，這需要熟練地掌握制圖軟件，才能準確地完成一系列產品模具的設計，但對CATIA進行二次開發，就能讓企業快速得到所需要的模具，極大地提高了企業的生產效率以及減少了不必要的人力浪費

參考文獻：

[1]王福東. 大曲率凸彎邊零件橡皮囊液壓成形工藝研究[D]. 南京航空航天大學， 2011.

[2]王巖. 鈑金模具快速設計關鍵技術研究與開發[D]. 南京航空航天大學， 2015.

[3]張凌云 李鵬. 基于CATIA的橡皮囊成形零件的特征提取[D]. 機械工程師， 2015.

項目基金：南昌航空大學2020年第十五屆“三小”項目“XX實驗教學飛機普通隔框成形模具設計及制造”（項目編號：2020HZ132）

（南昌航空大學，江西 南昌 330036）