復雜S形蒙皮成形工藝研究

徐 龍

（洪都航空工業集團，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，飛機設計中的蒙皮零件形狀日趨復雜，如翼身融合、彎曲前緣、復雜S形、馬鞍形蒙皮以及復雜進氣道等。這些蒙皮的特點不僅是結構尺寸大，相對厚度小，結構剛性差，而且外形復雜，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。這些復雜的蒙皮零件也促進著蒙皮生產設備和生產工藝的不斷更新與創新。為了提高生產能力和工藝水平，以滿足日益增加的蒙皮生產需要，公司在2002年引進了一臺國外先進的數控蒙皮拉形設備。隨后又針對該設備開發了相應的工藝設計軟件，能夠根據設定的毛料尺寸、延伸率和包覆角等工藝參數，給出用于有限元仿真的輸入文件以及設備相應的數控代碼，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試驗。這些設備和技術的改進，在很大程度上提高了生產效率，在實現蒙皮零件的數字化生產方向上邁進了堅實的一步。

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

1 總體研究方案的制定

根據S形蒙皮的特點以及目前公司所具備的條件能力，經過分析研究，決定采用飛機蒙皮數字化成形系統ASSPCAE/FET600-HD[1],并結合CAD軟件CATIA和有限元分析軟件ABAQUS，實現S形蒙皮拉形過程的有限元建模仿真，根據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)設計拉形方案，確定拉形控制參數；

3)對拉形過程進行模擬，并對模擬結果進行分析；

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數控拉形機上成形，使用數字化拉形系統ASSFCAE/FET600-HD對該中艙門蒙皮零件進行工藝分析。根據橫拉工藝的特點，在拉形過程中控制毛料兩側自由邊的工藝參數，將兩邊定義為兩條控制延伸率和包覆角的輔助線A和B。

根據零件數模設計了拉形模、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的網格，導入ASSFCAE/FET600-HD軟件系統。設置墊塊高度為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 工藝參數設計

根據分析所設計的加載方案為：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。所設計的初始夾持位置參數見表1。

圖4 中艙門蒙皮加載方案

表1 初始夾持位置參數

根據材料的性能和截面線跟蹤分析，確定成形結束時變形參數，見表2。

表2 成形終止位置參數

有上壓模的S形蒙皮零件，成形的關鍵是上模下壓時夾鉗的位置，即包覆角和拉伸率的設置。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變化，因此設計上模下壓時刻的位置參數見表3。

根據變形分析，表3中x1的取值范圍為：1.5～2.5，設計其水平分別為 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

2.3 有限元仿真分析

分別取x1和x2的數值，采用ABAQUS/Explicit求解器對成形過程進行有限元數值模擬，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?；貜椃?，約束毛料兩側的位移。對模擬結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。

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

表4 優化的工藝方案及參數

圖5為優化工藝方案的加載軌跡圖。

圖6為在優化工藝參數下中艙門蒙皮拉形時面內最大主應變云圖。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，零件的質量高。

圖7為在優化工藝參數下中艙門蒙皮拉形卸載回彈位移分布云圖。

圖5 優化加載軌跡圖

圖6 在優化工藝參數下面內最大主應變圖

圖7 在優化工藝參數下回彈分布云圖

圖8為在優化工藝參數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 在優化工藝參數下回彈后的貼模度

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

2.4 拉形工藝大綱

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

1）基本參數

數控拉形機：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）拉伸成形數控代碼見表5。

圖9 毛料擺放圖

表5 中艙門拉形數控代碼

3 實驗驗證與分析

零件的成形試驗在ACB FET600數控拉形機上進行。

按照表5的數控代碼，使用數控拉形機自動運行。在拉形結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，成形質量較好，為合格零件。

圖10 中艙門零件試驗過程。

4 結 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，傳統的拉形工藝設計方法也面臨的挑戰更加嚴峻。

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。在零件的生產階段，輔助拉形工藝設計系統結合有限元分析，使對工藝參數的優化在不進行生產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。

數字化的工藝設計方法在飛機蒙皮類零件的生產中能夠起到重要的作用，應用前景廣闊。

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

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