【关键词】飞机蒙皮；数字化；制造技术
在飞机钣金零件中，蒙皮是非常重要的组成部分，显著的特点就是批量小、外形复杂、品种多和尺寸大，是飞机外形的主要外表零件。一般情况下，飞机蒙皮采用的是拉伸成形工艺，也是对一个国家的飞机制造水平和能力进行衡量的重要标志。飞机蒙皮的主要作用就是保持飞机形态，对空气动力带来的作用力进行抵御，所以对于飞机蒙皮的要求就是有较高的抗蚀能力，较强的可塑性和较高的硬度。在传统的飞机蒙皮制造中，采用的方法是模拟量传递法，在制造飞机蒙皮的时候，需要对其进行除边、铣床、拉形等工艺，需要实体模具的帮助，但传统制造技术需要较高的成本和较长的时间，而随着全球化进程的深入，传统飞机蒙皮制造技术已经无法满足现代需求，为了提高制造效率、制造质量，充分利用数字化现代技术，尽可能改造优化现有的制造工艺，提高飞机蒙皮的质量。
一、飞机蒙皮数字化制造工艺概述
（一）飞机蒙皮设计步骤
在开展飞机蒙皮制造的时候，应用数字化制造技术，最为核心的就是数字量传递，也就是通过多点模具和拉形机结合蒙皮的实际需要，对蒙皮拉形工艺系数进行计算，从而完成数字化制造。首先，用料模型的建立。主要分为工装模型和板料模型两大类。其次，蒙皮拉形制定计划。对蒙皮拉形中的控制系数进行确认，开展仿真生产，并对仿真生产的结果进行总结分析。如果与设计方案不符合的时候，就需要对模型控制系数进行适当调整，确保满足设计要求。
（二）飞机蒙皮工艺流程
在开展飞机蒙皮制造的时候，首先需要开展三维数字建模，其次是对模具拉形实施工艺方针分析。并通过CAM、CAD计算机辅助设计进行拉伸工装。再次是模拟分析拉伸成形工艺，最后一部风景就是通过数控机实施数字化立体切割，检查无误后就可以交付使用。下图1为飞机蒙皮数字化成形制造流程。
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图1 数字化成形制造流程
二、飞机蒙皮数控拉形简介
作为飞机蒙皮零件成形的主要工艺方式，蒙皮拉形的地位非常重要，下面就针对数控拉形技术展开分析。
（一）数控蒙皮拉形机
作为飞机蒙皮拉伸成形的关键设备，蒙皮拉形机的运动方式和功能对飞机蒙皮零件的成形质量有直接影响。近些年，数据蒙皮拉形设备越来越先进，已经取代了传统的点控式蒙皮拉形机，也是目前航空钣金提高成形效率和质量的重要手段。而随着航空航天事业的发展，对于飞机气动外形蒙皮零件的成形效率和质量有了更高的要求，因此，在应用蒙皮数控拉形机的时候，要尽可能对拉形加载轨迹进行优化，减小蒙皮零件回弹，将数控的效能充分发挥出来。
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图2 数控蒙皮拉形机
（二）可重构柔性多点模具
可重构柔性多点模具是以点代面，实体模具的连续表面由钉杆顶端构成的包络面取代。在对阵列中的各个顶杆高度进行调结的时候，包络面也会出现变化，通过调整后就可以满足不同蒙皮零件的制造要求。随着可重构柔性多点模具的广泛应用，使一代多的制造模式得以实现，也有效减少了蒙皮生产周期，降低了模具研发成本，使飞机的快速研制能力得到提高，对蒙皮数字化技术的有序健康发展提供了重要支持。
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图3 可重构柔性多点拉形模具
（三）蒙皮拉形工艺仿真
在制造工艺仿真和分析中，CAE分析是非常重要的手段，也是数字化成形制造技术的重要一部分。所以，开展数值模拟分析，对蒙皮拉形过程通过有限元计算分析结果，使拉形工艺和模具型面得到优化，提高蒙皮准确成形。目前，针对飞机蒙皮的拉形工艺仿真技术的研究，主要是基于专用成形分析软件和CAE分析通用软，通过建模、预测、优化的方式，为生产试验提供重要的工艺技术支持。
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图4 蒙皮拉形工艺仿真平台
三、飞机蒙皮数控拉形优化技术
在开展建模仿真分析的时候，因为过程非常复杂，而且想要对成形过程准确预测有很大的难度，因此，对数据拉形机工艺参数优化主要是通过重构柔性多点模具蒙皮拉形工艺仿真技术得以实现。在成形的过程中，无法精准预测成形中蒙皮回弹情况，还需要利用离线测量闭环形状控制方法，通过进一步优化补偿回弹和模具型面的方式，使精密成形的问题得到有效改善。
（一）离线测量技术
非接触光学测量测量速度较快，而且对测量环境的要求较低，一次测量可以获取大量的采样结果。非接触光学测量技术是基于双目视觉原理，对双眼视觉成像效果进行模拟，对被测点在视觉坐标系中的空间坐标进行计算，从而开展曲面重构。想要实现零件型面进度的定量评估，可以把测量曲面从测量设备的视觉坐标系，转变成设计曲面的制造或设计坐标系。
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图5 非接触光学测量原理
（二）闭环形状控制技术
基本原理是通过非接触光学测量技术，输入样本为设计型面，输出样本为蒙皮零件实测外形曲面，通过对变形传递函数的设计，建立闭环形状控制系统，实现补偿零件成形误差，对柔性模具型面进行优化，主动控制好蒙皮贴模精度。蒙皮拉形闭环形状控制系统属于迭代、测量和多次拉形的一个过程，每次完成拉形后，需要对蒙皮零件进行测量获取形状误差，再通过变形传递函对模具型面计算修正，得到新的蒙皮零件，直到满足贴模精度要求。
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图6 闭环形状控制系统结构图
（三）蒙皮外形数字化检测技术
基于可重构柔性多点模具的蒙皮拉形工艺，对实体模板和样板彻底取消，所以采用传统的检测技术已经无法起到作用，需要应用数字化检测技术，可以准确评估和定量分析蒙皮成形质量。对蒙皮零件的尺寸大小、刚度情况和型面特征进行综合考虑，不适合使用三坐标测量机进行大面积曲面型值点的测量。为了满足在开展生产中的快速检验需要，就需要利用光学非接触测量，开展数字化检测技术。现阶段，比较常见的三维检测方法有三种，分别是立体视觉法、结构光法和激光扫描法。其中，精度高、速度高和使用便捷的是立体视觉法，也是目前开展工件定位、物体识别和工业检测最为常见的方法。
（四）数控切边技术
通过柔性夹持定位工装利用铣切设备进行切边，是目前数字化切边的一项新技术。该技术是通过是立柱阵列，通过调形拟合成蒙皮零件的三维外形。相比较传统的技术来说，该技术的优势就可以生成与零件曲面完全符合，牢固可靠的蒙皮零件夹持。并且，利用数控铣切设备结合柔性夹持工装的方法，能够确保精确的刻线和切边，防止出现二次修边的情况。
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图7 数控切边
四、结束语
总而言之，随着我国综合实力的提升，各个行业都实现了飞速发展，在当前全球化经济背景下，国家、企业想要在越来越激烈的市场竞争中实现可持续健康发展，就必须要充分认识到现代化技术的重要性，充分利用大数据、人工智能等技术，促进自身的快速发展。比如，我国目前的飞机蒙皮制造技术，已经无法满足现代化生产需求，因此现阶段开展飞机蒙皮的数字化制造技术研究具有非常重要的现实意义。实施数字化先进技术也可以为精准化、柔性化和数字化制造提供重要支持，能够使传统蒙皮制造工艺中存在的缺陷得到有效改善，从而推动我国航空制造技术的快速发展。但由于新中国成立时间较短，我国的数字化制造技术相比较发达国家还有一定的差距，需要对蒙皮柔性成形形状控制技术、回弹规律研究、柔性成形中的应力、应变分布不断进行优化完善，尽可能将数字化技术的价值充分体现出来，促进我国航天航空事业的有序健康发展。
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论文作者:王天立
论文发表刊物:《科学与技术》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/29
标签：蒙皮论文; 飞机论文; 技术论文; 零件论文; 测量论文; 柔性论文; 模具论文; 《科学与技术》2020年第1期论文;