航空液壓鈦合金導管組件制造關鍵技術應用

閆 晶，張榮霞，吳 為，曾元松，張 艷，王守財

（1.中國航空制造技術研究院，北京 100024；2.航空工業(yè)沈陽飛機設計研究所， 沈陽 110035）

導管零件在現(xiàn)代飛機上的應用量大、應用范圍廣，由導管零件組成的管路系統(tǒng)是飛機最重要的生命線。液壓系統(tǒng)導管組件是飛機的主動脈，而各類控制機構運動的能量也主要依托液壓管路系統(tǒng)進行傳遞，保證飛機各部件按設計要求完成精準動作[1]。鈦合金作為一種先進的耐高溫、耐腐蝕、輕質高強高性能結構材料，在航空領域得到越來越廣泛的應用。用鈦管代替不銹鋼管，可使管路系統(tǒng)減重50%，因此鈦合金液壓導管組件的大量應用已成為現(xiàn)代先進飛機的發(fā)展趨勢[2–3]。

鈦合金液壓導管組件制造過程主要涉及管材彎曲成形、導管外形檢測、導管連接，以及性能測試等工藝過程。在管材彎曲成形方面，鈦合金液壓導管多為復雜空間多彎零件，走向無序、數(shù)量繁多，且鈦管彎曲回彈較大。國內外學者針對彎管回彈問題，采用數(shù)值模擬、理論解析和試驗研究的方法[4–11]開展了大量的研究工作，但主要是針對單彎導管彎曲過程，對于多彎導管零件的精度控制的研究鮮有報道。因此，鈦合金導管外形精度難以控制，雖采用傳統(tǒng)數(shù)控彎曲技術，但也會面臨由于導管零件空間排布緊湊，出現(xiàn)導管與彎曲設備干涉的問題。左/右彎數(shù)控彎曲成形技術能夠實現(xiàn)彎管方向為順時針和逆時針旋轉的轉換，可以有效避免導管與彎管設備的干涉，提高鈦合金導管彎曲的成形極限。

目前，在導管外形檢測方面，國內航空制造廠商對導管外形精度主要采用檢驗工裝、激光掃描設備或三坐標測量設備檢測[12–13]，其中檢驗工裝制造成本高、制造周期長；激光掃描設備功能單一、檢測速度慢，難以滿足導管零件規(guī)格數(shù)量多、種類雜以及導管零件制造快速響應的迫切需求；三坐標測量設備雖然通用性較好，但是存在導管零件測量效率低、測量結果后處理工作量較大的問題，難以滿足導管大批量生產的要求。管路三維數(shù)字化光學測量設備在國外航空制造企業(yè)迅速推廣應用，設備通過對數(shù)碼相機所獲得圖像的分析處理，獲得完整的三維空間形態(tài)、彎曲角度、管件加工首尾端頭段、管件端面空間坐標、管路附件位置等信息，實現(xiàn)導管彎管形狀幾何尺寸測量、數(shù)據采集和數(shù)據處理，測量結果模型能夠與設計數(shù)模進行尺寸對比和顯示。

在導管連接方面，鈦合金管材具有缺口敏感性，不適合擴口連接技術，與傳統(tǒng)管材擴口連接相比，無擴口滾壓連接屬于線密封，具有高密封性、可承受高溫高壓、自鎖抗震性好 （不打保險絲）、重量輕、壽命高等特點。因此，鈦合金導管無擴口滾壓連接技術成為國外軍機和民機采用的最為廣泛的導管連接技術。國外對無擴口連接技術的研究已經成熟，實現(xiàn)了標準化和工程化應用；國內從“十五”開始，也相繼開展了一系列研究，主要包括中國航空制造技術研究院、中科院金屬所、成飛、沈飛等單位，研究內容主要集中在成形過程的有限元模擬、密封原理和試驗方法等[14–17]。

在導管組件性能測試方面，管路結構件在飛機飛行中會受到各種動態(tài)載荷的作用，如非平穩(wěn)氣動力作用，包括擾流抖振激勵、附面層壓力脈動以及急劇機動動力所產生的動態(tài)載荷，因此，管路連接件必須具備一定的振動疲勞性能。疲勞性能是連接接頭要求最為嚴格、技術難度最大的性能之一，而導管無擴口內徑滾壓連接件接頭振動疲勞性能可靠性是決定該技術能否工程化應用的關鍵問題[18–19]。國內飛機發(fā)動機管路系統(tǒng)的“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象一直是影響飛機可靠性的重要問題，隨著高推重比、長壽命和輕量化等性能的要求，液壓管路系統(tǒng)承受的工作壓力越來越高，對管路結構件特別是連接接頭性能的要求越來越苛刻，需要具有耐高壓、高密封、高可靠等性能。

本文針對典型航空21～28MPa液壓系統(tǒng)鈦合金導管組件制造過程，基于導管左/右彎數(shù)控彎曲技術、管路光學測量技術、無擴口滾壓連接技術、導管組件性能測試技術等導管組件制造關鍵技術，提出了航空液壓系統(tǒng)導管組件制造技術方案，并應用于民機典型液壓系統(tǒng)高強鈦合金 （Ti–3Al–2.5V）導管組件制造過程,驗證方案的可行性，為解決航空液壓系統(tǒng)“跑、冒、滴、漏”問題提供新的技術思路。

1 技術方案

1.1 液壓系統(tǒng)鈦合金導管組件制造方案

圖1為典型液壓系統(tǒng)鈦合金導管組件制造技術途徑。基于典型鈦合金導管組件數(shù)模，確定導管下料、彎曲、無擴口滾壓連接工藝參數(shù)，形成導管組件制造工藝指令和設備數(shù)控程序。從管坯開始，逐步完成導管切割下料、打標、彎曲、測量、修端、測量、無擴口滾壓以及導管組件性能測試過程，不斷優(yōu)化迭代，最終實現(xiàn)鈦合金導管組件精確制造，具體步驟如下。（1）建立典型鈦管彎曲過程模擬有限元模型，以及鈦管無擴口滾壓連接過程模擬有限元模型，模擬典型導管彎曲過程和管材無擴口滾壓過程，獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)。（2）采用左/右彎數(shù)控彎管設備的機構仿真分析模塊，驗證彎管設備數(shù)控程序，防止彎管過程導管與機構干涉；采用左/右彎切換，改變導管彎曲方向，最大限度地減小空間緊湊導管與彎管設備的干涉，提高彎管成形極限。（3）采用管路光學測量設備，測量導管彎曲形狀精度，優(yōu)化迭代工藝參數(shù)，獲得導管修端參數(shù)，采用導管修端設備切除導管工藝余量，保證導管彎曲成形精度滿足設計指標；檢測無擴口導管組件制造精度滿足設計指標要求。（4）采用無擴口滾壓連接設備，實現(xiàn)鈦合金導管組件的可靠連接，導管組件滿足疲勞性能測試要求。

圖1 典型液壓系統(tǒng)鈦合金導管組件制造技術方案Fig.1 Titanium alloy tube assembly manufacturing technical solution of typical hydraulic system

1.2 液壓系統(tǒng)鈦合金導管組件性能測試方法

1.2.1 導管精度指標

繞彎過程管材過度減薄采用最大壁厚減薄率描述，即

式中，t′為管件的最小壁厚；t為管坯壁厚；It≤0.15。

管材截面畸變采用最大橢圓率描述，即

式中，Dmax為管件的最大直徑；Dmin為管件的最小直徑；D為管坯直徑；Id≤0.05。

導管外形精度根據Q/AVIC 03064—2016，采用光學測量設備檢測典型管件幾何精度。

1.2.2 鈦合金導管無擴口滾壓連接件性能測試

管路無擴口滾壓連接接頭包含導管與管套的機械連接件、外套螺母、接頭等組件（圖2）。裝配件的密封靠各組件間的連接與配合來實現(xiàn)，即導管與管套相連接，管套與外套螺母相配合以及管套與接頭相配合。其中導管與管套之間的密封性能由滾壓連接工藝來保證，管套與接頭之間的密封性能靠配合面結構設計和機加精度控制來保證。

圖2 滾壓連接接頭結構Fig.2 Illustration of joint structure in flareless internal rolling connection process

根據航空液壓管路在實際工作中所受載荷工況，液壓管路連接件在應用前，必須通過相應性能考核試驗驗證。根據HB 5966—2008要求，航空液壓管路連接件性能考核試驗包括7項試驗，即氣密、耐壓、爆破、連接強度、重復裝配、脈沖和旋轉彎曲疲勞。其中旋轉彎曲疲勞試驗最為苛刻，試驗時試驗件內部充工作壓力的液體，單端固定，另一端以一定的偏心量旋轉，通過107次循環(huán)載荷，試驗通過后，要求連接件無泄漏，該試驗考核連接接頭疲勞載荷下的密封性能。彎曲疲勞試驗件結構形式如圖3所示。在彎曲疲勞試驗中，最容易失效的地方為導管與管套之間的密封界面，失效形式為界面之間滲漏和導管的斷裂，如圖4所示。

圖3 彎曲疲勞試驗件結構形式Fig.3 Structure of bending fatigue test parts

圖4 旋轉彎曲疲勞試驗失效形式Fig.4 Failure modes in rotary bending fatigue tests

導管與管套之間的可靠連接是無擴口滾壓連接技術的難點和控制的重點，通過失效斷口分析，掌握疲勞失效機理，為連接工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據。

2 結果與討論

針對某型飛機起落架應急放典型鈦合金導管組件 （圖5），基于鈦合金導管組件制造技術途徑，綜合應用導管左/右彎數(shù)控彎曲技術、管路光學測量技術、無擴口滾壓連接技術以及導管組件性能測試技術，開展鈦合金導管組件加工制造，驗證鈦合金導管組件制造技術途徑的可行性，評估典型鈦合金導管組件制造質量。高強鈦合金 （Ti–3Al–2.5V）導管組件由導管 （直徑φ6mm×壁厚0.5mm）、管套和外套螺母組成，零件幾何信息如表1所示。導管組件外形精度要求如表2所示。針對該規(guī)格導管，建立鈦管彎曲過程模擬有限元模型，模擬導管彎曲過程。由于管材直徑較小，因此管材發(fā)生過度截面畸變的可能性較大，因此通過彎管過程的模擬，獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)，保證管材截面畸變指標合格。開展導管工藝試驗獲得導管回彈規(guī)律，提高導管彎曲成形精度。采用左/右彎數(shù)控彎管設備的機構仿真分析模塊，驗證彎管設備數(shù)控程序，防止彎管過程導管與機構干涉。采用管路光學測量設備，測量導管彎曲形狀精度，優(yōu)化迭代工藝參數(shù)，獲得導管修端參數(shù)，采用導管修端設備切除導管工藝余量，保證導管彎曲成形精度滿足設計指標。采用無擴口滾壓連接設備，實現(xiàn)鈦合金導管組件的可靠連接，導管組件滿足疲勞性能測試要求。

表1 導管組件幾何信息Table 1 Geometrical information of titanium alloy tube part mm

表2 導管外形精度要求Table 2 Requirements for tube shape accuracy mm

圖5 起落架應急放典型鈦合金導管組件（直徑φ6mm×壁厚0.5mm）Fig.5 Typical titanium alloy tube assembly for landing chassis system (diameter φ6mm×wallthickness 0.5mm)

2.1 導管工藝參數(shù)

2.1.1 彎管過程模擬及機構仿真

基于ABAQUS軟件平臺，建立鈦合金典型件繞彎全過程模擬有限元模型，模擬典型件繞彎過程。采用彈塑性動力顯式有限元法模擬典型件繞彎過程，包括管材彎曲和芯棒回側過程；基于繞彎過程的模擬結果，采用彈塑性靜力隱式有限元法模擬彎管件的回彈過程。圖6為具有代表性的鈦合金典型件繞彎過程模擬有限元模型，管材為變形體，采用4節(jié)點減縮積分雙曲薄殼單元離散，并考慮沙漏控制。彎管模具包括彎曲模、壓塊、夾塊、管塞以及芯模，均被簡化為剛體面，并采用4節(jié)點雙線性二階剛體單元離散。管坯材料為TA18鈦合金，管材為各向同性彈塑性材料，泊松比為0.3。管材屈服遵循Mises屈服準則。管材和模具間的摩擦采用庫侖模型描述，該模型定義臨界剪應力τcriti為表面間接觸壓力σn的函數(shù) （τcriti=μσn），μ為摩擦系數(shù) （0 <μ< 0.5），管模間摩擦系數(shù)設定為0.3。

圖6 鈦合金典型件繞彎過程模擬有限元模型Fig.6 Finite element model of typical titanium alloy parts bending process simulation

采用有限元模型模擬鈦管彎曲過程，圖7為管材橢圓率的分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，在相同彎曲模間隙條件下，有芯彎曲和無芯彎曲管材的扁化程度基本相同。當彎曲模間隙Cb= 0.1mm時，管材的最大橢圓率達到5.5%，當Cb∈[0，0.03mm]時，管材的最大橢圓率不超過5%，可見彎曲模的間隙對管材的扁化程度影響較大，且彎曲模的間隙越小，管材橢圓率越小。這是因為隨著彎曲模間隙的減小，彎曲模與管材內弧面的接觸作用增加，減小了管材外弧面的周向拉應力，進而減小了管材外弧面的周向壓應變，減小了管材沿周向的變形。

圖7 鈦合金管材橢圓率分布Fig.7 Ovality distributions of titanium alloy tubes

采用KM–A25–WD–CNC左/右彎數(shù)控彎管設備的機構仿真模塊，確認導管彎曲數(shù)控指令，分析彎管過程導管與彎曲機構的干涉情況。如圖8所示，隨著彎管工藝的進行，導管在彎曲設備和模具間旋轉騰移，發(fā)生導管與彎曲機構干涉的可能性將增加，采用左/右彎數(shù)控彎管設備，可以改變彎曲方向，能夠減小導管與彎曲機構發(fā)生干涉的可能性，驗證了彎管數(shù)控指令。

圖8 彎管過程機構仿真Fig.8 Mechanical structure movement simulations in a tube bending process

2.1.2 彎管工藝試驗

采用有芯彎曲的方法，開展了TA18高強鈦管的繞彎工藝試驗。圖9為管材有芯彎曲過程的回彈規(guī)律?？梢园l(fā)現(xiàn)，彎曲角越大，回彈角越大，回彈角與彎曲角呈現(xiàn)二次函數(shù)的關系，這是因為隨著彎曲角度的增加，管材變形抗力增加，管材的等效應力增加，但是彎管卸載后管材內部殘余應力變化不大，因此管材回彈角增加。對于120°管件，測量了管件內外弧面的厚向應變分布。可以發(fā)現(xiàn)，管材外弧面最大厚向壓應變不超過–0.05，管材的壁厚減薄程度滿足要求。測量了管件的橢圓度分布，發(fā)現(xiàn)，管材最大橢圓度約為0.03，滿足管材橢圓度的技術要求。

圖9 彎曲回彈規(guī)律Fig.9 Springback law of Ti alloy tubes

2.1.3 導管彎曲及檢測

在KM–A25–WD–CNC左/右彎數(shù)控彎管設備上，基于鈦管回彈規(guī)律，開展鈦管彎曲，數(shù)控程序參數(shù)如表3所示。導管如圖10所示。采用Inspect P16管路光學檢測設備，測量導管外形精度，檢測結果如圖11所示。結果表明，鈦合金導管端點軸向偏差為0.15mm和0，測量點徑向偏差為0.11～1.43mm，兩端點距離偏差為0.96mm，彎曲成形精度滿足技術要求。

圖10 典型鈦合金導管Fig.10 Typical titanium alloy tube part

圖11 鈦合金導管外形精度分布Fig.11 Geometrical precision distributions of titanium alloy tube part

表3 彎管工藝參數(shù)Table 3 Processing parameters in tube bending process

2.2 無擴口滾壓連接

2.2.1 疲勞失效機理分析

對疲勞斷裂件進行端口觀測，分析導管與管套連接界面疲勞試驗前后變化情況。沿著管材的徑向切開管接頭，并從管材徑向方向觀測，如圖12所示，斷裂位置發(fā)生在管套平直段，斷裂面在距離尾端面3～4mm處。管材斷裂具有臺階狀特征，管材的內部表面光滑；管套平直段內部表面特征存在顯著差異，在沿管套軸向上存在分界線，靠近管套平直段尾端部分內表面光滑，而在另一側表面粗糙。斷裂位置附近區(qū)域存在銀灰色–黑色相間的特征，表明試驗中存在顯著的摩擦。

圖12 疲勞剖切件Fig.12 Half parts after fatigue tests

對平直段導管與管套連接界面進行了微觀觀測，發(fā)現(xiàn)連接表面發(fā)生了微動磨損，是導致疲勞失效的主要原因。如圖13所示，從微觀形貌上判斷，導管與管套之間應為粘著磨損，兩者間發(fā)生了材料的轉移。圖13（f）為圖13（e）紅色十字區(qū)域磨粒的成分分析，F(xiàn)e元素的體積分數(shù)達到77%，可以判斷管套材料轉移到了導管上。

圖13 連接件接觸面表面形貌Fig.13 Morphology of contacting surfaces of joints

綜上所述，可以得出無擴口內徑滾壓連接件疲勞失效機制為在循環(huán)載荷下，導管與管套接觸面之間發(fā)生微動磨損，破壞了原有的接觸狀況，當磨損累積到一定程度，不足以保證導管與管套之間的緊密接觸時，連接件失效。

通過以上分析，無擴口滾壓連接件在彎曲疲勞試驗中，受到彎矩載荷作用，導管與管套之間必然存在微動磨損，這一現(xiàn)象是無法避免的，只能采取措施降低微動磨損的程度，延緩疲勞失效的發(fā)生，提升連接件抗疲勞壽命，如管套內表面涂覆二硫化鉬涂層，是提高無擴口滾壓連接件抗疲勞性能的有效措施。

2.2.2 無擴口滾壓連接工藝

導管與管套的連接接頭結構如圖14所示，成形時需要控制的參數(shù)主要有管端伸出量“2”、連接件內徑d、連接區(qū)域長度L2。管端伸出量由工裝夾具設計保證，連接件內徑由工藝參數(shù)成形扭矩控制，連接區(qū)域長度由脹形器滾柱的結構尺寸和位置控制。對每種管材，選擇相應配套的脹形器和工裝夾具；根據管套與內外工裝夾具的配合關系和連接件L2的尺寸要求，調整滾柱相對脹形器端面的位置至合適位置“L”，如圖15所示。

圖14 連接接頭結構示意圖（mm）Fig.14 Illustration of joint structure (mm)

圖15 L值示意圖及脹形器實物Fig.15 Schematic of L and forming dies

導管與管套連接后的組件如圖16所示，采用內徑卡規(guī)測量連接件L2區(qū)域的內徑d的范圍，采用千分尺測量管端伸出量。結果表明，鈦合金導管組件連接質量滿足技術要求。

圖16 典型鈦合金導管組件Fig 16 Typical titanium alloy tube assembly

3 結論

針對典型航空21～28MPa液壓系統(tǒng)鈦合金導管組件制造過程，基于導管左/右彎數(shù)控彎曲技術、管路光學測量技術、無擴口滾壓連接技術、導管組件性能測試技術等導管組件制造關鍵技術，提出了航空液壓系統(tǒng)導管組件制造技術方案，并應用于民機典型液壓系統(tǒng)高強鈦合金（Ti–3Al–2.5V）導管組件制造過程，驗證了方案的可行性，結果如下。

（1）綜合采用有限元模擬和工藝試驗研究，發(fā)現(xiàn)TA18高強鈦管彎曲角越大，回彈角越大，回彈角與彎曲角呈現(xiàn)二次函數(shù)的關系；彎曲模的間隙對管材的扁化程度影響較大，且彎曲模的間隙越小，管材橢圓率越?。徊捎米?右彎數(shù)控彎管設備，可以改變彎曲方向，能夠減小導管與彎曲機構發(fā)生干涉的可能性，驗證了彎管數(shù)控指令。

（2）采用Inspect P16管路光學檢測設備，測量導管外形精度，滿足導管技術要求，實現(xiàn)了導管零件裝機應用。

（3）獲得了無擴口內徑滾壓連接件疲勞失效機制，在循環(huán)載荷下，導管與管套接觸面之間發(fā)生微動磨損，破壞了原有的接觸狀況，當磨損累積到一定程度，不足以保證導管與管套之間的緊密接觸時，連接件失效。