郭建軍，楊立樂(lè)，戴 欽，吳 鵬，翟 鶴

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

0 引 言

航天產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)基本上由鈑金零件組成。近幾年，隨著航天事業(yè)的迅速發(fā)展，航天產(chǎn)品更新的周期趨于縮短，對(duì)鈑金零件的成形工藝要求越來(lái)越高[1]。薄壁彎管是構(gòu)成航天產(chǎn)品的重要鈑金零件之一，尤其在航天發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中使用廣泛。航天用彎管的材料主要為硬鋁、防銹鋁、不銹鋼、高溫合金等。航天用彎管的特殊性在于：①大多數(shù)是薄壁彎管；②對(duì)彎管的內(nèi)壁表面質(zhì)量要求較高。彎曲半徑較小的薄壁彎管易出現(xiàn)內(nèi)側(cè)起皺和截面畸變等缺陷，有些缺陷尚難用分析方法進(jìn)行定量計(jì)算。針對(duì)不同管徑和壁厚的薄壁彎管需設(shè)計(jì)不同的彎管模。許多學(xué)者對(duì)彎管工藝及彎管模進(jìn)行了研究，文建平[2]根據(jù)材料變形特點(diǎn)設(shè)計(jì)了彎管模，并采用反變形槽和彎管芯棒解決了彎曲過(guò)程中內(nèi)緣起皺、外緣變扁的缺陷；劉紅等[3]分析了變形速度對(duì)矩形管彎曲成形失穩(wěn)起皺的影響規(guī)律；吳青云等[4]研究了彎曲角度與卸載后回彈角度之間的關(guān)系，并通過(guò)正交試驗(yàn)分析了工藝參數(shù)對(duì)小直徑LF6鋁合金管數(shù)控彎曲回彈的影響規(guī)律；李恒等[5]討論了大口徑小彎曲半徑管件彎曲過(guò)程建模的難點(diǎn)和解決方法。

針對(duì)薄壁彎管零件成形過(guò)程中存在的問(wèn)題，分析了該零件的成形工藝，提出了控制防皺塊的前端與滾輪切點(diǎn)距離和減小防皺塊與滾輪之間的間隙的工藝方案以改善彎管褶皺，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償了彎管的回彈，設(shè)計(jì)了薄壁彎管成形所需的彎管模。最后將設(shè)計(jì)的模具應(yīng)用于生產(chǎn)，得到了合格的成形零件。

1 彎管成形工藝分析

圖1所示為某彎管零件，管的外徑為φ52 mm，壁厚為1 mm，材料為1Cr18Ni9Ti，中心線彎曲半徑為R96 mm，尺寸如圖1所示。

圖1 彎管零件

該彎管零件的成形特點(diǎn)：①?gòu)澒艿淖钚澢霃揭殉^(guò)所允許的最小彎曲半徑值，在彎管時(shí)易出現(xiàn)起皺和開(kāi)裂的失穩(wěn)現(xiàn)象，管材采用繞彎彎曲時(shí)的最小彎曲半徑為（2～2.5）D（D為彎管直徑）[6]；②彎管內(nèi)壁表面質(zhì)量要求較高，不允許有劃痕現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步確定彎管彎曲成形時(shí)的具體缺陷趨勢(shì)，現(xiàn)采用DynaForm軟件模擬其成形過(guò)程，彎管成形極限圖如圖2所示。

從圖2（a）成形極限圖得知，彎管內(nèi)側(cè)在成形時(shí)有嚴(yán)重起皺趨勢(shì)，從圖2（b）成形厚度云圖得知，彎管成形后的最小壁厚為0.851 mm，未超過(guò)中、低壓管15%的減薄率。

圖2 彎管成形極限圖和成形厚度云圖

針對(duì)起皺問(wèn)題，提出了在設(shè)計(jì)彎管模時(shí)加防皺塊控制內(nèi)側(cè)起皺的方案，需控制防皺塊的前端與滾輪切點(diǎn)距離和減小防皺塊與滾輪之間的間隙。

2 彎管機(jī)選型計(jì)算

2.1 彎曲力矩估算

彎曲力矩可用下列公式估算：

式中：M——彎曲力矩，N?mm；μ——因摩擦而使彎矩增大的系數(shù)，一般情況下，采用剛性芯棒，不用潤(rùn)滑時(shí)，可取μ=5～8；若用剛性的鉸鏈?zhǔn)交顒?dòng)芯棒，可取μ=5；W——抗彎截面系數(shù)，mm3；σb——材料抗拉強(qiáng)度，MPa；D——管子外徑，mm；ρ——彎曲中性層曲率半徑，mm。

經(jīng)計(jì)算，得：

2.2 彎管機(jī)選擇

彎管機(jī)的選擇主要考慮以下3個(gè)方面：①?gòu)澒軝C(jī)所能彎曲的最大或最小管外徑；②彎管機(jī)的最大或最小彎曲半徑；③彎管機(jī)的彎曲力矩是否滿足彎管需求。綜合以上因素，初步選用VB300HP彎管機(jī)。

3 彎管模設(shè)計(jì)

3.1 模具結(jié)構(gòu)

模具結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 彎管模工作原理

將彎管毛坯放置于預(yù)定位置，根據(jù)制定的程序，管材毛坯由固定在彎管機(jī)上的壓緊塊5夾緊固定，同時(shí)導(dǎo)向塊組件1、芯軸組件2和防皺塊3移動(dòng)到預(yù)定位置。管材彎曲時(shí)，彎管模中的滾輪組件4通過(guò)彎管機(jī)上的主軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。彎曲過(guò)程中，管材由導(dǎo)向塊組件1導(dǎo)向，由芯軸組件2防止管材截面形狀的畸變，同時(shí)由防皺塊3防止褶皺的產(chǎn)生。當(dāng)滾輪組件4根據(jù)設(shè)定的程序轉(zhuǎn)動(dòng)到所要彎曲的角度時(shí)，彎管機(jī)上的主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，各零部件復(fù)位后，取出彎曲后的管材，成形完畢。

3.3 主要模具零件設(shè)計(jì)

3.3.1 滾輪組件

滾輪組件采用鑲拼式結(jié)構(gòu)，鑲件通過(guò)螺釘與滾輪連接，設(shè)計(jì)時(shí)需確定彎曲中心線半徑值。在確定彎曲中心線半徑值時(shí)應(yīng)考慮彎管的回彈。對(duì)于管材彎曲回彈的問(wèn)題，由于問(wèn)題的復(fù)雜性、目前理論預(yù)測(cè)局限性及材料性能測(cè)試的難度，仍無(wú)法較好地解決[7]。表1所示為生產(chǎn)彎管過(guò)程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)值。

表1為不同材料、不同規(guī)格、不同內(nèi)彎曲半徑的管材在VB300HP彎管機(jī)上彎曲時(shí)所產(chǎn)生的回彈值，數(shù)據(jù)符合管材回彈的規(guī)律：在其他參數(shù)相同的情況下，彎曲半徑和彈性模量越大，回彈就越大。根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)，初步確定回彈值為3 mm。

表1 彎管回彈經(jīng)驗(yàn)值 mm

3.3.2 芯軸組件

芯軸組件采用球形鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，球形鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)能全方位旋轉(zhuǎn)，有利于彎管的成形。球形鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的芯軸由多個(gè)芯軸塊與芯軸桿組成，其中每個(gè)芯軸塊都能全方位旋轉(zhuǎn)。如圖4所示，球頭節(jié)的節(jié)距是重要參數(shù)，其取值決定了芯軸塊的長(zhǎng)度，決定管材彎曲時(shí)芯軸對(duì)內(nèi)側(cè)管壁的支撐點(diǎn)分布是否合理，分布點(diǎn)過(guò)密會(huì)增加模具制造難度；反之，則會(huì)使彎管起皺。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬彎管成形的過(guò)程，最終得到合理的節(jié)距。

芯軸的一端通過(guò)分為兩半的連接塊與半球頭節(jié)連接，另一端通過(guò)螺紋孔與設(shè)備連接。芯軸塊的內(nèi)部通過(guò)臺(tái)階孔與球頭節(jié)和半球頭節(jié)連接。芯軸塊的數(shù)量根據(jù)管材的D因子（管子中心線半徑/管子外徑）和壁厚因子（管子外徑/管子壁厚）確定。連接塊的一端通過(guò)球形槽與半球頭節(jié)的配合連接，另一端通過(guò)螺釘與芯軸連接。壓縮彈簧置于球頭節(jié)和半球頭節(jié)內(nèi)部的平鍵中心的槽內(nèi)，彈簧的頂部用一個(gè)鋼球頂在與之連接的半球頭節(jié)或連接塊上，使每個(gè)芯軸塊連接后都具有一定的運(yùn)動(dòng)剛性。半球頭節(jié)是將球頭節(jié)一分為二，既保證了球頭裝配到前一個(gè)球頭節(jié)上，又使后一個(gè)球頭節(jié)的球頭裝配到本身的球形空腔內(nèi)。在每2個(gè)半球頭節(jié)的中間采用鍵連接，保證兩部分的對(duì)接裝配精度。球頭節(jié)的球面與相應(yīng)零件的配合按0.1 mm的間隙進(jìn)行安裝，方便球面間的轉(zhuǎn)動(dòng)。球頭節(jié)、半球頭節(jié)與芯軸塊的連接結(jié)構(gòu)一端采用凸臺(tái)定位，另一端為軸用擋圈固定裝配。

3.3.3 防皺塊

防皺塊結(jié)構(gòu)如圖5所示，由局部剖示處可知，最薄處的理論值為0，當(dāng)用機(jī)加工方式加工至此處時(shí)，零件承受不了加工載荷而出現(xiàn)裂口破損，導(dǎo)致該處缺料，不能有效抵住管壁，防皺效果差。針對(duì)此問(wèn)題，規(guī)定此處最薄壁厚為0.1 mm，制定手工研磨方法的加工力度大小，以達(dá)到圖紙公差要求，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明使用這種形式的防皺塊達(dá)到了預(yù)期效果。除此之外，為了有效控制彎管褶皺的產(chǎn)生，還采取了2個(gè)措施：①控制防皺塊的前端與滾輪切點(diǎn)距離；②減小防皺塊與滾輪之間的間隙。防皺塊的R為考慮回彈后的內(nèi)彎曲半徑加上0.5 mm，并將防皺塊R中心置于滾輪中心以上0.5 mm，以便于防皺塊與滾輪有效貼合，減少滾輪與防皺塊的間隙，從而有效防止褶皺的產(chǎn)生。

圖5 防皺塊結(jié)構(gòu)

4 主要模具零件材料的選擇及熱處理

彎管模主要由滾輪組件、芯軸組件、防皺塊、導(dǎo)向塊組件和壓緊塊組成。滾輪、導(dǎo)向塊和壓緊塊的材料采用45#鋼，熱處理硬度為34～38 HRC。為了防止管材彎曲過(guò)程中劃傷內(nèi)壁，芯軸和防皺塊的材料需根據(jù)零件材料而定。當(dāng)零件材料為鋁合金時(shí)，芯軸塊和防皺塊的材料為45#鋼，熱處理硬度為34～38 HRC；當(dāng)零件材料為不銹鋼時(shí)，芯軸塊和防皺塊的材料為QAl9-4。因?yàn)楣懿膹澢^(guò)程中，芯軸內(nèi)部需承受一定的載荷，所以球頭節(jié)、半球頭節(jié)和連接塊的材料都選擇綜合力學(xué)性能較好的30CrMnSi，熱處理硬度為40～45 HRC[8-10]。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有薄壁彎管成形工藝進(jìn)行分析，采用控制防皺塊的前端與滾輪切點(diǎn)距離和減小防皺塊與滾輪的間隙的工藝方案改善了彎管褶皺，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償了彎管的回彈，從彎管成形和模具設(shè)計(jì)方面優(yōu)化了零件的成形工藝，將設(shè)計(jì)的彎管模應(yīng)用于生產(chǎn)，得到了合格的成形零件，如圖6所示。該模具結(jié)構(gòu)和彎管的回彈值可為成形類(lèi)似零件的模具設(shè)計(jì)提供參考。

圖6 合格零件