柔性多点模具在飞机蒙皮成形中的应用研究

何晓健

摘 要：在蒙皮拉伸成形过程中，使用传统专用模具存在生产周期长和模具数量多等缺点，而采用柔性多点模具拉伸成形可避免这些问题。介绍柔性多点模具成形的原理，分析柔性多点模具较传统模具在蒙皮零件拉伸成形中的优势，分析蒙皮柔性多点成形的主要缺陷形式及解决方法，并介绍柔性多点成形技术在国内外应用的现状。研究表明，运用柔性多点模具可有效缩短蒙皮生产周期，节约制造成本。

关键词：柔性多点模具;蒙皮;拉伸成形;成形精度

引言

蒙皮是飞机气动外形的关键构成零件，具有外形复杂、尺寸大、种类多、批量小和成形精度要求高等特点。蒙皮零件的成形方式主要为拉伸成形，通过蒙拉机夹紧板料的钳口与专用模具的相对运动使金属板料产生塑性变形，进而得到蒙皮的最终外形。在传统的蒙皮成形过程中，不同的蒙皮零件均需依照轮廓外形制造专用模具，模具的设计和制造耗费大量的人力、材料和时间等成本，加长了蒙皮零件的制造周期。柔性多点成形作为一种新型的钣金成形技术，有效解决了这些问题。

1  柔性多点模具成形的原理

柔性多点成形技术的基本思路是将传统的整体模具进行离散化，通过使用若干个规则排列、高度可调的冲头组成曲面阵列，以实现板料快速成形的加工技术。模具中每个冲头可独立调节，通过改变冲头的位置来改变成形的曲面形状，由此构造出一套新的成形模具。

2  柔性多点成形技术实施的可行性分析

2.1 节约蒙皮制造成本，缩短生产周期

传统蒙皮拉伸成形需要准备专用模具，模具库存量多，制造成本巨大，且生产准备时间较长。例如，某民用飞机机身桶段约由三十块蒙皮组成，则这些蒙皮成形需要至少二十套左右的专用模具。而柔性多点模具可用于任意形状蒙皮的成形，无需另配专用模具，因此省略了模具设计、制造及调试等环节，从而节约了大量的设计成本和制造成本，减少了蒙皮的生产准备时间，大大缩短了生产周期。

2.2 实现大尺寸蒙皮零件的分段成形

柔性多点模具可实现分段成形。对于尺寸较大的蒙皮零件，可以采取分片、逐段的方法进行成形，实现小设备成形大零件。采用这种方法，柔性多点模具可成形大于设备型面数倍甚至是数十倍的大蒙皮零件，进一步缩减模具的制造成本，缩短生产准备时间。同时，分段成形可避免局部塑性变形剧烈的情况，通过若干个小的、均匀的变形累积成整体变形，可有效改善成形质量。

2.3 优化蒙皮成形路径，减少零件成形缺陷

柔性多点模具由若干规则排列的冲头组成，通过调整冲头位置的高低，可随时控制所需曲面的状态，按需调整蒙皮的受力状态，优化蒙皮成形的路徑，实现任意形状蒙皮成形，扩大蒙皮零件的加工范围，尽最大可能避免出现成形缺陷。

2.4 提高蒙皮成形精度

柔性多点模具可在成形加工过程中对蒙皮的成形状态进行测量，测得回弹量后，可通过调整模具冲头的位置进行补偿，实现减小甚至消除回弹量。同时，可通过柔性多点模具进行反复成形，从而消除蒙皮零件内部的残余应力，进而保证蒙皮零件的成形精度。

3  柔性多点模具成形的缺陷形式及解决方法

3.1 压痕

压痕是柔性多点模具成形特有的缺陷形式，也是主要缺陷形式，产生原因与弹性垫层的厚度和硬度、冲头的曲率半径大小以及成形板料的厚度息息相关。压痕缺陷的解决方法：首先，可在冲头和板料之间增加弹性垫层，并尽量保证弹性垫层的厚度和冲头的曲率半径大约一致。使用弹性垫层可有效分散冲头和板料的接触压力，避免压力集中作用在板料上，从而减轻压痕。其次，可在允许的范围内适当增大冲头的曲率半径，进而增大冲头和板料的接触面积，减小接触部位压强，也可有效减轻压痕。

3.2 褶皱

褶皱也是蒙皮零件成形主要的缺陷形式之一，产生褶皱的主要原因是蒙皮在拉伸成形过程中受力不均匀，局部压应力过大，通常出现在型面不规则的地方。褶皱缺陷的解决方法：首先可采取变路径的多点成形方式，即在拉伸成形过程中实时控制柔性多点模具的型面，调整蒙皮零件的受力状态，尽可能使蒙皮各部位在成形时保持均匀变形，避免不均匀变形现象的发生，实现成形路径的优化，从而有效减少褶皱现象的发生。其次，合理采用分段成形的方式，实现变形过渡区域的曲率由已成形区域向未成形区域连续均匀地变化，从而实现各个成形区域之间的曲面平滑连接，进而避免褶皱缺陷。

4  柔性多点模具国内外发展现状

4.1 国外发展现状

1959年，日本东京大学研制了简单的钢丝捆工具，用金属丝束生成了简易的曲面模具。1961年，石川岛播磨重工业株式会社研制出手动调节冲头组成的压力机，并对船体外板进行加工，但由于冲头调整时间较长，生产效率不高，未能实际投产。1969年，日本的中岛制造出第一个模具型面实现自动调节的多点模具，可通过数控机床自动调节冲头的高度。1980年，美国麻省理工学院提出柔性模具的概念。21世纪后，国外先进航空制造公司，如波音公司和空客公司等陆续引进柔性多点模具进行正式生产，效果良好。

4.2 国内发展现状

1990年，吉林大学开展柔性多点模具的研究，提出了多点分段成形方法，研制出的模具现已应用于高铁零件的成形中。2004年，北京航空制造工程研究所就柔性多点成形模具进行了深入地研究，其研制出的柔性多点成形模具已正式进入了工程应用阶段，并成功地试制了飞机蒙皮零件。

5  结语

通过研究分析表明，柔性多点成形模具作为一种高效低耗的新型曲面成形设备，具有模具型面多样、生产成本低、成形精度高、成形速度快等特点，集制造和检测为一体，非常适合应用于飞机蒙皮等大尺寸、高精度、小批量的大型钣金类零件的成形。以柔性多点模具代替传统专用模具进行蒙皮零件的成形，可有效节约成本，缩短蒙皮的生产研制周期。因此，将柔性多点模具运用到航空钣金成形制造中，必将拥有更为广阔的发展前景。

参考文献：

[1] 曾元松. 航空钣金成形技术[M]. 北京：航空工业出版社，2014：280-318.

[2] 曾元松. 先进航空板材成形技术应用现状与发展趋势[J]. 航空科学技术，2012（1）：1-4.