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飞机蒙皮数字化制造技术及工艺分析

作者：岳明日期：2016-01-13 15:28 来源：未知

【文章摘要】
传统飞机蒙皮制作技术和工艺存在时间长、成本高等问题，基于数字化制造飞机蒙皮技术与工艺能够较好地解决这些问题。本文首先介绍了飞机蒙皮制造步骤和工艺流程，在此基础上，重点分析了数字化拉形技术及工艺，最后综述了蒙皮拉形关键工艺技术。
【关键词】
蒙皮；数字化；技术
飞机蒙皮是飞机上一层超硬的铝合金结构，它对飞机形态的保持、抗御空气动力对飞机的作用力具有重要作用，此外，由于飞机蒙皮暴露在飞机的表面，飞机中直接接触空气，因此要求飞机蒙皮的硬度高、可塑性强抗蚀能力高等特性。传统飞机蒙皮制造采用模拟量传递法，即“模线样板——标准样件”协调原理，试错的办法制造飞机蒙皮。飞机蒙皮制造过程中，特别是在对蒙皮进行拉形、铣床、除边、测试验收等工序都离不开实体模具，比如要用到 32h 石膏阴模、76h 石膏阳模，18h储存模具等。由于传统制作工艺中需要使用许多实体模具，使得飞机蒙皮的制作工艺时间长，成本高等许多问题。特别是，随着飞机制作技术的要求越来越高，对飞机蒙皮制作工艺的精度要求越来越高，由于传统制作工艺中大量使用实体模具，很难实现精确装配。总之，传统飞机制作技术在现代飞机要求精准化存在越来越大的差距。为此，本文提出，基于数字化制造飞机蒙皮技术，实现飞机数字化与准确化制造。
1 飞机蒙皮数字化制造工艺
1.1 飞机蒙皮数字化制造设计步骤
数字化制造技术的核心是数字量传递，即应用专门的拉形机以及多点模具，在CAE有限元分析工艺设计，结合蒙皮设计要求，计算出蒙皮拉形工艺系数，最终完成蒙皮的数字化制造。飞机蒙皮数字化制造步骤为：第一步，建立用料模型，用料模型包括板料以及工装的模型两大类；第二步，制订蒙皮拉形计划，界定在蒙皮拉形过程中的控制系数；第三步，对蒙皮拉开进行仿真生产，分析和总结仿真生产结果，如果结果不符合设计方案，则调整模型控制系数，直到仿真生产达到设计要求。
1.2 飞机蒙皮数字化制造工艺流程
飞机蒙皮数字化制造工艺流程经历以下几个过程：（1）对蒙皮板材进行三维数字建模；（2）对蒙皮模具拉形进行工艺仿真分析，以及应用CAD/CAM计算机辅助设计与制造进行拉伸工装；（3）拉伸成形工艺分析与模拟；（4）数控操作，送料进行工装；（5）在数字数控机的操控下，进行数字化立体切割；（6）蒙皮制造出来后交付使用。
2 飞机蒙皮数字化拉形技术以及工艺过程
飞机蒙皮制造工艺过程中，对蒙皮进行拉形是其关键环节，为此，本文重点介绍飞机蒙皮数字化拉形技术以及工艺方法。
2.1 多点拉形技术
多点拉形技术是将板料拉形成三维曲面的一种新技术，它是传统板料拉形方法的创新。多点拉形技术的思路是把刚性模具进行规则排列调整，生成三维曲面，代替传统刚性面，从而完成板材的柔性化。多点拉形技术应用计算机辅助技术进行分段成形，实现快速化、自动化、数字化三维成形曲面板料。
2.2 多点拉形模具的调形
在进行多点拉形模具调形中，可以应用CAD/CAM计算机辅助设计与制造软件实现多点拉形模具的调形。调形的关键是对基本体高度的调整，从而生成模具型面。调形依据工作流程的不同，可以划分为串行调形与并行调形两种方法。其中，串行调形指的是按顺序调整一个或者多个基本体而完成调形过程，这种调形方法低效又成本高。并行调形法是以控制单元的方式同时进行高度调整，调整所需要的时间由最大调整行程决定，与并行调整的单元数量没有关系。和串行调形方法进行比较，并行调形法的效率更高，时间能够成倍减小。在实际运用中，还可以将两种调形方法结合起来，形成混合调形方法，美国RTFF蒙皮拉形设备就是应用混合调形方法的一种设备，八个基本体构成一个单元，每个单元内基本体采用串行调形方法，而不同单元采用并行调形方法。
2.3 多点拉形步骤
多点拉形包括四个步骤：(1)多点模调整高度。利用加工板材的CAD模型分析，求出各个基本体的调整高度，打造加工板材的多点模。这个步骤受计算机控制实施；(2)板材弯曲。使用夹钳与拉形机的共同作用下，将板料弯曲，并且贴模；(3)板材两端拉长。贴完模之后，利用拉形机继续对板材两端拉长，减小板材回弹性，提高精度性；(4)卸下多点模。这个过程是恢复到起始阶段的时候，卸下拉形机，卸下夹钳，卸下多点模。
3 关键工艺技术
3.1 数控拉形机
蒙皮拉形机是其中拉形最重要的装备之一。近几年来，蒙皮拉形机逐步应用数控蒙皮拉形设备，代替传统点控式拉形机。例如我国北航就制造的数控蒙皮拉形机就很具有代表性，对于提高板材成拉形的质量效果比较好。由于现代飞机对精度和性能的要求越来越高，降低蒙皮板材的回弹性，进一步对拉形轨迹改良，这对于提高数控蒙皮拉形机技术具有重要意义，这也是数控蒙皮拉形机的未来发展趋势。
3.2 可重构柔性多点模具
应用此技术设备，能够用一套多点模具调节后应用于不同模样蒙皮的生产制作，这样能够减小生产模具的费用，加快蒙皮的生产速度，为蒙皮数字化生产开辟新路径。而掌握重构柔性多点模具的设计原理是进一步研发更先进可重构柔性多点模具技术设备的基础。2004年北航与沈飞公司共同合作研究柔性多点模具，我国可重构柔性多点模具已经进入工程应用时期。
3.3 外形数字化检测技术
应用了可重构柔性多点模具后，原先需要使用实体模具并不需要了，传统蒙皮检测技术已经不能适应新情况下的检测需要了，因此，有必要对检测技术升级，而蒙皮外形数字化检测技术能够较好地解决这个问题。在实践生产应用中，开始采用光学非接触方法来检测蒙皮外形，当前立体视觉法的数字化检测技术在工程应用最广，而为了支撑此类光学非接触测量，还需要柔性化支撑装置，可以采用离散钉柱类柔性化支撑装置，从而提高蒙皮外形检测的精度。
3.4 数控切边技术
数控切边技术与传统样板划线切边技术相比较，实现了数字化控制零件刻线和数字化切边，提高了刻线与切边的精度，有效避免蒙皮工装进程中需要二次修边。
【参考文献】
[1]李东升,罗红宇,等,飞机蒙皮的数字化成形制造技术[J]塑形工程学报 .2009,(01):82-86.
[2]曾元松.先进航空板材成形技术研究应用进展[J].军民两用技术与产品 . 2012,(07):11.
[3]李东升,王丽丽等.面向可重构柔性多点模具的蒙皮数控拉形技术应用系统[J].航空制造技术 .2009,(10):49.