同轴双层三维金属管的制造工艺

徐莹

摘 要：本文通過介绍了双层三维金属管零件在成形过程通过中夹层间隙的控制来确保同轴的制造工艺，可供管路加工参考使用。

关键词：制造工艺；双层金属管；双层管同轴的控制

中图分类号：TG376.9 文献标识码：A

弯管零件具有产品轻量化、强韧化和低耗、高效等优点，是航空、航天以及民用工业中管道系统的重要组成部分。本文分析了同轴双层三维金属管的特性以及在制造过程的控制点，介绍了制造过程中的几种制造工艺。

1.同轴双层三维金属管工艺性分析

同轴双层三维金属管具有双层结构，由于该件的特殊结构使其具有较好隔热效果的优点，广泛应用于高温的工作环境。同轴双层三维金属管具有四方面约束，分别为金属材料、管材、双层管的同轴和三维空间结构，其特点决定了此种零件具有金属管材的工艺特性。根据金属管的材料性能、管材直径、管材壁厚、零件弯曲半径、弯曲角度和形状、对金属管弯曲处壁厚减薄量、金属管圆度、金属管圆滑波纹的要求，以及对双层金属管的同轴的控制要求，决定了其加工工艺的难易程度。

2.同轴双层三维金属管制造工艺

2.1 弯曲成形控制

为了将管材弯成具有一定弯曲半径、角度和形状的零件，弯管工艺作为管材塑性成形的重要分支，是生产轻质结构的一种十分重要的制造手段。同轴双层三维金属管根据具有金属管材的特殊结构特点工艺特性的特点，通过完成同轴控制，利用弯管工艺实现产品的制造。下面介绍不同影响因素条件下的几种制造工艺。

（1）材料因素

根据材料的不同，同轴双层三维金属管分为冷弯和热弯两张成形方式。根据管材的延展率的特点，选择相应的加工方式。理论上，在常温下可通过计算管材的弯曲成形能力：

E=0.5D/R

E——管材百分比延展率；

D——管材外径；

R——管材中心线形成的弯曲半径。

当管材的延展率E大于≥25%时，采用常温弯管。同轴双层三维金属管的基本成形为常温冷加工弯曲成形。对于像钛合金类管材，因其具有比强度高、塑性较差，延展率小的特点，常温成形困难，应选择热加工成形。此类材料的管路多应用于温度不高的工作环境，且具有无弯曲或弯曲少的管路特点。

（2）弯曲处的弯曲半径

常规弯曲是指将一根完整的管材在常温下通过数控弯管机等弯管加工设备，在管路的若干部位进行弯曲成形，其优点是完整管路成形过程中及成形后管路依然连续不间断，成形后变形小，强度高。根据弯曲半径的大小以及空间结构特点可采取手工弯管、自动弯管机弯管、数控弯管以及模具成形4种方法。

大弯曲半径多采用手工弯管的方式，此类结构多用于民用产品。手工弯管是将管路的一端固定，利用管模转动弯曲成一定角度。其特点是受人力的限制，生产效率低，但方式比较灵活。手工弯管以简单的弯曲半径大的小管径零件为主，并且弯管过程需要填砂或松香。

小半径弯曲管路多采用数控弯管的方式。此类结构多用于航空发动机外部管路系统的敷设。数控弯管可加工弯曲半径相对较小、曲折直径大、几何形状复杂、公差要求较严格的管路，生产效率高。由于设备的局限性，采用数控加工管路，管路弯曲半径、相邻弯曲处切点间距离需要满足设备要求，并且数控弯管过程中存在碰撞与干涉的现象。

对于具有弯曲半径小的特点，且对管路弯曲处壁厚减薄量、圆度、圆滑波纹均有要求，管路的结构特点及设计参数要求不适应用数控弯管机的，可通过模具设计与制造实现三维金属管的空间结构成形。

2.2 双层管路同轴控制

零件成形另一关键点在于如何控制双层金属管的同轴条件，使其在成形过程中不会有局部悬空，从而避免产生圆度超差、内半径处起皱、以及管腔内的填充物残留等现象。一般而言，弯管成形的主要缺陷有失稳起皱、壁厚过度减薄、截面畸变、拉裂和回弹。

传统的弯管是采用成套弯曲模具进行制作的。根据管型的需要，直径大于10mm的导管弯曲前须在管腔内填充松香或沙，弯曲后再将填充物去除。弯管过程中，产品质量受操作者的经验和技术熟练程度影响比较大。因此，管型差异较大，校正量大。直径大于18mm以上的导管弯曲质量尤其难以保证，往往产生圆度超差、内半径处起皱、管腔内的填充物残留等现象。下面介绍4种常用双层金属管同轴的控制方案

（1）灌砂法

最为常见的为灌砂法，主要要适用于管型直径大于10mm的导管。其方法为在管腔内及夹层间灌砂控制夹层间隙，成形后去砂。此种方法的弊端为如果管路夹层间隙小，则不容易灌注，出现不能完全充满内外管路的间隙现象。成形后的产品不能达到同轴及其他相关要求。

（2）灌松香法

灌松香法也较为常见，它是在管腔内及夹层间灌注加入后的松香控制夹层间隙，待冷却后进行成形，成形结束加入管路去除松香。由于松香本身的物理特性，会出现不能完全充满内外管路的间隙现象、管腔内的松香有残留现象。成形后的产品不能满足同轴及其他相关要求，并且。

（3）小管径管外绕丝法

根据双层金属管路内层管路的直径以及管路的长度选取相宜的螺距，以及相宜直径的钢丝均匀地缠绕在最内层管路的外壁上，然后将缠绕着钢丝的内层导管插入到要求的外层管路内，形成同轴。将固定好的双层金属管通过相应的成形方法成形后，分别从两端反方向将钢丝向外绕取抽离，从而控制双层金属管的同轴。此种方法的弊端为如选取的螺距和钢丝直径不当则会导致局部区域可能发现断丝现象，导致金属丝无法从夹层间完全取出，同轴控制失败，不能满足控制要求。

（4）液体填充法

液体填充法是将选用的液体填充至金属管内外管壁的夹层以及内腔中，利用填充液体，减小弯曲时金属管的椭圆度和管壁的折皱。液体的选材原则为不具有腐蚀性，材料普遍成本低，流动性好，易填充，同时还要对零件内壁起到支撑作用。由于水具有沸点高、蒸发热大、热容高、反常膨胀、良好溶剂、能不断发生缔合，具有在正常大气压下，水结冰时，体积突然增大11%左右，同时产生压力的特性，所以水凝固成冰起到填充的作用，其硬度不伤害零件表面，能有效的抵抗金属管在弯曲过程中所产生的应力，对管径变形影响极小，因此而被广泛应用于填充。在同轴金属管内外管壁的夹层以及内腔内注水，利用工装定心并进行两端封堵。通过将注水的双层金属管冷冻方式固定从而达到同轴双层金属管的夹层间隙的控制。此方法简单，快捷，产品质量稳定可靠，非常适用于多层不同直径的薄壁管路间的位置控制。

结论

综上所述，通过不同影响因素条件下的几种制造工艺的介绍，对于同轴双层三维金属管的加工，可根据产品的具体设计要求，以及工作环境的条件，选用合理的工艺手段，制造出符合设计要求的高质量产品。以上方法适用于单层各种直径的管路加工，同样也适用于多层不同直径的薄壁复杂难加工同轴、偏心管路的加工。

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