飞机大型覆盖件的数字化成形制造技术

《冲压工艺及模具设计》大作业大型覆盖件成型工艺及模具

姓名：吴显浩

班级：成型072

成绩：

飞机大型覆盖件的数字化成形制造技术

飞机作为一种常见的航空工具，其制造技术复杂，工艺流程多，零件数目巨大，而其最主要的外部构件却是整体成型，然后组装起来成飞机表面的覆盖件，其在飞机制造行业的学名是蒙皮。蒙皮是构成飞机气动外形的外表零件，其尺寸大、品种多、外形复杂、批量小，主要采用拉伸成形工艺，其先进程度是衡量一个国家飞机制造能力和水平的重要标志。

现代制造技术的普及使数字化成形制造技术在航空制造领域不断推广和应用，使飞机蒙皮从传统的经验型向科学型制造模式转变。飞机蒙皮数字化成形工艺是一个综合CAD工艺设计系统、CAE仿真分析、数控柔性工装、数字化测量和CAM数控成形技术等先进制造技术而成的数字化生产制造技术。

基于数字化柔性工装的飞机蒙皮数字化成形制造技术，是基于柔性多点拉形模具、柔性夹持定位和数控切边构成的可重构柔性工装的全数字量传递的蒙皮制造技术。

其主要的工作流程如下所述：

一、模具型面CAD工艺设计系统

在蒙皮的常规制造工艺中，包括设计模具型面、编制工艺流程、制造拉形模具、拉形、测量、切边等工序，其中模具型面的设计是整个工艺流程的关键环节，其需要根据蒙皮零件形状增加工艺补充面，设计模具型面，为拉形模具的制造提供依据。

国内外CAE软件固化了零件模具设计及成形仿真流程，用户能方便地操作从零件几何数据导入、模具生成到成形仿真CAE等固化流程。为了规范化、流程化整体化蒙皮模具的设计流程，提高快速研制、加工和生产的能力，我国科学家综合多年的飞机蒙皮拉形工艺研究工作，构建了蒙皮CAD工艺设计系统框架，继而通过艰苦的努力，基于法国达索公司的CATIA 软件CAA平台，开发了模具型面CAD数字化工艺设计系统。

二、蒙皮拉形CAE仿真及回弹补偿优化技术

蒙皮拉形过程的数值模拟分析，可以方便快速地确定各种参数对金属塑性流动的影响，预测蒙皮零件在成形中是否产生起皱、破裂等缺陷，计算回弹对零件形状、尺寸的影响，为设计者提供了进行工艺分析和模具设计的科学依据，减少或消除试拉和反复调形次数、改善产品质量，为传统制造模式向数字化方向转变奠定了基础。

在蒙皮拉形仿真软件方面，北京航空航天大学的蒙皮拉形仿真软件STRETCHFORM，对蒙皮拉形过程进行有限元数值模拟分析。在可重构柔性模具蒙皮拉形工艺中，利用柔性模具的快速调形和可重构性，优化模具型面，补偿回弹，实现蒙皮零件的精密拉形。北京航空航天大学板料成形研究中心基于现有的向前回弹法和位移调整法开发了基于可重构柔性模具的蒙皮拉形工艺仿真系统，实现了有限元建模过程的自动化和智能化，提高了模拟效率，从而快速地对蒙皮拉形过程中可能出现的成形缺陷进行预测，通过调整柔性模具型面，修正零件回弹，减少或消除试拉和反复调形次数，为飞机蒙皮从传统制造模式向数字化制造模式的转变提供了技术保障。

三、基于可重构柔性模具的飞机蒙皮数控拉形

可重构柔性模具由有限个可调整的单元集组成，通过调整每个调形单元的高度构成所需零件的包络曲面，以此替代实体模具进行成形。柔性多点成形作为一种柔性、高效的全新的板材成形模式，并有减少模具数量，缩短制造周期，减少投资和占地等优点，但其目前有以下关键技术亟需突破：

1)大量密集多点冲头快速精密调整和多轴数字智能伺服集成控制技术；

2）带弹性垫层的柔性多点模具拉形工艺及蒙皮表面质量控制技术；

3)数值模拟、工艺优化和模具型面预测技术；

4)横具型面优化和贴模精度主动控制技术；

5)蒙皮数字化制造系统集成技术。

近年来，我国科学家已突破了飞机蒙皮CAD数模工艺补充面的自动生成技术，实现了钉高调形数据的自动生成，解决了大量密集冲头的实时、并行控制等关键技术，开展了基于弹性垫层、复合垫层的蒙皮拉形工艺研究，建立了—套基于可重构柔性多点模具的飞机蒙皮数字化拉形试验系统。

四、基于离线测量的闭环形状控制模面优化技术

4．1 离线测量技术

基于可重构柔性多点模具成形的蒙皮零件，由于取消了实体模具，传统检测方法不再适用需用非接触光学测量法进行测量。这种测量技术能计算出被测点在视觉坐标系中的空间坐标，获得零件被测区域的密集空间点云，并依此进行曲面重构。

4．2 闭环形状控制技术

CAE仿真分析优化由于没有考虑实际机床和材料等性能的波动，蒙皮拉形所得到的零件外形必然与理论外形存在误差，这就需要用闭环形状控制对成形误差进行自动修正。板材闭环形状控制的基本原理是将自动控制理论中闭环反馈控制的思想引入到板材成形领域，利用先进的控制技术解决板类件精确成形的问题。

将以上两者结合起来，用基于离线测量闭环形状控制的柔性模具型面优化设计方法，构建闭环形状控制系统，通过设计变形传递函数，迭代计算出获得所需零件外形的柔性模具优化型面，实现蒙皮贴模精度的主动控制。

五、柔性夹持蒙皮数控切边技术

利用柔性夹持定位工装，在五坐标势控铣切设备上进行切边，是近年来国外发展的飞机会皮数字化切边的一项新技术。柔性夹持蒙皮切边技术，是采用离散的带真空吸盘的立柱阵列调形拟合窒皮的三维外形，即以点代面，精确牢固地夹持蒙皮零件、立体定位，与龙门式五坐标数控蒙皮铣切设备配套使用，实现零件外形边缘的立体精确切边、多台阶化铣刻线等。与传统的利用样板划线剪切切边工艺方法相比，吸盘式柔性夹持蒙皮切变技术具有明显的优点。

飞机蒙皮制造技术是一项全新的高科技技术，该技术的不断深入研究，将大力推进国内飞机制造技术的数字化，精准化，柔性化水平。

参考文献

1 邹方，新一代飞机蒙皮拉伸成形柔性多点模具，航空制造技术，2007年第11期：30~33.

2 李东升，罗红宇，王丽丽，张文阳，李小强，飞机蒙皮的数字化成形制造技术，塑性工程学报，2009年2月第16卷 1期：82~87

3 姜奎华，冲压工艺与模具设计，机械工业出版社，1998年5月第一版:186~190