飞机框肋类钣金零件智能制造技术开发与应用

飞机框肋类钣金零件智能制造技术开发与应用

王久杨

航空工业哈飞 黑龙江省 哈尔滨市 150006

摘要：框架肋部的结构特点是腹板、弯边和各种结构元件的组合。弯边为变曲率、变截面、下沉、桁条间隙的结构，大小不一，最长可超过3m。腹板设置有结构元件，例如减轻孔、加强槽和加强插口。车架零件的工艺过程包括落料、成形、热处理、表面处理、校正、检验等主要工序，而橡胶球胆的液压成形是其主要成形工序。框架零件的成形精度由零件毛坯和回弹补偿等参数决定。其中，回弹是影响框架筋钣金件成形质量的主要问题。目前，在模型产品的开发中，零件的制造效率和质量要求逐渐提高。为了使板料卸载后的形状与零件所需的形状一致，最有效的方法是预测和补偿回弹量，建立工艺模型作为模具形状设计的基础。

关键词：智能制造；精密成形；制造模型；知识库；框肋零件；

针对飞机框肋类钣金零件的高效和高质量制造，提出了以知识库和制造模型定义为核心的智能制造技术开发思路，建立了模型驱动的智能化制造流程，根据应用目标设计了从分析、实施到应用的方案。该项技术已在航空工业洪都、沈飞和成飞开展了应用，首阶段验证结果表明零件外形、弯边角度、高度偏差均在精度要求范围之内，可进一步开展应用工作。

一、技术开发的思路

1.技术组成。框肋零件智能制造技术是针对各种典型结构形式的复杂框肋类钣金零件，以实现“一步法”精确成形为目标，以回弹补偿的成形工艺模型设计技术为核心，由框肋零件成形工艺知识库、基于CATIA二次开发的毛料展开工具、回弹补偿工具、工艺规范等共同组成，上述技术相结合才能实现零件在新淬火状态成形，一步达到形状和性能要求。

2.运行流程。框肋零件成形后的变形主要为弯边回弹，成形后弯边的弯曲角度小于模具角度，对所有带弯边框肋零件均需补偿。凸缘型面与蒙皮搭接多为变曲率曲面，表现为弯边线曲率、弯边高度、弯曲角度沿弯边线不断变化，实际零件结构和尺寸多样，设备粗成形+手工校形的生产方式中并未体现出结构的差异性。要实现材料、结构和尺寸各异的框肋零件精密成形，其技术开发思路如下：（1）针对不同材料、弯边角度、弯曲半径的截面线单元开展工艺试验，获取回弹补偿知识，并建立回弹补偿量智能预测技术。（2）对于径向和周向不同弯边结构，探索建立回弹量智能化计算方法。（3）对于尺寸较大（1m以上）回弹所引起的腹板面翘曲，建立控制方案。根据一步法工艺过程，首先计算毛料和进行工艺模型建模，两项工作均使用专用软件工具和相应规范；其中基于知识库预测各截面的回弹补偿量；补偿完成后进行工艺模型建模，用于模具设计制造，使用补偿后模具进行一步法成形加工。

3.知识获取。采用QFC1.1×4–1400型橡皮囊液压机，分别针对不同厚度、弯曲半径的2024–O、2024–W、2024–T3、7075–O、7075–W和7075–T6铝合金板料开展弯曲成形试验，通过测量卸载后的试验件的回弹角度获取回弹补偿知识。

4.集成接口。框肋零件精密成形的关键在于弯边的回弹补偿，弯边回弹补偿中包括回弹计算和工艺模型设计，其中回弹计算采用知识库系统进行、工艺模型建模基于CAD系统进行，因此，涉及两个系统之间对弯边几何数据的集成应用。采用基于XML的弯边几何数据表达方法进行集成应用。开发专用软件工具对框肋零件CAD模型离散、分段后以XML文件进行表达和导出。基于知识的回弹量预测工具导入弯边离散数据后进行回弹补偿计算，补充回弹后半径和角度的数据，以XML格式导出，在CAD中以专用数据导入工具读取，并进行曲面重构形成回弹补偿后的弯边控制面，经过工艺模型建模用于成形模具设计。

二、技术应用的方案

1.应用目标。框肋零件智能制造技术的应用是增强企业制造能力的技术转移活动，是将框肋零件智能制造技术向框肋零件工艺性分析、工艺设计、工艺过程迅速地渗透和扩散，从而使框肋零件制造使能工具不断变革、框肋零件成形工艺知识不断共享、精密成形制造的对象不断扩大、劳动者素质不断提高，形成和构建一个全新的现代框肋零件精密成形制造技术体系，实现该类零件的快速、高质量制造。具体目标包括：（1）提高效率，缩短框肋零件工艺设计和成形加工的周期，通过准确的工艺参数、回弹补偿量和毛料数据，减少试错次数。（2）提高质量，减少框肋零件工艺设计更改和零件校形，实现80%以上框肋类钣金零件实现精密成形，提高精度并减少校形。（3）强化基础，使企业工程技术人员的经验知识和生产实践中积累的大量知识以数字化形式得到积累和重复使用。

2. 应用路径。从总体上看，钣金件制造技术正处于升级阶段，适应钣金件制造周期不断缩短和质量不断提高的要求，框肋类钣金零件制造由经验型、反复试错的传统模式向高效、精密的智能制造模式发展，而目前企业中普遍缺乏工艺知识的积累和有效重用。因此，框肋类钣金零件智能制造技术的应用采用以技术转化为主，辅以技术培训、咨询服务、技术指导的方式，使企业建立起框肋零件智能制造技术体系，强化框肋零件制造技术基础，提高工艺人员的知识水平和技能，改变框肋类钣金件制造的方式。框肋零件智能制造技术应用总体实施过程是以钣金件数字化制造技术评价和转化方法指导该技术的推广应用，在框肋零件精密成形制造技术工程化开发完成之后分别进行试验验证、能力验证和工程应用，在此过程中分别逐步进行该项技术成熟度的评价和提升，依次达到在企业中可用、适用和实用的稳定技术状态。（1）分析阶段。开展技术预先评价与分析，成立项目实施小组，研究并评估企业的业务系统现状，确定框肋类钣金零件智能制造技术实施的目标，确定所采用的框肋零件精密成形制造技术范围，对采用后现有技术变更范围、后期技术效果等加以衡量，做出综合判断，要求具体、明确，提高技术转化的能力和科学化、规范化水平。（2）实施阶段。框肋零件智能制造的软件、规范和工艺方法的应用涉及回弹量计算、工程数据模型建模、成形模具设计、现场成形工艺过程控制、检测等多个方面。因此，要保证其应用则需要企业级、部门级建立以制造模型为依据的运行流程和工艺规范，用于贯彻执行实现精确成形的框肋零件制造流程，再辅以软件工具的实施，才能真正实现“一步法”精确成形，使框肋零件智能制造技术达到好用状态。（3）应用阶段。为了减少投资风险或新技术采用风险，企业进行小规模的试用，对新技术在实际生产环境的运行效果进行全面试验验证和能力验证。1）小规模试验验证，达到可用状态：选择框肋典型零件进行试验验证，以确认钣金件数字化制造技术的效果，根据试验结果对框肋零件精确成形技术体系进行评价和完善，并制定模型定义、数字化检测等工艺规范。2）中规模能力验证，达到适用状态：以实际零件为对象进行生产，在企业技术体系中运行框肋零件精密成形制造技术，验证其先进性和可靠性，评价该技术是否达到适用的状态和一定的成熟度等级。3）在生产中应用，达到实用状态：在型号产品中选取不同尺寸、不同结构的典型框肋类钣金零件，应用该技术体系，分析该制造技术运行的效果，评价该项技术是否达到实用的稳定技术状态。

总之，作为一类飞机骨架零件，框肋类钣金零件外形结构复杂、尺寸各异，铝锂合金等新型轻质材料逐渐应用，必须开发和应用智能制造技术，改变传统依赖于手工校形的制造方式。该项技术开发难点在于针对不同材料、结构、尺寸的零件，要分别建立以知识库为基础的展开、回弹补偿、模具设计等解决方案；应用难点在于，其不仅仅是软件工具和规范的实施，而且涉及制造流程和相应工艺规范的变革。

参考文献：

[1]刘航，关于飞机框肋类钣金零件智能制造技术开发与应用.2020.

[2]张玲，板料冲压成形工艺与模具设计制造中的若干前沿技术.2019.