飛行器翼肋零件橡皮囊成形研究與模具設(shè)計(jì)

田甜

摘 要：飛行器的翼肋就像鳥(niǎo)類(lèi)翅膀的骨骼，飛行器缺少它不能實(shí)現(xiàn)在天空飛行。隨著科學(xué)技術(shù)不斷地發(fā)展，翼肋零件成形技術(shù)也在不斷的提高和改進(jìn)，本文研究的翼肋零件的橡皮囊成形、翼肋零件成形模具型面設(shè)計(jì)、成形模具設(shè)計(jì)，從零件的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及成形方面分析，進(jìn)一步提高這類(lèi)零件的質(zhì)量和精度。

關(guān)鍵詞：翼肋零件與橡皮成形；翼肋零件模具型面設(shè)計(jì)；成形模具設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：V224 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 翼肋零件與橡皮成形

飛機(jī)機(jī)身材料的組成中，有60%以上的材料是鋁合金，復(fù)合材料占有的比重為20%，鈦合金占有10%，翼肋零件也是由鋁合金和鈦合金材料為主，翼肋零件在結(jié)構(gòu)分類(lèi)中可以稱(chēng)為翻邊零件，它的成形是通過(guò)將平板零件進(jìn)行翻邊加工得到的，在工藝制定中，需要設(shè)定翻邊高度和角度等，同時(shí)還要控制圓角半徑。

在機(jī)械加工制造中，零件的制造周期非常短，大部分時(shí)間都是耗費(fèi)在成形設(shè)計(jì)上。翼肋零件成形過(guò)程中，成形工藝是最復(fù)雜的，因?yàn)檫@種工藝是通過(guò)改變零件的形狀實(shí)現(xiàn)零件成形，在成形中常會(huì)產(chǎn)生各種問(wèn)題和缺陷，如在零件進(jìn)行凸翻邊成形的時(shí)候，曲率較大的位置容易產(chǎn)生起皺。為避免這種缺陷，需要添加側(cè)壓塊，如圖1所示。

在進(jìn)行成形的時(shí)候需要計(jì)算極限翻邊高度，計(jì)算公式如下：

翼肋加工中采用橡皮囊成形方法是一個(gè)經(jīng)濟(jì)快速的工藝方式，它的原理是采用橡皮胎為原料，制造成為剛性半模，再通過(guò)加壓流體的液壓作用使板料通過(guò)柔性胎受壓，并迫使坯料成為剛性半模的形狀，通過(guò)壓力使零件成形，成形的步驟如圖2所示。

（a）步驟：將要加工零件的毛坯放置在模具上，同時(shí)還將橡皮囊壓力機(jī)一起放入。

（b）步驟：將壓力施加在橡皮囊上，將毛坯與模具貼合。

（c）步驟：將設(shè)備復(fù)位，零件取出。

橡皮囊成形的優(yōu)點(diǎn)為：毛坯零件在成形過(guò)程中，厚度是均勻變化的，同時(shí)得到零件的尺寸精度高，回彈量也小。在零件變形過(guò)程中，零件的表面質(zhì)量得到保證，基本沒(méi)有缺陷，同時(shí)在模具的設(shè)計(jì)上得以簡(jiǎn)化，只需要設(shè)計(jì)下模具，縮短制造周期，降低費(fèi)用。

2 翼肋零件模具型面設(shè)計(jì)

翼肋零件模具型面的設(shè)計(jì)一般是采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，軟件采用CAD、UG、CATIA、PRO/E比較多，本文通過(guò)CATIA軟件對(duì)型面進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用該軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)候需要先分析零件的結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)曲面進(jìn)行分解，選擇造型方法對(duì)零件進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)曲面造型設(shè)計(jì)，流程如下：

（1）零件結(jié)構(gòu)分析和曲面分析。

（2）選擇造型方法，進(jìn)行獨(dú)立曲面的造型設(shè)計(jì)。

（3）曲面結(jié)合，形成整體曲面。

（4）整體曲面評(píng)價(jià)。

翼肋零件在結(jié)構(gòu)分析的時(shí)候，零件本身可以分解為頂面、翻邊和過(guò)度圓角，所以在CATIA造型過(guò)程中，采用各個(gè)部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)，一般的方法為掃掠法和橋接法。

橡皮囊成形技術(shù)的使用，是需要通過(guò)三維軟件進(jìn)行輔助的，通過(guò)三維軟件進(jìn)行有限元分析，主要的算法有以下幾種：

（1）動(dòng)態(tài)顯示算法，這種算法的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)果精確、穩(wěn)定，是以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)學(xué)的差分方法，通過(guò)這種計(jì)算方法可以快速得到結(jié)果，這種算法主要是分析飛機(jī)板料零件的沖裁、沖壓、拉深、橡皮囊成形等過(guò)程的求解。

（2）靜態(tài)隱式算法，這種算法是解決飛機(jī)金屬零件成型的，它是通過(guò)虛擬原理，一般是需要靜態(tài)平衡方程進(jìn)行計(jì)算，在利用這個(gè)計(jì)算方法的時(shí)候，一般是解決與時(shí)間無(wú)關(guān)的靜力學(xué)問(wèn)題。

通過(guò)三維軟件的輔助，可以設(shè)計(jì)出橡皮囊成形設(shè)備，這個(gè)設(shè)備的主要組成結(jié)構(gòu)有橡皮囊、內(nèi)壓?jiǎn)卧?、板料和壓力?nèi)腔模具等。

3 成形模具設(shè)計(jì)

橡皮囊設(shè)備的工作原理是將飛機(jī)零件的毛坯（鈑金零件）放置在橡皮囊與剛性模具之間，剛性模具是通過(guò)工作臺(tái)進(jìn)行支撐的，也就是下模具，通過(guò)動(dòng)力設(shè)備將壓力施加在橡皮囊上，橡皮囊對(duì)鈑金施加力，然后鈑金與模具成形，最終將零件加工出來(lái)，在整個(gè)成形的過(guò)程中，需要考慮鈑金零件的回彈，剛性模具的強(qiáng)度，主要位置的精度，在成形過(guò)程中，橡皮囊會(huì)保護(hù)鈑金零件，不會(huì)產(chǎn)生拉傷、斷裂等現(xiàn)象，橡皮囊成形技術(shù)是一個(gè)柔性技術(shù)，解決傳統(tǒng)沖壓和拉伸成形對(duì)毛坯的損傷。

飛行器翼肋零件橡皮囊成形中，模具主要是指下模具，沒(méi)有上模具，而下模具的設(shè)計(jì)主要取決于零件的形狀尺寸，一般是與零件形狀尺寸相同，設(shè)計(jì)方面要保證以下幾個(gè)原則：

（1）功能要求。模具設(shè)計(jì)上要滿(mǎn)足加工的要求，要能滿(mǎn)足零件加工效率，加工精度。

（2）整體性。由于曲面零件的厚度薄，在加工的時(shí)候要保證整體加工，不能將模具設(shè)計(jì)成分割的，保證是一個(gè)整體。

（3）可靠性。零件在橡皮囊成形過(guò)程中，壓力是先作用在橡皮囊上，然后壓力再作用在零件上，最后施加在模具上，所以要保證模具整體的可靠性。

（4）可擴(kuò)展性。因?yàn)樵谀＞叩氖褂弥?，零件的形狀是不統(tǒng)一的，加工的種類(lèi)會(huì)不同，所以需要將模具設(shè)計(jì)成可以擴(kuò)展，保證可以對(duì)不同零件進(jìn)行成形。

結(jié)論

飛行器的翼肋在分類(lèi)上可以分為普通翼肋和加強(qiáng)翼肋，在作用上它們有著不同的承擔(dān)載荷的作用，但是在成形方面是一致的。翼肋零件屬于大曲率的零件，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上還有翻邊，最常見(jiàn)的成形工藝就是橡皮囊液壓成形，而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，成形方法也增加了一些分析方法，例如有限元分析法、試錯(cuò)法，最終實(shí)現(xiàn)翼肋零件的質(zhì)量和精度最優(yōu)化。

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