基于扭矩控制的導(dǎo)管內(nèi)徑滾壓連接成形特征分析

張榮霞，吳 為，鄭文濤，曾元松

（1.北京航空制造工程研究所，北京100024；2.塑性成形技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024；3.數(shù)字化塑性成形技術(shù)及裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024；4.沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110870）

基于扭矩控制的導(dǎo)管內(nèi)徑滾壓連接成形特征分析

張榮霞1，2，3，吳 為1，2，3，鄭文濤4，曾元松1，2，3

（1.北京航空制造工程研究所，北京100024；2.塑性成形技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024；3.數(shù)字化塑性成形技術(shù)及裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024；4.沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110870）

鈦合金導(dǎo)管內(nèi)徑滾壓連接技術(shù)主要用于飛機(jī)液壓管路系統(tǒng)中，具有耐高壓和高密封性，能夠提升飛機(jī)液壓管路系統(tǒng)的高可靠性能，滿足飛機(jī)輕量化和長壽命的需求，成為航空管件連接技術(shù)的首選方案.本文以理論分析、有限元模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，從導(dǎo)管滾壓連接脹形器各組件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、接觸狀況、受力分析以及管材節(jié)點(diǎn)位移變化等方面，探討了基于扭矩控制的導(dǎo)管內(nèi)徑滾壓連接成形機(jī)理及特征.研究表明，成形過程中芯軸主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，滾柱帶動(dòng)保持架周向隨動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)；芯軸與滾柱之間有較大的徑向擠壓力和切向摩擦力，在這兩個(gè)力的合力作用下，產(chǎn)生軸向進(jìn)給力，使芯軸自動(dòng)進(jìn)給，導(dǎo)管、滾柱和芯軸之間接觸面和接觸力逐漸增大，成形扭矩隨之增加，導(dǎo)管材料逐漸嵌入管套凹槽，完成連接成形，這是扭矩控制的導(dǎo)管內(nèi)徑滾壓連接機(jī)理所在.理論分析與有限元模擬及試驗(yàn)結(jié)論吻合較好，研究結(jié)果對(duì)工程應(yīng)用中的質(zhì)量控制和工藝優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用.

扭矩控制；導(dǎo)管；內(nèi)徑滾壓；連接；成形

導(dǎo)管內(nèi)徑滾壓連接采用逐步送進(jìn)的滾柱將管壁材料滾入帶槽的管套，從而使導(dǎo)管和管套連接在一起.與擴(kuò)口連接相比，其具有高密封性、自鎖抗振性、質(zhì)量輕、壽命高等特點(diǎn)，主要用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)液壓管路中［1－2］.

目前，國外在鈦合金內(nèi)徑滾壓連接技術(shù)研究方面已經(jīng)具有很高的水平，實(shí)現(xiàn)了零件成形的高精度和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，但相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少.國內(nèi)從俄羅斯歐美等國家引進(jìn)該技術(shù)，主要有北京航空制造工程研究所開展了較系統(tǒng)的研究，如曾元松研究員對(duì)矩形凹槽管套和三角形凹槽管套的成形效果進(jìn)行過對(duì)比分析，指出三角形凹槽比矩形凹槽接觸面大，連接效果好［1］；張榮霞等采用有限元方法分析了成形過程的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律、材料流動(dòng)趨勢以及接頭密封機(jī)理等［2］；另外，中國科學(xué)院金屬研究所的呂昕宇等研究了不同凹槽寬度對(duì)成形的影響，指出凹槽寬度越大越利于密封［3］.本文針對(duì)?8×0.6 TA18鈦合金導(dǎo)管，首次對(duì)基于扭矩控制的導(dǎo)管內(nèi)徑滾壓連接成形特征進(jìn)行分析，采用理論分析、有限元模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，從成形過程中脹形器各組件的接觸、運(yùn)動(dòng)、作用力以及材料流動(dòng)特征等多方面，對(duì)基于扭矩控制的導(dǎo)管內(nèi)徑滾壓連接過程成形特征進(jìn)行了研究.

1 基于扭矩控制的導(dǎo)管內(nèi)徑滾壓連接成形過程力學(xué)解析

基于扭矩控制的導(dǎo)管內(nèi)徑滾壓連接工藝采用的脹形器為自吸式脹形器，結(jié)構(gòu)見圖1，主要部件包括保持架、滾柱和芯軸等，其中保持架周向均勻分布3個(gè)滾柱凹槽，芯軸與滾柱為一定錐面配合，芯軸連接設(shè)備電機(jī)花鍵軸.圖2（a）為保持架滾柱凹槽結(jié)構(gòu)示意圖，凹槽中心線與保持架中心線呈一定夾角α.成形過程中，初始時(shí)芯軸軸向推進(jìn)一定距離，使?jié)L柱、導(dǎo)管內(nèi)壁以及芯軸產(chǎn)生緊密接觸，各組件間會(huì)有接觸力，隨后設(shè)備電機(jī)花鍵軸給芯軸一旋轉(zhuǎn)扭矩M，保持架隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)；在緊密接觸力的作用下，滾柱與芯軸之間產(chǎn)生切向摩擦力.由于α角的存在，接觸力和摩擦力在軸向都會(huì)有一分力，兩個(gè)分力的合力成為芯軸自動(dòng)進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)力，芯軸不斷軸向進(jìn)給，扭矩值逐漸上升，芯軸不斷徑向擠壓滾柱，滾柱又徑向擠壓管材，使管材逐漸嵌入管套凹槽，扭矩達(dá)到最大設(shè)定值，芯軸反轉(zhuǎn)，并退回初始位置，導(dǎo)管與管套的連接成形結(jié)束.

滾壓連接過程中脹形器各組件受力分析如圖3所示，其中：N為芯軸受滾柱的擠壓力；F為芯軸受滾柱的摩擦力.N在水平方向和徑向產(chǎn)生一個(gè)分力——N1和N2，F(xiàn)在水平方向和切向產(chǎn)生一個(gè)分力——F1和F2.

式中：β為芯軸錐角與滾柱錐角差值的一半；α為保持架滾柱凹槽錐角.

因此，芯軸水平方向總的受力為

圖1 基于扭矩控制的導(dǎo)管內(nèi)徑滾壓連接成形原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of forming principle of pipe internal diameter rolling connection based on torque control

圖2 保持架滾柱凹槽結(jié)構(gòu)Fig.2 Roller groove structure of holder：（a）the structure of this paper；（b）primitive structure

圖3 脹形器受力理論解析Fig.3 Theoretical analysis of expansion device under loading

F和N與導(dǎo)管材料、脹形器組件材料等相關(guān)，各材料一定的情況下，選擇合適的α和β，使F1＞N1，芯軸就會(huì)自動(dòng)軸向進(jìn)給.而F2和N2的合力是滾柱周向旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)帶動(dòng)保持架隨動(dòng)［4－10］.

自吸式脹形器滾柱在芯軸上的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線，兩者間為純滾動(dòng)摩擦.傳統(tǒng)保持架結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，滾柱凹槽與保持架中心線在一個(gè)平面內(nèi)，芯軸必須在電機(jī)推力下才能進(jìn)給，芯軸與滾柱之間除了滾動(dòng)摩擦外還有滑動(dòng)摩擦，芯軸和滾柱表面磨損較為嚴(yán)重.

2 成形過程三維有限元模型的建立

2.1 幾何模型的建立

模型主要尺寸參照工程圖紙確定，芯軸錐角2°，滾柱錐角1°，保持架凹槽傾斜角1°.綜合考慮研究內(nèi)容和計(jì)算時(shí)間，對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

1）管套材料為15－5PH，經(jīng)熱處理后強(qiáng)度、硬度遠(yuǎn)高于導(dǎo)管，連接成形中主要是導(dǎo)管參與變形，因此，管套定義為剛體，為了減少計(jì)算單元的數(shù)量，只截取連接區(qū)域的內(nèi)型面；

2）保持架作為脹形器的組件，成形中不參與變形，定義為剛體，同樣只截取與滾柱接觸的3個(gè)滾柱凹槽的型面.

幾何模型中各部件的定義類型見表1，模型如圖4.

表1 幾何模型中各部件的類型Table 1 Types of components in the geometric model

圖4 有限元模型Fig.4 Schematic diagram of model：（a）section diagram of model；（b）schematic diagram of model

導(dǎo)管的材料參數(shù)見表2，芯軸、滾柱的的材料為W18Cr4V，強(qiáng)度、硬度較高，成形中變形量非常小，可以忽略，加剛體約束，只輸入部分參數(shù).

表2 材料參數(shù)Table 2 Material parameters

2.2 邊界約束及載荷加載

各部件的約束如下：

a）套管所有自由度完全約束；

b）保持架沿軸向的位移自由度約束，只有繞芯軸中心的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；

c）導(dǎo)管的端部外表面2 mm長的區(qū)域旋轉(zhuǎn)和位移自由度約束.

接觸條件采用的是通用接觸對(duì)，包含自接觸，接觸對(duì)之間為面與面接觸.采用庫倫摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.6.

考慮到模型的復(fù)雜性和計(jì)算效率，采用動(dòng)態(tài)顯式（Dynamic，Explicit）分析，設(shè)置兩個(gè)分析步：第1步芯軸沿軸向移動(dòng)，位移量為12 mm，建立芯軸、滾柱、導(dǎo)管、套管的緊密接觸；第2步只給芯軸施加旋轉(zhuǎn)的角速度120 rad／s［11－18］.

3 滾壓連接過程成形特征分析

3.1 脹形器組件運(yùn)動(dòng)特征分析

模擬結(jié)果表明，第1步，芯軸的軸向運(yùn)動(dòng)可以順利實(shí)現(xiàn)芯軸、滾柱、導(dǎo)管和套管的接觸；第2步，芯軸的主動(dòng)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了滾柱以及保持架的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)芯軸自動(dòng)進(jìn)給，與實(shí)際相符.圖5中給出了芯軸軸向位移隨時(shí)間的變化，芯軸總的位移為27.13 mm，在兩個(gè)工步中，隨時(shí)間近線性遞增，說明過程中芯軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，速度基本保持不變.芯軸的總位移量對(duì)芯軸有效工作長度的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用.

圖5 芯軸的運(yùn)動(dòng)狀況Fig.5 The motion of core shaft

圖6給出了保持架旋轉(zhuǎn)速度隨時(shí)間的變化情況，可以看出在時(shí)間超過0.1 s后，保持架的轉(zhuǎn)速基本保持不變，約為40 rad／s，說明成形進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài).保持架與芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，但轉(zhuǎn)速明顯小于芯軸轉(zhuǎn)速（120 rad／s），說明保持架與芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)非同步進(jìn)行，而是在各力綜合作用下，隨動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng).

圖6 保持架旋轉(zhuǎn)速度隨時(shí)間的變化情況Fig.6 Change of holder rotation speed with time

3.2 脹形器各組件的接觸分析

圖7（a）為滾柱與芯軸之間接觸力和接觸區(qū)域隨時(shí)間的變化情況.從初始接觸到最終成形結(jié)束，接觸區(qū)域越來越大，同時(shí)最大接觸應(yīng)力從1 287 MPa逐漸增大到5 619 MPa.說明成形過程中，在接觸力的作用下，滾柱自動(dòng)微調(diào)整位置，與芯軸最大程度接觸，達(dá)到一種穩(wěn)定接觸狀態(tài).圖7（b）為滾柱與導(dǎo)管內(nèi)壁之間接觸力和接觸區(qū)域隨時(shí)間的變化情況，可以看到，滾柱與導(dǎo)管內(nèi)壁初始時(shí)滾柱尾端先接觸，然后是前端接觸，這是芯軸、滾柱錐角裝配關(guān)系和保持架滾柱凹槽存在α傾角共同決定的；隨著成形的進(jìn)行，導(dǎo)管材料不斷發(fā)生塑性變形，與滾柱的接觸逐漸成為連續(xù)的曲線接觸.同時(shí)，接觸力從最初的1 728 MPa逐漸增大到4 502 MPa.

圖7 成形過程中各部件的接觸情況分析Fig.7 Contact analysis of various components in the forming process：（a）the changes of the contact force and area with time between the roller and the core shaft；（b）the changes of contact force and area with time between the roller and the inner wall of the conduit

3.3 軸向節(jié)點(diǎn)徑向位移變化規(guī)律分析

圖8中給出了套管凹槽中心附近導(dǎo)管外層節(jié)點(diǎn)沿徑向的位移情況，節(jié)點(diǎn)1、2和3均在初始階段出現(xiàn)明顯的上下波動(dòng)，這是因?yàn)樽冃纬跗?，以彈性變形為主，滾柱繞軸線旋轉(zhuǎn)，周期地與導(dǎo)管接觸，節(jié)點(diǎn)處的變形出現(xiàn)彈性變形－彈性恢復(fù)的交替狀態(tài)，隨著變形的繼續(xù)，導(dǎo)管材料逐漸屈服，主要發(fā)生塑性變形，3個(gè)節(jié)點(diǎn)平穩(wěn)的向外側(cè)移動(dòng)，管材逐漸嵌入管套凹槽.

圖8 導(dǎo)管最外層節(jié)點(diǎn)位置Fig.8 The outermost node position of the catheter：（a）nodes sketch map；（b）displacement of nodes

圖8還說明，3個(gè)凹槽的填入順序不同，節(jié)點(diǎn)1先填滿，其次是節(jié)點(diǎn)2，最后是節(jié)點(diǎn)3，這與實(shí)際情況相符，如圖9為光學(xué)顯微鏡下觀察的連接件剖面圖，節(jié)點(diǎn)1處凹槽填充較多，節(jié)點(diǎn)3處凹槽還有較大間隙未填滿.

圖9 連接件剖視圖Fig.9 Sectional view of the connector

3.4 成形扭矩變化特征分析

圖10（a）給出了在第2個(gè)分析步，芯軸扭矩隨時(shí)間的變化規(guī)律，總體趨勢呈線性遞增；由于滾柱繞芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)，且兩者之間周向非連續(xù)接觸，因此，芯軸所受扭矩呈現(xiàn)周期性波動(dòng).實(shí)際試驗(yàn)扭矩變化曲線如圖10（b）所示，兩者趨勢相同.由于有限元模擬中采用了質(zhì)量放大系數(shù)，導(dǎo)致有限元模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)大小偏差較大.

圖10 芯軸扭矩隨時(shí)間的變化Fig.10 Change of spindle torque with time：（a）torque curve by finite element simulation；（b） torque curve by actual test

3.5 芯軸所受軸向力變化規(guī)律分析

芯軸軸向作用力隨時(shí)間的變化曲線如圖11所示.第1步芯軸軸向前進(jìn)一定位移，與滾柱建立緊密接觸，芯軸與滾柱間為滑動(dòng)摩擦，滾柱對(duì)芯軸的擠壓力在軸向的分力與進(jìn)給方向相反，并呈現(xiàn)先增加后降低趨勢；第2步，芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)，芯軸與滾柱間為滾動(dòng)摩擦，各力在芯軸軸向的分力使芯軸自動(dòng)進(jìn)給，第2步初期，導(dǎo)管處于彈性變形階段，軸向力接近線性遞增，在0.075 s左右時(shí)，管材屈服，軸向力出現(xiàn)降低點(diǎn)，隨后隨著管材塑性變形的增加，產(chǎn)生加工硬化，管材強(qiáng)度（硬度）顯著提高，使芯軸、滾柱和導(dǎo)管之間的接觸力增大，芯軸軸向分力也呈遞增趨勢［13］.

圖11 芯軸軸向反作用力隨時(shí)間的變化Fig.11 Change of axial reaction force with time

4 結(jié) 論

本文揭示了滾壓連接過程中脹形器各組件的運(yùn)動(dòng)特征和受力情況，成形過程中，設(shè)備給芯軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力為唯一主動(dòng)力，在徑向擠壓力和切向摩擦力的作用下，產(chǎn)生軸向力，使芯軸自動(dòng)進(jìn)給，經(jīng)滾柱傳力，擠壓管材逐漸填入管套凹槽中，這是基于扭矩控制的滾壓連接成形過程的根本所在.

理論分析與有限元模擬及試驗(yàn)結(jié)論吻合較好.連接過程各部件間接觸力的分析，可以對(duì)脹形器的選材及熱處理方式提出明確的要求；而節(jié)點(diǎn)位移變化規(guī)律分析，可實(shí)現(xiàn)芯軸、滾柱錐角的設(shè)計(jì)直接面向工程應(yīng)用需求.

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（編輯 呂雪梅）

Analysis of forming characteristics of the inner tube rolling connection based on torque control

ZHANG Rongxia1，2，3，WU Wei1，2，3，ZHENG Wentao4，ZENG Yuansong1，2，3
（1.AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China；2.Aeronautical Key Laboratory for Plastic Forming Technology，Beijing 100024，China；3.Beijing Key Laboratory of Digital Plasticity forming Technology and Equipment，Beijing 100024，China；4.School of Materials Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

The titanium alloy tube internal rolling connection technology is usually used for the aeronautic hydraulic system.It has the advantages of high pressure resistance and high sealing property，which can lift the reliability of aeronautic hydraulic system to meet the lightweight and long?life needs.Using the method of theory analysis and finite element simulation and experiment，the forming mechanics and characteristics of tube internal rolling based on torque control technology were revealed through the area of the movement state and the contact state and the force between the expander parts，even the displacement of the tube nodes.The result indicated that the mandrel rotated actively，then the roller holder rotated in the rolling process，large radial extrusion pressure and tangential frictional force were generated between the mandrel and the roller.The composite force of the upper two forces made the mandrel feeding automatically.The force between tube and roller and mandrel became larger and larger，and the forming torque became larger following.Last the tube embedded into the sleeve，and the connect process ended.All these conclusion disclosed the mechanics of the internal rolling connection.The results of this article present important guidelines for the quality control and process optimization in the engineering application.

torque control；tube；internal rolling；connection；forming

TG379

A

1005－0299（2017）03－0052－06

2016－10－16.< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017－05－25.

總裝航空支撐項(xiàng)目（61901110302）.

張榮霞（1979—），女，高級(jí)工程師.

張榮霞，E?mail：zrxia1979＠163.com.

10.11951／j.issn.1005－0299.20160363