一种飞机蒙皮镜像滚轮渐进成形方法与流程

本发明涉及金属成形方法技术领域，具体的说是一种飞机蒙皮镜像滚轮渐进成形方法。

背景技术：

蒙皮是飞机常用钣金零件，蒙皮型面决定了飞机的气动外形，此类零件外形结构复杂多样，是机体结构设计和制造的关键构件，现有技术中的蒙皮加工方法主要包括蒙皮拉形技术和数控渐进成形技术。

蒙皮拉形技术为半模成形，在拉力作用下，板材按模胎产生不等量延伸而成形，按照采用的模具形式主要分为实体模具拉形技术与多点模具蒙皮拉形技术两大类。蒙皮形状分为柱面、双凸形、马鞍形等，实体模具拉形技术依照零件型面设计与制造模具，由于实体模具不具备柔性加工的特性，因此，实体模具与零件呈“一一对应”关系，即一个零件对应一个实体模具。实体模具材料通常是铸铁、低碳钢、环氧树脂等，由于飞机蒙皮零件的复杂多样性，因此容易产生大量实体模具并占用大量存储空间，成本高且效率低，现有技术中的多点模具蒙皮拉形技术虽然可以克服实体模具蒙皮拉形技术存在的问题，但其为防止钉柱对蒙皮的压痕，通常采用聚氨酯垫层，另外，多点模具型面为连续蒙皮型面的离散形式，钉柱越小精度越高，但是在钉柱刚度与强度的限制下，因此钉柱有尺寸限制，这样导致多点模具对于小弯曲半径蒙皮零件略显不足，也就是说，多点模具蒙皮拉形技术适用于曲率平缓的零件，多点模具基于将连续曲面离散的思想，曲面用离散的钉柱代替。而钉柱重构曲面的精度取决于模具面内钉柱的多少，钉柱截面尺寸越小，重构的曲面越接近光滑，然而受钉柱强度和失稳等因素等限制，钉柱尺寸往往较大，由粗大钉柱引起的型面误差需要通过考虑弹性垫层后的回弹补偿量进行修正，成形精度有待提升。

数控渐进成形技术是基于快速原型制作技术中“分层制造”的思想，把复杂钣金零件的三维形状按照一定的厚度分解成一系列的二维层，并根据这些层的信息生成加工轨迹，然后以不带切削刃的球头工具在数控设备上依据预先编制好的数控程序逐层挤压程序所需的零件，以成形工具头代替传统冲压中的凸模，通过点-线-面的方式逐层加工使金属板料产生局部塑形变形，在这样的不断变形积累下，最终形成所需要的形状。为保证成形精度，在板料下方必须放置支撑，且支撑模型必须具有良好的尺寸稳定性，表面要有足够的强度、硬度、表面粗糙度与耐磨性，支撑模型形状与零件相似，由零件数模得到支撑模，根据零件材料的不同选择不同的支撑模材料，可采用高硬度木板。但是，传统的渐进成形技术需要支撑模型，可以是基于零件数模计算的实体模型，也可以是单点支撑或多点支撑。基于零件数模计算的实体模型需要实体模具，存在一个零件一个模具的问题，由于材料补充不均，容易出现过度减薄与破裂的情况。单点支撑或多点支撑只需要一个点或几个点支撑，导致变形不均匀，只能成形简单零件，且也存在补料不均匀的情况。

技术实现要素：

本发明的目的，就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种飞机蒙皮镜像滚轮渐进成形方法。

一种飞机蒙皮镜像滚轮渐进成形方法，包括如下步骤，步骤一为装夹蒙皮；步骤二为计算工具头与支撑头运动轨迹；步骤三为计算下压量；步骤四为计算支撑头空间位置；步骤五为按照预定轨迹与下压量对蒙皮渐进成形；步骤六为蒙皮成型后卸载；

装夹蒙皮过程为蒙皮零件的夹持采用可翻倾柔性周边夹持系统，该系统由万向夹持臂组成，装卡时将夹持臂拉至激光定点处锁紧，装夹完毕后等待加工；计算工具头与支撑头运动轨迹过程为分析蒙皮外形几何尺寸，通过曲率最小原理确定旋转头与支撑头的空间运动轨迹，将轨迹参数输入数控程序；计算下压量过程为根据回弹计算确定工具头下压量与旋转速度，将下压量输入数控程序；计算支撑头空间位置过程为依据R/r比值与坯料变形曲率关系，确定工具头与支撑头的直径，并分别将工具头安装于五轴与将支撑头安装于四轴机械臂上，其中，R为工具头的半径，r为支撑头的半径；按照预定轨迹与下压量对蒙皮渐进成形过程为按照设定轨迹及参数驱动支撑臂带动工具头与支撑头运动，工具头按既定轨迹前进，支撑头镜像随动，工具头与支撑头分别产生不均匀塑性层，使蒙皮向一侧弯曲，完成第一条轨迹路线后，调整下压量，遍历所有运动轨迹后，完成蒙皮镜像初步成形；蒙皮成型后卸载过程为检验蒙皮贴模情况，与样板间隙大于许用值时，按照前述方法再次进行校形，校形完成后，取下蒙皮。

进一步地，所述工具头可采用滚轮或球体。

进一步地，所述按照预定轨迹与下压量对蒙皮渐进成形步骤完成后可分别进行更换轨迹或调节下压量。

进一步地，所述更换轨迹后重新进行计算工具头与支撑头运动轨迹过程。

进一步地，所述调节下压量之后，重新进行计算下压量过程。

本发明的优点：

1，本发明为无模成形技术，蒙皮的几何外形通过镜像分布在蒙皮两侧的不等径球面的加工工具的工艺参数及运动轨迹进行控制，不需要制造与蒙皮零件外形一致的模具，节约了模具成本，提高了生产效率；

2，蒙皮夹持和支撑结构分开，互不干涉，镜像对称，随动连续加工支撑结构保证高的刚度与成形精度，适合成形复杂曲度蒙皮；

3，通过调节工艺参数，在蒙皮两侧存留不同程度的压应力层，与蒙皮拉形过程中蒙皮拉应力状态相比，在疲劳性能及裂纹扩展方面产生抑制。

附图说明

图1是本发明的方法的结构示意图；

图2是本发明的支撑头与工具头的结构示意简图。

具体实施例

为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图以及实施例对本发明的技术方案作以详细说明。

实施例1

如图1-2，一种飞机蒙皮镜像滚轮渐进成形方法，包括如下步骤，步骤一为装夹蒙皮，装夹蒙皮过程为蒙皮零件的夹持采用可翻倾柔性周边夹持系统，该系统采用现有技术即可，该系统由万向夹持臂组成，装卡时将夹持臂拉至激光定点处锁紧，装夹完毕后等待加工；步骤二为计算工具头3与支撑头2运动轨迹（如图2所示），计算工具头3与支撑头2运动轨迹过程为分析蒙皮外形几何尺寸，通过曲率最小原理确定旋转头与支撑头2的空间运动轨迹，将轨迹参数输入数控程序；步骤三为计算下压量，计算下压量过程为根据回弹计算确定工具头3下压量与旋转速度，将下压量输入数控程序；步骤四为计算支撑头2空间位置，计算支撑头2空间位置过程为依据R/r比值与坯料变形曲率关系，确定工具头3与支撑头2的直径，并分别将工具头3安装于五轴与将支撑头2安装于四轴机械臂上，其中，R为工具头3的半径，r为支撑头2的半径，前述计算方法和数控程序采用现有技术均可；步骤五为按照预定轨迹与下压量对蒙皮渐进成形，按照预定轨迹与下压量对蒙皮渐进成形过程为按照设定轨迹及参数驱动支撑臂带动工具头3与支撑头2运动，所述工具头3可采用滚轮或球体，工具头3按既定轨迹前进，支撑头2镜像随动，工具头3与支撑头2分别产生不均匀塑性层，使蒙皮向一侧弯曲，完成第一条轨迹路线后，调整下压量，遍历所有运动轨迹后，完成蒙皮镜像初步成形；步骤六为蒙皮成型后卸载，蒙皮成型后卸载过程为检验蒙皮贴模情况，与样板间隙大于许用值时，按照前述方法再次进行校形，校形完成后，取下蒙皮。

实施例2

如图1-2，一种飞机蒙皮镜像滚轮渐进成形方法，包括如下步骤，步骤一为装夹蒙皮；步骤二为计算工具头3与支撑头2运动轨迹；步骤三为计算下压量；步骤四为计算支撑头2空间位置；步骤五为按照预定轨迹与下压量对蒙皮渐进成形，所述按照预定轨迹与下压量对蒙皮渐进成形步骤完成后可分别进行更换轨迹或调节下压量，所述更换轨迹后重新进行计算工具头3与支撑头2运动轨迹过程，所述调节下压量之后，重新进行计算下压量过程，再按照前述步骤顺序依次向下进行；步骤六为蒙皮成型后卸载。

实施例3

如图2所示，以3mm马鞍形蒙皮1为加工对象，该马鞍形蒙皮1为铝合金蒙皮，采用柔性周边夹持系统夹持蒙皮后等待加工；分析蒙皮零件数模曲率分布，依据双曲、双凸、直纹面等特征将蒙皮进行区域划分，在每个区域内确定曲率最小分布位置，提取出空间位置参数，作为一条运动轨迹，提取出所有运动轨迹，蒙皮厚度偏移量计算工具头3运动轨迹；将运动轨迹编制成数控程序，前述计算方法和数控程序采用现有技术均可；工具头3选择100mm直径滚轮，安装在五轴机械臂上，支撑头2为25mm直径滚轮，安装在四轴机械臂上；输入旋转球头下压量数据表后启动数控设备，机械臂驱动工具头3与支撑头2运动，遍历所有运动轨迹后完成蒙皮镜像成形，试验完毕后取下蒙皮，该过程中夹持结构和支撑。

本发明也可通过两台多轴加工设备，在柔性定位工装、可翻转移动式维形夹持工装的配合下，构成蒙皮或壁板加工工艺装备系统，该系统拥有两个同步运动的多自由度主轴头，一个主轴头为成形用工具头3，该工具头3通过滚动及施加适当压下量可较好地产生塑性层，另一个主轴头为支撑头2，伴随工具头3镜像运动，为工具头3提供支撑力。

当板材坯料两侧产生不同塑性变形量时，变形区域的材料向四周扩展，这样变形量大的一侧向四周扩展的材料多于变形量小的一侧，就会产生板料向变形量大的一侧外凸的形状。选择不等径球面的工具头3强迫坯料产生不均匀塑性变形，再辅以轨迹、压下量等工艺参数，进而达到控制形状外形的效果。本发明利用不等径球面的滚轮或球体作为工具头3或成形工具与支撑头2，由于不等径球面在蒙皮零件上产生的塑性层不同，从而产生不同的延展量，进而形成曲面。该发明为柔性成形技术，不需要与最终蒙皮零件一致的实体或离散模具，零件的成形采用加工与支撑头2的轨迹和压下量等参数进行控制，在数控技术的支撑下，可实现复杂蒙皮零件的成形。塑性层范围与厚度以蒙皮达到相应变形量为目的，尽量保持蒙皮厚度变化微小。也就是说，采用不同直径球面的滚轮分布在蒙皮两侧，其中一个为成形用工具头3，该工具头3通过滚动及施加适当压下量可较好地产生塑性层，另一个为蒙皮支撑头2，伴随工具头3镜像运动，为工具头3提供支撑力。工具头3通过五轴数控机床控制，支撑头2通过四轴数控机床控制。蒙皮的几何外形由工具头下压量、工具头3与支撑头2的运动轨迹等因素决定。因此在实施过程中，通过数控技术给定工具头3与支撑头2的工艺参数可以获得复杂形状蒙皮零件。