中航柔性蒙皮加工技术打破封锁 达国际领先水平
2013-10-18 08:31:36  李志强 中国航空报

柔性多点支撑托架及数字化切割设备

采用柔性多点模具蒙皮零件拉形过程

国内首台蒙皮拉形柔性多点模具原型机
    航空钣金给人的始终有两个印象：一是工装模具多。每项钣金零件都至少需要一个成形模具和切割样板，一个模具只能对应一项零件，出现了大量工装模具保存的难题，造成模具库饱和，甚至出现了暂存在马路上的现象；二是“敲敲打打”多。即使如蒙皮拉形这样钣金成形的精细活也同样存在大量手工参与，钣金零件成形精度和表面质量难以和机械加工相比，长此以往，不仅钣金技术水平难以提高，还演变为一人对应一项零件的管理问题。
    利用柔性多点模具进行蒙皮拉形技术是解决上述难题的有效方法，把实体模具离散为多个不同高度的冲头。由其包络面构成多个模具型面，进一步结合计算机技术，把模具型面以数据形式存储，自动调整模具型面，使得一台柔性多点模具能够对应多项零件。
    20世纪80年代美国麻省理工学院的David E Hardt教授提出了柔性模具的概念。在美国军方的资助下，柔性多点模具蒙皮拉形技术实现了应用，取代了49%的固定模具。与此同时，随着离散化思想的柔性多点工装悄然兴起，并应用于蒙皮零件的切边、下陷加工和数字化测量，蒙皮零件的制造发生了巨大变化。
    中航工业北京航空制造工程研究所（以下简称“中航工业制造所”）始终关注该项技术发展，经过认真比较分析，认为该项技术符合航空钣金产品多品种小批量的特点，其特征是结合了数字化技术的蒙皮制造技术。
    从2002年开始，中航工业制造所以蒙皮拉形技术为突破口，在国内率先开展了柔性多点模具蒙皮拉形研究、数字化蒙皮切割测量技术研究，研制了柔性多点模具、柔性多点支撑工装以及镜像铣切系统。同时开发了工艺设计系统、模具型面优化软件系统、型面数据处理系统、数据库、设备驱动软件。通过上述软件能够准确快速预测蒙皮零件的型面，进而实现蒙皮零件的精确成形。将上述硬件和软件集成为数字化柔性多点模具蒙皮拉形系统。

    项目之初，中航工业制造所准备与国外合作尽快掌握柔性多点模具蒙皮拉形技术，而国外相关厂商漫天要价，变相实现了技术封锁。制造所下决心进行自主创新。然而柔性多点模具是机电一体化的装备，如何快速、精确、可靠地驱动数以千计的冲头，是需要解决的难题。另外，多点模具型面由不连续的点构成，拉形时必须覆盖弹性垫层以保证曲面光顺，垫层变形和材料回弹影响蒙皮成形精度和表面质量。
    针对上述难题，制造所开展了深入细致的工作。柔性多点模具表面由非连续球形冲头构成，拉伸变形时在蒙皮表面可能产生压痕，这是柔性多点模具蒙皮拉形特有和主要的缺点。综合考虑垫层厚度硬度、冲头高度差、材料厚度和变形量，制造所确定了压痕形貌及分布规律。开发了三项软件系统，包括工艺设计系统、数值仿真优化系统、函数迭代优化系统，实现了柔性多点模具蒙皮拉形的全过程优化，解决了垫层变形和材料回弹对零件精度的双重影响。通过上述多项优化算法和软件，实现了蒙皮零件成形的精确控制，解决了传统蒙皮拉形中，需要依赖人工经验的技术和管理难题。

    采用原创的伺服轴离合复用技术，一台电机能同时驱动64个冲头，大大减少了电机数量和传动环节。实现了模块化设计制造，使得模具类似积木，能够方便拼装，适应不同尺寸的零件。对于大量冲头的控制，必须大幅度压缩可编程控制器输入/输出点，此前没有现成的解决方案，制造所采用原创的行列交叉分时寻址技术，输出点压缩到5%，发明了“多点输出锁存系统”，实现了大型柔性多点模具的低成本、高精度和高可靠性。此外，制造所采用原创的多点等高差同步接力调整技术，对于等高差的冲头，通过耦合一块调整，大幅度缩短调形时间；输入分时复用技术，将多个输入点并联接入，分时处理，把输入点压缩到9%；发明了“单电机拖动多冲头的电气控制方法”，多点模具的1536个冲头调整时间在15分钟之内。
    制造所开发了柔性支撑测量切割设备，研发了曲面立体切边/刻线柔性夹持定位、真空点位单元模块化设计和快速精密调整技术，实现了蒙皮零件的精确切割和切割。最终在航空主机厂建立了一套全新、数字化的蒙皮制造体系。

    制造所开发的柔性多点模具蒙皮拉形技术在多个主机厂进行演示验证，并在沈飞公司获得应用，展示了良好的应用效果和应用前景。并为南方车辆厂研制了380公里高速列车司机室蒙皮零件，成形零件精度和质量完全满足设计要求，优于传统制造工艺制造效果，促成柔性多点模具技术在列车制造业获得应用。
    过程艰辛，但效果显著。中航工业制造所开发的柔性多点模具蒙皮拉形技术总体达到国际先进水平，部分技术处于国际领先水平，并获得国防科学技术进步一等奖。
    航空钣金是航空制造体系中的重要部分，数字化制造是其发展趋势之一，制造所正在会同主机厂、高校和研究所同仁一道，为发展我国的先进钣金制造技术共同奋进。（李志强）