發動機雙層管路成型加工研究

胡曉亮 徐欣

摘要：噴嘴桿是模擬試驗噴嘴上的關鍵部件，它采用了雙層管路結構，能夠很好地起到隔熱效果。文章通過典型零件噴嘴桿的加工，介紹了雙層管路的成型方法以及零件在成型過程中夾層間隙的控制，為管路加工提供了新的加工方法。

關鍵詞：雙層管路；成型加工；發動機；噴嘴桿；模具制作 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH16 文章編號：1009-2374（2016）18-0059-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.030

為深入研究國產火焰筒的加工質量，需要對主燃燒室進行全環溫度場試驗。如果采用過去的噴嘴結構，很難保證燃油總管上所有噴嘴的主活門都在相同的壓力點開啟，另外由于加工、裝配等的誤差，容易造成燃油總管上噴嘴的燃油流量分布不均。這樣主燃燒室出口溫度場品質指標的準確性就會受到影響，對主燃燒室進行全環溫度場試驗所采用的噴嘴結構，設計了模擬試驗噴嘴組件。而噴嘴桿是模擬試驗噴嘴上的一個關鍵部件，它采用了雙層管路結構，能夠很好地起到隔熱效果，以避免在燃燒室進口溫度場達到600℃的情況下工作的燃油噴嘴由于燃油溫度過高而帶來的結膠、積碳等一系列問題。

1 零件的工藝特性

1.1 零件的結構特點

噴嘴桿的結構和尺寸如圖1所示，從圖中可以看出，該組件是由兩層導管構成，外層為Φ10×1的GH3030導管，內層為Φ6×1的GH3030導管，兩端由定心堵頭堵死而形成密封腔體。從圖紙結構和尺寸分析，由于零件的空間尺寸所限，零件單獨成型后，是無法裝配的，只能選擇內外導管一次成型的方案。結合圖形，此零件有兩個需要解決的問題：首先是零件的成型問題，因為零件彎曲半徑小，并且空間尺寸緊湊，特別是零件的“U”型部位，直線距離只有3mm，不論是手工彎管機，還是數控彎管機均不能加工，只有設計模具，使用模具成型；其次，圖紙要求零件成型后內外管壁夾層間隙為L=0.5～1.5mm，內外管壁不允許接觸。由于內外管路中間夾層處于懸空狀態，如果不加任何限制，模具合模時，只能與外層導管完全接觸，而內層導管成型時所受的外力，是外部導管與內層導管的局部接觸而產生的，整個內層導管不能均勻受力，無法通過模具起到定型和消除回彈的目的，并且由于受力不均，內層管路變形量不一致，回彈量也不可能得到控制。通過上述的理論分析，要想滿足圖紙要求，必須想辦法將內外導管夾層間隙控制住，也就是將零件整合為一體，這樣內外管路成型時所受的力就會一致而均勻，零件的夾層間隙與回彈量也就得到了控制。

1.3 導管彎曲時的加工要素

1.3.1 最小彎曲半徑。為保證導管壁厚減薄量以及導管材料的彎曲性能，一般對于鋼和鋁合金材料的導管，其最小彎曲半徑如表2（根據技術文件：導管制造和安裝說明書）：

1.3.2 管路彎曲處壁厚減薄量。技術文件（導管制造和安裝說明書）中對管路彎曲處壁厚減薄量的規定如下：

外徑≤12mm，減薄量為（壁厚名義值-壁厚下偏差）×12%

外徑>12mm，減薄量為（壁厚名義值-壁厚下偏差）×15%

1.3.3 導管圓度要求。在某發動機中，對導管彎曲采用圓度限制，并給出了不同管徑的圓度要求，具體規定見表3：

1.3.4 波紋。導管在彎曲處容易產生波紋，允許在彎曲處存在不大于0.3mm的圓滑波紋。

2 工藝方案的確定

2.1 零件的成型分析

從圖1中可以看出，零件各彎曲處的彎曲半徑分別為R17.75、R18.5、R20、R21.5，由表2可知，該零件不能使用彎管機加工，而需要設計模具成型。用模具加工零件時的回彈量必須在設計模具時準確地計算出來，而此種零件又不同于平常的一體零件，只要按照經驗公式計算就不會有大的問題。如果對雙層管路的中間夾層不加任何限制，那么在成型過程中，內層導管將是一種懸空的狀態。模具不可能將內層導管壓實，所以它的回彈量將是失控的。我們首先想到的是如何將內外管路通過某種方法變為一體，這樣既控制了回彈量，又為解決內外管壁間的間隙提供了思路。

2.2 回彈量的計算

式中：

K——回彈系數（由下式求得）

α——工件回彈前圓弧所對中心角，相當于凸模圓弧所對中心角

——工件（回彈后）圓弧所對中心角

式中：

E——彈性模數

——材料抗拉強度

c——系數（一般為1.1～1.3）

式中：E=191GPa

=590MPa

c=1.2

=27.5°

t≈3mm

代入各已知數據，經過計算零件的角度回彈量均大約為1.5°。

2.3 內外管路夾層間隙的控制研究

為準確的控制零件夾層間隙，在加工過程中，首先在Φ6×1內層管路的外壁上均勻的纏繞上直徑為Φ0.8的不銹鋼鋼絲，螺距大約為10mm，然后將纏繞著不銹鋼鋼絲的內層導管插入到Φ10×1的外層導管內。在200噸壓力機上使用模具成型，成型后零件的回彈量得到了有效控制，外部尺寸均符合圖紙要求，剩下的就是如何將不銹鋼鋼絲取出，為此從兩端反方向小心地將鋼絲往外繞取，剛開始時還很順利，但越往后越吃力，最終將鋼絲拽斷。為找出問題的原因將零件局部剖開，如圖2所示。發現纏繞的鋼絲螺距發生了很大的變化，并且在零件彎曲處的鋼絲分布密集，其他區域鋼絲基本已經被拉直。在總結了這種加工方案優缺點的基礎上，又進行了第二個試驗件的加工，在內層管路的外壁上纏繞鋼絲時，螺距增加為15mm，并且將鋼絲在中間位置用扁鏟刻出痕跡，這樣做的目的是考慮往外繞取鋼絲時，希望鋼絲能夠從中間斷開，以減小阻力，但是試驗結果卻是與上一次的結果一樣，仍然無法將鋼絲取出，這種加工方法以失敗告終。

隨著第一種加工方案的失敗，不斷反思著過去加工管路時的加工方法，希望能從過去的加工經驗中找到解決問題的蛛絲馬跡。以往用彎管機加工管路時為控制管路的圓度與管壁波紋，經驗上是Φ12以下的管路采用灌砂子的辦法；加工Φ12以上管路時，采用灌松香的方法。可這個零件卻不能用以上兩種加工方法，不能采用的原因是一樣的：內外管路間的間隙是1mm，首先是砂子和松香不容易灌注，其次是即使灌進去了也不能完全充滿內外管路的間隙。若不能完全充滿間隙，則導管在成型過程中也會有局部懸空，成型后導管的圓度與波紋將很難控制在允許的范圍內。而且懸空區域內若沒有支撐，將無法保證夾層間隙。

經過多方調研與論證，最后決定采用在內外管壁夾層內注水的方法，如圖3所示，首先我們在Φ6×1導管的內壁加工M4螺孔，然后在內外導管的相同端加工90°內錐，然后在零件的另一端將雙層導管用工藝堵定心后焊死，在內外管壁的夾層內注水，將水注滿后并清除氣泡，在管路另一端用緊定螺釘通過錐面自動定心并焊死。最后將注水后的零件放到液態氮中冷凍，冷凍10～15min后，將零件取出，放在模具中依次成型。由于冷凍后充填在管內的水變成了冰，相當堅硬，能有效地抵抗材料在變形過程中所產生的應力，故管徑變形極小。同時不受環境溫度的影響，在8月炎熱的高溫天氣下操作，同樣獲得理想的成型效果。

2.4 零件的成形過程研究

根據零件的外形特征，設計模具時采用了三次成型的方法，以下結合圖形對零件的成型過程簡要地進行介紹。

2.4.1 如圖4所示，將內外導管的夾層間隙控制住以后，進行首次彎曲：

2.4.2 如圖5所示，對零件進行第二次彎曲：

在這道工序中，為方便模具加工，將下模設計成分體結構。

2.4.3 如圖6所示，對零件進行最后一次彎曲：

2.5 數據分析

零件加工完成后，按圖紙測量了零件的外部尺寸，均符合圖紙的各項要求。表3是關于零件成型后圓度的對比分析：

尺寸檢測完成后，將零件從中心處剖開（如圖7），檢查零件的夾層間隙以及壁厚減薄量。選取了ΦA、ΦB、ΦC三處理論上變形量比較大的位置進行測量，結果如表4，經測量均符合文件（導管制造和安裝說明書）中對管路彎曲處壁厚減薄量的規定。

3 結語

在雙層套管之間灌水用液態氮冷凍后再成型，是管路零件加工的新方法之一。實踐證明，應用液態氮冷凍加工技術來控制雙層導管夾層間隙方法簡單、快捷，產品質量穩定并可靠，非常適用于多層不同直徑的薄壁復雜異形管路的加工，同樣適用于單層各種直徑的管路加工。通過噴嘴桿的加工，熟悉了雙層管路零件的加工特點，提高了加工管路零件的技術水平。

參考文獻

[1] 徐秉銓.航空制造工程手冊[M].北京：航空工業出版社，1997.

作者簡介：胡曉亮（1982-），男，吉林松原人，沈陽發動機設計研究所工程師，研究方向：機械加工工藝。

（責任編輯：蔣建華）