薄壁細管件的彎曲加工工藝

張振炎

1. 問題提出

在某型號彈射座椅的研究試制過程中，我們遇到了技術(shù)難題：有一薄壁不銹鋼細管零件不能用已知方法加工出來。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，如圖1所示。

圖 1

表 1

2. 分析與解決

查《鈑金冷作工手冊》（以下簡稱《手冊》）管材最小彎曲半徑的計算見表1。

由表1可知，材料為不銹鋼管時，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，計算得最小彎曲半徑為R=3 D＝3×4＝12（mm）。而零件設(shè)計要求的彎曲半徑為6mm，甚至只有理論彎曲半徑的一半。查《手冊》管材的最小彎曲半徑允許值表，摘錄部分數(shù)據(jù)如下。

由表2 數(shù)據(jù)按線性規(guī)律估算，當d＝4mm，t＝0.5mm時最小允許彎曲半徑R≈10mm。理論最小彎曲半徑為12mm，實際允許最小彎曲半徑為10mm。而此零件設(shè)計要求為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，就是要求彎曲后管截面基本不變形。從實踐經(jīng)驗我們知道：如果采用不加填料冷彎工藝不可能達到如此高的彎曲質(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。無論是固態(tài)填料還是液態(tài)填料，填料時都極易產(chǎn)生灌不滿、氣泡、填料不實的缺陷。因此，必須采用新的更合理的填料方法，解決填料填充質(zhì)量的問題。

剛開始，我們采用易于熔化的松香作填料試驗。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。無論我們怎樣努力，彎曲出的試件截面都會過量變形，不能滿足設(shè)計要求。經(jīng)對彎管彎曲進行受力分析，如圖2所示。

分析可知，管子彎曲時內(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。如果填料抗壓強度不夠，受壓體積改變或發(fā)生“流動”現(xiàn)象都會使彎曲后截面成似橢圓形。采用松香作填料時，過大的壓應(yīng)力使松香材料在管內(nèi)發(fā)生“流動”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)力的較細顆粒石英砂材料作填料彎曲試驗。試驗結(jié)果也是管子截面變成似橢圓形。分析可能是因為石英砂顆粒在受到較大不均的壓應(yīng)力時會產(chǎn)生輕微的相對滑動，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。彎曲試驗后的截面形狀基本可以滿足要求，但彎曲后鋁棒沒辦法從孔中取出，也行不通。

在用以上3種材料試驗未果后，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)力作用時體積不會改變。②截面受到不均壓力作用時不變形或變形很小。③易于填注到細管中。④彎曲后易于從彎管中取出。

后來，在以上經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我們想到了低熔點合金材料。查閱了多本低熔點合金資料后，我們找到一種熔點為70℃低熔點合金配方：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合金材料。我們將這種低熔點合金熔液通過自己設(shè)計的灌模灌注到管中，待冷凝后進行彎曲試驗。彎曲后細管外延出現(xiàn)輕微裂紋，但彎曲后管徑基本可以滿足要求。

認真對比查看彎曲前后細管，注意到：細管在彎曲前內(nèi)壁存在輕微擴孔加工工序的刀痕，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，使本來就有較強塑性不銹鋼薄壁拉裂。降低細管內(nèi)表面表面粗糙度可減少應(yīng)力集中，因此建議車間將細管上一道擴孔工序由鉆削加工改為用鉸刀擴孔加工并增加磨內(nèi)孔工序。

在改進工藝提高內(nèi)表面的加工精度后，我們又一次填入低熔點合金試驗。彎曲后，裂紋消除了，經(jīng)檢驗員測量可滿足設(shè)計要求。在灌注低熔點合金熔液到細管中時，往往是熔液還沒流到管底就冷凝了，為方便灌注這種低熔點合金熔液到細管中，又設(shè)計了專用灌裝模具，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

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

圖2

表 2 （mm）