一種手動盤旋管成形裝置的研制

黃智健，韓清華，王海英，曹德旺，姜豐收

(1.西安飛豹機電有限公司，西安 710089;2.中航工業第一飛機設計研究院，西安 710089)

飛機內部結構有很多不銹鋼管形零件，按其功用可分為結構導管、系統導管[1]。在液壓、燃料和冷氣系統導管中常見有盤旋彎曲管件。盤旋導管主要用于飛機系統管路中相鄰連接處存在微量相對運動的部位。由于盤旋導管用于飛機振動環境下，因此在設計中應綜合考慮管材的各種力學和物理性能及加工狀態，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旋管的成形和疲勞壽命，所以盤旋管的制造質量至關重要。

在彎管技術中，主要采取手工彎曲成形和機械彎曲成形。對于曲率半徑小的彎管主要采用手工彎曲的方法[3]，對于曲率半徑大的彎管多采用三軸滾動彎管機輾壓方式[4]，使管坯變形，達到所需的幾何形狀。盤旋管加工制造方法的相關資料、經驗介紹較少，文獻[5]主要介紹了針對銅質螺旋管并使用車床繞制而成的生產工藝。不銹鋼盤旋彎曲管件的加工制造成為一個亟待解決的問題。文中采用機械冷作成形的原理設計一套裝置，通過實驗驗證，該裝置解決了不同管徑不銹鋼導管成形不同直徑盤旋管的加工問題。

1 盤旋管技術要求

不銹鋼盤旋管形狀如圖1所示，管徑不同，彎曲半徑不同。盤旋管的技術參數見表1。

橢圓度要求:距離管端50 mm長度范圍內，不允許導管有橢圓度，導管彎曲處的橢圓度允許不超過8%。

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

導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公差。

圖1 盤旋管示意Fig.1 Sketch map of spiral tube

表1 盤旋管規格及參數Table1 Specifications and parameters of spiral tube mm

2 技術分析

管材0Cr18Ni9伸長率為35%，導管外徑為φ6 mm，壁厚為0.6 mm。在彎曲變形后管壁受壓部分容易產生皺紋，導管彎曲處易產生橢圓變形。如何保證所產生的皺紋和橢圓度符合技術要求，控制螺距P值在盤形旋轉540°后保持不變，是設計的關鍵。其次是控制彎曲變形后曲率半徑R的回彈量，保證彎曲半徑達到設計要求。另外導管彎曲時產生變薄量也要加以控制。

導管受到外力作用，會產生塑性變形，導管彎曲時，彎曲部分的外側管壁受切向拉應力的作用變薄，甚至開裂。內測管壁受到切向壓應力的作用而變厚，甚至失穩起皺[6]。

綜上所述，主要采取以下措施保證成形后達到設計要求。

采用螺旋槽繞制的形式，迫使導管在繞制過程中按照一定的軌道產生塑性變形，變形后保持幾何形狀不變。采用螺旋槽形式，可防止導管在塑性變形時出現塌陷。為防止管壁沿管徑垂直方向兩側擴張，產生橢圓度變形，在管材外側加上護套，防止和限制管壁向外擴張。

采用滾動壓輪施行壓輥力，使得導管受彎，變形力均勻施加到導管上。滾動壓輪與導管接觸橫截面的形狀為半圓形，迫使導管沿著螺旋槽變形。變形過程中，導管圓周有模具裹護，防止產生橢圓度和皺紋。采用靠模桿與輪軸連接技術調節彎曲力矩。

3 曲率半徑和螺距的計算

螺旋槽設計時槽間距和曲率半徑極為重要，要計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。

在螺旋管加工過程中，當卸除載荷后，由于金屬本身存在彈性回復現象[6]，因而材料在成形后的形狀會發生畸變，使曲率及彎曲角度減小。根據卸載后殘余應力理論，殘留曲率等于受載荷所產生的曲率減去卸除載荷產生彈性回復時的曲率[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變完全為彈性條件時由彎矩所引起的曲率，這就是彈性區所產生的曲率，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0半徑之差，即;F為螺旋管材料的應變剛模量。

利用公式(1)－(3)，得出R與R'的關系為:

由于螺旋管的彈性回復不僅會引起半徑發生變化，而且會引起螺距變化。變化過程中整個螺旋管的長度不變，其關系如圖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，彈性回復前后半徑和螺距的關系為:

由此，可以得出P的計算公式為:

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 盤旋管成形裝置設計

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

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

該設計的工作原理及工作過程是:首先，將用于加工盤旋管的導管坯材穿過導管通道，調節螺栓和螺母，使得導管坯材卡在導管通道中，將穿過導管通道的導管坯材卡在導管盤旋成形桿上的螺旋槽中，通過操作手柄，帶動輪軸和滾輪旋轉，使得導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，通過轉動手柄迫使導管坯材繞螺旋槽母體旋轉，轉動1圈半，滾輪便帶動導管坯材繞螺旋槽旋轉1圈半，這樣便完成了盤旋管的加工;最后，拆除將導管盤旋成形桿固定連接在軸套中的銷子，將加工好的盤旋管從導管盤旋成形桿上旋下，再次安裝好銷子，便可進行下一件加工。

由于手柄與滾輪之間的輪軸上連接有穿過輪軸且能夠在所述螺旋槽中滑動的靠模桿，因此能夠保證導管坯材始終沿所述螺旋槽的軌跡運動，能夠保證盤旋管的螺距符合設計要求。

該設計防止管坯在受力變形過程中產生皺紋和橢圓度，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套，防止和限制管壁向外擴張，有效地控制了皺紋和橢圓度的產生。

旋轉手柄時帶動滾輪轉動，凹型滾輪的擠壓力所產生的彎曲扭矩，迫使管坯沿著螺旋槽軌跡轉動，采用這種形式滾壓可以保證徑向螺距P的尺寸符合設計要求。

靠模桿與輪軸螺紋連接，可調節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計要求。

5 盤旋管成形裝置試驗

選用0Cr18Ni9材料，導管外徑為φ10 mm的管材，繞制曲率半徑R為35 mm的盤旋管，進行10件試件彎曲成形試驗和測量，驗證裝置的功能、準確性和可靠性。

通過該裝置制成盤旋管后，使用萬能工具顯微鏡、數顯卡尺、三爪孔徑千分尺等量具，在(20±1)℃的計量室環境下，恒溫后測量得到的實際數據見表2。通過對10件試件彎曲成形試驗并測量，測量結果顯示，實測值均滿足公差要求。

表2 外徑為φ10 mm的0Cr18Ni9管材驗證測量數據Table2 Measurement datasheet of 0Cr18Ni19 tube of 10 millimeter in outside diameter mm

6 裝置的設計特點

組合支座由經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，導管盤旋成形桿通過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。擋板通過銷子、螺栓及與之相配合螺母固定連接在導向套上，輪軸的底部連接有用于對滾輪進行限位的緊固螺栓，靠模桿與輪軸螺紋連接。計算螺距P值，對螺旋槽的螺距進行修正，使得成形后的P值一致。在管坯內裝入填充物，防止彎曲時產生撕裂等。

盤旋管成形裝置設計具有快換功能，通過更換螺紋桿外徑和螺旋槽深度不同的導管盤旋成形桿，可以成形不同規格的盤旋管，解決盤旋管直徑與導管坯材管徑變化的加工問題，適應性強，工作效率高，裝置利用率高，加工盤旋管的成本低。

成形裝置的手柄與滾輪之間的輪軸上連接有穿過輪軸且能夠在螺旋槽中滑動的靠模桿，因此能夠保證導管坯材始終沿所述螺旋槽的軌跡運動，能夠保證盤旋管的螺距符合設計要求，利用靠模桿獲得了良好的導向穩定性，具有良好的操縱性和可靠性。

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

7 結語

盤旋管成形裝置已應用于實際生產中，解決了生產制造工藝問題，有獨到之處，但裝置的設計還需進一步完善。該盤旋管成形裝置已申報實用新型專利。

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