通過(guò)對(duì)大口徑金屬波紋管成形工藝方法比較，突出多波一次整體液壓脹形工藝的優(yōu)點(diǎn)，著重闡述金屬波紋管液壓成形模具的設(shè)計(jì)、波紋管半自動(dòng)成形工藝流程的介紹和不同導(dǎo)向結(jié)構(gòu)中的成形裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)特定精密金屬波紋管采用相應(yīng)的成形工藝裝備結(jié)構(gòu)。

1、概述

　　金屬波紋管是一種撓性、薄壁、有橫向波紋的管殼零件。它既有彈性特性又有密封特性，在外力及力矩作用下能產(chǎn)生軸向、角向、側(cè)向及其組合位移，密封性能好。在機(jī)械、儀表、航空、航天、船舶、汽車、熱能、石油化工及核能等各種工業(yè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。伴隨這些應(yīng)用和金屬壓力加工技術(shù)的迅速發(fā)展，其方法有液壓脹形、機(jī)械脹形、橡膠脹形、旋壓成形、滾壓成形、焊接成形和電沉積成形等。

　　液壓脹形的波紋管有良好的綜合性能，滾壓成形可以實(shí)現(xiàn)特大直徑的波紋管，焊接成形可以獲得彈性極好的波紋管，電沉積可以制造小直徑和高精度的波紋管。目前，大口徑波紋管類產(chǎn)品應(yīng)用機(jī)械脹形和滾壓成形比較廣泛。

2、大口徑波紋管成形方法比較

　　機(jī)械脹形是大口徑波紋管傳統(tǒng)高效的成形方法( 圖1) ，由錐形芯軸推動(dòng)多個(gè)扇形凸模的方法，進(jìn)行單波連續(xù)成形，每個(gè)波紋盡管可以進(jìn)行周向旋轉(zhuǎn)多次脹形來(lái)提高波紋管波紋的圓度，但是仍然會(huì)存在圓度上的缺陷，從而影響金屬波紋管的使用性能。滾壓成形( 圖2) 是波紋管管坯在主動(dòng)輪和一對(duì)從動(dòng)輪的帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)下，靠主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的徑向進(jìn)給成形，由于滾壓成形工藝是周向漸變成形，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為同樣會(huì)存在波紋管圓度上的精度缺陷。機(jī)械脹形和滾壓成形的工裝和工藝都比較簡(jiǎn)單，成形效率很高，在一般要求的大口徑金屬波紋管批量生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)用較多。

1. 錐形芯軸 2. 扇形凸模 3. 波距定位裝置 4. 管坯 5、6. 復(fù)位彈簧

圖1 機(jī)械脹形

1. 主動(dòng)輪 2. 從動(dòng)輪 3. 管坯

圖2 滾壓成形過(guò)程

　　液壓脹形是指利用液體介質(zhì)代替凸模或凹模，利用液體介質(zhì)的壓力使板材成形的工藝方法，液壓脹形工藝多用于小口徑金屬波紋管的成形制造。對(duì)于大口徑回轉(zhuǎn)體精密金屬波紋管類產(chǎn)品，為獲得更好的綜合性能，可以采用液壓脹形工藝。與機(jī)械脹形、滾壓成形的工藝相比，液壓脹形金屬波紋管具有波紋圓度較高、波形飽滿等優(yōu)點(diǎn)，尤其是能夠成形機(jī)械脹形、滾壓成形無(wú)法實(shí)現(xiàn)的( U 形波紋管以外的)復(fù)雜截面的回轉(zhuǎn)體金屬波紋管類產(chǎn)品，如S 形金屬波紋管、Ω 形金屬波紋管、W 形金屬密封環(huán)等。

　　液壓脹形又分為單波連續(xù)脹形工藝、多波一次脹形工藝。單波連續(xù)成形和多波一次自動(dòng)成形一般情況下可以制造U 形或V 形波紋管，成形后波形成形模片可以通過(guò)直接分模從波紋管的波谷里分離，合模和分片也都能通過(guò)自動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以極大的提高生產(chǎn)效率。小批量的U 形和V 形波紋管采用半自動(dòng)成形工藝可以簡(jiǎn)化很多，對(duì)更模具規(guī)格更加靈活簡(jiǎn)便。大口徑回轉(zhuǎn)體精密金屬波紋管類產(chǎn)品，波數(shù)較少，成形模具模片較大，采用半自動(dòng)成形設(shè)備成本大大降低，試模修改也很靈活多變。對(duì)于復(fù)雜截面的波紋管類產(chǎn)品，由于其模片在成形以后需要復(fù)雜的拆卸程序，因此比較精密的大口徑金屬波紋管半自動(dòng)成形更容易實(shí)現(xiàn)。本文主要介紹液壓半自動(dòng)多波一次脹形工藝方法( 下文簡(jiǎn)稱波紋管液壓脹形) 。

3、波紋管液壓脹形模具

　　波紋管成形的主要模具由成形模片和管坯兩端密封裝置組成( 圖3) 。對(duì)于大口徑的波紋管成形模片，可以采用兩半式結(jié)構(gòu)，一類是內(nèi)外環(huán)式成形模片，內(nèi)環(huán)兩半或者多半結(jié)構(gòu)，外環(huán)主要起對(duì)內(nèi)環(huán)的鎖緊作用，適用管坯與導(dǎo)向之間空間富余，或者模片較薄( 波距較小) 等情況。也可以采用直接兩半式，模片沒(méi)有內(nèi)外環(huán)，整個(gè)加工成兩半式，這樣需要用緊固螺栓把緊，通常適用于模片較厚( 波距較大) ，成形壓力相對(duì)不高等情況。內(nèi)外環(huán)式成形模片鎖緊結(jié)構(gòu)，可以將內(nèi)環(huán)通過(guò)斜面式或者壓片式安裝到外環(huán)內(nèi)。斜面式內(nèi)環(huán)的斜面通過(guò)外環(huán)的缺口旋轉(zhuǎn)安裝到外環(huán)斜面槽當(dāng)中，起到固定鎖緊的作用。壓片式與斜面式類似，用壓片替代斜面槽，安裝方式也是通過(guò)缺口安裝，然后旋緊。模片的這些安裝結(jié)構(gòu)要求內(nèi)外環(huán)安裝精度很高，保證整片模片的一體性，才能保證波紋管的成形精度和質(zhì)量。

　　管坯兩端的密封，一般采用管坯外用外環(huán)限位防止管坯變形，管坯內(nèi)用橡膠擠壓密封，這種密封結(jié)構(gòu)可以避免管坯的劃傷，而且對(duì)波紋管管坯端口要求不高( 尤其是多層管坯) ，實(shí)現(xiàn)密封的結(jié)構(gòu)也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，在成形高壓產(chǎn)品時(shí)，密封效果也同樣良好。

4、波紋管液壓脹形基本流程

　　波紋管液壓脹形流程為管坯料安裝→安裝模片、模片限位塊→充液→鎖緊兩端密封→充壓→卸壓→拆除模片限位塊→充壓→保壓→成形進(jìn)缸→卸壓→退缸→卸模片→卸件。波紋管液壓手動(dòng)多波一次脹形典型結(jié)構(gòu)如圖3 所示。該過(guò)程分為兩個(gè)主要步驟。第1 步是充壓鼓脹過(guò)程，波紋管管坯鼓脹后，模片會(huì)通過(guò)模片限位塊的支撐定位固定在管坯縱向的各個(gè)位置。第1 步后卸壓拆除模片限位塊，再充壓至成形壓力，然后保持壓力不變。第2 步是保壓進(jìn)給過(guò)程，軸向加力進(jìn)給，壓縮至模片靠攏，波紋管成形完畢。

　　波紋管液壓脹形壓力是指波紋管鼓脹壓力和軸向進(jìn)給過(guò)程中的壓力p。

　　式中p-脹形壓力;p = F /Ae;F-波紋管脹形過(guò)程中的壓縮力;Ae-縱向有效承壓面積;δ0-波紋管管坯單層壁厚;Z-波紋管管坯層數(shù);σb-波紋管管坯材料抗拉強(qiáng)度;d-波紋管管坯內(nèi)徑

1. 管坯 2. 波距定位裝置 3. 成形壓力介質(zhì) 4、8. 上、下密封裝置 5、7. 上、下密封外環(huán) 6. 成形模片

圖3 液壓脹形

　　波紋管成形時(shí)所用的縱向進(jìn)給設(shè)備壓力應(yīng)遠(yuǎn)大于波紋管脹形過(guò)程中的壓縮力的需求，保證波紋管成形工藝的穩(wěn)定性以及設(shè)備的使用壽命。由于波紋管脹形進(jìn)給過(guò)程中波紋管內(nèi)腔體積逐漸減小，充液加壓裝置需要溢流維持腔內(nèi)的壓力穩(wěn)定，因此縱向壓縮速度和充壓裝置溢流速度緊密相關(guān)。成形過(guò)程壓縮過(guò)快，波紋管管坯內(nèi)腔壓力會(huì)瞬間提升，波紋管脹形出的各波紋會(huì)不均勻，有的波紋外徑過(guò)大，管壁過(guò)分減薄甚至破裂。

5、波紋管成形導(dǎo)向

　　波紋管成形過(guò)程中，波紋管管坯內(nèi)部充壓，軸向需要進(jìn)給壓縮使波紋管成形，而軸向壓縮是一個(gè)至關(guān)重要的過(guò)程。因此對(duì)于波紋數(shù)較多、波紋管各波紋徑向同軸度要求較高、波紋管成形壓力較大等情況時(shí)必須對(duì)波紋管模片進(jìn)行軸向行進(jìn)的導(dǎo)向。

　　5.1、外導(dǎo)向成形

　　大口徑的波紋管成形采用結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、管坯兩端密封相對(duì)容易的外導(dǎo)向工藝比較常見(jiàn)。外導(dǎo)向一般采用四柱以上的導(dǎo)向柱來(lái)實(shí)現(xiàn)波紋管成形過(guò)程中模片移動(dòng)的導(dǎo)向控制( 圖4) ，壓力介質(zhì)從傳統(tǒng)的下端注入，導(dǎo)向柱需要淬火處理提高硬度，以免成形縱向推送進(jìn)給過(guò)程中，成形模片發(fā)生卡滯現(xiàn)象，影響成形質(zhì)量。

　　5.2、內(nèi)導(dǎo)向成形

　　當(dāng)波紋管成形工作空間不足、或者成形壓力較高而進(jìn)給壓機(jī)噸位不夠、或者成形管坯直徑過(guò)大等情況下，波紋管成形可以采用如圖5 所示的內(nèi)導(dǎo)向成形工藝。與外導(dǎo)向成形比較，內(nèi)導(dǎo)向成形工藝可以減小工作臺(tái)面的占用面積，而且由于管坯縱向有效承壓面積的減小可以大大降低成形軸向壓縮的壓機(jī)噸位要求。但是內(nèi)導(dǎo)向成形工藝存在滑動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，對(duì)于模具的加工精度和質(zhì)量要求較高，在長(zhǎng)時(shí)間的高壓運(yùn)作情況下，整個(gè)成形裝備的使用壽命較低。

1、7. 上、下密封裝置 2. 成形壓力介質(zhì) 3. 波距定位裝置 4. 管坯 5. 成形導(dǎo)向柱( 四柱式) 6. 進(jìn)給推送壓管 8、10. 上、下密封外環(huán)9. 成形模片

圖4 外導(dǎo)向成形

1、8. 上、下密封裝置 2. 成形壓力介質(zhì) 3. 波距定位裝置 4. 成形導(dǎo)向管 5. 管坯 6. 滑動(dòng)密封環(huán) 7. 進(jìn)給推送壓管 9、11. 上、下密封外環(huán) 10. 成形模片

圖5 內(nèi)導(dǎo)向成形

　　5.3、無(wú)導(dǎo)向成形

　　單波或者是少波的大口徑金屬波紋管和金屬波紋管類產(chǎn)品可以采用無(wú)導(dǎo)向的成形結(jié)構(gòu)。由于回轉(zhuǎn)體類波紋管產(chǎn)品管坯充壓后內(nèi)部各向受力都是均衡的，在軸向位移較小、軸向壓縮施力點(diǎn)與軸心重合時(shí)，可以省略導(dǎo)向的參與。該結(jié)構(gòu)可以大幅簡(jiǎn)化金屬波紋管成形工藝裝備，模具的裝拆也更加靈活方便。W 形金屬?gòu)椥悦芊猸h(huán)( 圖6) 可以采用無(wú)導(dǎo)向成形結(jié)構(gòu)生產(chǎn)。

圖6 W 形金屬?gòu)椥悦芊猸h(huán)

6、結(jié)語(yǔ)

　　應(yīng)用液壓半自動(dòng)多波一次脹形工藝方法生產(chǎn)的特殊大口徑精密金屬波紋管和金屬波紋管類彈性密封件已經(jīng)在國(guó)防科技和民用產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。使用高溫合金或者耐蝕合金生產(chǎn)的產(chǎn)品可以應(yīng)用于高溫工況下或腐蝕性介質(zhì)使用的球閥球面彈性金屬密封、管道連接金屬密封等等。產(chǎn)品具有的高性能為大口徑的位移補(bǔ)償器、船用大功率發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)補(bǔ)償器提供高周期的使用壽命。