大厚度双曲度铝合金飞机蒙皮拉伸成形工艺优化

大厚度双曲度铝合金飞机蒙皮拉伸成形
工艺优化
摘要：在飞机生产过程中，蒙皮拉伸成形工艺得到广泛应用，高质量和高精度的蒙皮建，能够确保飞机的使用年限和飞行性能。

目前随着新一代飞机综合性能的不断提升，对飞机气动外形和精度的要求也越来越高，传统的蒙皮拉形已经无法满足当前蒙皮件的高要求，亟待对飞机蒙皮拉伸成形工艺予以优化处置。

因此，文章结合实例，就大厚度双曲度铝合金飞机蒙皮拉伸成形工艺优化展开相关探讨。

关键词：大厚度双曲度；铝合金；飞机蒙皮；拉伸成形；工艺优化
在航空工业中，飞机蒙皮是常用的大尺寸板材。

拉伸成形是制造这些零件最常用的工艺之一。

与其他成形工艺类似，由于卸载后材料的回弹，很难精确成形双曲线形状的铝合金板材零件，特别是对于厚度较大的复杂面板。

近年来，随着国内外航天产品的发展，对蒙皮拉伸成形的成形质量提出了更高的要求。

1 大厚度双曲度铝合金飞机蒙皮拉伸成形工艺难点分析
某飞机蒙皮零件是常规铝合金蒙皮零件，原材料为2024-O铝合金，最终状态为T-42铝合金，毛坯尺寸为1110mm-6010mm，厚度为6mm。

有两个波状凸起部分（图2中的区域B和C），区域B和区域C是复杂的多曲面，区域A是该部分的主体，区域A的主体是单曲度（图1中的区域A）。

图1 蒙皮零件示意图
这种形状不能用常规的拉伸成形方法加工出两个突出的零件，在成型时必须
添加压力机构，并使用多次拉伸成形技术。

现有数据表明，采用增大压力设备制
造的外罩部件最大的直径为1115mm*3892mm，而其厚度为4.06mm。

其成型工艺中
的一个重要问题就在于模具的成型精度能否达到设计的标准。

产生贴模度的主要
原因有二：（1）在拉伸成形时，板材自身即不能充分贴合；（2）卸荷回弹。

这
种外型蒙皮件在成型过程中使用了压力加力机构，其压紧性的原因是第二种原因，所以，降低弹性是解决问题的重点。

这种外罩部件的外形尺寸大、壁厚大，加工
工艺一般在一段较长的时间（工厂称之为新淬火状态），因此，数值仿真存在如
下困难。

从生产实践来看，生产过程中存在的问题是产品的粘合性，所以本文着
重探讨了加工过程中各因素对产品的影响。

拉伸成形过程中，拉伸速率缓慢，属
半静形，对应力的作用不大；以拉伸成形的方式和张力值为最佳工艺条件，对其
进行了仿真对比。

根据生产实践，本文提出了如下的成型方法：预拉伸成形—完全退火—拉伸
成形—不完全退火—拉伸成形—切边。

在数值仿真中，每次成形工序完成后，将
得到的板材形状视为下一阶段的初始形态，并将相应的热处理条件下的物料参数
进行再分配，进行下一阶段的成型仿真。

为了缩短生产时间和降低成本，工厂提
出了两种二次拉伸的工艺方案。

2拉伸成形工艺数值模拟和优化
通过仿真计算，可以快速有效地确定蒙皮件的材质参数对其的作用，并能准
确地预报出其在拉伸过程中的变形和回弹情况，从而为以后的产品制造工作奠定
基础。

在多次拉伸过程中，每次加工完成后，将板材卸下来，并将成品的外形确定
为下一次成型工序。

但对热处理后的物料进行了再加工，并进行了仿真分析。

与
压边机的压边机控制方法相似，外加压力的加压可分为两种：移位调节和压力调节，其中的移位调节就是对上模的偏移量进行调节，在上模的压力作用下，下模
的闭模间隔等于或稍大于板材的厚度，并将此间隔维持为伸展状态。

如果压模间
隔过长，将导致板材不完全贴模，降低成形精度，过小将导致拉伸，导致板材变薄、产品表面品质下降。

而压紧模式，是将一定的压力作用于上模具，将板材粘
结，再通过拉紧来减小卸荷后的反弹。

模具的上模压力是此工艺中的一个关键因素，如果太大，就可能产生类似于变形调节间隔太短的问题，如果太小，就会引
起模具不充分、回弹大等问题。

在实际应用中，由于是采用了压力调节，因此，
在此基础上，也以此方法进行了数值仿真（见附图2）。

首先通过对模具的变形
进行数值仿真，分析模具的压力分布，从而得出模具的合理压力，从而为液压系
统的仿真奠定理论依据。

图2 拉伸成形工艺有限元模型
2.1位移控制
由于板材厚度为6mm，因此选择上下模的模具间距为6.2和7.0mm进行模拟，拉伸速度为8mm min-1，拉伸量为60mm。

2.1.1合模间距为7.0mm时的结果
平均上模压力为1500kN，应力在350至385m P.a之间。

有效厚度大部分减
少至约5.95mm，厚度基本均匀。

最大值为3.4mm，出现在两个凸起附近。

2.1.2合模间距为6.2mm时的结果
峰值上模式压力增加至2500kN，板材大部分区域的厚度减少至约5.8mm，应
力在350至420MPa之间，存在缺陷，最大法向回弹体积为1.0mm，出现在两个凸
起附近。

可以知道，当模式间距为7.0mm时，合适的上模式压力约为1000kN。

2.2压力控制
根据位移控制，合适的上模式压力约为1000kN。

通过压力控制进行模拟。

首先，使用50100和1500kN的三种上模式压力进行模拟，并以上述模式压力为
1000kN时的模拟结果为例进行分析，而其他上模式压力类似。

已知上下模式之间
的最小间距为6.12mm。

当上模具压力在200-1000KN之间时，增加模具压力可以
有效地改善成型效果，提高成型度。

此后，影响逐渐减弱。

超过1200kN后，基
本无影响。

但是，上模压力太大，不会造成材料的局部表面缺陷，一般建议不超
过1000kN。

2.3拉伸量的影响
根据拉伸加工的基本原理，结合生产实践和生产实践，确定了第一次拉伸
60mm，第二次拉伸90 mm；对120，150，175和200mm的5个实例进行了仿真分析；各种拉伸情况下的仿真结果如表格5所示，其中的弹性系数是部件的有效部位。

成型后，将不需的毛料切割开来，这样，在对仿真资料进行整理和解析时，
以实际部件的部件为基准。

3模具型面补偿
因为板料材料很厚（6mm），所以在拉制过程中具有很大的回弹力，甚至当
张紧力达到175mm时，也有很大的回弹性。

为此，对铸件的形状进行了数值仿真。

通过对工件进行模压校正，使工件与设计表面的最大误差值从2.33mm降到
2.15mm，大多数部件的误差在0.64mm以下。

通过对模具进行补偿，得到的模具
型表面是以网格为基础的，可以把它转化成 CAD的模具修改、补偿和生产加工。

在此基础上，对铸件进行了二次拉深，第一次拉深60mm，第二次拉深175mm；最
大的正截面回弹不超过0.72mm。

综上所述，本文根据不同的产品特性，选择了相应的有限元参数，并对其进
行了较为全面的数值仿真。

采用数值模拟方法，得出了模具加压、拉伸强度对加
载回弹的作用，得出了最佳的工艺参比值,利用模具型面补偿方法，可以有效地
降低零件的回弹率，并利用模型面的补偿来改善产品的成型质量。

参考文献
[1]马悦森.双曲度蒙皮拉形过程的仿真分析及轨迹优化[D].吉林大学,2019.
[2]房涛涛,李晓星,郎利辉.大厚度双曲度铝合金飞机蒙皮拉伸成形工艺优化[J].锻压技术,2021,46(01):29-36+42.
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