同軸雙層三維金屬管的制造工藝

徐瑩

摘 要：本文通過介紹了雙層三維金屬管零件在成形過程通過中夾層間隙的控制來確保同軸的制造工藝，可供管路加工參考使用。

關鍵詞：制造工藝；雙層金屬管；雙層管同軸的控制

中圖分類號：TG376.9 文獻標識碼：A

彎管零件具有產品輕量化、強韌化和低耗、高效等優點，是航空、航天以及民用工業中管道系統的重要組成部分。本文分析了同軸雙層三維金屬管的特性以及在制造過程的控制點，介紹了制造過程中的幾種制造工藝。

1.同軸雙層三維金屬管工藝性分析

同軸雙層三維金屬管具有雙層結構，由于該件的特殊結構使其具有較好隔熱效果的優點，廣泛應用于高溫的工作環境。同軸雙層三維金屬管具有四方面約束，分別為金屬材料、管材、雙層管的同軸和三維空間結構，其特點決定了此種零件具有金屬管材的工藝特性。根據金屬管的材料性能、管材直徑、管材壁厚、零件彎曲半徑、彎曲角度和形狀、對金屬管彎曲處壁厚減薄量、金屬管圓度、金屬管圓滑波紋的要求，以及對雙層金屬管的同軸的控制要求，決定了其加工工藝的難易程度。

2.同軸雙層三維金屬管制造工藝

2.1 彎曲成形控制

為了將管材彎成具有一定彎曲半徑、角度和形狀的零件，彎管工藝作為管材塑性成形的重要分支，是生產輕質結構的一種十分重要的制造手段。同軸雙層三維金屬管根據具有金屬管材的特殊結構特點工藝特性的特點，通過完成同軸控制，利用彎管工藝實現產品的制造。下面介紹不同影響因素條件下的幾種制造工藝。

（1）材料因素

根據材料的不同，同軸雙層三維金屬管分為冷彎和熱彎兩張成形方式。根據管材的延展率的特點，選擇相應的加工方式。理論上，在常溫下可通過計算管材的彎曲成形能力：

E=0.5D/R

E——管材百分比延展率；

D——管材外徑；

R——管材中心線形成的彎曲半徑。

當管材的延展率E大于≥25%時，采用常溫彎管。同軸雙層三維金屬管的基本成形為常溫冷加工彎曲成形。對于像鈦合金類管材，因其具有比強度高、塑性較差，延展率小的特點，常溫成形困難，應選擇熱加工成形。此類材料的管路多應用于溫度不高的工作環境，且具有無彎曲或彎曲少的管路特點。

（2）彎曲處的彎曲半徑

常規彎曲是指將一根完整的管材在常溫下通過數控彎管機等彎管加工設備，在管路的若干部位進行彎曲成形，其優點是完整管路成形過程中及成形后管路依然連續不間斷，成形后變形小，強度高。根據彎曲半徑的大小以及空間結構特點可采取手工彎管、自動彎管機彎管、數控彎管以及模具成形4種方法。

大彎曲半徑多采用手工彎管的方式，此類結構多用于民用產品。手工彎管是將管路的一端固定，利用管模轉動彎曲成一定角度。其特點是受人力的限制，生產效率低，但方式比較靈活。手工彎管以簡單的彎曲半徑大的小管徑零件為主，并且彎管過程需要填砂或松香。

小半徑彎曲管路多采用數控彎管的方式。此類結構多用于航空發動機外部管路系統的敷設。數控彎管可加工彎曲半徑相對較小、曲折直徑大、幾何形狀復雜、公差要求較嚴格的管路，生產效率高。由于設備的局限性，采用數控加工管路，管路彎曲半徑、相鄰彎曲處切點間距離需要滿足設備要求，并且數控彎管過程中存在碰撞與干涉的現象。

對于具有彎曲半徑小的特點，且對管路彎曲處壁厚減薄量、圓度、圓滑波紋均有要求，管路的結構特點及設計參數要求不適應用數控彎管機的，可通過模具設計與制造實現三維金屬管的空間結構成形。

2.2 雙層管路同軸控制

零件成形另一關鍵點在于如何控制雙層金屬管的同軸條件，使其在成形過程中不會有局部懸空，從而避免產生圓度超差、內半徑處起皺、以及管腔內的填充物殘留等現象。一般而言，彎管成形的主要缺陷有失穩起皺、壁厚過度減薄、截面畸變、拉裂和回彈。

傳統的彎管是采用成套彎曲模具進行制作的。根據管型的需要，直徑大于10mm的導管彎曲前須在管腔內填充松香或沙，彎曲后再將填充物去除。彎管過程中，產品質量受操作者的經驗和技術熟練程度影響比較大。因此，管型差異較大，校正量大。直徑大于18mm以上的導管彎曲質量尤其難以保證，往往產生圓度超差、內半徑處起皺、管腔內的填充物殘留等現象。下面介紹4種常用雙層金屬管同軸的控制方案

（1）灌砂法

最為常見的為灌砂法，主要要適用于管型直徑大于10mm的導管。其方法為在管腔內及夾層間灌砂控制夾層間隙，成形后去砂。此種方法的弊端為如果管路夾層間隙小，則不容易灌注，出現不能完全充滿內外管路的間隙現象。成形后的產品不能達到同軸及其他相關要求。

（2）灌松香法

灌松香法也較為常見，它是在管腔內及夾層間灌注加入后的松香控制夾層間隙，待冷卻后進行成形，成形結束加入管路去除松香。由于松香本身的物理特性，會出現不能完全充滿內外管路的間隙現象、管腔內的松香有殘留現象。成形后的產品不能滿足同軸及其他相關要求，并且。

（3）小管徑管外繞絲法

根據雙層金屬管路內層管路的直徑以及管路的長度選取相宜的螺距，以及相宜直徑的鋼絲均勻地纏繞在最內層管路的外壁上，然后將纏繞著鋼絲的內層導管插入到要求的外層管路內，形成同軸。將固定好的雙層金屬管通過相應的成形方法成形后，分別從兩端反方向將鋼絲向外繞取抽離，從而控制雙層金屬管的同軸。此種方法的弊端為如選取的螺距和鋼絲直徑不當則會導致局部區域可能發現斷絲現象，導致金屬絲無法從夾層間完全取出，同軸控制失敗，不能滿足控制要求。

（4）液體填充法

液體填充法是將選用的液體填充至金屬管內外管壁的夾層以及內腔中，利用填充液體，減小彎曲時金屬管的橢圓度和管壁的折皺。液體的選材原則為不具有腐蝕性，材料普遍成本低，流動性好，易填充，同時還要對零件內壁起到支撐作用。由于水具有沸點高、蒸發熱大、熱容高、反常膨脹、良好溶劑、能不斷發生締合，具有在正常大氣壓下，水結冰時，體積突然增大11%左右，同時產生壓力的特性，所以水凝固成冰起到填充的作用，其硬度不傷害零件表面，能有效的抵抗金屬管在彎曲過程中所產生的應力，對管徑變形影響極小，因此而被廣泛應用于填充。在同軸金屬管內外管壁的夾層以及內腔內注水，利用工裝定心并進行兩端封堵。通過將注水的雙層金屬管冷凍方式固定從而達到同軸雙層金屬管的夾層間隙的控制。此方法簡單，快捷，產品質量穩定可靠，非常適用于多層不同直徑的薄壁管路間的位置控制。

結論

綜上所述，通過不同影響因素條件下的幾種制造工藝的介紹，對于同軸雙層三維金屬管的加工，可根據產品的具體設計要求，以及工作環境的條件，選用合理的工藝手段，制造出符合設計要求的高質量產品。以上方法適用于單層各種直徑的管路加工，同樣也適用于多層不同直徑的薄壁復雜難加工同軸、偏心管路的加工。

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