多向作用力狀態下的前緣蒙皮零件成形方法分析

劉輝 張壹 蔣建明 李成 阮培舉

摘 要：蒙皮成形技術是航空航天領域生產的重要技術，其精度和質量水平影響著航空制造水平。基于此，本文通過對前緣蒙皮零件的成形工藝難點進行分析，并進一步分析了零件成形的方法。以期能夠實現零件精準成形，達到高質量航空生產的需要，生產出高品質零件。

關鍵詞：前緣蒙皮零件;成形工藝;多向作用力

引言：前緣蒙皮零件是蒙皮零件中的復雜零件，作為飛機氣動外形的重要構成零件，該類零件具有尺寸長，半徑小的特征，對于生產的精度要求高，常使用拉形成形、閘壓成形等生產工藝，因此需要使用精度更高、生產質量穩定的成形工藝，達到蒙皮零件精準成形要求。因此針對蒙皮零件成形方法的研究具有現實意義，有利于提高生產質量。

1前緣蒙皮零件成形工藝難點

蒙皮零件是飛機外形薄板件以及內部框架包覆件，由于在飛機外表面覆蓋，飛行過程中和氣流接觸，蒙皮零件成形質量對于飛機氣動性和外觀性有重要影響。蒙皮零件多為簡單雙曲度和單曲度的蒙皮，這類零件成形常使用拉伸技術，其優勢在于貼模度較好，具有較高生產效率，成形質量更好。前緣蒙皮成形較為復雜，成形困難，對于工藝的要求較高。使用拉伸成形工藝加工，要在兩端夾持板料，借助于板料和頂升模具接觸，形成不均勻應變。或者利用拉伸包覆運動貼合模具表面，保證零件形狀[1]。在拉伸成形過程中易產生應力集中問題，應力成形過程結束不會完全消失，會殘留部分形成殘余應力，造成蒙皮零件形成較大回彈。在拉形過程中不可避免出現，若回彈過大會影響成形質量，嚴重時還會造成零件的報廢。在成形過程中降低應力是降低回彈關鍵。拉伸成形過程中，由于存在一定應力，無法釋放，也會增加回彈，造成蒙皮形成彈性變形量。因此需要對前緣蒙皮零件成形工藝進行優化，使用多種成形工藝方法，充分發揮出兩種工藝的優勢，從而提高蒙皮零件整體質量。

2多向作用力狀態下的前緣蒙皮零件成形方法

2.1前緣蒙皮零件的成形方法

前緣蒙皮零件作為飛機氣動外形的重要零件，其曲率半徑較小，具有較長的外形尺寸，對于尺寸精度要求高。常見方法包括拉形成形、閘壓成形以及橡皮成形等方法。如今航空航天技術快速發展，傳統生產方式無法滿足技術質量和精度的需要。成形力卸載回彈問題造成零件不貼模，造成蒙皮零件難以滿足精度標準。為了減少或克服回彈問題。目前各個航空航天院校和航空主機廠針對蒙皮成形技術系統展開研究，從鏡面蒙皮、復雜蒙皮等多個領域進行研究。最早通過對蒙皮橡皮成形回彈數據進行模擬，將ANSYS軟件作為平臺，對于蒙皮鋁合金板建立成形和回彈數值模型，研究數值模擬回彈預測精度，并掌握了網格尺寸和動摩擦以及回彈角的關系。后來進行蒙皮拉形工藝進一步優化參數，通過對蒙皮零件成形方案的分析，對加載軌跡參數進一步優化，通過正交試驗對拉形工藝進行設計。經過有限元分析，優化設計工藝參數，通過生產試驗獲得了高成形質量的零件。

經過對前緣蒙皮成形工藝的特點分析，選擇具有更典型的零件，對軌跡方案和參數進行加載和設計，經過有限元分析優化工藝參數，分析參數影響規律和有限元結果。在FCEFE3軟件生成數控代碼，經過了生產驗證，獲得更高質量的零件。然后又進一步研發出振動輔助成形工藝，成形過程中通過對模具施加固定方向的振幅、頻率的振動，讓模具和板料周期性加載卸載，降低摩擦力，減小回彈。上述方法均能對零件成形回彈量進行控制，但是工藝準備過程十分復雜，對于操作人員專業素養要求更高，精度準確性取決于試驗參數，想要大范圍量產存在一定風險。本研究是將壓形成形和拉形成形相結合，提出從多向作用的成形工藝。通過壓形和拉形交替成形，讓零件成形應力得到改變，有效解決回彈問題，實現大范圍量產。

2.2具體應用

使用壓模成形工藝加工前緣蒙皮零件，受到壓力作用，在零件圓角位置上集中塑性變形區，在零件兩側的立邊位置屬于變形薄弱區，并沒有出現塑性變形。采取橫向拉形成形工藝，在零件兩側立邊可以作為傳力區域，和拉形模沒有接觸，沒有和模具表面產生摩擦[2]。塑性的變形較大，容易被拉薄。因此零件可以拉形閾值有限，在圓角位置上塑性變形的力度不足，同時小開口尺寸零件并不能使用拉形機提供裝夾位置。因此結合壓形成形工藝以及縱向拉形成形工藝，施加拉力以及壓力，讓應力狀態得以改變，形成具備壓縮應變的立體狀態，利用材料塑性，降低回彈幅度。利用縱向拉伸力達到材料塑性屈服點，讓零件保持塑性變形，這時施加壓力完成成形。

以0Cr18Ni9-false0.4材料為例，尺寸為1.8m×0.29m。主體利用壓模結構，使用柔性材料，材料具備一定硬度。根據外形面對材料加工，制作為凹模，利用膠貼方式在上模容框中固定，通過環氧樹脂對間隙進行填充，在成形設備上固定零件成形工裝，由封閉式焊接鋼板構成設備，利用可編程軟件加以控制。主體框架左邊增加固定拉伸缸，另外一側安裝可移動拉伸缸，用于縱向拉形，拉伸力要達到300kN。在框架上懸掛液壓缸，用于對上模進行固定，零件使用兩個液壓缸，每個拉伸力要達到36kN。對上模液壓缸下進行控制，可以讓成形模保持合模的狀態，實現零件板料的預成形，拉伸的形成設定為5cm，速度保持5mm/s。保持拉力作用，將上下模進行閉合，保證持續10s壓力，交替三次閉合，完成加工工藝。在零件成形后檢查表面光滑效果，確保貼模效果良好，零件質量穩定。對蒙皮零件的尺寸和效果進行驗收，確保零件效果達到質量要求，滿足航空生產需要。

結論：

綜上所述，前緣蒙皮零件成形生產作為航空航天制造的基礎工藝，蒙皮零件對于成形工藝的精度具有較高要求。通過對零件成形作用力的改變，對成形應力狀態進行改進，利用零件材料塑性的優勢，使用壓形成形和拉形成形的工藝，對成形工藝回彈進行測量和實驗，對成形工藝參數加以優化，從而精準控制蒙皮零件的精度，提高零件整體質量。

參考文獻：

[1]謝洪志，王玲，趙天章，等.基于數字化的蒙皮拉形加載軌跡優化與應用[J].鍛壓技術，2021，46（01）：56-59.

[2]劉愷，王穎，龔志仁，孫高展，聶正欣.某型飛機垂尾前緣蒙皮的加工方法探討（口框）[J].科技經濟導刊，2020，28（29）：69-70.

作者簡介：

劉輝（1990.3-），男，漢族，籍貫：陜西城固，最高學歷：本科，目前職稱：工程師，研究方向：飛機制造，塑形加工。

張壹（1989.5-），男，漢族，籍貫：陜西漢中，最高學歷：大學本科，目前職稱：工程師，研究方向：飛機制造，飛機工藝設計。

蔣建明（1994.1-），男，漢族，籍貫：甘肅民勤，最高學歷：大學本科，目前職稱：工程師，研究方向：飛機制造，機械加工。

李成（1983.3-），男，漢族，籍貫：貴州赫章，最高學歷：大學本科，目前職稱：高級工程師，研究方向：飛機制造，塑形加工。

阮培舉（1984.4-），男，漢族，籍貫：貴州畢節，最高學歷：大學本科，目前職稱：高級工程師，研究方向：飛機制造，塑性加工。