黃智健，韓清華，王海英，曹德旺，姜豐收

(1.西安飛豹機(jī)電有限公司，西安 710089;2.中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089)

飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很多不銹鋼管形零件，按其功用可分為結(jié)構(gòu)導(dǎo)管、系統(tǒng)導(dǎo)管[1]。在液壓、燃料和冷氣系統(tǒng)導(dǎo)管中常見(jiàn)有盤(pán)旋彎曲管件。盤(pán)旋導(dǎo)管主要用于飛機(jī)系統(tǒng)管路中相鄰連接處存在微量相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部位。由于盤(pán)旋導(dǎo)管用于飛機(jī)振動(dòng)環(huán)境下，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮管材的各種力學(xué)和物理性能及加工狀態(tài)，如加工硬化、橢圓度和壁厚變薄等[2]。因這些因素均將影響盤(pán)旋管的成形和疲勞壽命，所以盤(pán)旋管的制造質(zhì)量至關(guān)重要。

在彎管技術(shù)中，主要采取手工彎曲成形和機(jī)械彎曲成形。對(duì)于曲率半徑小的彎管主要采用手工彎曲的方法[3]，對(duì)于曲率半徑大的彎管多采用三軸滾動(dòng)彎管機(jī)輾壓方式[4]，使管坯變形，達(dá)到所需的幾何形狀。盤(pán)旋管加工制造方法的相關(guān)資料、經(jīng)驗(yàn)介紹較少，文獻(xiàn)[5]主要介紹了針對(duì)銅質(zhì)螺旋管并使用車床繞制而成的生產(chǎn)工藝。不銹鋼盤(pán)旋彎曲管件的加工制造成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。文中采用機(jī)械冷作成形的原理設(shè)計(jì)一套裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置解決了不同管徑不銹鋼導(dǎo)管成形不同直徑盤(pán)旋管的加工問(wèn)題。

1 盤(pán)旋管技術(shù)要求

不銹鋼盤(pán)旋管形狀如圖1所示，管徑不同，彎曲半徑不同。盤(pán)旋管的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

橢圓度要求:距離管端50 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)，不允許導(dǎo)管有橢圓度，導(dǎo)管彎曲處的橢圓度允許不超過(guò)8%。

導(dǎo)管彎曲處皺紋度的要求:對(duì)于彎曲半徑不小于2.5D(D為導(dǎo)管外徑)的導(dǎo)管，允許在圓弧有高度不超過(guò)導(dǎo)管外徑1.5%的皺紋。

導(dǎo)管彎曲處壁厚變薄量要求:管壁在彎曲處的變薄量允許超出壁厚的負(fù)公差。

圖1 盤(pán)旋管示意Fig.1 Sketch map of spiral tube

表1 盤(pán)旋管規(guī)格及參數(shù)Table1 Specifications and parameters of spiral tube mm

2 技術(shù)分析

管材0Cr18Ni9伸長(zhǎng)率為35%，導(dǎo)管外徑為φ6 mm，壁厚為0.6 mm。在彎曲變形后管壁受壓部分容易產(chǎn)生皺紋，導(dǎo)管彎曲處易產(chǎn)生橢圓變形。如何保證所產(chǎn)生的皺紋和橢圓度符合技術(shù)要求，控制螺距P值在盤(pán)形旋轉(zhuǎn)540°后保持不變，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。其次是控制彎曲變形后曲率半徑R的回彈量，保證彎曲半徑達(dá)到設(shè)計(jì)要求。另外導(dǎo)管彎曲時(shí)產(chǎn)生變薄量也要加以控制。

導(dǎo)管受到外力作用，會(huì)產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)管彎曲時(shí)，彎曲部分的外側(cè)管壁受切向拉應(yīng)力的作用變薄，甚至開(kāi)裂。內(nèi)測(cè)管壁受到切向壓應(yīng)力的作用而變厚，甚至失穩(wěn)起皺[6]。

綜上所述，主要采取以下措施保證成形后達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

采用螺旋槽繞制的形式，迫使導(dǎo)管在繞制過(guò)程中按照一定的軌道產(chǎn)生塑性變形，變形后保持幾何形狀不變。采用螺旋槽形式，可防止導(dǎo)管在塑性變形時(shí)出現(xiàn)塌陷。為防止管壁沿管徑垂直方向兩側(cè)擴(kuò)張，產(chǎn)生橢圓度變形，在管材外側(cè)加上護(hù)套，防止和限制管壁向外擴(kuò)張。

采用滾動(dòng)壓輪施行壓輥力，使得導(dǎo)管受彎，變形力均勻施加到導(dǎo)管上。滾動(dòng)壓輪與導(dǎo)管接觸橫截面的形狀為半圓形，迫使導(dǎo)管沿著螺旋槽變形。變形過(guò)程中，導(dǎo)管圓周有模具裹護(hù)，防止產(chǎn)生橢圓度和皺紋。采用靠模桿與輪軸連接技術(shù)調(diào)節(jié)彎曲力矩。

3 曲率半徑和螺距的計(jì)算

螺旋槽設(shè)計(jì)時(shí)槽間距和曲率半徑極為重要，要計(jì)算出變形后的回彈量，繞制成形后恰好回彈到所需的曲率半徑尺寸和螺距尺寸。

在螺旋管加工過(guò)程中，當(dāng)卸除載荷后，由于金屬本身存在彈性回復(fù)現(xiàn)象[6]，因而材料在成形后的形狀會(huì)發(fā)生畸變，使曲率及彎曲角度減小。根據(jù)卸載后殘余應(yīng)力理論，殘留曲率等于受載荷所產(chǎn)生的曲率減去卸除載荷產(chǎn)生彈性回復(fù)時(shí)的曲率[4]，如式(1)所示。式中:R為卸除載荷后螺旋管最終的半徑;R'為卸除載荷前螺旋管的半徑;ke為彈性回跳所引起的曲率。

彈性回跳所引起的曲率就是應(yīng)變完全為彈性條件時(shí)由彎矩所引起的曲率，這就是彈性區(qū)所產(chǎn)生的曲率，即:

式中:σs為螺旋管材料的屈服極限;d平均為螺旋管的平均直徑;S為螺旋管的外半徑與內(nèi)0半徑之差，即;F為螺旋管材料的應(yīng)變剛模量。

利用公式(1)－(3)，得出R與R'的關(guān)系為:

由于螺旋管的彈性回復(fù)不僅會(huì)引起半徑發(fā)生變化，而且會(huì)引起螺距變化。變化過(guò)程中整個(gè)螺旋管的長(zhǎng)度不變，其關(guān)系如圖2所示。

圖2 螺旋管P值變化示意Fig.2 Change of the spiral tube P value

從圖2可以看出，彈性回復(fù)前后半徑和螺距的關(guān)系為:

由此，可以得出P的計(jì)算公式為:

式中:P為卸除載荷后螺旋管最終的螺距;P'為卸除載荷前螺旋管的螺距。

4 盤(pán)旋管成形裝置設(shè)計(jì)

盤(pán)旋管成形裝置如圖3所示，由底座、軸套、銷子、螺旋槽、導(dǎo)管盤(pán)旋成形桿、導(dǎo)向套、擋板、手柄、輪軸、靠模桿、滾輪、緊固螺栓、T形支架、限位塊、導(dǎo)管通道等組成。

圖3 成形裝置Fig.3 Sketch map of bending device

該設(shè)計(jì)的工作原理及工作過(guò)程是:首先，將用于加工盤(pán)旋管的導(dǎo)管坯材穿過(guò)導(dǎo)管通道，調(diào)節(jié)螺栓和螺母，使得導(dǎo)管坯材卡在導(dǎo)管通道中，將穿過(guò)導(dǎo)管通道的導(dǎo)管坯材卡在導(dǎo)管盤(pán)旋成形桿上的螺旋槽中，通過(guò)操作手柄，帶動(dòng)輪軸和滾輪旋轉(zhuǎn)，使得導(dǎo)管坯材卡在滾輪上的凹槽與螺旋槽之間;然后，擰緊螺栓和螺母，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄迫使導(dǎo)管坯材繞螺旋槽母體旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)1圈半，滾輪便帶動(dòng)導(dǎo)管坯材繞螺旋槽旋轉(zhuǎn)1圈半，這樣便完成了盤(pán)旋管的加工;最后，拆除將導(dǎo)管盤(pán)旋成形桿固定連接在軸套中的銷子，將加工好的盤(pán)旋管從導(dǎo)管盤(pán)旋成形桿上旋下，再次安裝好銷子，便可進(jìn)行下一件加工。

由于手柄與滾輪之間的輪軸上連接有穿過(guò)輪軸且能夠在所述螺旋槽中滑動(dòng)的靠模桿，因此能夠保證導(dǎo)管坯材始終沿所述螺旋槽的軌跡運(yùn)動(dòng)，能夠保證盤(pán)旋管的螺距符合設(shè)計(jì)要求。

該設(shè)計(jì)防止管坯在受力變形過(guò)程中產(chǎn)生皺紋和橢圓度，使得管坯在螺旋槽和槽型滾輪中間變形，螺旋槽和槽型滾輪形成護(hù)套，防止和限制管壁向外擴(kuò)張，有效地控制了皺紋和橢圓度的產(chǎn)生。

旋轉(zhuǎn)手柄時(shí)帶動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凹型滾輪的擠壓力所產(chǎn)生的彎曲扭矩，迫使管坯沿著螺旋槽軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)，采用這種形式滾壓可以保證徑向螺距P的尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

靠模桿與輪軸螺紋連接，可調(diào)節(jié)滾輪與螺旋槽之間的間隙。這里主要用拉彎變形法，靠螺旋槽模具，保證管坯變形后的尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

5 盤(pán)旋管成形裝置試驗(yàn)

選用0Cr18Ni9材料，導(dǎo)管外徑為φ10 mm的管材，繞制曲率半徑R為35 mm的盤(pán)旋管，進(jìn)行10件試件彎曲成形試驗(yàn)和測(cè)量，驗(yàn)證裝置的功能、準(zhǔn)確性和可靠性。

通過(guò)該裝置制成盤(pán)旋管后，使用萬(wàn)能工具顯微鏡、數(shù)顯卡尺、三爪孔徑千分尺等量具，在(20±1)℃的計(jì)量室環(huán)境下，恒溫后測(cè)量得到的實(shí)際數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)10件試件彎曲成形試驗(yàn)并測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示，實(shí)測(cè)值均滿足公差要求。

表2 外徑為φ10 mm的0Cr18Ni9管材驗(yàn)證測(cè)量數(shù)據(jù)Table2 Measurement datasheet of 0Cr18Ni19 tube of 10 millimeter in outside diameter mm

6 裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

組合支座由經(jīng)螺栓固定連接在底座上的底板和焊接在底板頂端的T型支架構(gòu)成。螺旋槽橫截面的形狀為半圓形，滾輪與管坯接觸橫截面的形狀為半圓形，導(dǎo)管盤(pán)旋成形桿通過(guò)銷子固定連接在軸套中，輪軸的頂端套裝有與所述輪軸固定連接的擋板。擋板通過(guò)銷子、螺栓及與之相配合螺母固定連接在導(dǎo)向套上，輪軸的底部連接有用于對(duì)滾輪進(jìn)行限位的緊固螺栓，靠模桿與輪軸螺紋連接。計(jì)算螺距P值，對(duì)螺旋槽的螺距進(jìn)行修正，使得成形后的P值一致。在管坯內(nèi)裝入填充物，防止彎曲時(shí)產(chǎn)生撕裂等。

盤(pán)旋管成形裝置設(shè)計(jì)具有快換功能，通過(guò)更換螺紋桿外徑和螺旋槽深度不同的導(dǎo)管盤(pán)旋成形桿，可以成形不同規(guī)格的盤(pán)旋管，解決盤(pán)旋管直徑與導(dǎo)管坯材管徑變化的加工問(wèn)題，適應(yīng)性強(qiáng)，工作效率高，裝置利用率高，加工盤(pán)旋管的成本低。

成形裝置的手柄與滾輪之間的輪軸上連接有穿過(guò)輪軸且能夠在螺旋槽中滑動(dòng)的靠模桿，因此能夠保證導(dǎo)管坯材始終沿所述螺旋槽的軌跡運(yùn)動(dòng)，能夠保證盤(pán)旋管的螺距符合設(shè)計(jì)要求，利用靠模桿獲得了良好的導(dǎo)向穩(wěn)定性，具有良好的操縱性和可靠性。

該成形裝置加工效率低、所彎曲導(dǎo)管坯材管徑有限，保持屈服時(shí)間較長(zhǎng)，不適合大批量的生產(chǎn)和大管徑的彎曲成形。

7 結(jié)語(yǔ)

盤(pán)旋管成形裝置已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，解決了生產(chǎn)制造工藝問(wèn)題，有獨(dú)到之處，但裝置的設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步完善。該盤(pán)旋管成形裝置已申報(bào)實(shí)用新型專利。

[1]王海宇.飛機(jī)鈑金工藝學(xué)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2011:166－167.WANG Hai-yu.Aircraft Sheet Metal Technology[M].Xian:Northwestern Polytechnical University Press，2011:166－167.

[2]飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委員會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京:航空工業(yè)出版社，2003:555－557.Aircraft Design Manual Committee.Aircraft Design Man-ual[K].Beijing:Aeronautic Industry Press，2003:555 －557.

[3]唐榮錫，陳鶴崢，陳孝戴.飛機(jī)鈑金工藝[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1983:93－95.TANG Rong-xi，CHEN He-zheng，CHEN Xiao-dai.Aircraft Sheet Metal Process[M].Beijing:National Defence Industry Press，1983:93 －95.

[4]林兆榮.航空導(dǎo)管加工[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1979:49 －51，124 －125.LIN Zhao-rong.Aeronautic Pipes Process[M].Beijing:National Defence Industry Press，1979:49 －51，124 －125.

[5]孫建君，張國(guó)東.螺旋管成形設(shè)備及成形工藝分析[J].通用機(jī)械，2004(2):77 －78.SUN Jian-jun，ZHANG Guo-dong.Analysis of Spiral Tube Banding Device and Process[J].Universal Machine，2004(2):77－78.

[6]李壽萱.鈑金成形原理與工藝[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1985:213－218.LI Shou-xuan.Sheet Metal Forming Elements and Process[M].Xian:Northwestern Polytechnical University Press，1985:213－218.