文/徐勇，張浩·中國科學(xué)院金屬研究所歐陽翎，李經(jīng)明·河南興迪鍛壓設(shè)備制造有限公司

金屬波紋管是一種帶有連續(xù)波紋狀異形截面的管狀零件，是波紋管類組件重要的組成部分。由于特殊的結(jié)構(gòu)形式，使其在連接、密封、吸振等方面具備優(yōu)于直壁管件或者金屬軟管所不具備的功能。也正是由于這種特殊的管壁形狀，對(duì)其成形技術(shù)和成形裝備提出了更多的要求。時(shí)下針對(duì)金屬波紋管的成形技術(shù)種類繁多，例如有液壓成形、機(jī)械或橡膠脹形、焊接成形、電化學(xué)成形、旋壓成形、滾壓成形、電磁成形、超塑成形、水射流漸進(jìn)成形和半無模成形。結(jié)合各個(gè)技術(shù)特點(diǎn)，都有相對(duì)應(yīng)的波紋管類型和使用范圍。本文圍繞當(dāng)前工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的金屬波紋管液壓成形技術(shù)及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

金屬波紋管的應(yīng)用

從1929年第一根波紋管的誕生，至今已有近百年的歷史。早期的波紋管應(yīng)用在測(cè)量?jī)x器中，作為彈性輔助原件。作為基礎(chǔ)元件的金屬波紋管以及其組成的部件，是現(xiàn)在裝備制造及工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中不可缺省的組成部分。金屬波紋管在航空航天，汽車制造，密封閥門，建筑工程以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。

國內(nèi)外眾多汽車生產(chǎn)商將金屬波紋管作為降噪裝置，應(yīng)用于車輛排氣系統(tǒng)中（圖1）。在汽車行業(yè)中使用的是由雙層不銹鋼板，先進(jìn)的生產(chǎn)工藝制成的金屬波紋管，布置在發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣管組件的連接處。波紋管降噪裝置可以阻止源自發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)向排氣管組件傳播，并降低排氣系統(tǒng)和車架的共振，以減少整車振動(dòng)噪聲。

圖1 汽車排氣系統(tǒng)用金屬波紋管降噪裝置

閥門在現(xiàn)代化工工業(yè)、石化冶煉、熱力發(fā)電等生產(chǎn)部門有復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)，具有舉足輕重的作用。尤其是在大口徑防泄漏的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上需選用金屬波紋管閥門（圖2）。耐高壓、耐腐蝕的金屬波紋管組件與閥體內(nèi)腔活動(dòng)部件構(gòu)成密封，阻止高壓流體從閥桿縫隙溢出。

在衛(wèi)生醫(yī)療行業(yè)中，金屬波紋管也有廣泛的應(yīng)用，例如將微型金屬波紋管用于助聽器中。微型金屬波紋管是良好的聲波傳感器。在接收端，兩軸端密封的微型波紋管，受到外界微小壓力就會(huì)產(chǎn)生變形，將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘?hào)。在發(fā)射端，配合電磁驅(qū)動(dòng)裝置將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波振動(dòng)信號(hào)。圖3所示為該助聽器裝置原理圖。

圖2 金屬波紋管閥門

圖3 金屬波紋管助聽器原理示意圖

金屬波紋管液壓成形技術(shù)和設(shè)備

隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)金屬波紋管提出越來越嚴(yán)格，越來越多樣化的實(shí)際需求，金屬波紋管由于樣式的差異逐漸分化出眾多的種類。利用最新的學(xué)術(shù)成果和創(chuàng)新技術(shù)，金屬波紋管成形技術(shù)與裝備也得到了不斷更新和發(fā)展。隨著實(shí)際生產(chǎn)對(duì)金屬波紋管產(chǎn)品的要求不斷提高，人們對(duì)金屬波紋管成形技術(shù)和智能裝備展開了更深入地研究。

金屬波紋管的成形技術(shù)種類繁多，例如液壓成形、橡膠或機(jī)械脹壓成形、焊接成形、滾壓成形、電鑄成形、旋壓成形、電磁成形等。以及新近研發(fā)的熱輔助氣壓成形、半無模成形以及水射流漸進(jìn)成形等波紋管成形技術(shù)，并且每種成形技術(shù)都有對(duì)應(yīng)類型的波紋管件。

以上眾多成形技術(shù)中能覆蓋成形波紋管種類較多，成形領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的當(dāng)屬液壓成形技術(shù)。尤其是在中型直徑、小型直徑的薄壁波紋管生產(chǎn)中，液壓成形占有很大的份額。波紋管液壓成形技術(shù)是現(xiàn)代液壓成形在管材成形中的一種典型應(yīng)用，液壓成形金屬波紋管的成形工序少、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、成形設(shè)備自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便。

液壓成形波紋管主要用于加工不銹鋼、低碳鋼，銅合金等室溫下塑性良好的材料，可加工管壁厚度范圍為0.08～4mm。一般其可加工的波深系數(shù)k不大于2（波深系數(shù)是波紋管外徑和內(nèi)徑之比，是決定波紋管幾何形狀的關(guān)鍵參數(shù)之一），可成形的管壁波紋樣式有U形、V形、方形、S形等容易從模具取出的波紋形式。圖4所示為波紋管結(jié)構(gòu)尺寸圖。

圖4 波紋管結(jié)構(gòu)尺寸圖

液壓成形時(shí)，將預(yù)制的管坯零件置于成形模具中，在要加工波紋的管坯兩端進(jìn)行密封。在密封管段通入高壓乳化液，達(dá)到管坯的屈服強(qiáng)度時(shí)，管坯在相鄰的兩片模瓣間向外脹起初波。初波達(dá)到設(shè)計(jì)弧度，停止泵入高壓乳化液。相鄰兩片模瓣擠壓初波至規(guī)定波厚，加壓到整形壓力，管壁貼合模具凹腔定形。成形系統(tǒng)卸壓后，打開模具，退回沖頭，得到液壓成形的波紋管零件。

按照管坯上波紋成形的順序是否連貫，波紋管液壓成形技術(shù)可以分為：整體式成形和連續(xù)式成形。其中整體成形是管坯在模具中加載一次，就可以成形管件上所有的波紋；而連續(xù)成形是指每次成形一個(gè)波紋，依次成形管坯上設(shè)計(jì)的所有波紋。兩種成形方式所對(duì)應(yīng)的工藝原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)形式有所不同，下面分別進(jìn)行介紹。

金屬波紋管整體液壓成形

金屬波紋管整體液壓成形設(shè)備（圖5）主要由兩個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，即液壓機(jī)系統(tǒng)和模具系統(tǒng)。液壓機(jī)采用常規(guī)形式即可，包括合模壓力機(jī)、水平側(cè)缸、增壓器、控制部分、乳化液噴淋及輔助部分等。模具需要根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的特點(diǎn)，對(duì)芯模進(jìn)行調(diào)整、更換。模具包括一組模瓣、模具體、分瓣機(jī)構(gòu)。管坯成形模具軸線與工作平面有垂直和平行兩種形式。軸線垂直工作臺(tái)布置的模具，一般采用階梯銷軸串聯(lián)模瓣的結(jié)構(gòu)形式。軸線水平工作臺(tái)布置的模具，一般采用卯榫勾連模瓣滑道的結(jié)構(gòu)形式。典型零件的整體成形操作流程包括：管坯下料-管口打磨，擴(kuò)孔-模具復(fù)位，開模-管坯在模具中定位-合模脹形-沖頭推模成形-卸壓，沖頭復(fù)位-開模取件。圖6所示為金屬波紋管整體液壓成形技術(shù)原理圖。

圖5 金屬波紋管整體液壓成形設(shè)備

圖6 金屬波紋管整體液壓成形技術(shù)原理圖

金屬波紋管連續(xù)液壓成形

波紋管連續(xù)液壓成形設(shè)備主要由機(jī)架、模具、液壓系統(tǒng)三部分組成。機(jī)架為部件合理布置提供一個(gè)可靠支撐。連續(xù)成形模具由芯軸、芯軸限位、導(dǎo)向柱、復(fù)位彈簧、密封圈、芯軸進(jìn)退油缸等零部件組成。其成形模具軸線與水平面也有平行和垂直兩種布置形式，圖7所示為一種模具軸線水平布置的連續(xù)液壓成形設(shè)備結(jié)構(gòu)原理圖，兩種軸線布置形式在工業(yè)生產(chǎn)中都有廣泛的應(yīng)用。液壓系統(tǒng)提供成形壓力條件，又供油給芯軸進(jìn)退油缸和合模機(jī)構(gòu)等部件協(xié)調(diào)執(zhí)行成形動(dòng)作。單波連續(xù)液壓成形操作流程為：管坯下料-定位與夾緊-合模-充壓-推模成形-卸壓-開模與退芯軸-成形下一波形。

圖7 金屬波紋管連續(xù)液壓成形設(shè)備

從成形工藝分析，連續(xù)液壓成形由于需要對(duì)管件重復(fù)進(jìn)行定位、固定、密封等工步，其成形效率，成形質(zhì)量略低于整體液壓成形。而且連續(xù)液壓成形重復(fù)的工序多，其橡膠密封件以及橡膠芯模更容易磨損，使用壽命更短。整體液壓成形加工的波紋管內(nèi)徑更小，因?yàn)槌尚芜^程中只需要側(cè)缸推頭將高壓乳化液注入管坯內(nèi)部，這省去了伸入管坯內(nèi)部的芯模。整體液壓成形中使用的模具專用化程度高，一般一種產(chǎn)品對(duì)應(yīng)一套模具模芯，一種模具模芯也只能生產(chǎn)一種產(chǎn)品。相對(duì)于連續(xù)液壓成形，其模具通用化程度不高。

金屬波紋管液壓成形技術(shù)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用，其成形范圍涵蓋的波紋管種類眾多，且成形工序少、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好。金屬波紋管液壓成形設(shè)備自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，因此受到波紋管生產(chǎn)企業(yè)的歡迎。圖8所示為通過液壓成形技術(shù)所加工出的部分有代表性的金屬波紋管產(chǎn)品。

圖8 液壓成形金屬波紋管代表性產(chǎn)品

結(jié)束語

金屬波紋管是液壓成形技術(shù)在管材成形領(lǐng)域的成功開發(fā)產(chǎn)品之一。河南興迪鍛壓設(shè)備制造有限公司長(zhǎng)期致力于為客戶提供節(jié)能、高效、自動(dòng)化程度高的金屬波紋管成形技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備，目前具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能波紋管液壓成形設(shè)備已經(jīng)生產(chǎn)多款，受到市場(chǎng)的廣泛青睞。