復(fù)雜S形蒙皮成形工藝研究

徐 龍

（洪都航空工業(yè)集團，南昌 330024）

0 引言

蒙皮類零件是飛機上的主要零件類型之一，在機身、尾段、機翼、壓力艙以及引擎艙等關(guān)鍵部位大量采用。隨著人們對飛機性能指標要求的不斷提高，飛機設(shè)計中的蒙皮零件形狀日趨復(fù)雜，如翼身融合、彎曲前緣、復(fù)雜S形、馬鞍形蒙皮以及復(fù)雜進氣道等。這些蒙皮的特點不僅是結(jié)構(gòu)尺寸大，相對厚度小，結(jié)構(gòu)剛性差，而且外形復(fù)雜，截面上有凸有凹，成形時金屬變形極不均勻。要保證零件合格，則不允許出現(xiàn)破裂、局部起皺、粗晶和滑移線等成形缺陷，這使得成形難度隨之增加。這些復(fù)雜的蒙皮零件也促進著蒙皮生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝的不斷更新與創(chuàng)新。為了提高生產(chǎn)能力和工藝水平，以滿足日益增加的蒙皮生產(chǎn)需要，公司在2002年引進了一臺國外先進的數(shù)控蒙皮拉形設(shè)備。隨后又針對該設(shè)備開發(fā)了相應(yīng)的工藝設(shè)計軟件，能夠根據(jù)設(shè)定的毛料尺寸、延伸率和包覆角等工藝參數(shù)，給出用于有限元仿真的輸入文件以及設(shè)備相應(yīng)的數(shù)控代碼，既可以利用有限元軟件對拉形過程進行模擬仿真，又可以直接進行生產(chǎn)試驗。這些設(shè)備和技術(shù)的改進，在很大程度上提高了生產(chǎn)效率，在實現(xiàn)蒙皮零件的數(shù)字化生產(chǎn)方向上邁進了堅實的一步。

本文論述的復(fù)雜S形蒙皮是某飛機中艙門上的一塊蒙皮零件，其形狀非常復(fù)雜，成形的工藝難度很大。

1 總體研究方案的制定

根據(jù)S形蒙皮的特點以及目前公司所具備的條件能力，經(jīng)過分析研究，決定采用飛機蒙皮數(shù)字化成形系統(tǒng)ASSPCAE/FET600-HD[1],并結(jié)合CAD軟件CATIA和有限元分析軟件ABAQUS，實現(xiàn)S形蒙皮拉形過程的有限元建模仿真，根據(jù)變形程度與回彈貼模度，確定合理的工藝方案，成形出合格的零件。

總體分析研究方案如圖1所示，具體步驟是：

1)確定材料模型，建立板料和工裝模型；

2)設(shè)計拉形方案，確定拉形控制參數(shù)；

3)對拉形過程進行模擬，并對模擬結(jié)果進行分析；

4)評價零件的可成形性。

2 成形性分析及成形方案的確定

某飛機中艙門蒙皮如圖2所示，為典型的S形復(fù)雜蒙皮。成形難度主要為：S形凹陷部分較深，并且凹陷部分前寬后窄，變形難以控制。如果變形太大則容易拉裂，變形太小則回彈較大，影響零件貼模精度。

圖2 中艙門蒙皮零件

2.1 分析模型

零件材料為LY12M，厚度為1.5mm。材料性能參數(shù)和拉伸極限分別采用單向拉伸試驗和FLD試驗獲得，滑移線和粗晶可以采用控制拉形量與應(yīng)變速率的方法來避免。

首先采用模拉方法對該蒙皮零件進行拉伸。該零件在ACBFET600數(shù)控拉形機上成形，使用數(shù)字化拉形系統(tǒng)ASSFCAE/FET600-HD對該中艙門蒙皮零件進行工藝分析。根據(jù)橫拉工藝的特點，在拉形過程中控制毛料兩側(cè)自由邊的工藝參數(shù)，將兩邊定義為兩條控制延伸率和包覆角的輔助線A和B。

根據(jù)零件數(shù)模設(shè)計了拉形模、上壓模和毛料，毛料尺寸為：4000mm×1010mm。對拉形模、上壓模和毛料剖分疏密適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格，導(dǎo)入ASSFCAE/FET600-HD軟件系統(tǒng)。設(shè)置墊塊高度為1510mm（1000mm+510mm），其中兩條軌跡定義輔助線選擇在A:Y=410mm和B:Y=430mm的特征截面上。建立的分析模型如圖3所示。

圖3 中艙門蒙皮分析模型

2.2 工藝參數(shù)設(shè)計

根據(jù)分析所設(shè)計的加載方案為：初始夾持—包覆—上模下壓—拉包—補拉，如圖4所示。其中，上模下壓的主要作用是成形S形凹陷部分，拉伸包覆主要成形S形的兩肩，補拉是對整體的定型以減小回彈。所設(shè)計的初始夾持位置參數(shù)見表1。

圖4 中艙門蒙皮加載方案

表1 初始夾持位置參數(shù)

根據(jù)材料的性能和截面線跟蹤分析，確定成形結(jié)束時變形參數(shù)，見表2。

表2 成形終止位置參數(shù)

有上壓模的S形蒙皮零件，成形的關(guān)鍵是上模下壓時夾鉗的位置，即包覆角和拉伸率的設(shè)置。由于零件為左右對稱形狀，A線到B線的形狀變化為基本單調(diào)變化，因此設(shè)計上模下壓時刻的位置參數(shù)見表3。

根據(jù)變形分析，表3中x1的取值范圍為：1.5～2.5，設(shè)計其水平分別為 1.5，1.75，2.0，2.25，2.5；x2的取值范圍18.0～38.0， 設(shè)計其水平分別為：18，23，28，33，38。

表3 上模下壓時夾鉗位置參數(shù)

2.3 有限元仿真分析

分別取x1和x2的數(shù)值，采用ABAQUS/Explicit求解器對成形過程進行有限元數(shù)值模擬，采用ABAQUS/Standard求解器對卸載后的回彈過程進行有限元模擬，采用無模回彈法，約束毛料兩側(cè)的位移。對模擬結(jié)果的評估有三條原則：

1）回彈后的貼模度，尤其是中間凹陷部分的貼模度；

2）毛料整體的變形均勻度，最好是整體變形均勻；

3）S形部分的變形量，最好控制在3%～4%之間，以提高變形量，減小回彈。

分別選取 Y=-400mm，Y=-120mm，Y=110mm，Y=405mm等4個截面進行貼模度檢查，比較零件在Z方向上的位移。

通過對模擬結(jié)果的分析得出，x1在1.5～1.75之間，x2在28～33之間，模擬結(jié)果最為理想，變形和貼模度效果都最佳。在此基礎(chǔ)，進一步微調(diào)加載軌跡參數(shù)，進行有限元模擬和優(yōu)化比較后，得到了優(yōu)化的工藝方案及參數(shù)見表4。

表4 優(yōu)化的工藝方案及參數(shù)

圖5為優(yōu)化工藝方案的加載軌跡圖。

圖6為在優(yōu)化工藝參數(shù)下中艙門蒙皮拉形時面內(nèi)最大主應(yīng)變云圖。由圖6可見，變形較大的地方為S形凹陷較深部分和毛料懸空段與夾鉗接觸部分。毛料變形較均勻，S形凹陷部分的變形達到了一定的程度，毛料整體的回彈較小，使得回彈后的零件貼模度較高，零件的質(zhì)量高。

圖7為在優(yōu)化工藝參數(shù)下中艙門蒙皮拉形卸載回彈位移分布云圖。

圖5 優(yōu)化加載軌跡圖

圖6 在優(yōu)化工藝參數(shù)下面內(nèi)最大主應(yīng)變圖

圖7 在優(yōu)化工藝參數(shù)下回彈分布云圖

圖8為在優(yōu)化工藝參數(shù)下中艙門蒙皮拉形卸載回彈后在所選定的4個截面上的貼模度分布。從貼模度分析可以看出，整體的回彈量滿足零件質(zhì)量要求。在Y=-400截面上的貼模度突變是由于模具形狀的局部凹陷引起的。

圖8 在優(yōu)化工藝參數(shù)下回彈后的貼模度

在有限元模擬中，上模使用位移邊界條件控制，根據(jù)有限元模擬結(jié)果計算毛料對上模的反力，并以此為上壓下壓力的參考數(shù)據(jù)。

2.4 拉形工藝大綱

通過ASSFCAE/FET600-HD軟件系統(tǒng)的分析，制定的拉形工藝大綱[2]為：

1）基本參數(shù)

數(shù)控拉形機：ACB FET600；拉形速度：1.7mm/s。

2）模具擺放

墊高：1510mm；模具相對墊塊居中放置。

3）板料夾持

板料居中放置，夾持長度：100mm；

毛料擺放在Y方向有40mm的偏差，如圖9所示。

4）拉伸成形數(shù)控代碼見表5。

圖9 毛料擺放圖

表5 中艙門拉形數(shù)控代碼

3 實驗驗證與分析

零件的成形試驗在ACB FET600數(shù)控拉形機上進行。

按照表5的數(shù)控代碼，使用數(shù)控拉形機自動運行。在拉形結(jié)束后進行熱處理淬火，再進行拉形，兩邊各拉伸20mm進行整形。

拉形試驗過程如圖10所示。經(jīng)檢驗，試驗件整體變形良好，無成形缺陷，S形凹陷部分貼模情況符合工廠檢驗要求，成形質(zhì)量較好，為合格零件。

圖10 中艙門零件試驗過程。

4 結(jié) 語

拉形工藝是飛機蒙皮類零件的重要成形方法，隨著蒙皮零件形狀的日趨復(fù)雜，成形難度逐漸加大，對拉形工藝的要求也不斷地提高，傳統(tǒng)的拉形工藝設(shè)計方法也面臨的挑戰(zhàn)更加嚴峻。

而對拉形過程的有限元仿真，能比較準確地反映拉形的真實過程。在零件的生產(chǎn)階段，輔助拉形工藝設(shè)計系統(tǒng)結(jié)合有限元分析，使對工藝參數(shù)的優(yōu)化在不進行生產(chǎn)試驗的情況下成為可能，大大降低了零件試制過程中的時間成本和材料成本。

數(shù)字化的工藝設(shè)計方法在飛機蒙皮類零件的生產(chǎn)中能夠起到重要的作用，應(yīng)用前景廣闊。

[1]李衛(wèi)東,萬敏,韓金全.飛機蒙皮數(shù)字化拉形系統(tǒng) ASS-FCAE[J].航空制造技術(shù)，2007.（增刊）：498-503.

[2]陳鯤,萬敏,李衛(wèi)東.飛機蒙皮拉形工藝知識庫的研究與開發(fā).塑性工程學(xué)報，2008.15（5）：142-146.