国家科技支撑计划课题(2011BAF13B01和2011BAF13B07)资助。
大型蒙皮精确成形技术研究可为我国飞机蒙皮装配实现精确装配、无余量装配提供参考，为实现大型蒙皮的数字化生产提供依据。随着对蒙皮精确成形技术的不断深入研究，我国将会大力推进国内飞机蒙皮制造的数字化、精准化、柔性化水平，促进当代飞机新型制造模式的变革。
李西宁：副教授，博士，研究方向为装配与连接技术、板料成形技术，主持和参加“863”计划、国防基础科研、科技支撑计划等项目10余项。
飞机蒙皮类零件广泛用于机翼和机身部件中，其外形复杂多样，结构尺寸大，单机零件数量占整个钣金零件的30%左右[1]。蒙皮是构成飞机气动力外形的重要部件，其制造不仅有外形准确度和机械性能指标的要求，也有表面质量的严格要求。
在 现阶段的蒙皮拉形生产过程中，蒙皮零件通常留有较大的加工余量，生产效率低；拉形工装质量大、工作型面表面质量较差，大部分蒙皮拉形工装都超重无法采用三 坐标测量机检测，只能采用外形样板测量，测量精度与效率较低；在蒙皮拉形过程中，缺乏必要的过程模拟与参数设置，回弹变形较大，且拉形过程中蒙皮零件表面 质量的保护缺乏必要措施；传统的实体模具进行蒙皮拉形后，在实体模具上对蒙皮进行切边处理，工作效率、蒙皮精度已经不能满足先进飞机的制造需求。
飞机蒙皮数字化制造技术是集CAD工艺设计、CAE仿真优化、可重构柔性工装、CAM切边和化铣刻线为一体的综合集成技术，是一种典型的基于数字量传递的飞机钣金制造工艺，是工艺数字化和工装数字化紧密结合的蒙皮数字化生产模式[2]。该技术的不断深入研究将大力推进国内飞机蒙皮制造的数字化、精准化、柔性化水平。
蒙皮精确成形技术
蒙 皮精确成形是以零件数学模型为基础，通过拉形模具的数字化设计与制造、型面补偿，对拉形、切边过程的基础工艺参数的研究，完成蒙皮零件拉形过程的数值模拟 分析和工艺设计；通过先进的检测技术完成蒙皮的数控拉伸精确成形；借助数控切割指令完成蒙皮零件的数字化立体切割和交付使用。
无余量装配是通过充分协调零件之间关系和合理分配容差来实现装配前不留余量的装配方法，以满足包括几何形状准确度、尺寸精度和互换性要求等装配准确度要求。
借助上述技术，从蒙皮下料、拉形、钻孔切边到数字化测量，蒙皮精确成形过程如图1所示。
图1 蒙皮精确成形流程
图2 多点浮动式柔性支撑装置
图3 智能柔性工装系统
国内外发展状况
1 国外发展状况
自20世纪90年代初期开始，国外企业开发的柔性工装已被波音、空客、麦道等飞机制造商用于蒙皮、壁板、舱门、机翼等零件的加工制造过程以及飞机数字化柔性装配[3]，极大地提高了生产效率和加工质量。
Bursi等[4]对飞机机身和机翼蒙皮工件板材拉形过程中的安装、夹紧、拉伸和回弹的整个过程进行了数值模拟预测成形过程中出现的拉裂缺陷、表面缺陷和成形后的回弹量，为确定和优化成形参数提供了参考。Chou等[5]分析了几种应用在U形槽弯曲工艺中减小回弹的技术，对成形结果进行优化分析，得到工艺过程中的最优成形参数。美国CAN制造公司生产了POGO柔性工装，对波音747机身壁板进行了切边钻孔和测量[6]。英国巴斯大学LIMA试验室对激光跟踪仪与iGPS测量系统的测量精度和误差源进行了研究，并对它在飞机装配过程中的应用方法和形式进行了深入探讨[7]。
2 国内发展状况
相比而言，国内在飞机大部件蒙皮精确成形与无余量装配方面的技术尚处于起步阶段。吉林大学通过对支承柔性夹具的研究和试验，成功研制出蒙皮展型专用多点支撑柔性装置[8]，如图2所 示。北京航空制造工程研究所针对飞机薄壁件制造的需求，对柔性工装的关键技术进行了研究，并开发出用于飞机蒙皮和壁板切割加工的柔性工装系统。清华大学深 入研究了以柔性途径实现“先成形后加工”工艺的有关方法和实现技术，开发出用于飞行器大型薄壁件切削加工的智能柔性工装系统[9]，如图3所示。
伍惠[10]围绕飞机蒙皮零件制造过程中如何确保表面质量和外形准确度，分析了大型双曲度蒙皮零件数字化精确成形的技术解决途径和需要突破的关键技术。刘垒等[11]利用有限元分析对飞机前缘蒙皮拉形工艺参数优化，利用ASSFCAE FET600软件生成数控代码，进行生产性试验及测量分析，获得了合格的零件。胡福文等[12]基于几何约束关系实现了柔性工装对曲面零件的虚拟装夹，精确计算出柔性工装的调形参数，通过协调单元生死顺序和铣削力加载，实现了切边过程有限元仿真分析。陈哲涵等[13]针对数字化测量场的构建展开研究，讨论了数字化测量场5个维度参数选取的关键技术，重点研究了基于关键测量特性的面向测量设计方法、iGPS测量系统的测量场构建和仿真。
蒙皮精确成形实现的关键技术
精确成形技术的一个重要发展趋势是工艺设计由经验判断走向定量分析，应用数值模拟、专家系统以及试验验证来确定工艺参数，优化工艺方案，预测加工过程中可能产生的缺陷及采取有效防止措施控制和保证加工质量。飞机蒙皮精确成形技术实现过程主要涉及以下4项关键技术，如图4所示。
1 面向蒙皮精确成形的拉形模型面修正技术
针 对蒙皮拉形模胎，模具补偿法是矫正型面、减少拉形件回弹的一种有效方法。它是基于数值模拟技术，对回弹进行快速预测和补偿，从而使得随后的成形件即使产生 回弹也能满足设计精度要求的方法。在实际生产中，用模具补偿法处理回弹问题时，需要获取回弹后的冲压件和目标冲压件的差异值进一步分析，获取其回弹评价作 为补偿的依据。对拉形模具回弹补偿的过程如图5所示。
蒙皮拉形的数值模拟突破了蒙皮零件拉伸成形过程数字化分析及设计技术，使蒙皮零件制造工艺从经验型向科学化、标准化转换，实现拉形回弹量的精确预测，为模面修正提供技术保障。
2 蒙皮制造过程工艺参数优化技术
在 蒙皮拉形过程的有限元模拟中，通过分析蒙皮拉形过程中工艺参数对蒙皮成形质量的影响，运用最优化理论对蒙皮零件生产中容易出现的缺陷进行工艺参数优化设 计，确定相关工艺参数，将缺陷的综合指标降到最低，从而指导蒙皮制造过程；通过建立蒙皮制造过程工艺参数库对蒙皮制造工艺参数进行管理。
图4 蒙皮精确成形的关键技术
图5 蒙皮拉形模具虚拟修模流程
图6 蒙皮拉形工艺参数示意图
2.1 蒙皮拉形工艺参数优化
蒙皮拉形过程一般分为预拉、包覆拉伸和补拉3个步骤，影响蒙皮拉形质量的工艺参数有拉伸率、包覆角以及加载模式等[14]，包含图6所示的工艺参数。
拉形过程的有限元仿真比较准确地反映了拉形的真实过程，利用最优化理论与有限元数值模拟进行工艺参数优化的过程如图7所示，具体步骤如下。
(1)分 析蒙皮零件的成形性能，判断蒙皮在成形中可能出现的缺陷，如滑移线、粗晶、褶皱等，这些成形缺陷可以通过控制最大变形量等方法克服；分析产生缺陷的机理与 影响因素，确定对成形质量起决定性作用的工艺参数，将它们作为设计变量；以可靠的成形性评价指标作为约束条件，建立最优化数学模型。
在蒙皮拉形中，需要确定的工艺参数比较多，因此利用正交试验选取对成形质量影响较大的几个参数作为优化设计变量，确定优化变量空间X；蒙皮拉形中卸载回弹引起的不贴模问题是制约零件精度的主要问题，因此需要以回弹量最小为目标函数，且以整个型面上各点在法向的位移U来标记回弹量的大小[15]；为了避免蒙皮拉伸造成的过度减薄，根据生产要求，以零件成形区最大减薄量不超过30%为约束条件[16]。根据以上分析建立蒙皮拉形工艺参数的优化模型：
其中，E为设计变量的边界条件，t0为毛坯初始厚度，t为变形后板料厚度。
(2)选择合适的试验设计方法指导有限元仿真，进行n次数值模拟获得设计变量与目标函数之间的响应数据，然后利用响应面法对试验数据进行拟合，分别建立二次、三次等多次的多项式函数，并通过随机生成参数进行有限元模拟验证的方法对各个函数表达式的精确程度进行验证以确定最终的响应面函数。
(3)采用合理的最优化理论算法，在所建立的响应面上对设计参数进行优化，实现成形工艺参数的自动寻优。
(4)利用优化后的工艺参数进行有限元模拟验证，比较优化前后蒙皮数值模拟回弹云图。为了定量分析回弹的大小，以零件对称中心为坐标原点，以长度方向上对称切面上的点为测量点，分析测量点的回弹，比较优化前后最大回弹量的改变量。
蒙皮工艺参数优化技术是成形高精度、无表面缺陷飞机蒙皮的重要手段，避免了单纯数字模型方法过于依靠工艺师经验的弊端。
2.2 蒙皮制造过程工艺参数库系统
面向数字化装配的大型蒙皮的精确成形过程中传递量均是数字量，且在设计过程中需要查阅大量的工艺手册。为提高工艺参数设计效率，开发了基于CATIA、CAA平台的工艺参数库系统，总体结构如图8所示。
图7 有限元模拟与最优化理论结合的优化流程
图8 蒙皮制造过程工艺参数库系统总体结构框图
工艺参数库系统集成在CATIA平台中，通过工艺参数库系统能够查询飞机蒙皮制造全过程所必需的静态工艺数据，存储工艺设计及仿真全过程所产生的动态工艺数据；能够提供蒙皮制造全过程所需要的知识；能够从工艺设计所产生的NC文档、FEM分析文档中提取出规则化的知识和实例。蒙皮制造工艺数据库开发的关键技术有以下几点。
(1)工艺参数的获取。
为了提升数据库的实用性，以及尽可能减少用户的工作强度和时间，数据获取采用了多方面的渠道：试验、搜集资料(试验记录)、预测等。同时，系统还可以随时增加新的记录和删除不正确或不需要的记录，也可以对数据进行修改。
(2)工艺参数的规则化。
对来源不同的工艺参数，需要先进行解释和整理再进行使用，建立与零件有关特征参数的关系，形成标准化规则，才能转换为可用的工艺参数，最后存储在工艺参数库中。
(3)工艺方案的决策方式。
工艺方案的决策和设计主要有2种途径，一种是基于实例的检索式，另一种是基于规则推理的创成式。实际工艺设计中，一般首先进行实例检索，如果找不到相匹配的工艺方案，则进行创成式设计。经过细节修改和工艺审查后，将工艺设计文档存入数据库。
