航空发动机弯管成形原理与工艺方法研究
航空发动机弯管成形原理与工艺方法研究
【摘要】导管是航空发动机的重要组成部分，在航空发动机工作时所处的环境较为恶劣，燃烧室内的导管要承受近千度的高温，部分外部导管要承受高达30MPa的内压。一台发动机的导管有两百多根，受发动机外部附件的位置所限，部分导管形状复杂。为了保证航空发动机的性能，导管制造要有很高的形位公差精度和成形质量，本文主要从弯管成形原理和工艺方法上进行研究。
关键词：弯管；成形原理；弯管工艺
1 引言
导管由于其特殊空心结构，可以作为流体介质输送载体，在航空航天制造领域，导管作为压力流体最为有效的输送载体被广泛应用。金属塑性加工有很多种，基本的塑性加工方法有锻造、轧制、挤压、拉拔、弯曲、剪切等等，其中弯曲作为导管成形的重要工艺方法。管路系统是整个航空发动机大系统的重要组成部分，随着航空发动机性能的不断提升，导管制造质量要求也越来越高，折弯处壁厚减薄量、内凹侧褶皱波峰值、折弯处截面圆度等均是考核弯曲质量的重要指标。导管制造一致性尤为关键，因此研究导管成形和工艺方法相对重要。
2 弯管工艺简介
导管发生弯曲的过程称为弯管，包括回转牵引弯曲法，压弯成形法，三轴辊弯法，充液成形法等[1]。科学合理的弯管成形工艺对导管成形后质量影响至关重要。弯管工艺是指将导管制成设计要求尺寸形状的塑性加工过程以及成形前后的辅助工序。完整的弯管工艺包括管料检验、下料、校直、弯曲、清洗、检验等工序。弯曲工序一般分为徒手弯曲和设备弯曲，常用设备为手工弯模、油压力机、数控弯管机等。徒手弯曲适用于外径Φ8以下导管单件生产，管形弯制较为灵活。设备弯曲借助机械设备配合工装模具进行成形。管形覆盖范围广，受设备工装制造费用影响，适用于大批量生产。
3 弯管成形原理
导管在弯曲时，管壁材料与弯模接触，在弯矩的作用下产生变形。属于几何非线性、材料非线性、边界非线性的多重非线性耦合变形过程[2]。弯管就是通过在被弯曲的导管上施加弯矩，迫使其产生塑性变形的一种成形加工方法。为了简化模型，假设导管在受到弯矩后，发生变形部分任意截面都与导管轴线垂直，且任意折弯半径上的法向应力为零。内凹侧的导导管料在弯矩的作用下被挤压；外凸侧的导导管料在弯矩的作用下被拉伸。由连续
性原理，沿着折弯径向，导管所承受的拉伸力从最大到零，再由挤压到最大挤压力的连续变化。其中将无应力的一层材料定义为应力中性层，通过分析可知导管的应力中性层是随弯曲角度的变化而变化。
导管在折弯时，截面上的微元体在截面法向上存在作用力，该截面弯曲力矩计算如式                               
可以得出，弯矩的大小与截面积以及应力有直接关系。在研究弯曲力矩时，应力应变间关系较为复杂，需要通过假设弯曲过程中所处的应力应变状态来求解。一般假设分为三种状态：单一轴向应力产生的弯矩；平面应变状态产生的弯矩；平面应力状态产生的弯矩。
4 弯管成形工艺研究
弯管成形的工艺方法主要有拉伸弯曲、压缩弯曲、绕弯以及辊弯等。拉伸弯曲又分为拉弯、回转牵引弯曲；压缩弯曲又分为压弯、轴向力推弯。
拉伸弯曲是指施加一个导管轴向的拉力，在弯矩的作用下将导管弯曲成形[3]。通过对弯曲过程进行受力分析可知，由于施加的轴向拉力作用，可以抵消弯曲时导管折弯处内凹侧的
径向压力，故而可以防止折弯处内凹侧管壁增厚。但同时轴向拉力会加大导管折弯处外凸侧应力，导致外凸侧管壁拉裂现象。
典型的拉弯弯管时压模固定不动，靠紧管坯。通过压力产生的摩擦力与导管轴向方向相同，提供轴向拉力。夹紧模将导管抱紧，夹紧模绕自身回转中心旋转并带动导管发生弯曲。拉弯适用于导管本身材料塑性较好的大弯曲半径成形，成形时模具数量较少，制造较为便捷；缺点是弯曲精度很差，折弯半径不宜控制，折弯处截面圆度超差等缺陷。
回转牵引弯曲相比于拉弯，增加了回转弯模与防皱模。导管折弯时，夹紧模将导管顶靠在弯模的型槽内，导管随夹紧模、弯模一起回转弯曲。在折弯的同时压模沿着导管轴向方向做进给运动，依靠摩擦力将导管推向弯模方向。为了防止折弯处内凹侧褶皱的产生，可在弯模后侧选配增加防皱模。回转牵引弯曲成形法与管形矢量增量计算相结合，开发出现有的数控弯管技术以及数控弯管机。目前数控弯管技术与数控弯管机已经应用于航空发动机制造领域[4]。回转牵引弯曲由于折弯半径受弯模半径所决定，因此在不更换弯模的情况下只能弯制同一折弯半径的导管；由于受设备模具空间所限，不能够进行大中心角的弯管；模具较多，弯曲前工序准备时间较长，适合于大批量导管生产。
压缩弯曲是指使用径向推力作用于导管外壁，使其变形。弯曲时，径向推力可以减小外凸侧的切向拉力，进而可以减轻壁厚减薄。但同时内凹侧壁厚增厚较大，易产生波峰较大的褶皱。
压弯弯曲时下模面保持不动，上模面推动导管压向下模，上下模面将导管压紧完成弯曲成形[5]。由于弯曲时成形仅需模具一次动作，故而生产效率非常高。但由于成形推力较大，弯曲后回弹较难预测；模具型面补偿较为困难，模具生产费用较高。适用于大批量导管的生产。
推弯弯曲时，导管置于导引模内，压模作用在导管端面，在轴向压力的作用下，将导管压入模具内。成形时导管受力较为复杂，由于成形时导管端面受力，可使管壁向折弯外侧流动，极大地减小了外凸侧壁厚减薄。推弯可以弯制超小半径弯头，适用范围较小。
绕弯弯曲时导管一端与中心弯模固定，滚动弯模将导管挤压进中心弯模内，完成弯曲。绕弯适用于大弯曲半径的导管折弯成形，成形所需的管坯端头余量少。由于成形后折弯半径受中心弯模半径影响，因此一种中心弯模只能弯制一种折弯半径的导管。
辊弯弯曲时导管在随动轮的压紧下，与主动轮进行挤压，相对的摩擦力带动导管移动至另一个随动轮内，导管在滚压力下弯曲变形。导管折弯由三个辊轮位置所确定，因此在不更换模具的情况下即可完成折弯半径的变化。模具利用率高，成形的弯曲半径大。缺点是仅能弯制整圆的导管，由于辊轮数量较少，成形后导管中心轴平面性较差，需要增加额外的校平工序。
5 结束语
随着航空发动机弯管产品制造复杂度的提高和对其制造质量要求的提高，在充分了解弯管成形原理及工艺方法的理论基础上，应立足于现有成熟制造工艺开展创新型生产模式。此外，弯管的制造思维和理念也需要与时俱进，以创新驱动发展，实现全过程弯管制造高度数字化及智能化，保持弯管技术能够适应未来发展。
参考文献
航空发动机原理
[1]鹏阳国，刘洪，黄仑.薄壁钢管弯曲成形方法探讨及应用[J].机械研究与应用,2013(5):107-109
[2]詹梅，杨合，江志强.基于有限元模拟的数控弯管过程轴力和弯矩的分析计算[J].塑性工程学报，2005，12（6）：78-83
[3]张士宏，袁安营.板材与导管成形性能的研究与进展[J].精密成形工程，2009（1）：1-6
[4]刘军和,石竖鲲,赵宝,等.数控弯管技术在航空发动机导管加工过程中的应用[J].航空制造技术,2003(4)：72-74
[5]刘芷丽，詹梅，杨合,等.圆管压扁-压弯连续变形过程有限元模型的建立及截面畸变研究[J].塑性工程学报，2008，15（5）101-107

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