供稿|張修路，高盛昊，黃文超 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

金屬蒙皮拉伸成形是飛機(jī)制造業(yè)中常用的加工方法之一，傳統(tǒng)的蒙皮拉形工藝是基于“經(jīng)驗(yàn)”和“試錯(cuò)法”，該種方式會(huì)出現(xiàn)蒙皮的破裂、粗晶、回彈和滑移線等成形缺陷。將有限元仿真技術(shù)應(yīng)用到蒙皮拉形中，在有限元軟件中實(shí)現(xiàn)“模擬拉形”，可有效改善蒙皮拉形的質(zhì)量，大大減少試?yán)螖?shù)。而且，利用有限元仿真軟件可以顯著提高金屬蒙皮材料的利用率，降低研發(fā)和生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)蒙皮拉形工藝參數(shù)快速優(yōu)化的目的。

金屬蒙皮零件是民用飛機(jī)公司各個(gè)項(xiàng)目鈑金零件中最重要的產(chǎn)品構(gòu)成。目前鈑金零件作為飛機(jī)的主要構(gòu)件，而蒙皮零件又是最具鈑金特點(diǎn)、最重要的鈑金零件?？梢哉f(shuō)，蒙皮零件的制造能力是民用飛機(jī)鈑金制造能力的一個(gè)標(biāo)志。零件制造中心是以鈑金制造為主要內(nèi)容的零件制造單元，企業(yè)一般會(huì)在該中心配備很多專業(yè)大型鈑金設(shè)備。雙曲度蒙皮拉伸成形設(shè)備——蒙拉機(jī)就是其中最重要的鈑金設(shè)備之一，如圖1所示。

金屬蒙皮是飛機(jī)結(jié)構(gòu)氣動(dòng)外形中最主要的零件之一，其一般定義為包覆飛機(jī)整個(gè)氣動(dòng)外形的薄板零件(包括壁板)。在鈑金工藝中，也將加強(qiáng)板等工藝制造方法類似的零件定義為蒙皮類零件。而拉形類蒙皮普遍都是雙曲度蒙皮，分布在機(jī)頭、尾段和艙門等位置，尺寸比較小(個(gè)別的超過(guò)6 m)，厚度不大于4 mm，蒙皮內(nèi)形往往帶有較淺的減重化銑格，蒙皮材料均為2xxx系列鋁合金。

圖1 雙曲度蒙皮拉伸成形機(jī)

由于是雙曲度蒙皮，從工藝角度上說(shuō)，成形相對(duì)比較復(fù)雜，幾乎都采用拉伸成形，通常的做法是依靠蒙拉機(jī)工作臺(tái)面上下運(yùn)動(dòng)的頂升和兩端夾鉗的拉伸包覆運(yùn)動(dòng)使板料貼模，獲得金屬蒙皮的形狀，其拉伸成形的好壞將直接影響航空航天器的整個(gè)外形氣動(dòng)性和機(jī)器使用壽命[1]。然而，在以往金屬蒙皮的拉形過(guò)程中都是按照分析人員的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種傳統(tǒng)的拉伸成形過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)斷裂、起皺、粗晶、回彈及滑移線等缺陷，如圖2所示。所以，蒙皮零件成形參數(shù)和操作熟練程度會(huì)對(duì)零件質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。

圖2 傳統(tǒng)拉伸成形過(guò)程中出現(xiàn)的斷裂缺陷

由于傳統(tǒng)的拉形方式是憑借以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)回彈量進(jìn)行預(yù)估，利用夾鉗和工作臺(tái)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行拉形，沒(méi)有對(duì)成形的參數(shù)和細(xì)節(jié)進(jìn)行規(guī)定，比如夾鉗口的拉形力和工作臺(tái)面(又稱為工作胎面)上頂力的大小及相互配合關(guān)系，夾鉗口在蒙皮拉伸成形過(guò)程中的擺角變化及拉伸量的控制等，所以，蒙皮的拉伸成形質(zhì)量主要取決于操作工人的操作經(jīng)驗(yàn)和操作水平，不可避免的會(huì)出現(xiàn)眾多的不可預(yù)知的缺陷[2]。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，以及有限元技術(shù)的日臻成熟，借助有限元法設(shè)計(jì)多種可行加載軌跡，并對(duì)拉伸金屬蒙皮的回彈進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)拉伸成形工藝參數(shù)的制定具有一定的指導(dǎo)作用[3]。

另外，飛機(jī)結(jié)構(gòu)都是由尾段、中機(jī)身、前機(jī)身、機(jī)頭和機(jī)翼等幾個(gè)主要部分構(gòu)成。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的軍民用飛機(jī)型數(shù)量大概在二十萬(wàn)件左右，一年大概需要將近一百萬(wàn)件蒙皮零件，其中大多數(shù)均為外購(gòu)，因此，拉形類蒙皮是我國(guó)進(jìn)行研制的重點(diǎn)。通過(guò)雙曲度蒙皮零件的研制，達(dá)到各個(gè)項(xiàng)目蒙皮零件的自制，可為民用飛機(jī)公司節(jié)省大量經(jīng)費(fèi)，也為公司提高了生產(chǎn)能力甚至零件制造競(jìng)爭(zhēng)能力。因此發(fā)展、革新蒙皮拉形技術(shù)對(duì)鞏固提升我國(guó)的航空航天制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)制造巨頭，比如波音、空客、龐巴迪、塞斯納等公司，他們的拉形蒙皮制造過(guò)程都是采用有限元仿真技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的制造工藝方案，這樣不僅會(huì)節(jié)省大量時(shí)間，而且由于采用數(shù)值模擬，還會(huì)節(jié)省材料、工裝、設(shè)備等大筆資金的投入[4]。

由于仿真技術(shù)較復(fù)雜，在國(guó)內(nèi)推廣程度并不高，國(guó)內(nèi)各個(gè)主要飛機(jī)制造廠家還沒(méi)有把工藝仿真技術(shù)真正應(yīng)用到產(chǎn)品的工藝方案制定中，目前依然是采用傳統(tǒng)的 “基于經(jīng)驗(yàn)”和“試錯(cuò)法”的生產(chǎn)方式。

國(guó)外拉形工藝研究

國(guó)外對(duì)拉形工藝進(jìn)行研究較早的國(guó)家主要有美國(guó)、德國(guó)和俄羅斯。其中，美國(guó)的科學(xué)家Chen等[5]在通用汽車的實(shí)驗(yàn)室中，在圓弧形的金屬蒙皮拉伸成形的過(guò)程中使用了噴水的形式進(jìn)行了潤(rùn)滑，拉伸出來(lái)的金屬蒙皮的厚度均勻、形狀規(guī)范。俄羅斯的科學(xué)家Oding[6]在對(duì)飛機(jī)多層金屬蒙皮件拉伸成形的研究中發(fā)現(xiàn)，分層設(shè)置金屬蒙皮板材的長(zhǎng)度有助于工件更好地貼模，能夠更好的進(jìn)行蒙皮拉形。另外，Zdzislaw 等[7]對(duì)金屬蒙皮拉形過(guò)程中的極限應(yīng)變進(jìn)行了研究，并且利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行了分析，得出了金屬材料極限應(yīng)變的函數(shù)，這對(duì)利用有限元仿真技術(shù)模擬蒙皮拉形過(guò)程提供了理論支持。

國(guó)內(nèi)拉形工藝研究

國(guó)內(nèi)對(duì)拉形工藝的開展研究要較國(guó)外晚一些，并且主要集中在國(guó)內(nèi)幾家大飛機(jī)制造廠以及個(gè)別高等院校。比如，萬(wàn)敏等[8]對(duì)金屬蒙皮拉伸成形的相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行了針對(duì)性的研究，得出了金屬蒙皮產(chǎn)生滑移線的主要影響條件是：夾鉗拉伸成形過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)速度、蒙皮與胎面之間的潤(rùn)滑效果以及加載軌跡等，并且依據(jù)金屬蒙皮的臨界變形程度確定了合理的夾鉗運(yùn)動(dòng)速度。

白雪飄等[9]以工廠常用的FET-1200數(shù)控蒙拉機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其模擬系統(tǒng)前置處理中的運(yùn)動(dòng)反解、數(shù)據(jù)接口等進(jìn)行了研究，開發(fā)出了運(yùn)動(dòng)反解模塊，使蒙皮拉伸成形過(guò)程中CNC(數(shù)控設(shè)備控制)與CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)兩大拉形工藝中的基石相得益彰，相輔相成。同時(shí)，其團(tuán)隊(duì)還運(yùn)用模擬系統(tǒng)對(duì)金屬蒙皮的拉形過(guò)程做了“虛擬成形”，改進(jìn)了鉗口的運(yùn)動(dòng)軌跡。

在國(guó)內(nèi)外金屬蒙皮拉形工藝相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)的發(fā)展成果，本文的提出了解決飛機(jī)蒙皮成品率低的困局，凝練了相應(yīng)的科學(xué)問(wèn)題，具有巨大現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

仿真技術(shù)研究方案

仿真技術(shù)介紹

為了滿足新型飛機(jī)對(duì)其氣動(dòng)外形等方面的苛刻要求，國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造廠家從國(guó)外購(gòu)買了諸如FET1200、VTL1000等先進(jìn)的數(shù)控蒙拉機(jī)?？梢霃母旧细淖儌鹘y(tǒng)的飛機(jī)蒙皮拉形工藝的方法，充分發(fā)揮先進(jìn)數(shù)控蒙拉機(jī)的優(yōu)越性能，亟需將計(jì)算機(jī)輔助工程 (Computer Aided Engineering，CAE)、計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，CAD)等數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于蒙皮拉形工藝。利用有限元仿真方法優(yōu)化蒙皮拉形路徑，減少拉形實(shí)驗(yàn)工作量，達(dá)到降低研究成本，實(shí)現(xiàn)蒙皮拉形工藝參數(shù)快速優(yōu)化的目的，如圖3所示。

圖3 利用有限元仿真技術(shù)模擬蒙皮拉形

仿真技術(shù)傳統(tǒng)方案

由大量工程實(shí)驗(yàn)可知，預(yù)拉伸或者補(bǔ)拉伸能夠一定程度的抑制金屬蒙皮的回彈，是目前工程中常用的加工工藝方法。所以，傳統(tǒng)的仿真分析認(rèn)為，通過(guò)精確的仿真分析材料幾何尺寸的變化規(guī)律，能夠?yàn)槊善だ喂に噧?yōu)化和質(zhì)量控制提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)[10]。

仿真分析的傳統(tǒng)方案是研究蒙皮拉形幾何建模、單元選擇、材料模型選擇、載荷施加方式等問(wèn)題，完成蒙皮拉形的有限元模擬，通過(guò)對(duì)結(jié)果分析查找問(wèn)題，調(diào)整蒙皮拉形的加載路徑以及蒙拉機(jī)X軸和Y軸輸出力與蒙皮實(shí)際的受力，再次進(jìn)行蒙皮拉形仿真，直到得到滿意的拉形結(jié)果，計(jì)算得出蒙皮拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各拉伸缸工作與設(shè)備控制及鉗口運(yùn)行之間的函數(shù)關(guān)系，該函數(shù)關(guān)系即可以作為蒙皮拉形實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)依據(jù)。

蒙皮拉形仿真?zhèn)鹘y(tǒng)方案主要研究的問(wèn)題：(1)蒙皮加載的方式；(2)蒙皮加載位置與蒙皮拉形設(shè)備的關(guān)系，為蒙皮拉形實(shí)驗(yàn)加載提供依據(jù)；(3)蒙皮拉形加載數(shù)據(jù)到蒙皮拉形實(shí)驗(yàn)控制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；(4)蒙皮拉形仿真優(yōu)化方法；(5)零件拉形路徑在拉形機(jī)上的控制。

仿真技術(shù)前沿方案

通過(guò)對(duì)金屬蒙皮拉伸成形的過(guò)程研究可以發(fā)現(xiàn)，仿真分析的傳統(tǒng)方案能夠一定程度的抑制金屬蒙皮的回彈，但是由于每批蒙皮材料的環(huán)境狀態(tài)不盡相同，比如溫度、濕度等的影響，使得傳統(tǒng)方案并不能完全根除蒙皮的破裂、粗晶、回彈和滑移線等成形缺陷。目前，國(guó)外對(duì)金屬蒙皮拉伸成形的研究比較前沿的仿真方案主要有[11]：

(1)建立真實(shí)反映材料內(nèi)部的數(shù)學(xué)模型。

采用單凸雙曲率高強(qiáng)度的鋁合金蒙皮件作為研究目標(biāo)，建立等效模型采用實(shí)驗(yàn)得到應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，從而得到材料的本構(gòu)方程。針對(duì)材料的各向異性，通過(guò)比較應(yīng)變和壁厚，對(duì)照模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)選取合適的屈服準(zhǔn)則。

(2)拉形的有限元建模與分析優(yōu)化。

利用CAD軟件建立拉形模具，拉形的幾何模型，利用ABAQUS作為模擬平臺(tái)設(shè)置邊界和初始條件，繼而利用ABAQUS的求解器完成計(jì)算。通過(guò)相關(guān)研究可以知道，影響金屬蒙皮回彈量大小的因素主要有所用材料的屈服強(qiáng)度、彈性模量等相關(guān)材料屬性，以及板帶厚度、硬化指數(shù)、彎曲變形量等形狀的參數(shù)。通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析偏差產(chǎn)生的原因并改變參數(shù)的取值，重新模擬直至兩者結(jié)果吻合為止。

(3)蒙皮拉伸的局部加熱和振動(dòng)控制的研究。

分別通過(guò)輔助裝備在蒙皮拉伸過(guò)程中實(shí)現(xiàn)提高局部溫度和加載振動(dòng)載荷，探究拉伸成形過(guò)程中蒙皮件的回彈、減薄率、貼膜度的變化規(guī)律，在探究過(guò)程中提出并實(shí)現(xiàn)精確的溫度和振動(dòng)控制方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

(4)拉形工藝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。

金屬蒙皮拉伸成形數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)(也就是ASSFCAE)是通過(guò)設(shè)定拉形工藝參數(shù)，然后計(jì)算蒙拉機(jī)的工作臺(tái)和夾鉗口的運(yùn)動(dòng)軌跡，輸出蒙拉機(jī)可識(shí)別的數(shù)控代碼。對(duì)航空航天中的雙曲率蒙皮進(jìn)行分析，首先通過(guò)數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行拉伸成形過(guò)程中的工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)，然后利用數(shù)值模擬方法仿真整個(gè)金屬蒙皮拉形的過(guò)程，根據(jù)仿真結(jié)果繼而優(yōu)化工藝參數(shù)，并對(duì)優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。將ASSFCAE-FET600 系統(tǒng)生成的對(duì)應(yīng)優(yōu)化后拉形參數(shù)組合的設(shè)備數(shù)控代碼輸入到拉形機(jī)中，安裝模具后進(jìn)行拉形。

仿真技術(shù)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)外針對(duì)飛機(jī)蒙皮拉伸問(wèn)題已經(jīng)進(jìn)行了大量的科學(xué)研究，仿真技術(shù)也越來(lái)越成熟，為拉形工藝的設(shè)計(jì)提供了便捷、有效的解決方案。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)開始嘗試?yán)脤?duì)金屬蒙皮局部加熱和振動(dòng)控制的輔助加工方法來(lái)消除殘余應(yīng)力，減小回彈量，多項(xiàng)研究和實(shí)驗(yàn)表明該方法是行之有效的[12]。

目前，仿真技術(shù)的研究進(jìn)展主要是圍繞如下關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行深入和系統(tǒng)研究：(1)研究構(gòu)建能夠真實(shí)反映材料模型的本構(gòu)方程和選取恰當(dāng)?shù)那?zhǔn)則；(2)研究高強(qiáng)度鋁合金的各向異性在拉伸過(guò)程中的影響；(3)提出了利用振動(dòng)和局部加熱進(jìn)行輔助加工的新工藝；(4)根據(jù)仿真分析結(jié)果和相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建不同材料金屬蒙皮的回彈數(shù)據(jù)庫(kù)，繼而確定影響金屬蒙皮回彈的主要因素，對(duì)拉形工藝進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；(5)研究蒙皮件的損傷與斷裂的原理，并對(duì)其進(jìn)行控制和優(yōu)化；(6)將模擬結(jié)果精確應(yīng)用到數(shù)控拉形機(jī)上的研究。

綜上所述，該項(xiàng)目提出的金屬蒙皮拉形仿真技術(shù)的研究方案和技術(shù)路線是切實(shí)可行的，同時(shí)將為飛機(jī)蒙皮質(zhì)量問(wèn)題以及材料利用率等問(wèn)題奠定技術(shù)基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)束語(yǔ)

利用技術(shù)軟件進(jìn)行蒙皮拉伸成形過(guò)程和工藝參數(shù)的分析和確定已經(jīng)成為主流的研究方向，這不僅可以合理設(shè)計(jì)零件成形工藝過(guò)程，避免傳統(tǒng)的試錯(cuò)工藝模式所造成的設(shè)備、工裝、材料的浪費(fèi)和縮短研制周期，而且還可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)或研制階段通過(guò)軟件分析確定零件的工藝性，合理設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)，甚至在產(chǎn)品報(bào)價(jià)階段可以進(jìn)行定量分析，從理論上確定是否具備產(chǎn)品生產(chǎn)能力。

本文不僅總結(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)于金屬蒙皮拉形的研究現(xiàn)狀，還梳理了仿真技術(shù)的傳統(tǒng)方案和前沿方案，尤其在前沿方案中提出了：考慮材料的各項(xiàng)異性，突破現(xiàn)有研究默認(rèn)材料同性的方法局限，建立材料的本構(gòu)方程，對(duì)于復(fù)雜蒙皮件能夠更真實(shí)的計(jì)算蒙皮的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)；數(shù)值模擬和優(yōu)化理論及算法相結(jié)合，避免拉形工藝出現(xiàn)的缺陷，并基于有限元軟件進(jìn)行二次開發(fā)優(yōu)化夾鉗運(yùn)動(dòng)軌跡，能夠得到最優(yōu)的夾鉗運(yùn)動(dòng)路徑，同時(shí)節(jié)省實(shí)驗(yàn)次數(shù)縮短研發(fā)周期；對(duì)于復(fù)雜蒙皮件的加工，在拉形工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合局部加熱和振動(dòng)輔助成形工藝，突破現(xiàn)有研究?jī)H限于拉伸的局限，提出新的方法控制蒙皮件的溫度場(chǎng)，提高蒙皮件的拉伸力學(xué)性能，并對(duì)蒙皮件施加一定頻率和振幅的振動(dòng)載荷，消除殘余應(yīng)力，能夠解決現(xiàn)有蒙皮拉形工藝帶來(lái)的加工缺陷。