文/馬新，王金權(quán)，杜建寧，邵宇寧，王林·沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司

近年來，隨著對具有更佳氣動外形飛機蒙皮零件的不斷精益求精，對前緣類蒙皮零件成形方式的探究成為更多一線飛機制造工作者的研究課題?，F(xiàn)階段，前緣類蒙皮主要采用蒙皮拉深及閘壓兩種成形方式，但目前零件的制造仍存在如下難點：

⑴拉深成形蒙皮前緣類零件的效果較好，但存在一定的范圍區(qū)域，對于R角較小的前緣蒙皮拉深時容易出現(xiàn)滑移線、橘皮、粗晶甚至破裂等缺陷。

⑵使用剛性模作為凹模進行閘壓時對零件表面造成的劃傷較為嚴(yán)重。

⑶利用通用橡膠墊作為凹模時，回彈較大，需進行大量校正，前緣頂部修整效果不好；橡膠磨損較為嚴(yán)重，使用成本高。

閘壓成形工藝介紹

機翼前緣零件因其形狀特點，主要采用閘壓成形工藝進行零件的成形。其基本加工方法為使用通用閘刀和彈性下模，或閘壓模，首先根據(jù)反切外樣板或模胎，初步設(shè)定后擋板位置和滑塊行程的下死點。再將試壓料送進，平穩(wěn)擺放在彈性或剛性下模上，端面與后擋板貼合。而后踩下設(shè)備合模開關(guān)，滑塊下滑，將試壓料折彎。松開合模開關(guān)，滑塊上行后取出零件，與反切外樣板或模胎進行對比。根據(jù)對比情況，調(diào)整后擋板的位置和滑塊的行程。最后通過反復(fù)試壓后，最終確定后擋板的位置和滑塊的行程。

由于蒙皮零件通常尺寸較大，形狀復(fù)雜，表面質(zhì)量和成形精度要求高，所以零件成形難度較大，對設(shè)備及工人的要求較高，而仿真過程結(jié)果對零件的成形過程提供了參考。

利用仿真軟件針對零件成形過程及零件最終形態(tài)的預(yù)測及分析已成為生產(chǎn)廠家設(shè)計工序方案的基礎(chǔ)點，仿真方案的優(yōu)點較多，主要以探測產(chǎn)品成形后的可能缺陷為出發(fā)點，為零件模型設(shè)計及工藝方案優(yōu)化提出基本觀點，并輔以提高零件的產(chǎn)品質(zhì)量、縮短零件產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。目前多家生產(chǎn)單位均已廣泛應(yīng)用Dynaform軟件，下文簡單介紹零件在閘壓過程中的仿真模擬應(yīng)用。

零件成形工藝分析

此次攻關(guān)所選用的前緣類蒙皮弧度較小，閘壓后回彈較大，修整較為困難，與工裝的貼合度較難保證，屬于較難成形的前緣類蒙皮。

因直接閘壓后此零件的兩側(cè)貼合度較差，故現(xiàn)階段采用的成形方式為滾彎成形+閘壓成形。首先利用滾彎機對零件兩側(cè)的弧度進行基本成形，再利用折彎機對零件進行閘壓，此時使用的是通用橡膠墊，回彈較大，修整時間較長，影響成形效率。而聚氨酯材料具有高強度、高韌性的特性，可承受凸模的下壓強度，其超耐磨、拉伸強度高、抗撕裂的特性保證了零件的成形次數(shù)，多批次零件的生產(chǎn)對工裝的消耗較小，工裝返修率低；同時聚氨酯材料的吸振效果明顯，使用折彎機時可保護其滑塊，降低折彎機的使用損耗。通過對實際零件的回彈仿真分析，得到不同規(guī)格材料的回彈數(shù)據(jù)，并根據(jù)實際回彈參數(shù)設(shè)計制造新型成形模具進行零件的閘壓試驗，實現(xiàn)零件的一次精準(zhǔn)成形。

材料參數(shù)設(shè)置

該零件材料牌號為2B06，狀態(tài)為T4狀態(tài)，材料厚度1.5mm。根據(jù)所選材料的專用爐批號板料進行單拉試驗可得，3個角度方向的屈服強度見表1，其余材料性能見表2，根據(jù)上述的材料參數(shù)可進行后續(xù)仿真模擬中對材料參數(shù)的設(shè)置。

表1 2B06 鋁合金板料的屈服強度

表2 2B06 鋁合金板料的力學(xué)性能參數(shù)

成形工藝設(shè)置

成形仿真模擬分析

采用Dynaform軟件對零件成形進行仿真模擬，有利于對專用聚氨酯凹模與剛性凹模的回彈數(shù)據(jù)進行誤差分析。選取實際零件及剛性凹模進行仿真模擬，將工裝及板料模型導(dǎo)入Dynaform軟件內(nèi)，如圖1所示；利用劃分選項對板料及工裝進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格細(xì)劃分后得到網(wǎng)格尺寸為6的網(wǎng)格圖，如圖2所示；工裝實際工作過程中，需進行重復(fù)性合模，在仿真軟件中的合模前后狀態(tài)及合模前整體網(wǎng)格劃分狀態(tài)如圖3所示。

圖1 未劃分網(wǎng)格狀態(tài)工裝圖

圖2 劃分網(wǎng)格狀態(tài)后的工裝圖

圖3 工裝理論擺放位置

不同參數(shù)設(shè)置下仿真模擬分析

⑴摩擦系數(shù)對零件成形的影響。零件閘壓成形一般選取剛性下?；蛲ㄓ孟鹉z墊，剛性下模因其表面光滑，摩擦系數(shù)較小，而橡膠墊因其使用特性需將板料逐漸包裹，故摩擦系數(shù)較大。分別選取三個不同的摩擦系數(shù)進行仿真模擬，零件成形后的厚度變化率云圖及實際厚度云圖如圖4、圖5所示，F(xiàn)LD成形極限圖如圖6所示。

圖4 厚度變化率云圖

圖5 實際厚度云圖

圖6 FLD成形極限圖

根據(jù)不同摩擦系數(shù)下的厚度變化率云圖及實際厚度云圖顯示，零件在折彎過程中厚度變化較小，同時零件的頂部圓角在折彎過程中有厚度增加趨勢。摩擦系數(shù)為0.05時，仿真后的零件頂部圓角厚度超過零件本身的厚度（1.5mm），且在不同摩擦系數(shù)下進行對比發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)越大，整體零件的厚度變化率趨于平緩。摩擦系數(shù)為0.25時，頂部圓角厚度為1.5mm，故可以仿真分析出在零件頂部圓角處有堆料的趨勢，故可以考慮零件閘壓時在一定程度上對板料進行限位，減少堆料，同時選取摩擦系數(shù)為0.25時的通用橡膠墊或?qū)Ｓ镁郯滨ツ榘寄！?/p>

根據(jù)仿真模擬得到的FLD成形極限圖可知，在折彎過程中形成的缺陷幾乎不存在，此成形方式是適合零件成形的，可能存在的破裂點集中在板料與工裝的非零件區(qū)，對零件本身不存在影響。

⑵下壓量對零件成形的影響分析。零件閘壓成形時，所涉及到的主要設(shè)備工藝參數(shù)中下壓量為關(guān)鍵參數(shù)。因凹模的材質(zhì)不同，下壓量的設(shè)定也不同。剛性模因材質(zhì)特性，下死點的設(shè)定僅能設(shè)置為凹凸模合模后初始接觸點，而專用聚氨酯凹模及通用橡膠墊因材質(zhì)具有較好的彈性和抗壓性，可將下死點設(shè)置到合模后接觸點以下，為保險起見，暫將下死點設(shè)置在合模后接觸點以下10mm及15mm位置，調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)即可完成下死點設(shè)置。在其他參數(shù)相同的條件下，將下壓量作為變量，利用Dynaform軟件進行仿真模擬，其FLD成形極限圖及具體回彈數(shù)據(jù)分析如圖7、圖8所示，根據(jù)實際回彈分布圖，選取零件中間部位的截面線進行剖切，可以對零件具體的回彈值進行分析。

圖7 局部剖切圖（1）

圖8 局部剖切圖（2）

同時在仿真模擬中，可以對模具進行實際的瞬時壓力噸位預(yù)測，從抗壓強度、保護操作者、保護設(shè)備、保護工裝等多方面為工裝設(shè)計提供參考。將成形仿真結(jié)果導(dǎo)入前處理程序，選擇回彈模擬分析，利用回彈分析設(shè)置進行仿真模擬，而后利用回彈后的模擬結(jié)果與回彈前的模擬結(jié)果進行對比，前處理中直觀的回彈對比如圖9所示。

圖9 前處理對比圖

圖9中的紅色網(wǎng)格面為回彈前零件的狀態(tài)，綠色網(wǎng)格面為回彈后的零件狀態(tài)，兩者利用三點鉸鏈約束進行節(jié)點固定，對其進行的回彈分析也基于此節(jié)點固定?；貜棓?shù)值超過0.5mm的等值云圖在前處理中顯示為兩側(cè)面的變化較大，而進行節(jié)點固定的頂部回彈量較小，不超過0.3mm，而等值云圖中的大面積回彈也說明非剛性模固定的板料區(qū)域變形量過大，對零件成形后的回彈起到了促進作用，故在進行工裝設(shè)計時，對非工作區(qū)的設(shè)計也是不可忽略的，盡量將板料整體均包裹在工裝的貼合面上。

上述模擬分析所得的初步結(jié)果，在實際工裝的設(shè)計及制造過程中能起到一定的參考作用。零件成形時設(shè)備下死點的設(shè)置根據(jù)仿真結(jié)果可明顯看出，設(shè)置為頂部圓角時回彈較大，設(shè)置為頂部圓角下10mm及15mm時回彈較小，又根據(jù)實際工裝極限，盡可能將下死點加深。利用多次回彈分析將趨于穩(wěn)定的回彈數(shù)據(jù)沿用至工裝設(shè)計上，避免了人工修整，既保護了零件表面質(zhì)量又提高了成形效率。

優(yōu)化后的仿真模擬分析

根據(jù)上述參數(shù)調(diào)整分析，將摩擦系數(shù)及下壓量分別設(shè)置為0.25及頂部圓角下10mm，進行仿真分析并根據(jù)此參數(shù)進行實際操作。為確保參數(shù)的可行性，首先進行工裝材料的選擇，凸模選取鋼基體，凹模選取多梯度硬度的聚氨酯材料作為與零件的貼合面材料，承重基體仍選取鋼基體，既保證了零件的成形效果，又增加了工裝的使用壽命。工人進行實際操作時，將成形凹模置于折彎機平臺上，調(diào)整凸模與凹模的相對位置后設(shè)定折彎機的下壓量，根據(jù)模擬過程中對零件進行限位有利于避免頂部圓角的堆料趨勢，故將零件板料利用定位銷固定于凹模內(nèi)部，即可進行合模試驗，成形后的零件與檢驗?zāi)５馁N合效果及自由狀態(tài)下效果如圖10所示，工裝效果圖及工裝實物如圖11、圖12所示。

圖10 成形零件圖

圖11 工裝效果圖

圖12 工裝實物

結(jié) 束 語

⑴為保證零件閘壓時頂部圓角區(qū)域流料減小，板料閘壓過程的延伸均勻性，將局部位置的摩擦系數(shù)增加有利于零件的成形，分析云圖后可知，在厚度變化較大的位置增加摩擦系數(shù)，借此暫緩零件的延伸變形；在厚度變化較小的位置降低摩擦系數(shù)來增加零件的變形量。

⑵閘壓時零件的回彈、厚度變化由不同參數(shù)影響。精準(zhǔn)控制工藝參數(shù)有助于零件的標(biāo)準(zhǔn)制造，通過工藝分析，將摩擦系數(shù)及下壓量設(shè)置完善，可得到最優(yōu)工藝方案。

⑶相比較通用橡膠墊及剛性模，借助專用聚氨酯工裝，零件制造的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量均得以提升。經(jīng)過實際試驗，利用聚氨酯材料的拉壓成形模進行實際工序的操作得到了合格零件，將成形后未經(jīng)手工修整的零件置于檢驗?zāi)＞呱蠙z測可得其貼合度小于0.5mm，且零件外表面無劃傷，符合檢驗要求?，F(xiàn)已將工裝列入工藝規(guī)程內(nèi)，變?yōu)閷Ｓ霉ぱb。

而此次試驗過程中接觸到的新型拉壓成形模，利用聚氨酯材料作為凹模內(nèi)的填充物，閘壓過程中此填充物與零件外表面接觸，保證了零件的外表面質(zhì)量。同時也為工藝裝備的研制提供了新思路，對復(fù)合材料與金屬材料在工藝裝備上的應(yīng)用提供了更先進的技術(shù)支持。零件的精準(zhǔn)成形制造，不僅減少了工人對閘壓成形后零件的手工修整，也提升了零件的產(chǎn)品質(zhì)量和工人的生產(chǎn)效率，產(chǎn)品生產(chǎn)效率提升至少20%。隨著專用工裝的使用，零件的成形難度逐步降低，對未來新型飛機的復(fù)雜前緣類零件的制造提供了新思路、新方法、新裝備。