飛機鈑金成形信息化現狀與關鍵技術解決途徑*

劉 闖，范玉斌，王俊彪

（西北工業(yè)大學陜西省數字化制造工程技術研究中心，西安 710072）

劉 闖 副教授，博士，主要研究方向為數字化制造與智能制造，針對航空鈑金成形等制造工藝、制造模型及其數字化定義技術、工藝知識重用方法與技術開展了深入的研究開發(fā)，目前正在航空主機廠開展框肋類鈑金件精確成形制造技術推廣應用。

對航空制造業(yè)而言，信息化涉及飛機產品市場需求、設計、制造、供銷、維修服務等各個環(huán)節(jié)的改造調整，是指制造企業(yè)利用現代信息技術，通過對信息資源的深度開發(fā)和信息技術的廣泛利用，構建以數字化為核心的先進設計、制造和服務技術，帶動產品設計制造方法、工具和模式的創(chuàng)新。飛機作為高技術復雜度的產品，在設計制造信息化的發(fā)展和應用方面走在前列。數字化定義、數字化預裝配、數字樣機、基于模型的定義等技術引發(fā)了飛機設計技術的重大變革。但同時，工程界必須要面對一個新的挑戰(zhàn)，即：如何讓數字化設計的成果既“好看”，又“好用”，如何讓制造也能完全適應數字化趨勢而協調發(fā)展，實現制造的全面變革[1]。

飛機金屬材料零件加工工藝主要包括機加和鈑金兩大類。針對每類工藝發(fā)展數字化制造技術，源于其將材料轉變?yōu)楫a品的技術特點。鈑金成形技術是利用金屬板材、型材和管材在一定載荷條件下具有的塑性變形特點來實現零件形狀和組織性能改變的一種加工技術[2]。成形制造技術及裝備水平已成為衡量一個國家制造水平的重要標志，在很大程度上決定著產品的質量、效益和開發(fā)能力[3]。有人說機加技術是“加減法”，鈑金成形技術是“微積分”，這在一定程度上反映了鈑金成形問題的特殊性。

框肋、蒙皮、壁板、型材等鈑金件構成飛機機體的框架和氣動外形，是飛機的主要結構件，材料種類多，一般具有復雜的曲線、曲面外形，尺寸各異，厚度小，剛度較差等特點，迄今對鈑金成形機理的掌握仍然十分有限。鈑金成形具有零件品種多、批量小、工藝方法多等特點，采用橡皮囊液壓成形、拉彎成形、拉伸成形、噴丸成形等多種專用成形工藝。

隨著飛機產品性能要求不斷提高，鈑金件結構日益復雜、新型材料不斷應用、制造周期和質量要求也不斷提高。信息化是現代制造技術發(fā)展的使能器，是發(fā)展先進鈑金成形技術的必然選擇，建立鈑金成形數字化制造技術體系是提高鈑金制造效率、經濟效益和保證飛機產品質量的根本途徑。高效高質量制造是世界各國在鈑金件制造技術發(fā)展趨勢方面一致的認識，也是鈑金件成形信息化、構建數字化生產線的目標之所在。如果不重視占飛機機體結構零件數50%的鈑金件的成形制造信息化，飛機制造的信息化只能是一句空話?？梢姡w機制造的數字化離不開鈑金成形的數字化。

鈑金件數字化生產線作為整個飛機產品數字化制造系統(tǒng)的組成部分，有其獨特之處。眾所周知，由于鈑金塑性成形的特性，鈑金件設計模型數字量的直接傳遞并不能實現精確制造，毛坯展開形狀、回彈補償量、工藝參數等數據決定了鈑金件是否能夠快速、精確成形。鈑金成形信息化過程復雜而龐大，系統(tǒng)內所涉及到的各種成形方法、數字量各具“個性”，鈑金數字化制造所涉及的關鍵技術也非常多。

本文針對航空鈑金成形技術的發(fā)展，在已有數控設備應用的基礎上，分析了鈑金成形信息化的內涵和技術組成，綜述了國內外研究現狀，從“信息”和“技術”兩方面提出鈑金成形信息化的關鍵技術解決途徑。

鈑金成形信息化國內外研究現狀

鈑金件成形信息化就是應用信息技術對制造所涉及的所有對象和活動進行表達、處理和控制，是將計算模型、仿真工具和科學試驗應用于鈑金件成形裝備、工藝過程和系統(tǒng)的定量描述與分析，對鈑金件制造全過程中的復雜物理現象和信息演變過程進行定量計算、模擬和控制，用于確定鈑金成形工藝參數、優(yōu)化工藝模型和預測加工過程中可能產生的缺陷，實現對鈑金件形狀和性能的預測和有效控制，提高制造裝備的適應性，增強制造系統(tǒng)的可維護性和制造知識的可重用性，促使制造活動由部分定量、經驗的試錯模式向全面數字化的計算和推理模式轉變，實現高效率、高精度的制造[4]。

鈑金成形信息化涉及信息技術在鈑金件制造過程中的應用、鈑金件制造信息資源的開發(fā)、相關標準規(guī)范的制定、技術人才的培養(yǎng)、硬件及網絡建設等多個方面。鈑金件成形技術與信息技術融合、發(fā)展和應用的結果就是鈑金數字化制造技術。鈑金成形制造過程由工藝、工裝的設計過程，資源計劃過程和將資源轉變?yōu)榱慵某尚渭庸み^程組成。根據研究重點不同，鈑金件數字化制造技術分為以設計為中心的鈑金件數字化制造、以管理為中心的鈑金件數字化制造和以控制為中心的鈑金件數字化制造，3者相輔相成，共同構成先進鈑金件數字化制造技術[1]。精確和高效是制造技術追求的永恒主題。我國各航空主機廠大量引進和使用數控成形設備以替代手工操作設備，自動化程度大幅提高，在此基礎上發(fā)展鈑金件制造技術，使成形出的零件既符合質量上的要求，又符合經濟上的要求，成為鈑金成形信息化要解決的主要問題。

（1）國外研究和應用現狀。

歐美航空制造企業(yè)針對鈑金件制造綜合采用成形數值模擬、工藝數據庫、數字化定義等數字化技術，通過工藝模型、工藝過程和成形模具的綜合優(yōu)化，確定鈑金成形工藝參數、優(yōu)化工藝模型和預測加工過程中可能產生的缺陷，產品質量穩(wěn)定、廢品率低、制造周期短。數值模擬技術、回彈控制技術等成果在很大程度上有力地促進了成形技術的發(fā)展[3]。目前，針對橡皮囊液壓成形、型材拉彎、噴丸成形、時效蠕變成形等航空專用鈑金成形工藝過程的數值模擬都有探索，用于預測、檢驗工藝與工裝設計的合理性?？湛虯380的機翼整體壁板蠕變成形采用數值模擬優(yōu)化工藝模型?；跀抵的M的迭代修模法可分為應力反向補償法和節(jié)點幾何補償法[5-6]。節(jié)點幾何補償方法由于收斂速度快、易于實現而得到廣泛應用；在該方法中，模具型面的準確性和計算時間取決于節(jié)點數量的多少和補償回彈的數值計算方法。鈑金件品種項數多、所用材料多、工藝方法多，在目前技術條件下，在影響鈑金件制造質量的諸多因素中，能夠完全定量把握的并不多，且由于實際成形過程因素復雜、相互耦合，數值模擬技術可用于優(yōu)化工藝模型而減少試錯次數，但還無法做到精確預測而實現鈑金件精確成形[1]。

解決鈑金件制造工程問題的有效技術工具是承載標準數據、經驗知識、試驗數據等內容的鈑金工藝數據庫。目前波音公司和空中客車公司等航空企業(yè)多年來均建立起了完善的工藝數據庫，在鈑金件回彈補償、蒙皮拉形、噴丸成形、時效蠕變成形等工藝中存儲和管理著大量專有的工藝知識和技術數據，加之近年來發(fā)展的基于模型的數字化定義技術，工程技術人員直接根據數據庫設計鈑金件制造所用模型并傳遞至成形模具設計，從而可使產品供應商按數據庫系統(tǒng)提供的標準和技術規(guī)范來生產零部件，但作為鈑金件數字化制造核心載體的工藝數據庫對外卻始終保密。國內航空企業(yè)已清醒地認識到這一點，在飛機轉包生產中，按照外方提供的毛坯數模、回彈補償后的成形模具進行生產，可以使鈑金件一次精確成形，但卻始終無法獲取更多的相關數據。

（2）國內研究和應用現狀。

國內十分重視鈑金成形信息化，我國航空制造企業(yè)先后引進了各種鈑金件專用數控成形設備；在鈑金成形工藝信息化研究方面，企業(yè)和高校多個單位產學研聯合開展了鈑金件數字化制造技術研究，從什么是鈑金件數字化制造到各個單項鈑金工藝設計技術開發(fā)、從鈑金工藝數據庫構建到成體系數據庫工程技術開發(fā)，鈑金件成形信息化研究工作不斷深入，鈑金件數字化制造各個單項技術工程化程度逐步提高，已經構建了鈑金工藝基礎數據庫、工藝流程庫和典型鈑金工藝參數庫，充實了一定量的數據，涵蓋的材料包括鋁合金、鋁鋰合金、鈦合金；涵蓋的工藝包括橡皮囊液壓成形、蒙皮拉形、整體壁板噴丸成形、型材拉彎和熱成形等[7-8]；整體壁板展開建模、框肋零件橡皮囊液壓成形回彈補償、型材拉彎回彈控制、型材熱壓下陷回彈控制等鈑金件數字化制造各個單項技術工程化程度逐步提高，推廣應用工作逐步開展。因此，全面提升鈑金件制造技術水平的研究基礎已經具備。

在工程應用中，國內航空主機廠在型號產品研制中展開了復雜鈑金件工藝技術研究，進行了各項工藝試驗，解決了型號產品研制中的關鍵技術問題，但這些數據缺少積累和管理，一些成熟經驗數據沒有得到集成應用，使得鈑金件成形過程中傳遞的雖然名義是數字量，但實際上由于數字量的不準確，仍然存在反復試錯和成形質量不高、需要校形的問題。航空制造企業(yè)已開始將數值模擬技術應用于企業(yè)鈑金成形工藝和模具設計，引進了PAM-STAMP等商品化模擬分析軟件，輔助工程技術人員仿真復雜鈑金件成形過程的應力、應變及可能出現的缺陷情況[9]。

從國內外研究應用情況可以看出，通過鈑金成形信息化建立鈑金件數字化生產線是實現鈑金件高效、精確制造的必由之路。鈑金件制造信息的數字化和精確化程度是衡量鈑金件數字化制造水平的標志。鈑金數字化生產是用數字量驅動制造現場完成鈑金件成形制造過程?；A是指對各類鈑金件制造信息數字化表達、管理與集成，即以信息的數字化程度來衡量；核心是鈑金件制造指令、毛坯、工藝模型、成形模具的數字化設計與優(yōu)化，以制造效率和成形件精度來衡量。

航空鈑金成形信息化關鍵技術解決途徑

由于鈑金件結構和成形工藝的特點，鈑金件制造中涉及到的信息類型繁多、相互間聯系復雜、數據量大，按照在鈑金件制造中的作用分為兩類：第一類是用于鈑金件制造生產的各類數據，稱為鈑金件生產數據，包括零件、過程和資源3類要素；第二類是支持鈑金件制造生產數據產生的各類知識，稱為鈑金成形工藝知識。鈑金件數字化制造技術以數控裝備和網絡共享的發(fā)展和應用為前提，以制造過程的知識、信息和數據的數字化表達為基礎，以數字化建模、仿真、預測與優(yōu)化為特征。航空制造企業(yè)先后引進了各種鈑金成形專用數控設備，數控設備的應用促進了模型設計和知識重用的共同發(fā)展，模型設計和知識重用又為設備效能提高提供技術保障。

在現有機床設備和軟件條件下，要實現鈑金成形技術進一步升級，就要針對各類鈑金件及成形工藝特點，從生產數據和制造知識的“信息”與“技術”兩個方向深化，開發(fā)數字化工藝設計方法和專用技術工具。鈑金成形信息化的關鍵技術包括：一是從生產數據分析，進一步深化信息技術在成形制造過程的應用，發(fā)展模型及其定義專用技術；二是從制造知識分析，持續(xù)開展鈑金成形工藝知識的開發(fā)，建立全生命周期的知識模型及其應用技術。以上二者有機結合，才能實現鈑金件工程數據模型定義數字化、工藝方案設計智能化、工裝設計制造數字化和設備控制數字化，達到高效率、高精度的智能化制造。如圖1所示型材零件拉彎成形數字化生產過程，回彈補償工藝模型定義后應用于模具設計，同時模型定義和生產現場的知識存儲于工藝知識庫之中。

1 技術研究

（1）鈑金成形制造數字量定義、傳遞與控制技術。

鈑金成形過程以鈑金件為核心，根據鈑金件和現有資源進行工藝過程規(guī)劃，工藝過程是設計和加工的橋梁，再根據鈑金件和工藝過程進行企業(yè)資源計劃。鈑金件模型是數字化制造的源頭，在新型飛機研制中信息表達方式從以幾何模型為主的3D模型發(fā)展到全3D模型，模型定義技術的發(fā)展要使制造更加高效、精確。

影響鈑金成形效率和質量的關鍵技術問題主要有：一是鈑金件設計模型的信息是否更好地滿足數字化制造的要求，通過發(fā)展面向制造的全三維設計模型定義方法，面向制造定義全三維設計模型驅動全局工藝過程規(guī)劃，以實現制造的高效化；二是設計模型在工藝鏈中考慮變形因素進行延拓后的準確度，通過開發(fā)各類零部件專用制造模型定義工具，面向工藝鏈定義制造模型驅動局部工藝過程工裝、數控編程和現場操作，以實現制造的高精度。如果工裝設計的依據并不是考慮變形因素的工藝數模，鈑金件制造過程中傳遞的雖然名義是數字量，但由于該數字量不準確，并未改變“設備粗成形+手工精校形”和工藝試驗反復試錯的方式。以拉彎成形和橡皮囊液壓成形工藝為例，如果不進行模具回彈補償修正，直接采用零件的理論數模進行模具的設計和制造，將導致零件成形后需要大量的手工校形，周期長、質量不高。

針對框肋、型材、壁板、蒙皮等零件和工藝研究開發(fā)毛坯展開、回彈補償和工藝參數設計專用技術工具，以各工序的三維模型對制造信息演變和物理轉變過程進行定量描述和控制，驅動全局的工藝過程規(guī)劃和各個局部工藝過程的參數設計、工裝設計、數控編程和現場操作的數字化制造過程。通過將鈑金件制造相關的指令、工藝參數、制造模型以及制造現場的質量狀況以數字量的形式定義和應用，構建以工藝設計、工裝設計、成形和檢測的全數字量傳遞與控制的設計制造集成系統(tǒng)，改變 “設備和模具粗成形+手工精校形” 和以操作人員經驗為依據的制造方式。圖2為整體壁板板坯模型快速定義及檢測后，直接用于板坯數控加工。

（2）鈑金成形工藝知識的數字化表達、管理和使用技術。

由于鈑金件及成形工藝種類繁多、成形機理復雜，制造過程是知識密集型的過程，制造知識具有經驗性、多樣性、復雜性、豐富性等特點。無論是傳統(tǒng)的制造技術還是正在發(fā)展的智能化制造技術，都依賴于知識。作為制造核心能力凝聚的知識，在整個鈑金成形中處于基礎支撐的關鍵地位，其管理和使用能力是制造技術發(fā)展的決定因素，區(qū)別在于知識重用方式。由于鈑金件結構及各類工藝機理的復雜性，由現有通用計算機輔助軟件進行計算和建模，制造效率并不能有效提高，也無法擺脫對個人經驗的依賴，缺乏知識重用方法的支持，模型處理數字化的精確、快速等特點也無法充分發(fā)揮。通過制造知識重復使用定量計算各類模型及其參數是發(fā)展智能制造技術的有效途徑。

根據飛機鈑金件特點，對鈑金成形制造過程中的知識進行分類和建庫，對大量源頭各異的制造知識進行獲取、存儲和在制造活動中使用，需要構建記憶鈑金成形工藝知識的“智能結構”和建立求解問題的“智能工具”相結合的智能化技術，將鈑金工藝知識用于工藝性分析、工藝設計、加工過程中各類信息模型的設計，以知識重用實現對產品形狀和性能的預測和有效控制， 提升各類成形工藝模型和參數定義的效率和準確度，同時動態(tài)積累、更新知識，實現工藝分析的科學化和變形可控化。如圖3所示，框肋零件回彈補償工藝模型建模工具提取的信息通過XML與基于知識的彎邊回彈預測工具進行集成，實現回彈補償的快速化和精確化。

2 工程應用

對于飛機制造企業(yè)，鈑金件制造信息的“數字化”，導致信息處理方式的變化及由此帶來設備控制、工程設計和過程控制方面的一系列變化，構建先進鈑金制造技術要求鈑金制造技術手段、運行體系和業(yè)務過程等方面共同變革。以框肋零件橡皮囊液壓成形為例，其精確成形制造技術包括軟件、規(guī)范和工藝方法，其應用涉及到回彈量計算、工程數據模型建模、成形模具設計、現場成形工藝過程控制、檢測等多個方面。根據當前我國航空制造企業(yè)鈑金零件制造的技術、資源條件和實際需求，要保證鈑金成形信息化技術應用不僅是軟件的工程化開發(fā)和實施，還需要企業(yè)級相關運行流程規(guī)范和管理制度的建立。

圖1 型材拉彎成形數字化生產過程Fig.1 Digital manufacturing process of profile part stretch-bending

（1）單項技術實施應用上，對不同典型件和成形工藝，本地化定制開發(fā)數字化工藝設計方法和技術工具，不斷提升技術成熟度。由于鈑金件種類多、工藝方法多，鈑金件數字化制造技術的開發(fā)是一個逐步發(fā)展和完善的過程。以鈑金零件工藝過程及數字化模型為對象，工程化開發(fā)數字化技術方法和工具，通過單項專用軟件、規(guī)范等技術的實施，針對復雜鈑金件制造中出現的展開、回彈補償等問題，與各類型號產品結合開展工藝試驗，對成形模具、工藝經驗等大量數據有序積累，建立企業(yè)智能制造的“知識云”，將鈑金工藝知識庫與企業(yè)已有系統(tǒng)集成，制造過程中從企業(yè)知識云端下載知識，用于各類信息模型的設計，有序推進鈑金件工程數據模型定義數字化、工藝方案設計智能化、工裝設計制造數字化和設備控制數字化。

（2）在企業(yè)級運行體系上，針對鈑金件精確制造所需的業(yè)務體系，從企業(yè)級軟件集成、業(yè)務分工、制造與檢測方法等方面進行頂層運行體系的規(guī)劃，全面建設鈑金件制造精確數字量傳遞與應用體系。從信息層面，建立鈑金工藝知識庫及應用工具與企業(yè)已有系統(tǒng)集成的方案和運行流程，規(guī)劃和開發(fā)鈑金件數字化制造數據的集成接口，建立統(tǒng)一的數據共享與管理平臺，為鈑金件工藝、工裝、質檢等部門提供信息服務；從過程層面，制定鈑金件數字化制造頂層規(guī)范，明確各類鈑金件制造數字量定義與管理的業(yè)務分工，制定精確制造體系下工藝設計/工藝模型與工裝設計間協作的模型定義、管理和應用等業(yè)務規(guī)范，實現工裝設計依據從設計模型向精確的工藝模型轉變；從運行層面，明確各類鈑金件的技術選用原則，制定數字化和非數字化制造的運行控制規(guī)范，建立鈑金工藝、工裝設計與成形過程仿真相結合的鈑金工藝精確化設計綜合解決方案，針對回彈補償后涉及到后續(xù)零件檢驗，如果原來涉及以成形模具為依據的檢測，重新制訂檢測技術規(guī)范。

圖2 整體壁板板坯模型快速定義與檢測Fig.2 Rapid blank model definition of integral panel and its detection

圖3 基于XML數據交換的框肋零件回彈補償知識重用Fig.3 Knowledge reuse for springback compensation of frame and rib parts based on XML data exchange

（3）在部門級業(yè)務上，精細化各類鈑金件及制造工藝的數字量定義、管理、交換與應用流程，并相應建設技術規(guī)范和管理制度。新建工藝知識管理規(guī)范，開展鈑金成形工藝知識歸納、整理和重用；根據新技術的應用，變革現有各類鈑金件制造工藝規(guī)范，通過將鈑金件制造相關的指令、工藝參數、制造模型以及制造現場的質量狀況以數字量的形式定義和應用，建立數字化下料、橡皮囊液壓成形、拉彎、拉形、噴丸等主要制造工藝的精確制造工藝規(guī)范，改變制造現場“設備和模具粗成形+手工精校形”的制造方式；針對回彈補償后涉及到后續(xù)零件檢驗方法的重新確定，明確工藝設計與生產現場操作分工協作內容，完善鈑金件生產作業(yè)規(guī)范，建立精確制造技術運行相配套的管理制度，逐步改變以操作人員經驗為依據的生產方式，達到“工藝設計”正確、“生產執(zhí)行”到位、“設備控制”有效、“質量反饋”及時，實現零件的敏捷和精確制造。

結束語

對于先進鈑金成形技術的發(fā)展，國外主要是通過基礎技術研究、信息技術應用、新工藝開發(fā)、先進成形設備研制等方面綜合加以解決。

當前，我國鈑金成形技術正在從傳統(tǒng)的“設備粗成形+手工精校形”向“設備高效精確成形”轉變，這使得鈑金成形技術發(fā)展不僅僅是一門“技藝”或“訣竅”的傳承，也絕非從國外引入幾套設備、軟件就可以形成鈑金精密制造技術能力，而需要從基礎研究、應用研究到成果工程化這樣一個過程緊密銜接，需要經過長時間的自主研究和工程化的過程。

適應“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略和航空先進制造技術發(fā)展的要求，通過加快鈑金成形信息化技術研發(fā)和工程應用，構建我國航空高效精確成形技術體系，在型號產品鈑金件生產中切實轉化應用，才能顯著提升鈑金件制造現有生產要素的效能，達到航空鈑金成形的國際先進水平。

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