飞机前缘蒙皮数字化精确拉形技术

蒙皮类零件是飞机上的主要零件类型之一，在机身、尾段、机翼、压力舱以及引擎舱等关键部位大量采用。随着现代飞机性能指标要求的不断提高，飞机设计中的蒙皮零件形状日趋复杂，结构尺寸大、相对厚度小、结构刚度差外，而且外形复杂、截面上有凸有凹，成形时金属变形极不均匀。要保证合格的零件，不允许出现破裂、局部起皱、粗晶和滑移线等成形缺陷，这使得成形难度随之增加。

在航空工业中，拉伸成形（简称拉形）是常用的板料成形方法，拉形是飞机蒙皮类零件的主要成形方式之一，在飞机制造业中有着重要的地位。拉形一般是通过设备上央持毛料的夹钳与拉形模具的相对运动，最终获得模具型面的曲面形状。

国外对蒙皮拉形的研究内容包括拉伸成形的基础机理、解析分析和有限元模拟以及回弹补偿修模，并开发了自动化程度较高的蒙皮拉形过程分析软件S3F。在国内，蒙皮拉形技术的系统研究工作主要集中在航空主机厂和北京航空航天大学，从复杂蒙皮拉形工艺技术、镜面蒙皮成形机理、有限元仿真软件开发、工艺参数优化和工艺设计与制造系统软件开发等方面进行了研究。

为了提高生产能力和工艺水平，以满足日益增加的蒙皮生产需要，上海飞机制造公司引进了国外先进的数控蒙皮拉形设备。随后又针对特定设备开发了相应的工艺设计软件，能够根据设定的毛料尺寸、延伸率和包覆角等工艺参数，给出用于有限元仿真的输入文件以及设备相应的数控代码，既可以利用商业有限元软件对拉形过程进行模拟仿真，又可以直接进行生产试验。这些设备和技术的改进，在很大程度上提高了生产效率，在实现蒙皮零件的数字化生产方向上迈出了坚实的一步。

飞机前缘类蒙皮零件具有曲率半径小、生产精度要求高等特点，且在生产中一般使用铝合金T料进行拉伸成形。拉伸过程中卸载回弹引起的不贴模问题是制约前缘蒙皮成形精度的主要问题。基于面向FET600数控拉伸机的飞机蒙皮拉形数字化制造系统软件ASSFCAE FET600，选择典型机翼前缘蒙皮零件为应用实例，进行有限元模拟分析和生产性试验研究，找出蒙皮回弹较小的工艺参数组合，并进行生产性试验验证，可达到指导生产，实现精确成形的目的。

总体分析研究方案如图1所示，具体步骤是：(1)确定材料模型，建立板料和工装模型；(2)设计拉形方案，确定拉形控制参数；(3)对拉形过程进行模拟，并对模拟结果进行分析；(4)进行生产性试验；(5)总结前缘蒙皮拉伸成形的工艺经验。

图1 总体研究方案

1 零件工艺参数设计及有限元分析

选择的新支线飞机某前缘蒙皮零件，零件及拉形模具如图2所示。零件尺寸约2150mm×165mm×360mm；零件材料为铝合金2024-T3，厚度0.08inch(2.032mm)；毛料尺寸2286mm×1800mm，设计垫块高度600mm+610mm=1210mm。

图2 零件及模具

机翼前缘蒙皮的拉形过程一般分为预拉、包覆拉伸和补拉等步骤，每个步骤中需要设计不同的延伸率、包覆角以及加载模式等参数。由于前缘蒙皮的模具型面相对比较简单，加载模式对成形结果影响不大，补拉终止时的包覆角以贴模为准，故取值固定，变化不大。因此，只考虑以下因素的影响：预拉延伸率δ1、包覆拉伸的延伸率δ2、包覆终止时的包覆角θ2、补拉的延伸率δ3。由于延伸率值为各阶段拉伸长度之和，为了减小延伸率之间的相互影响，正交试验的延伸率参数设定为各阶段延伸率的增量。结合生产经验和前期工艺分析，两个较好方案的设计成形参数如表1所示。两个方案的区别主要在于补拉前的包覆角度位置。

表1 零件方案

使用ASSFCAE FET600软件进行建模、工艺设计和有限元前置处理，采用大型商用非线性有限元软件ABAQUS进行成形过程模拟分析。从模拟结果看，毛料面内变形分布均匀，变形过程平稳，应力和应变都在材料的成形能力内。方案1有限元模拟结果的Mises应力分布、等效最大塑性应变面内分布和卸载自由回弹量分布如图3(a～c)所示。方案2有限元模拟结果的Mises应力分布、等效最大塑性应变面内分布和卸载自由回弹量分布如图3(d～f)所示。

图3 各方案有限元模拟结果

从应力应变分布图看，方案1的变形量略大于方案2，但回弹量方案1却比方案2偏大。究其原因，应该是方案1的拉伸量大于方案2，同时方案1的最终包覆角大于方案2，导致方案1毛料定型变形效果不如方案2。这说明了包覆角位置最好是选择与模具总体相切，过大反而会增大回弹量。因此，补拉前的包覆角位置是前缘类蒙皮零件的关键参数。

从有限元模拟结果可以看出，对于前缘蒙皮这样一类零件，包覆成形是适合的工艺方案，选择适合的包覆角开始拉伸成形是最关键的工艺参数。包覆过多才开始拉伸成形，会使得与模具接触部分材料变形较小，包覆过小就开始拉伸成形会导致回弹后贴模度不好。当包覆角已经过大时，补拉量不能太大，否则可能导致悬空段断裂。从模拟中发现，这个成形规律和实际生产经验比较吻合。

对于前缘蒙皮这样一类零件，还要注意夹钳行程较大，毛料尺寸和垫高要详细设计。毛料过长，可能导致夹钳拉伸不能到位或夹钳碰撞垫高。毛料过短，会导致夹钳碰撞模具。垫高不能过宽，否则影响包覆到位。这些都利用ASSFCAE FET600软件进行了设计校验。

2 生产性试验与测量分析

使用ASSFCAE FET600软件根据试验方案生成数控设备工件文件(.pgm)，导入FET600数控拉伸机控制程序，数控代码正确导入，证明了数控代码接口的准确性。

使用200mm宽的板条作为验证数控代码准确性，装夹板条材料，按照数控代码自动执行，试验过程顺利，拉伸结束时完全贴模，卸载后贴模情况良好。毛料变形长度匹配设计的拉伸量设计，设备拉伸量控制精度完全满足工程应用要求，证明了软件设备求解具有很高的精度。试验件如图4(a)所示。

试验前在毛料上沿拉伸方向电腐蚀R5的网格，用于测量局部应变，并与有限元模拟结果进行准确的量化对比。

按照数控代码自动运行，工艺方案1，2的试验过程顺利，拉伸结束时完全贴模，卸载后均有一定的回弹量，如图4(b，c)所示。卸载回弹后零件有最大约18mm的有效回弹量，与有限元模拟结果吻合较好，可见有限元模拟有较好的准确度。回弹量是一定存在的，但可用手小力将毛料压贴到模具上，可见贴模度良好，基本满足工程要求，如图4(d，e)所示。

从模拟结果和试验结果看，方案2的试件贴模度和变形量等质量都要稍优于方案1的试件。因此，方案2的工艺参数可以作为一个较好的生产方案应用与生产。

采用网格应变测量系统GMAS软件测量应变，试验方案2有限元模拟结果和测量应变对比分析如图5所示。通过对比分析可以看出，变形趋势吻合非常准确，模拟数据和测量结果在变形量、回弹等量上也有较好的准确度。可见应用有限元模拟技术模拟零件成形过程、预测可能的缺陷、了解拉形过程状态、并可对模具的成形工艺性进行校验分析。

图5 试验方案2有限元模拟应变与测量应变对比

3 结束语

拉形工艺是飞机蒙皮类零件的重要成形方法，在飞机零件生产中有着不可或缺的地位。随着蒙皮零件的形状日趋复杂，成形难度逐渐加大，对拉形工艺的要求也不断提高。本文的研究成果表明，数字化的工艺设计方法为拉形工艺的设计提供了一个行之有效且潜力巨大的途径。从零件设计迭代的工艺审查，到零件生产阶段的工艺设计，计算机辅助工艺设计系统结合有限元分析的方法都发挥了巨大的作用，成功地参与到了生产实践当中，大大地提高了生产效率。对拉形过程的有限元仿真比较准确地反映了拉形的真实过程，使对工艺参数的优化在不进行生产试验的情况下成为可能，大大降低了零件试制过程中的时间成本和材料成本。本文结果也证明了数字化的工艺设计方法在飞机蒙皮类零件的生产中能够起到重要的作用。如果将这种方法更加深入地应用到拉形生产中，推广到更广泛的范围，可进一步提高生产效率。