大型飛機機身雙曲度蒙皮縱向拉伸成形加載優(yōu)化設計與試驗研究

文松濤，曾斌，汪洋華，彭靜文，李衛(wèi)東，羅華

（1.江西洪都航空工業(yè)集團有限責任公司，南昌330024;2.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

蒙皮零件是構(gòu)成和維持飛機氣動外形的外表零件。蒙皮零件的制造水平和產(chǎn)品質(zhì)量直接影響著飛機的氣動性能和使用壽命。我國已開始自主研制大型民用客機，因此深入研究和發(fā)展先進蒙皮數(shù)字化制造技術(shù)對于我國航空制造業(yè)具有十分重要的意義［1］。

大型飛機的蒙皮零件有著尺寸大、曲率小、剛性弱等特點，主要是通過縱向拉伸成形方式進行成形。縱拉一般針對雙曲率或者縱向曲率大而橫向曲率小的零件。縱向拉形機的鉗口由一組子夾鉗組成，夾鉗間可以轉(zhuǎn)動形成一定曲率的形狀，以成形雙曲度中的一個曲度，另外一個曲度在拉伸方向上形成?？v向不同于橫拉，其夾鉗的運動方式非常復雜，采用簡單的通過模具截面線來確定加載軌跡的設計方法，通常不能得到能夠良好加載的軌跡，導致了需要通過大量的嘗試設計，來獲得一組比較好的加載參數(shù)，進行生產(chǎn)試驗。

近年來，為了滿足大型飛機的研制，我國各大主機廠分別引進了數(shù)控縱向蒙皮拉伸機，但缺乏配套的工藝參數(shù)設計和優(yōu)化比較解決方案?，F(xiàn)有工藝人員在縱向拉形方面經(jīng)驗較少，靠傳統(tǒng)的以經(jīng)驗分析和試驗為主的飛機蒙皮成形方法，很難成形復雜蒙皮，材料和人工的浪費非常大，數(shù)控拉形設備對變形的精確控制功能未能發(fā)揮，難以滿足大型飛機大尺寸蒙皮零件的生產(chǎn)要求，同時也嚴重制約了鈑金廠蒙皮制造水平的提高［2—3］。

本文針對典型的大型飛機雙曲率蒙皮零件，應用蒙皮縱拉工藝設計與制造系統(tǒng)［4］，對夾鉗的加載軌跡進行了優(yōu)化設計;采用有限元模擬的方法，判斷設計軌跡是否合理;根據(jù)優(yōu)化后的加載軌跡，生成驅(qū)動數(shù)控縱向拉形機運動的數(shù)控代碼進行零件的成形;通過對成形后的零件進行測量，獲得滿足零件交付要求的蒙皮零件。

1 典型蒙皮零件工藝分析模型的建立

圖1為某大型飛機機身蒙皮零件數(shù)模。該零件為雙曲率零件，除了通常具有的在拉伸方向垂直方向上的較大曲率外，拉伸方向的曲率也較明顯。另外，根據(jù)該零件形狀設計的模具如圖2所示，從中可清楚地看到該零件在右前方和左后方相比另一方有較大的傾斜度，該零件明顯不對稱。

圖1 雙曲率蒙皮零件Fig.1 The double-curved skin part

圖2 雙曲率零件縱拉模具Fig.2 The longitude stretch forming tool of double-curved skin part

零件材料為鋁合金2524-T3，厚度為1.6 mm。分別采用單向拉伸試驗和FLD試驗獲得材料性能參數(shù)和破裂準則，另外分別采用控制拉形變形量和應變速率的方法來避免滑移線和粗晶的出現(xiàn)。

根據(jù)零件數(shù)模信息，毛料為1.6 mm×1845 mm×4795 mm。考慮到拉形實際過程中懸空段的長度及包覆角對成形結(jié)果的影響，適當延長拉伸方向長度，另外為使夾鉗邊緣子夾鉗有效夾持毛料，此處設置毛料尺寸為1.6 mm×2000 mm×6400 mm。設置輔助工作臺高為300 mm。在蒙皮縱拉工藝設計與制造系統(tǒng)（XSTRStretch）［4］中建立的零件的工藝分析模型如圖3所示。

圖3 蒙拉工藝分析模型Fig.3 Analysis model of stretch forming process

2 零件加載軌跡優(yōu)化設計

根據(jù)零件的工藝分析，以及鋁合金材料2524-T3的材料性能，首先設計蒙皮加載的延伸率為2.0%。為了保證零件成形能夠盡量包覆模具且不產(chǎn)生過多的局部拉伸量，按照以下原則設計夾鉗的包覆角度。即成形終了位置，毛料盡量沿模具兩端切線延伸，毛料剛好貼合模具且不產(chǎn)生過多的包覆。如圖4所示。

圖4 毛料與夾鉗的包覆Fig.4 Blank and wrapping of jaws

因為零件曲面較為平緩，因此其成形過程如下:初始夾持→預拉伸→曲鉗口→補拉伸。按照以上的描述，設計蒙皮零件的加載軌跡參數(shù)如表1和表2所示。

表1 拉形工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of stretch forming

表2 曲鉗口角度Table 2 Angles of curving jaws （°）

將上述加載軌跡參數(shù)輸入蒙皮拉形工藝設計與制造系統(tǒng)，輸出有限元前置處理文件，導入有限元軟件Pam-Stamp中進行模擬，模擬結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看到，毛料在拉伸過程中，與模具貼合良好，毛料內(nèi)部區(qū)域沒有大變形的發(fā)生，因此加載工藝參數(shù)設計合理。但是在毛料與夾鉗的4個角上，即圖中橢圓位置，發(fā)生了主應變?yōu)?.23的變形，此變形量已經(jīng)超過了2524-T3鋁合金材料的極限拉伸量。通過調(diào)整模具的高度，增加最終拉伸時夾鉗的仰角，可以減小毛料兩側(cè)邊與夾鉗交叉的位置的拉伸量。將輔助工作臺高度設置為500 mm，再采用上述拉形工藝參數(shù)進行有限元模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 修改模具高度后的拉形模擬主應變分布Fig.6 Distribution of major strain after increase the height of tool

從圖6可以看到，增加模具高度后，最終毛料的最大主應變減少為0.072，已經(jīng)屬于2524-T3材料合理的變形范圍。由于模具高度與模具頂部貼模情況有一定關(guān)系，如果再增加模具高度，毛料邊緣與夾鉗交叉位置應變會有減少，但會造成與模具頂部位置接觸的材料發(fā)生起皺，因此500 mm的輔助工作臺高度是最理想的高度。

3 典型零件生產(chǎn)性試驗

按照優(yōu)化的加載軌跡，在數(shù)控拉形機上進行1∶1的典型零件自動拉形，驗證加載軌跡設計的合理性與有限元模擬的準確性，并積累工藝經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)。

3.1 生產(chǎn)試驗過程

在進行生產(chǎn)性試驗之前，需要對毛料進行網(wǎng)格印制（如圖7所示），用于試驗完成后，測量成形后的板料內(nèi)的局部變形量，與設計的延伸率和有限元模擬結(jié)果進行對比。

圖7 毛料印制網(wǎng)格區(qū)域Fig.7 Areas of grid in blank

根據(jù)優(yōu)化后的零件加載軌跡，應用蒙皮縱拉工藝設計與制造系統(tǒng)生成設備的控制代碼，按照數(shù)控代碼自動執(zhí)行拉形過程。成形過程中的零件如圖8所示。

圖8 試驗中的零件Fig.8 The part in stretch forming process

由圖8可以看出，在拉伸過程中，毛料與模具貼合情況良好。在模具兩端，毛料剛好沿模具兩端切線延伸，沒有產(chǎn)生過度包覆和不貼模的情況。

3.2 試驗結(jié)果測量

成形結(jié)束后，松開夾鉗，將毛料卸載，通過測量零件中間和兩邊位置的毛料長度，可以對比優(yōu)化設計的加載軌跡與實際軌跡伸長量，驗證加載軌跡設計與數(shù)控代碼的準確性。測量結(jié)果見表3。

表3 拉伸長度測量結(jié)果Table 3 The length measurement of stretched blank mm

由拉伸長度測量情況可以看出（如圖9所示），有限元與加載軌跡設計的長度是材料沒有發(fā)生回彈前的材料長度，考慮到零件回彈，板料伸長的計算精度滿足要求。

圖9 拉形板條試驗結(jié)果對比Fig.9 The length comparison of stretched blank

在成形結(jié)束后，針對毛料上的印制的網(wǎng)格區(qū)域，采用網(wǎng)格應變測量系統(tǒng)GMAS軟件測量應變［5］，測量結(jié)果如圖10和11所示。

圖10 網(wǎng)格區(qū)域Fig.10 Areas of grid

圖11 網(wǎng)格測量結(jié)果Fig.11 Strain measurement

由網(wǎng)格測量結(jié)果可以看出，有限元模擬的結(jié)果與實際網(wǎng)格應變測量結(jié)果一致，有限元的計算能夠?qū)嶋H生產(chǎn)起到指導作用。

由圖12和圖13可以看出，零件最終成形切邊后，零件與模具的最大間隙約為3 mm，主要發(fā)生在模具兩端最高處和模具中間最低的兩側(cè)位置。零件的貼模情況理想，且與實際情況相符，滿足低應力裝配的要求，不需要對模具型面進行回彈修正。

圖12 試驗有限元模擬貼模情況（mm）Fig.12 The fittability of FEM simulation

圖13 實際零件貼模情況Fig.13 The fittability of actual part

4 結(jié)論

大型飛機蒙皮零件雖然零件曲面平坦，但是有著尺寸大、曲率分布復雜等特點，在成形過程中會存在不貼模和拉伸量過大的情況。文中通過應用蒙皮拉形工藝設計與制造系統(tǒng)，對典型蒙皮零件的加載軌跡進行了優(yōu)化設計，采用有限元仿真對優(yōu)化結(jié)果進行了評估;將優(yōu)化設計后的加載軌跡應用于實際零件的成形，獲得了滿足質(zhì)量要求的零件。通過研究得到了以下結(jié)論。

1）有限元模擬具有較好的精確度。通過正交試驗方法設計有限元模擬試驗，可以方便快速地找到較好的工藝參數(shù)組合，實現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化。

2）對于大型飛機雙曲率蒙皮零件，模具的高度位置的確定，直接影響成形結(jié)果的好壞;若模具設置太低，會使得到毛料兩側(cè)拉伸量過大，直接造成毛料斷裂;若模具設置太高，會導致毛料中間與兩側(cè)產(chǎn)生不均勻的拉伸，導致毛料中間發(fā)生起趨。

3）一般情況下可以找到合適的拉形加載軌跡參數(shù)，使得回彈后的零件在小力作用下能夠貼模，滿足零件質(zhì)量要求，即可不用對拉形模具進行回彈補償，從而降低設計和制造成本。

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