發(fā)動(dòng)機(jī)雙層管路成型加工研究

胡曉亮 徐欣

摘要：噴嘴桿是模擬試驗(yàn)噴嘴上的關(guān)鍵部件，它采用了雙層管路結(jié)構(gòu)，能夠很好地起到隔熱效果。文章通過(guò)典型零件噴嘴桿的加工，介紹了雙層管路的成型方法以及零件在成型過(guò)程中夾層間隙的控制，為管路加工提供了新的加工方法。

關(guān)鍵詞：雙層管路；成型加工；發(fā)動(dòng)機(jī)；噴嘴桿；模具制作 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH16 文章編號(hào)：1009-2374（2016）18-0059-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.030

為深入研究國(guó)產(chǎn)火焰筒的加工質(zhì)量，需要對(duì)主燃燒室進(jìn)行全環(huán)溫度場(chǎng)試驗(yàn)。如果采用過(guò)去的噴嘴結(jié)構(gòu)，很難保證燃油總管上所有噴嘴的主活門都在相同的壓力點(diǎn)開(kāi)啟，另外由于加工、裝配等的誤差，容易造成燃油總管上噴嘴的燃油流量分布不均。這樣主燃燒室出口溫度場(chǎng)品質(zhì)指標(biāo)的準(zhǔn)確性就會(huì)受到影響，對(duì)主燃燒室進(jìn)行全環(huán)溫度場(chǎng)試驗(yàn)所采用的噴嘴結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了模擬試驗(yàn)噴嘴組件。而噴嘴桿是模擬試驗(yàn)噴嘴上的一個(gè)關(guān)鍵部件，它采用了雙層管路結(jié)構(gòu)，能夠很好地起到隔熱效果，以避免在燃燒室進(jìn)口溫度場(chǎng)達(dá)到600℃的情況下工作的燃油噴嘴由于燃油溫度過(guò)高而帶來(lái)的結(jié)膠、積碳等一系列問(wèn)題。

1 零件的工藝特性

1.1 零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

噴嘴桿的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示，從圖中可以看出，該組件是由兩層導(dǎo)管構(gòu)成，外層為Φ10×1的GH3030導(dǎo)管，內(nèi)層為Φ6×1的GH3030導(dǎo)管，兩端由定心堵頭堵死而形成密封腔體。從圖紙結(jié)構(gòu)和尺寸分析，由于零件的空間尺寸所限，零件單獨(dú)成型后，是無(wú)法裝配的，只能選擇內(nèi)外導(dǎo)管一次成型的方案。結(jié)合圖形，此零件有兩個(gè)需要解決的問(wèn)題：首先是零件的成型問(wèn)題，因?yàn)榱慵澢霃叫?，并且空間尺寸緊湊，特別是零件的“U”型部位，直線距離只有3mm，不論是手工彎管機(jī)，還是數(shù)控彎管機(jī)均不能加工，只有設(shè)計(jì)模具，使用模具成型；其次，圖紙要求零件成型后內(nèi)外管壁夾層間隙為L(zhǎng)=0.5～1.5mm，內(nèi)外管壁不允許接觸。由于內(nèi)外管路中間夾層處于懸空狀態(tài)，如果不加任何限制，模具合模時(shí)，只能與外層導(dǎo)管完全接觸，而內(nèi)層導(dǎo)管成型時(shí)所受的外力，是外部導(dǎo)管與內(nèi)層導(dǎo)管的局部接觸而產(chǎn)生的，整個(gè)內(nèi)層導(dǎo)管不能均勻受力，無(wú)法通過(guò)模具起到定型和消除回彈的目的，并且由于受力不均，內(nèi)層管路變形量不一致，回彈量也不可能得到控制。通過(guò)上述的理論分析，要想滿足圖紙要求，必須想辦法將內(nèi)外導(dǎo)管夾層間隙控制住，也就是將零件整合為一體，這樣內(nèi)外管路成型時(shí)所受的力就會(huì)一致而均勻，零件的夾層間隙與回彈量也就得到了控制。

1.3 導(dǎo)管彎曲時(shí)的加工要素

1.3.1 最小彎曲半徑。為保證導(dǎo)管壁厚減薄量以及導(dǎo)管材料的彎曲性能，一般對(duì)于鋼和鋁合金材料的導(dǎo)管，其最小彎曲半徑如表2（根據(jù)技術(shù)文件：導(dǎo)管制造和安裝說(shuō)明書(shū)）：

1.3.2 管路彎曲處壁厚減薄量。技術(shù)文件（導(dǎo)管制造和安裝說(shuō)明書(shū)）中對(duì)管路彎曲處壁厚減薄量的規(guī)定如下：

外徑≤12mm，減薄量為（壁厚名義值-壁厚下偏差）×12%

外徑>12mm，減薄量為（壁厚名義值-壁厚下偏差）×15%

1.3.3 導(dǎo)管圓度要求。在某發(fā)動(dòng)機(jī)中，對(duì)導(dǎo)管彎曲采用圓度限制，并給出了不同管徑的圓度要求，具體規(guī)定見(jiàn)表3：

1.3.4 波紋。導(dǎo)管在彎曲處容易產(chǎn)生波紋，允許在彎曲處存在不大于0.3mm的圓滑波紋。

2 工藝方案的確定

2.1 零件的成型分析

從圖1中可以看出，零件各彎曲處的彎曲半徑分別為R17.75、R18.5、R20、R21.5，由表2可知，該零件不能使用彎管機(jī)加工，而需要設(shè)計(jì)模具成型。用模具加工零件時(shí)的回彈量必須在設(shè)計(jì)模具時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出來(lái)，而此種零件又不同于平常的一體零件，只要按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算就不會(huì)有大的問(wèn)題。如果對(duì)雙層管路的中間夾層不加任何限制，那么在成型過(guò)程中，內(nèi)層導(dǎo)管將是一種懸空的狀態(tài)。模具不可能將內(nèi)層導(dǎo)管壓實(shí)，所以它的回彈量將是失控的。我們首先想到的是如何將內(nèi)外管路通過(guò)某種方法變?yōu)橐惑w，這樣既控制了回彈量，又為解決內(nèi)外管壁間的間隙提供了思路。

2.2 回彈量的計(jì)算

式中：

K——回彈系數(shù)（由下式求得）

α——工件回彈前圓弧所對(duì)中心角，相當(dāng)于凸模圓弧所對(duì)中心角

——工件（回彈后）圓弧所對(duì)中心角

式中：

E——彈性模數(shù)

——材料抗拉強(qiáng)度

c——系數(shù)（一般為1.1～1.3）

式中：E=191GPa

=590MPa

c=1.2

=27.5°

t≈3mm

代入各已知數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算零件的角度回彈量均大約為1.5°。

2.3 內(nèi)外管路夾層間隙的控制研究

為準(zhǔn)確的控制零件夾層間隙，在加工過(guò)程中，首先在Φ6×1內(nèi)層管路的外壁上均勻的纏繞上直徑為Φ0.8的不銹鋼鋼絲，螺距大約為10mm，然后將纏繞著不銹鋼鋼絲的內(nèi)層導(dǎo)管插入到Φ10×1的外層導(dǎo)管內(nèi)。在200噸壓力機(jī)上使用模具成型，成型后零件的回彈量得到了有效控制，外部尺寸均符合圖紙要求，剩下的就是如何將不銹鋼鋼絲取出，為此從兩端反方向小心地將鋼絲往外繞取，剛開(kāi)始時(shí)還很順利，但越往后越吃力，最終將鋼絲拽斷。為找出問(wèn)題的原因?qū)⒘慵植科书_(kāi)，如圖2所示。發(fā)現(xiàn)纏繞的鋼絲螺距發(fā)生了很大的變化，并且在零件彎曲處的鋼絲分布密集，其他區(qū)域鋼絲基本已經(jīng)被拉直。在總結(jié)了這種加工方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了第二個(gè)試驗(yàn)件的加工，在內(nèi)層管路的外壁上纏繞鋼絲時(shí)，螺距增加為15mm，并且將鋼絲在中間位置用扁鏟刻出痕跡，這樣做的目的是考慮往外繞取鋼絲時(shí)，希望鋼絲能夠從中間斷開(kāi)，以減小阻力，但是試驗(yàn)結(jié)果卻是與上一次的結(jié)果一樣，仍然無(wú)法將鋼絲取出，這種加工方法以失敗告終。

隨著第一種加工方案的失敗，不斷反思著過(guò)去加工管路時(shí)的加工方法，希望能從過(guò)去的加工經(jīng)驗(yàn)中找到解決問(wèn)題的蛛絲馬跡。以往用彎管機(jī)加工管路時(shí)為控制管路的圓度與管壁波紋，經(jīng)驗(yàn)上是Φ12以下的管路采用灌砂子的辦法；加工Φ12以上管路時(shí)，采用灌松香的方法。可這個(gè)零件卻不能用以上兩種加工方法，不能采用的原因是一樣的：內(nèi)外管路間的間隙是1mm，首先是砂子和松香不容易灌注，其次是即使灌進(jìn)去了也不能完全充滿內(nèi)外管路的間隙。若不能完全充滿間隙，則導(dǎo)管在成型過(guò)程中也會(huì)有局部懸空，成型后導(dǎo)管的圓度與波紋將很難控制在允許的范圍內(nèi)。而且懸空區(qū)域內(nèi)若沒(méi)有支撐，將無(wú)法保證夾層間隙。

經(jīng)過(guò)多方調(diào)研與論證，最后決定采用在內(nèi)外管壁夾層內(nèi)注水的方法，如圖3所示，首先我們?cè)讦?×1導(dǎo)管的內(nèi)壁加工M4螺孔，然后在內(nèi)外導(dǎo)管的相同端加工90°內(nèi)錐，然后在零件的另一端將雙層導(dǎo)管用工藝堵定心后焊死，在內(nèi)外管壁的夾層內(nèi)注水，將水注滿后并清除氣泡，在管路另一端用緊定螺釘通過(guò)錐面自動(dòng)定心并焊死。最后將注水后的零件放到液態(tài)氮中冷凍，冷凍10～15min后，將零件取出，放在模具中依次成型。由于冷凍后充填在管內(nèi)的水變成了冰，相當(dāng)堅(jiān)硬，能有效地抵抗材料在變形過(guò)程中所產(chǎn)生的應(yīng)力，故管徑變形極小。同時(shí)不受環(huán)境溫度的影響，在8月炎熱的高溫天氣下操作，同樣獲得理想的成型效果。

2.4 零件的成形過(guò)程研究

根據(jù)零件的外形特征，設(shè)計(jì)模具時(shí)采用了三次成型的方法，以下結(jié)合圖形對(duì)零件的成型過(guò)程簡(jiǎn)要地進(jìn)行介紹。

2.4.1 如圖4所示，將內(nèi)外導(dǎo)管的夾層間隙控制住以后，進(jìn)行首次彎曲：

2.4.2 如圖5所示，對(duì)零件進(jìn)行第二次彎曲：

在這道工序中，為方便模具加工，將下模設(shè)計(jì)成分體結(jié)構(gòu)。

2.4.3 如圖6所示，對(duì)零件進(jìn)行最后一次彎曲：

2.5 數(shù)據(jù)分析

零件加工完成后，按圖紙測(cè)量了零件的外部尺寸，均符合圖紙的各項(xiàng)要求。表3是關(guān)于零件成型后圓度的對(duì)比分析：

尺寸檢測(cè)完成后，將零件從中心處剖開(kāi)（如圖7），檢查零件的夾層間隙以及壁厚減薄量。選取了ΦA(chǔ)、ΦB、ΦC三處理論上變形量比較大的位置進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表4，經(jīng)測(cè)量均符合文件（導(dǎo)管制造和安裝說(shuō)明書(shū)）中對(duì)管路彎曲處壁厚減薄量的規(guī)定。

3 結(jié)語(yǔ)

在雙層套管之間灌水用液態(tài)氮冷凍后再成型，是管路零件加工的新方法之一。實(shí)踐證明，應(yīng)用液態(tài)氮冷凍加工技術(shù)來(lái)控制雙層導(dǎo)管夾層間隙方法簡(jiǎn)單、快捷，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定并可靠，非常適用于多層不同直徑的薄壁復(fù)雜異形管路的加工，同樣適用于單層各種直徑的管路加工。通過(guò)噴嘴桿的加工，熟悉了雙層管路零件的加工特點(diǎn)，提高了加工管路零件的技術(shù)水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐秉銓.航空制造工程手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1997.

作者簡(jiǎn)介：胡曉亮（1982-），男，吉林松原人，沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所工程師，研究方向：機(jī)械加工工藝。

（責(zé)任編輯：蔣建華）