发动机双层管路成型加工研究

胡晓亮 徐欣

摘要：喷嘴杆是模拟试验喷嘴上的关键部件，它采用了双层管路结构，能够很好地起到隔热效果。文章通过典型零件喷嘴杆的加工，介绍了双层管路的成型方法以及零件在成型过程中夹层间隙的控制，为管路加工提供了新的加工方法。

关键词：双层管路；成型加工；发动机；喷嘴杆；模具制作 文献标识码：A

中图分类号：TH16 文章编号：1009-2374（2016）18-0059-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.030

为深入研究国产火焰筒的加工质量，需要对主燃烧室进行全环温度场试验。如果采用过去的喷嘴结构，很难保证燃油总管上所有喷嘴的主活门都在相同的压力点开启，另外由于加工、装配等的误差，容易造成燃油总管上喷嘴的燃油流量分布不均。这样主燃烧室出口温度场品质指标的准确性就会受到影响，对主燃烧室进行全环温度场试验所采用的喷嘴结构，设计了模拟试验喷嘴组件。而喷嘴杆是模拟试验喷嘴上的一个关键部件，它采用了双层管路结构，能够很好地起到隔热效果，以避免在燃烧室进口温度场达到600℃的情况下工作的燃油喷嘴由于燃油温度过高而带来的结胶、积碳等一系列问题。

1 零件的工艺特性

1.1 零件的结构特点

喷嘴杆的结构和尺寸如图1所示，从图中可以看出，该组件是由两层导管构成，外层为Φ10×1的GH3030导管，内层为Φ6×1的GH3030导管，两端由定心堵头堵死而形成密封腔体。从图纸结构和尺寸分析，由于零件的空间尺寸所限，零件单獨成型后，是无法装配的，只能选择内外导管一次成型的方案。结合图形，此零件有两个需要解决的问题：首先是零件的成型问题，因为零件弯曲半径小，并且空间尺寸紧凑，特别是零件的“U”型部位，直线距离只有3mm，不论是手工弯管机，还是数控弯管机均不能加工，只有设计模具，使用模具成型；其次，图纸要求零件成型后内外管壁夹层间隙为L=0.5～1.5mm，内外管壁不允许接触。由于内外管路中间夹层处于悬空状态，如果不加任何限制，模具合模时，只能与外层导管完全接触，而内层导管成型时所受的外力，是外部导管与内层导管的局部接触而产生的，整个内层导管不能均匀受力，无法通过模具起到定型和消除回弹的目的，并且由于受力不均，内层管路变形量不一致，回弹量也不可能得到控制。通过上述的理论分析，要想满足图纸要求，必须想办法将内外导管夹层间隙控制住，也就是将零件整合为一体，这样内外管路成型时所受的力就会一致而均匀，零件的夹层间隙与回弹量也就得到了控制。

1.3 导管弯曲时的加工要素

1.3.1 最小弯曲半径。为保证导管壁厚减薄量以及导管材料的弯曲性能，一般对于钢和铝合金材料的导管，其最小弯曲半径如表2（根据技术文件：导管制造和安装说明书）：

1.3.2 管路弯曲处壁厚减薄量。技术文件（导管制造和安装说明书）中对管路弯曲处壁厚减薄量的规定如下：

外径≤12mm，减薄量为（壁厚名义值-壁厚下偏差）×12%

外径>12mm，减薄量为（壁厚名义值-壁厚下偏差）×15%

1.3.3 导管圆度要求。在某发动机中，对导管弯曲采用圆度限制，并给出了不同管径的圆度要求，具体规定见表3：

1.3.4 波纹。导管在弯曲处容易产生波纹，允许在弯曲处存在不大于0.3mm的圆滑波纹。

2 工艺方案的确定

2.1 零件的成型分析

从图1中可以看出，零件各弯曲处的弯曲半径分别为R17.75、R18.5、R20、R21.5，由表2可知，该零件不能使用弯管机加工，而需要设计模具成型。用模具加工零件时的回弹量必须在设计模具时准确地计算出来，而此种零件又不同于平常的一体零件，只要按照经验公式计算就不会有大的问题。如果对双层管路的中间夹层不加任何限制，那么在成型过程中，内层导管将是一种悬空的状态。模具不可能将内层导管压实，所以它的回弹量将是失控的。我们首先想到的是如何将内外管路通过某种方法变为一体，这样既控制了回弹量，又为解决内外管壁间的间隙提供了思路。

2.2 回弹量的计算

式中：

K——回弹系数（由下式求得）

α——工件回弹前圆弧所对中心角，相当于凸模圆弧所对中心角

——工件（回弹后）圆弧所对中心角

式中：

E——弹性模数

——材料抗拉强度

c——系数（一般为1.1～1.3）

式中：E=191GPa

=590MPa

c=1.2

=27.5°

t≈3mm

代入各已知数据，经过计算零件的角度回弹量均大约为1.5°。

2.3 内外管路夹层间隙的控制研究

为准确的控制零件夹层间隙，在加工过程中，首先在Φ6×1内层管路的外壁上均匀的缠绕上直径为Φ0.8的不锈钢钢丝，螺距大约为10mm，然后将缠绕着不锈钢钢丝的内层导管插入到Φ10×1的外层导管内。在200吨压力机上使用模具成型，成型后零件的回弹量得到了有效控制，外部尺寸均符合图纸要求，剩下的就是如何将不锈钢钢丝取出，为此从两端反方向小心地将钢丝往外绕取，刚开始时还很顺利，但越往后越吃力，最终将钢丝拽断。为找出问题的原因将零件局部剖开，如图2所示。发现缠绕的钢丝螺距发生了很大的变化，并且在零件弯曲处的钢丝分布密集，其他区域钢丝基本已经被拉直。在总结了这种加工方案优缺点的基础上，又进行了第二个试验件的加工，在内层管路的外壁上缠绕钢丝时，螺距增加为15mm，并且将钢丝在中间位置用扁铲刻出痕迹，这样做的目的是考虑往外绕取钢丝时，希望钢丝能够从中间断开，以减小阻力，但是试验结果却是与上一次的结果一样，仍然无法将钢丝取出，这种加工方法以失败告终。

随着第一种加工方案的失败，不断反思着过去加工管路时的加工方法，希望能从过去的加工经验中找到解决问题的蛛丝马迹。以往用弯管机加工管路时为控制管路的圆度与管壁波纹，经验上是Φ12以下的管路采用灌砂子的办法；加工Φ12以上管路时，采用灌松香的方法。可这个零件却不能用以上两种加工方法，不能采用的原因是一样的：内外管路间的间隙是1mm，首先是砂子和松香不容易灌注，其次是即使灌进去了也不能完全充满内外管路的间隙。若不能完全充满间隙，则导管在成型过程中也会有局部悬空，成型后导管的圆度与波纹将很难控制在允许的范围内。而且悬空区域内若没有支撑，将无法保证夹层间隙。

经过多方调研与论证，最后决定采用在内外管壁夹层内注水的方法，如图3所示，首先我们在Φ6×1导管的内壁加工M4螺孔，然后在内外导管的相同端加工90°內锥，然后在零件的另一端将双层导管用工艺堵定心后焊死，在内外管壁的夹层内注水，将水注满后并清除气泡，在管路另一端用紧定螺钉通过锥面自动定心并焊死。最后将注水后的零件放到液态氮中冷冻，冷冻10～15min后，将零件取出，放在模具中依次成型。由于冷冻后充填在管内的水变成了冰，相当坚硬，能有效地抵抗材料在变形过程中所产生的应力，故管径变形极小。同时不受环境温度的影响，在8月炎热的高温天气下操作，同样获得理想的成型效果。

2.4 零件的成形过程研究

根据零件的外形特征，设计模具时采用了三次成型的方法，以下结合图形对零件的成型过程简要地进行介绍。

2.4.1 如图4所示，将内外导管的夹层间隙控制住以后，进行首次弯曲：

2.4.2 如图5所示，对零件进行第二次弯曲：

在这道工序中，为方便模具加工，将下模设计成分体结构。

2.4.3 如图6所示，对零件进行最后一次弯曲：

2.5 数据分析

零件加工完成后，按图纸测量了零件的外部尺寸，均符合图纸的各项要求。表3是关于零件成型后圆度的对比分析：

尺寸检测完成后，将零件从中心处剖开（如图7），检查零件的夹层间隙以及壁厚减薄量。选取了ΦA、ΦB、ΦC三处理论上变形量比较大的位置进行测量，结果如表4，经测量均符合文件（导管制造和安装说明书）中对管路弯曲处壁厚减薄量的规定。

3 结语

在双层套管之间灌水用液态氮冷冻后再成型，是管路零件加工的新方法之一。实践证明，应用液态氮冷冻加工技术来控制双层导管夹层间隙方法简单、快捷，产品质量稳定并可靠，非常适用于多层不同直径的薄壁复杂异形管路的加工，同样适用于单层各种直径的管路加工。通过喷嘴杆的加工，熟悉了双层管路零件的加工特点，提高了加工管路零件的技术水平。

参考文献

[1] 徐秉铨.航空制造工程手册[M].北京：航空工业出版社，1997.

作者简介：胡晓亮（1982-），男，吉林松原人，沈阳发动机设计研究所工程师，研究方向：机械加工工艺。

（责任编辑：蒋建华）