盧文權，張偉慶，羅建宏，韓　波

(陜西飛機工業(yè)(集團)有限公司，陜西 漢中 723213)

飛機大型復雜蒙皮模胎設計技術

盧文權，張偉慶，羅建宏，韓波

(陜西飛機工業(yè)(集團)有限公司，陜西 漢中 723213)

摘要：針對大型復雜蒙皮零件成型難度大，傳統(tǒng)結構工裝無法滿足零件的制造要求和工裝使用單位的起吊要求等問題，進行了一種全新的大型復雜蒙皮成型工裝設計與制造。通過建立三維模型并輸入相關數(shù)據(jù)進行了有限元分析，確定了大型蒙皮模胎鋼骨架的結構、用料及布局。該模具的關鍵技術是模胎的基體采用鋼骨架空心結構，型面采用可加工塑料。模胎基體采用鋼骨架空心結構解決了模胎基體變形的問題，而且該基體可以多次重復使用。型面采用可加工塑料以及數(shù)控加工的方法取得最終的型面，可以保證大型蒙皮類零件的精確成型。

關鍵詞：蒙皮模胎；鋼骨架空心結構；輕量化

在飛機結構中，鈑金類零件所占的比例較大，數(shù)量多，常見的鈑金件有蒙皮、長桁以及角片等零件。其中，蒙皮零件由于尺寸大、剛度小以及壁薄，其制造不能使用通用的加工設備來，而應采用專用的蒙皮成型工裝和專用設備來完成?，F(xiàn)階段常用的蒙皮成型工裝是蒙皮成型胎[1]，即蒙皮模胎。

1常用蒙皮模胎的基本結構形式及其不足

在實際的工程應用中，常用的蒙皮模胎結構形式主要有3種：1)傳統(tǒng)的由木質(zhì)框架、環(huán)氧膠砂和環(huán)氧型面組成的結構形式；2)先鑄造基體，再對基體進行數(shù)控加工取得最終型面的結構形式；3)先鑄造基體，再采用可加工塑料型面并對其進行數(shù)控加工取得最終型面的結構形式。

上述3種結構的蒙皮模胎基本滿足了目前大部分飛機蒙皮零件的制造；但是隨著材料技術的進步，以及加工設備加工范圍的擴大，飛機蒙皮的外形尺寸變得越來越大。在這種情況下，上述3種蒙皮模胎的結構形式已經(jīng)不能滿足超大蒙皮的生產(chǎn)需求。實際工程應用結果表明，這種不適應主要表現(xiàn)在：1)按照上述幾種結構形式設計制造的蒙皮模胎自重大(最大蒙皮模胎質(zhì)量已經(jīng)達到25 t)，遠遠超過了一般工裝使用廠房吊車的承載范圍；2)如此重的蒙皮成型工裝容易變形(主要是蒙皮模胎自身變形以及在承受350 t拉力情況下的開裂變形)，難以滿足工裝的制造和使用；3)大型蒙皮模胎的整體鑄造困難重重，實際工程應用也非常少。因此，迫切需要尋找新的輕量化的蒙皮成型工裝結構，一方面應提高工裝強度，保證工裝制造質(zhì)量；另一方面應減小工裝自重，滿足工裝使用要求。

2解決超大蒙皮成型的技術方案及驗證結果

大型復雜蒙皮成型工裝因為超重、超大及變形等原因無法滿足蒙皮制造需求。為解決該問題，經(jīng)過研究分析，確定了3項技術指標，并在此基礎上提出了2種新的輕量化的工裝結構方案。

2.1技術指標

技術指標為：模胎總質(zhì)量不得大于工裝使用廠房吊車的承載范圍；鋼骨架要承受兩端頭各350 t的拉力不變形；模胎在起吊過程中型面不發(fā)生開裂等現(xiàn)象。

2.2技術方案

1)方案a：將尺寸超大的類似工裝改成鋼骨架、膠砂基體、環(huán)氧塑料型面或者可加工塑料型面。該方案的關鍵技術是模胎的基體采用了鋼骨架空心結構，型面采用了可加工塑料。模胎基體采用鋼骨架空心結構，型面采用可加工塑料并且采用數(shù)控加工的方法取得最終型面(見圖1)。

圖1　鋼骨架基體理論圖

2)方案b：將尺寸超大的類似工裝改成整體基座、多基體拼裝、環(huán)氧塑料型面或者可加工塑料型面。該方案的關鍵技術是模胎底座采用整體鋼板，基體采用多個鑄件，將鑄件拼接和整體鋼板連接在一起做成模胎的框架，型面采用可加工塑料并且采用數(shù)控加工的方法取得最終型面(見圖2)。

圖2　拼接式骨架理論圖

2.3驗證結果

1)方案a：設計制造的模胎完全滿足了各項技術指標的要求。

2)方案b：設計制造的模胎滿足了模胎的自重要求；不足之處是承受350 t的拉力時模具的強度不高，模胎發(fā)生變形，型面裂開。

通過對比驗證分析，最終確定大面積推廣應用方案a，并取得了較好效果。

3方案a的具體情況介紹

按方案a的要求，利用數(shù)字化設計建立三維模型，并輸入相關數(shù)據(jù)。通過有限元分析方法，對所設計的鋼骨架進行強度校核，從而確定大型蒙皮模胎鋼骨架的結構、用料及布局[2]。

3.1模胎底座的設計

鋼骨架空心結構模胎的關鍵技術為底座制造工藝，底座的強度決定了模具型面的穩(wěn)定性。底座的制造方法如下：底座采用槽鋼與A3鋼板抱焊的工藝方法焊接成框；下表面的鋼板采用整體式連續(xù)焊接；上表面采用分塊隔斷式焊接，分塊位置同隔框位置尺寸；底座外擴尺寸按零件外形線并留100 mm余量，以保證模體尺寸；底座中間的隔框采用方鋼沿底座長度方向，按均勻間距排列和矩形框連接成一個整體(見圖3)。

圖3　底座結構

底座效果圖如圖4所示。如果模胎寬度尺寸>2 000 mm，地腳墊塊在寬度方向2 000 mm有效尺寸范圍內(nèi)應保證有地腳墊塊，保證模胎在蒙皮拉伸機工作臺上的有效支承，地腳墊塊在制造過程中還需要保證模胎的平穩(wěn)放置。

圖4　底座效果圖

3.2型面基體的設計

當模胎整體框架焊接完畢后，為了保證型面的塑造，用鋼管做隔框支架，隔框的位置均勻分布在底座上；然后用鋼管做縱梁，縱向根據(jù)模胎具體寬度尺寸合理分布；最后在隔框上用鋼筋焊接成排狀(見圖5)。加工完成后結構如圖6和圖7所示。

圖5　型面基層原理圖

圖6　型面基層效果圖

圖7　型面基層局部效果圖

當模胎底座及型面基體加工完畢后，應在基體上面填充環(huán)氧膠砂。為方便填充環(huán)氧膠砂，在基體周圍圍一圈圍板，保證環(huán)氧膠砂不外流。圍板上斷面應根據(jù)蒙皮零件外形切割，以保證模胎型面光順(見圖8)。

圖8　圍板安裝效果圖

3.3熱處理及表面處理

當蒙皮模胎鋼骨架在焊接完畢后，進行燜火和吹砂處理，以消除鋼骨架焊接殘余應力并防止表面銹蝕。

3.4吊掛的選擇

根據(jù)模胎尺寸的大小選擇相應規(guī)格的吊掛，根據(jù)有限元分析所得出的結論選擇吊掛位置，保證起吊平穩(wěn)、安全(見圖9)。

圖9　吊掛安裝效果圖

3.5最終的蒙皮模胎效果圖

最終的蒙皮模胎效果圖如圖10所示。

4結語

自主研制了大型復雜蒙皮模胎的鋼骨架空心結構，大大減輕了模胎質(zhì)量，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和模胎的使用壽命；應用有限元分析方法，優(yōu)化了鋼骨架空心結構，保證了工裝兩端頭的剛度和抗拉強度；采用可加工塑料作為模胎型面，實現(xiàn)了模胎型面的數(shù)控加工，保證了模胎型面的準確度，提高了效率。

以8 m×1.5 m的蒙皮模胎為例，采用新型模胎質(zhì)量為13 t，比木框架、環(huán)氧膠砂基體、環(huán)氧塑料型面制造的模胎質(zhì)量減小了約7～9 t，瘦身率達到了40%。采用鋼骨架制造的模胎，比采用傳統(tǒng)方法制造的模胎，節(jié)約成本約30%。

經(jīng)過研究，掌握了鋼骨架用料的原則、框架的布局以及模胎的相關制造工藝，為同類工裝的設計做了很好的技術鋪墊；此外，大型鋼骨架蒙皮模胎完全采用數(shù)字化設計、制造，為此類新型結構工裝的成功研制奠定了良好的基礎。

該技術的成功應用豐富了大型復雜蒙皮零件成型方法，為今后飛機蒙皮分塊提供了參考數(shù)據(jù)支撐，在航空領域具有廣闊的推廣應用前景。

參考文獻

[1] 范玉清. 現(xiàn)代飛機制造技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2001.

[2] 楊海成. 數(shù)字化設計制造技術基礎[M]. 西安：西北工業(yè)大學出版社，2007.

責任編輯鄭練

Design Technology of Large and Complex Skin Die for Airplane

LU Wenquan, ZHANG Weiqing, LUO Jianhong, HAN Bo

(Shaanxi Aircraft Manufacturing Corporation, Hanzhong 723213, China)

Abstract：Considering the great difficulties of forming large and complex skin components, it is impossible for the traditional technical equipments to meet the components manufacturing needs and the lifting needs of tooling users. The paper presents a method of designing and manufacturing a brand-new, large and complex forming tooling. FEM analysis is carried out through establishing three-dimensional model and inputting related data to determine the structure, material and distribution of large skin mold steel skeleton. The key technology of the mold is that the main body is made of hollow steel-skeleton structure and the molded surface adopts processable plastics. The way hollow steel-skeleton structure is applied in mold body overcomes the defect of the body deformation, and moreover, the body can be used in several times. The molded surface is obtained by NC machining processable plastics. This method can ensure the precision forming of large skin components.

Key words:skin die, hollow steel structure, lightweight

收稿日期：2014-03-11

作者簡介：盧文權(1976-)，男，高級工程師，大學本科，主要從事工藝裝備設計及制造等方面的研究。

中圖分類號：V 261

文獻標志碼:A