薄壁圓管成形方管工藝分析及模具設計

張新棋，郭建軍，張新宇，李 杰，戴 欽

（中國運載火箭研究院 首都航天機械有限公司，北京 100076）

0 引言

噴管延伸段是液體火箭發動機的關鍵部位之一，采用螺旋管束式結構，外形呈鐘罩型，主體由數百根高溫合金變截面薄壁螺旋方管焊接而成。噴管類零件是液體火箭發動機中常用及重要的部件，其成形質量影響發動機的性能和安全[1]。近年來，隨著航天事業的迅速發展，航天產品更新的周期趨于縮短，對鈑金零件的成形工藝要求也越來越高[2]，而方管的成形精度將影響后續的焊接效果，如果方管尺寸精度無法保證，后續的彎管焊接無法實現自動化。參考文獻[3]公開了一種方管成形用軋輥、方管的軋輥成形方法及成形裝置，利用多用途軋輥將圓管成形為方管。參考文獻[4]公開了一種汽車用大壁厚、大外形方管支撐橋成形工藝，將尺寸計算好的5 組成形模裝入模具箱內，利用壓力機滑塊推動圓管依次通過5 組成形模，將圓管成形為方管。該薄壁圓管成形方管工藝的特點：①管料壁厚薄，壁厚僅為0.33 mm；②成形精度要求高，且需成形帶有羊角的方管。

現針對GH3600 薄壁圓管成形方管工藝以及成形模使用過程中存在的問題，分析并優化了零件的成形工藝，改進了模具結構，設計了適合薄壁圓管成形為帶羊角方管的模具。

1 成形工藝分析

圖1 所示為圓管成形方管后的結構，材料為GH3600，料厚為0.33 mm。零件的特點是由薄壁圓管成形為帶羊角的方管，現有圓管成形方管的成形工藝過程為：先變徑后變截面，通過預先縮口→拉拔→旋鍛將管料的一端進行縮頸處理，并形成過渡圓錐，成形變徑管，之后對大端、小端和過渡段分別進行截面成形，形成最終的變截面方管。現僅針對大端的截面成形方管進行研究，成形方管過程采用內部填充支撐物的方式，通過多次往復碾壓，減少單道次的變形量，以保證變形的均勻性，實現高精度成形方管。滾壓成形能夠加工形狀復雜的斷面，且彎曲時具有均勻的冷作硬化[5]。

圖1 管料成形方管后的結構

大端部位成形方管是關鍵工序，成形方管過程中內部填充物容易外溢，設備需定期清理。為了研究薄壁圓管成形方管過程中是否可以不填充物料，基于ABAQUS有限元平臺，采用Explicit動態顯示算法，將成形方管的成形輪定義為不可變形的剛體并簡化為面，進行不填充物料的成形仿真，成形輪網格劃分如圖2 所示，成形高度為5.4 mm 時管料成形極限如圖3 所示，表1 所示為GH3600 的物理性能及力學性能。

表1 GH3600物理性能及力學性能

圖2 成形輪網格劃分

圖3 管料成形極限

圖1 所示零件要求的成形高度為（5.4±0.05）mm，從圖3 成形極限可知，在管料成形所需的5.4 mm 高度時，如果在管料內部無填充物，無法成形有效截面形狀，成形的管料局部有凹陷及起皺現象，如圖4所示。

圖4 無填充物管料成形缺陷

如圖5 所示，在管料成形到所需高度尺寸5.4 mm 時，兩成形輪外臺階間隙為2.4 mm，而在管料成形時又具有回彈現象，則兩成形輪外臺階實際間隙＜2.4 mm。通過研究分析并經試驗驗證，需要在管料內部填充物料才能成形有效的截面形狀并達到尺寸要求。

圖5 管料成形間隙

2 成形工藝問題及改進措施

2.1 成形工藝問題

在圓管自動化成形過程中，成形工藝的主要問題為管料卷曲和成形尺寸超差。當管料在自動化成形過程中發生管料卷曲時，一方面耽誤了生產，另一方面破損了模具零件型面。管料卷曲是管料自動化成形過程中必需解決的問題，圖6 所示為管料卷曲的實物。

圖6 管料卷曲

成形后的管料還存在尺寸超差的問題，成形后大端主要截面尺寸如表2所示。

表2 管料成形后大端主要截面尺寸 mm

2.2 改進措施

針對自動化成形過程中存在管料卷曲的問題，通過實際生產研究發現，將管料填好填充物并自動夾緊管料的小端后，小端寬度大于成形模的槽寬，自動化成形過程中，管料有可能無法從模具中退出，而成形輪一直在旋轉，因此產生管料卷曲的問題，通過修磨自動夾緊虎鉗夾爪夾緊實物的有效寬度，改進零件的小端夾緊寬度，使自動夾緊后的小端寬度小于成形模的槽寬，解決了該問題。

針對管料成形后尺寸超差問題，通過實際生產分析發現，影響管料成形尺寸的因素主要有上下模合模間隙、模具零件型面尺寸、管料填充物的軟硬程度等。

管料成形過程是將管料置于成形凹模內，通過成形凸模對管料施壓，凹模帶動管料勻速進給，最終使管料向四周貼向模具成形零件，部分管料擠入成形輪的間隙形成羊角，管料成形原理如圖7所示。實踐證明，上下模合模間隙和模具零件型面是保證成形尺寸的關鍵，通過調整上下模合模間隙和修正模具零件型面可以得到合格的成形尺寸，而管料填充物的軟硬程度受溫度影響較大，也會影響管料成形后的尺寸。

圖7 管料成形原理

回彈是影響和制約板料成形精度的重要因素，對回彈進行有效預測和控制是提高成形精度的關鍵[6,7]。室溫溫度影響管料內部填充物的硬度，從而影響管料輥壓后的成形尺寸，因此需保持室溫溫度在合理范圍，以去除溫度對管料成形尺寸的影響。經試驗得知，成形適宜的環境溫度為22°～25°，通過試驗并分析所記錄的試驗數據得出，成形后管料回彈量較小，回彈量為0.01～0.02 mm。

管料超差主要表現為寬度超差和底部凹陷超差，引起寬度超差的原因為模具零件槽寬在寬度方向尺寸跳動大，經返修模具后解決了寬度超差的問題。底部凹陷的超差和合模間隙、模具零件槽寬、成形前管料的截面尺寸、管料內部填充物的硬度等因素相關。當成形模零件槽寬、成形管料的截面尺寸、管料內部填充物的硬度等因素確定后，只有成形間隙一個變量，如圖8 所示，通過實踐得知，成形溫度為22°～25°，成形間隙≥5.38 mm 時，底部凹陷在管料要求的公差內。

圖8 管料成形參數曲線

3 模具結構優化

3.1 現狀分析

原模具結構如圖9所示，存在的問題：成形輪不耐磨，嚴重時生產300 根管料需拋光2 次，才能滿足管料生產要求；拋光后的成形輪尺寸變小，拋光幾次后，生產的管料超出圖紙公差，只能重新加工成形輪；拋光費時費力，正常拋光一次需要一到兩天時間，耗費人力物力成本。

圖9 原模具結構

3.2 結構優化

針對原整體結構模具拋光費時費力的問題，在不改變成形尺寸的前提下，將整體模具改為分體結構，不僅有利于拋光，還可以通過加銅墊片調節成形模的槽寬，改進后的模具結構如圖10所示。

圖10 改進后模具結構

4 模具零件材料選擇及熱處理

擠壓成形的模具零件是在高單位壓力的條件下工作，因而其材料應具有較高的強度和硬度、高的耐磨性和足夠的韌性。原成形輪的材料為W6Mo5Cr4V2Al，熱處理硬度雖然能夠達到58～62 HRC，但是需經常拋光。通過研究分析，為了改善模具零件拋光費時費力的問題，現將成形模的零件材料選為Cr12MoV，表面進行TiN 處理，通過此方法改善了模具零件的耐磨性、硬度和使用壽命，硬度可達到180 HRC[8-10]。

5 結束語

成形合格的管料如圖11所示，通過對圓管成形方管工藝的分析，結果表明如果管料內部無填充支撐物則不能成形合格管料。針對管料在自動化成形過程中出現的管料卷曲、成形尺寸超差、模具使用壽命短等問題，從模具設計和成形工藝方面分析問題產生的原因。通過調整小端夾緊的寬度尺寸，解決了自動化成形管料卷曲的問題；通過調整合模間隙解決了成形尺寸超差的問題；通過更改模具結構和在模具零件表面鍍TiN 涂層，解決了模具使用壽命短的問題。將優化的成形工藝和模具應用于生產，提高了圓管成形方管的效率，降低了生產成本。

圖11 成形合格的管料