薄壁細(xì)管件的彎曲加工工藝

張振炎

1. 問(wèn)題提出

在某型號(hào)彈射座椅的研究試制過(guò)程中，我們遇到了技術(shù)難題：有一薄壁不銹鋼細(xì)管零件不能用已知方法加工出來(lái)。該彎管零件材料為φ 4mm×0.5mm不銹鋼管，要求內(nèi)孔加工到φ 3mm，彎管后必須保證φ2.9鋼球能自由通過(guò)，如圖1所示。

圖 1

表 1

2. 分析與解決

查《鈑金冷作工手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》）管材最小彎曲半徑的計(jì)算見(jiàn)表1。

由表1可知，材料為不銹鋼管時(shí)，最小彎曲半徑為R=2.5 D＝2.5×4=10（mm）。該零件壁厚只有0.5mm，顯然不能采用氣焊加熱和充沙加熱的彎曲工藝。假如可采用不充沙冷彎的工藝，計(jì)算得最小彎曲半徑為R=3 D＝3×4＝12（mm）。而零件設(shè)計(jì)要求的彎曲半徑為6mm，甚至只有理論彎曲半徑的一半。查《手冊(cè)》管材的最小彎曲半徑允許值表，摘錄部分?jǐn)?shù)據(jù)如下。

由表2 數(shù)據(jù)按線性規(guī)律估算，當(dāng)d＝4mm，t＝0.5mm時(shí)最小允許彎曲半徑R≈10mm。理論最小彎曲半徑為12mm，實(shí)際允許最小彎曲半徑為10mm。而此零件設(shè)計(jì)要求為R＝6mm。

不銹鋼材料較難彎曲，需要較大彎曲力。此零件對(duì)彎曲質(zhì)量要求較高: φ3mm內(nèi)孔鋼管彎曲后保證φ 2.9mm鋼球能自由通過(guò)，就是要求彎曲后管截面基本不變形。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)我們知道：如果采用不加填料冷彎工藝不可能達(dá)到如此高的彎曲質(zhì)量，必須采用填料彎曲加工工藝。

該零件內(nèi)孔直徑只有3mm，填料灌注不方便。無(wú)論是固態(tài)填料還是液態(tài)填料，填料時(shí)都極易產(chǎn)生灌不滿、氣泡、填料不實(shí)的缺陷。因此，必須采用新的更合理的填料方法，解決填料填充質(zhì)量的問(wèn)題。

剛開(kāi)始，我們采用易于熔化的松香作填料試驗(yàn)。在精心將松香熔化后填注到不銹鋼管中后，待松香冷硬后彎曲試驗(yàn)。無(wú)論我們?cè)鯓优Γ瑥澢龅脑嚰孛娑紩?huì)過(guò)量變形，不能滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)對(duì)彎管彎曲進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

分析可知，管子彎曲時(shí)內(nèi)部填料主要受到壓應(yīng)力作用，且管子內(nèi)外側(cè)受壓應(yīng)力比中線兩側(cè)側(cè)面小，截面受力不均使彎曲管子截面成似橢圓形。如果填料抗壓強(qiáng)度不夠，受壓體積改變或發(fā)生“流動(dòng)”現(xiàn)象都會(huì)使彎曲后截面成似橢圓形。采用松香作填料時(shí)，過(guò)大的壓應(yīng)力使松香材料在管內(nèi)發(fā)生“流動(dòng)”現(xiàn)象，使彎出的截面變形。

我們又用較常用可承受較大壓應(yīng)力的較細(xì)顆粒石英砂材料作填料彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果也是管子截面變成似橢圓形。分析可能是因?yàn)槭⑸邦w粒在受到較大不均的壓應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生輕微的相對(duì)滑動(dòng)，使彎出的截面變形。

我們想到用φ 3mm鋁棒直接插到不銹鋼管中做填料。彎曲試驗(yàn)后的截面形狀基本可以滿足要求，但彎曲后鋁棒沒(méi)辦法從孔中取出，也行不通。

在用以上3種材料試驗(yàn)未果后，我們知道必須找到一種新的填料，這種填料至少需滿足以下條件：①承受較大壓應(yīng)力作用時(shí)體積不會(huì)改變。②截面受到不均壓力作用時(shí)不變形或變形很小。③易于填注到細(xì)管中。④彎曲后易于從彎管中取出。

后來(lái)，在以上經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們想到了低熔點(diǎn)合金材料。查閱了多本低熔點(diǎn)合金資料后，我們找到一種熔點(diǎn)為70℃低熔點(diǎn)合金配方：鉛27%，鎘10%，鉍50%，錫13%。在用天平稱量各種材料混合熔化后，我們制成了這種低熔點(diǎn)合金材料。我們將這種低熔點(diǎn)合金熔液通過(guò)自己設(shè)計(jì)的灌模灌注到管中，待冷凝后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。彎曲后細(xì)管外延出現(xiàn)輕微裂紋，但彎曲后管徑基本可以滿足要求。

認(rèn)真對(duì)比查看彎曲前后細(xì)管，注意到：細(xì)管在彎曲前內(nèi)壁存在輕微擴(kuò)孔加工工序的刀痕，在刀痕較明顯處的裂紋較明顯。分析可知，在彎曲時(shí)管件外壁受拉應(yīng)力作用，在有刀痕地方產(chǎn)生應(yīng)力集中，使本來(lái)就有較強(qiáng)塑性不銹鋼薄壁拉裂。降低細(xì)管內(nèi)表面表面粗糙度可減少應(yīng)力集中，因此建議車(chē)間將細(xì)管上一道擴(kuò)孔工序由鉆削加工改為用鉸刀擴(kuò)孔加工并增加磨內(nèi)孔工序。

在改進(jìn)工藝提高內(nèi)表面的加工精度后，我們又一次填入低熔點(diǎn)合金試驗(yàn)。彎曲后，裂紋消除了，經(jīng)檢驗(yàn)員測(cè)量可滿足設(shè)計(jì)要求。在灌注低熔點(diǎn)合金熔液到細(xì)管中時(shí)，往往是熔液還沒(méi)流到管底就冷凝了，為方便灌注這種低熔點(diǎn)合金熔液到細(xì)管中，又設(shè)計(jì)了專用灌裝模具，用這種模具可以一次灌裝8件，大幅提高了灌注效率與成功率。

3. 結(jié)語(yǔ)

航空產(chǎn)品零件的特殊性與生產(chǎn)條件限制，生產(chǎn)中遇見(jiàn)技術(shù)難題已是常事。關(guān)鍵是遇到問(wèn)題時(shí)應(yīng)冷靜分析，將問(wèn)題分解為若干小問(wèn)題，再在這些小問(wèn)題中找到“主要矛盾”，有針對(duì)性地去逐個(gè)解決。

圖2

表 2 （mm）