同軸雙層三維金屬管的制造工藝

徐瑩

摘 要：本文通過(guò)介紹了雙層三維金屬管零件在成形過(guò)程通過(guò)中夾層間隙的控制來(lái)確保同軸的制造工藝，可供管路加工參考使用。

關(guān)鍵詞：制造工藝；雙層金屬管；雙層管同軸的控制

中圖分類號(hào)：TG376.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

彎管零件具有產(chǎn)品輕量化、強(qiáng)韌化和低耗、高效等優(yōu)點(diǎn)，是航空、航天以及民用工業(yè)中管道系統(tǒng)的重要組成部分。本文分析了同軸雙層三維金屬管的特性以及在制造過(guò)程的控制點(diǎn)，介紹了制造過(guò)程中的幾種制造工藝。

1.同軸雙層三維金屬管工藝性分析

同軸雙層三維金屬管具有雙層結(jié)構(gòu)，由于該件的特殊結(jié)構(gòu)使其具有較好隔熱效果的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高溫的工作環(huán)境。同軸雙層三維金屬管具有四方面約束，分別為金屬材料、管材、雙層管的同軸和三維空間結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)決定了此種零件具有金屬管材的工藝特性。根據(jù)金屬管的材料性能、管材直徑、管材壁厚、零件彎曲半徑、彎曲角度和形狀、對(duì)金屬管彎曲處壁厚減薄量、金屬管圓度、金屬管圓滑波紋的要求，以及對(duì)雙層金屬管的同軸的控制要求，決定了其加工工藝的難易程度。

2.同軸雙層三維金屬管制造工藝

2.1 彎曲成形控制

為了將管材彎成具有一定彎曲半徑、角度和形狀的零件，彎管工藝作為管材塑性成形的重要分支，是生產(chǎn)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種十分重要的制造手段。同軸雙層三維金屬管根據(jù)具有金屬管材的特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)工藝特性的特點(diǎn)，通過(guò)完成同軸控制，利用彎管工藝實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的制造。下面介紹不同影響因素條件下的幾種制造工藝。

（1）材料因素

根據(jù)材料的不同，同軸雙層三維金屬管分為冷彎和熱彎兩張成形方式。根據(jù)管材的延展率的特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的加工方式。理論上，在常溫下可通過(guò)計(jì)算管材的彎曲成形能力：

E=0.5D/R

E——管材百分比延展率；

D——管材外徑；

R——管材中心線形成的彎曲半徑。

當(dāng)管材的延展率E大于≥25%時(shí)，采用常溫彎管。同軸雙層三維金屬管的基本成形為常溫冷加工彎曲成形。對(duì)于像鈦合金類管材，因其具有比強(qiáng)度高、塑性較差，延展率小的特點(diǎn)，常溫成形困難，應(yīng)選擇熱加工成形。此類材料的管路多應(yīng)用于溫度不高的工作環(huán)境，且具有無(wú)彎曲或彎曲少的管路特點(diǎn)。

（2）彎曲處的彎曲半徑

常規(guī)彎曲是指將一根完整的管材在常溫下通過(guò)數(shù)控彎管機(jī)等彎管加工設(shè)備，在管路的若干部位進(jìn)行彎曲成形，其優(yōu)點(diǎn)是完整管路成形過(guò)程中及成形后管路依然連續(xù)不間斷，成形后變形小，強(qiáng)度高。根據(jù)彎曲半徑的大小以及空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可采取手工彎管、自動(dòng)彎管機(jī)彎管、數(shù)控彎管以及模具成形4種方法。

大彎曲半徑多采用手工彎管的方式，此類結(jié)構(gòu)多用于民用產(chǎn)品。手工彎管是將管路的一端固定，利用管模轉(zhuǎn)動(dòng)彎曲成一定角度。其特點(diǎn)是受人力的限制，生產(chǎn)效率低，但方式比較靈活。手工彎管以簡(jiǎn)單的彎曲半徑大的小管徑零件為主，并且彎管過(guò)程需要填砂或松香。

小半徑彎曲管路多采用數(shù)控彎管的方式。此類結(jié)構(gòu)多用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路系統(tǒng)的敷設(shè)。數(shù)控彎管可加工彎曲半徑相對(duì)較小、曲折直徑大、幾何形狀復(fù)雜、公差要求較嚴(yán)格的管路，生產(chǎn)效率高。由于設(shè)備的局限性，采用數(shù)控加工管路，管路彎曲半徑、相鄰彎曲處切點(diǎn)間距離需要滿足設(shè)備要求，并且數(shù)控彎管過(guò)程中存在碰撞與干涉的現(xiàn)象。

對(duì)于具有彎曲半徑小的特點(diǎn)，且對(duì)管路彎曲處壁厚減薄量、圓度、圓滑波紋均有要求，管路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)參數(shù)要求不適應(yīng)用數(shù)控彎管機(jī)的，可通過(guò)模具設(shè)計(jì)與制造實(shí)現(xiàn)三維金屬管的空間結(jié)構(gòu)成形。

2.2 雙層管路同軸控制

零件成形另一關(guān)鍵點(diǎn)在于如何控制雙層金屬管的同軸條件，使其在成形過(guò)程中不會(huì)有局部懸空，從而避免產(chǎn)生圓度超差、內(nèi)半徑處起皺、以及管腔內(nèi)的填充物殘留等現(xiàn)象。一般而言，彎管成形的主要缺陷有失穩(wěn)起皺、壁厚過(guò)度減薄、截面畸變、拉裂和回彈。

傳統(tǒng)的彎管是采用成套彎曲模具進(jìn)行制作的。根據(jù)管型的需要，直徑大于10mm的導(dǎo)管彎曲前須在管腔內(nèi)填充松香或沙，彎曲后再將填充物去除。彎管過(guò)程中，產(chǎn)品質(zhì)量受操作者的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)熟練程度影響比較大。因此，管型差異較大，校正量大。直徑大于18mm以上的導(dǎo)管彎曲質(zhì)量尤其難以保證，往往產(chǎn)生圓度超差、內(nèi)半徑處起皺、管腔內(nèi)的填充物殘留等現(xiàn)象。下面介紹4種常用雙層金屬管同軸的控制方案

（1）灌砂法

最為常見的為灌砂法，主要要適用于管型直徑大于10mm的導(dǎo)管。其方法為在管腔內(nèi)及夾層間灌砂控制夾層間隙，成形后去砂。此種方法的弊端為如果管路夾層間隙小，則不容易灌注，出現(xiàn)不能完全充滿內(nèi)外管路的間隙現(xiàn)象。成形后的產(chǎn)品不能達(dá)到同軸及其他相關(guān)要求。

（2）灌松香法

灌松香法也較為常見，它是在管腔內(nèi)及夾層間灌注加入后的松香控制夾層間隙，待冷卻后進(jìn)行成形，成形結(jié)束加入管路去除松香。由于松香本身的物理特性，會(huì)出現(xiàn)不能完全充滿內(nèi)外管路的間隙現(xiàn)象、管腔內(nèi)的松香有殘留現(xiàn)象。成形后的產(chǎn)品不能滿足同軸及其他相關(guān)要求，并且。

（3）小管徑管外繞絲法

根據(jù)雙層金屬管路內(nèi)層管路的直徑以及管路的長(zhǎng)度選取相宜的螺距，以及相宜直徑的鋼絲均勻地纏繞在最內(nèi)層管路的外壁上，然后將纏繞著鋼絲的內(nèi)層導(dǎo)管插入到要求的外層管路內(nèi)，形成同軸。將固定好的雙層金屬管通過(guò)相應(yīng)的成形方法成形后，分別從兩端反方向?qū)摻z向外繞取抽離，從而控制雙層金屬管的同軸。此種方法的弊端為如選取的螺距和鋼絲直徑不當(dāng)則會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域可能發(fā)現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬絲無(wú)法從夾層間完全取出，同軸控制失敗，不能滿足控制要求。

（4）液體填充法

液體填充法是將選用的液體填充至金屬管內(nèi)外管壁的夾層以及內(nèi)腔中，利用填充液體，減小彎曲時(shí)金屬管的橢圓度和管壁的折皺。液體的選材原則為不具有腐蝕性，材料普遍成本低，流動(dòng)性好，易填充，同時(shí)還要對(duì)零件內(nèi)壁起到支撐作用。由于水具有沸點(diǎn)高、蒸發(fā)熱大、熱容高、反常膨脹、良好溶劑、能不斷發(fā)生締合，具有在正常大氣壓下，水結(jié)冰時(shí)，體積突然增大11%左右，同時(shí)產(chǎn)生壓力的特性，所以水凝固成冰起到填充的作用，其硬度不傷害零件表面，能有效的抵抗金屬管在彎曲過(guò)程中所產(chǎn)生的應(yīng)力，對(duì)管徑變形影響極小，因此而被廣泛應(yīng)用于填充。在同軸金屬管內(nèi)外管壁的夾層以及內(nèi)腔內(nèi)注水，利用工裝定心并進(jìn)行兩端封堵。通過(guò)將注水的雙層金屬管冷凍方式固定從而達(dá)到同軸雙層金屬管的夾層間隙的控制。此方法簡(jiǎn)單，快捷，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，非常適用于多層不同直徑的薄壁管路間的位置控制。

結(jié)論

綜上所述，通過(guò)不同影響因素條件下的幾種制造工藝的介紹，對(duì)于同軸雙層三維金屬管的加工，可根據(jù)產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)要求，以及工作環(huán)境的條件，選用合理的工藝手段，制造出符合設(shè)計(jì)要求的高質(zhì)量產(chǎn)品。以上方法適用于單層各種直徑的管路加工，同樣也適用于多層不同直徑的薄壁復(fù)雜難加工同軸、偏心管路的加工。

參考文獻(xiàn)

[1]李鋒.數(shù)控彎管過(guò)程運(yùn)動(dòng)仿真與工序規(guī)劃技術(shù)[D].西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[2]胡曉亮，徐欣.發(fā)動(dòng)機(jī)雙層管路成型加工研究[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2016.

[3]李恒.多模具約束下薄壁管數(shù)控彎曲成形過(guò)程失穩(wěn)起皺行為研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[4]楊合，孫志超，林艷，等.管成形技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)問(wèn)題研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2004，23（12）：1509-1514.

[5]張德姜，王懷義，劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：中國(guó)石化出版社，1997.

[6]沈松泉，黃振仁，顧竟成.壓力管道安全技術(shù)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2000.

[7]岳進(jìn)才.壓力管道技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2001.