CN110102618A - 一种用于飞机发动机金属导管弯曲的弹性双支撑变径芯棒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于飞机发动机金属导管弯曲的弹性双支撑变径芯棒。包括支架收纳管、弹性外支架和内液压部件；内液压部件中，弹性膜内腔充满有液体，弹性膜尾端开口，开口经管接头和输液管连接相通，输液管另一端外接液压系统；弹性外支架是由拉杆和弹性网状结构构成的柔性整体，拉杆分依次连接的弹性牵引段、直段和拉环三部分，弹性网状结构主要由多层波浪形金属条圆周和多个抗疲劳弹性连接件网状连接构成；支架收纳管套装在弹性外支架/内液压部件之外。本发明直径可变，能适应不同尺寸的飞机发动机金属弯管加工需要，节约生产成本，有效防止弯曲过程中起皱和截面扁化成形缺陷。

Description

一种用于飞机发动机金属导管弯曲的弹性双支撑变径芯棒

技术领域

本发明涉及飞机发动机专用薄壁弯管抗起皱、抗截面扁化成形的弯曲模具设计技术领域，特别涉及一种用于飞机发动机金属导管弯曲的弹性双支撑变径芯棒。

背景技术

薄壁金属弯管是目前轻量化、集中化输送管线中不可或缺的重要构件，在航空航天产业中应用尤为广泛。飞机发动机上的导管数目繁多，为了节省空间需要将其弯曲成各种形状，避免在有限空间中发生干涉。相比于普通弯管，飞机发动机专用金属导管壁厚更薄、弯曲角度更大，在成形过程中更容易产生弯曲内侧管壁材料堆积起皱，其弯曲部分横截面的扁化畸变也会更加明显。这些成形缺陷将造成输送压力不稳定等不利影响。

目前主要通过一种弯曲模具——芯棒实现飞机发动机专用薄壁弯管抗起皱、抗截面扁化成形，使用时将芯棒伸入待弯管坯，从内部对弯曲段提供支撑。芯棒作为防治成形缺陷的有效模具，其结构的改进和创新对提高飞机发动机专用金属导管弯曲加工质量、提高生产效率、降低成本具有重要意义。

生产中广泛使用多球节柔性芯棒，通过球铰连接将具有不完整球形支撑面的球节，可随管朝空间任意方向弯曲。其不足表现在：(1)支撑横截面的尺寸固定，加工不同直径的弯管则需要换用不同直径的芯棒，然而在航空航天等应用领域，大直径薄壁弯管往往是定制单件生产的，对应的芯棒也无法重复利用，这大大增加了芯棒的使用及存放成本；(2)每一球节的外表面与弯管内壁实际呈线接触，大直径薄壁弯管成形中仅依靠线接触难以保证支撑效果，两处线接触的间隙仍可能发生缺陷；(3)受球节结构和球铰连接方式所限，多球节柔性芯棒难以在弯曲角度较大(90°～180°)的场合下使用，芯棒球节可能干涉，而通过增大球节间隙避免干涉实际上是以牺牲弯曲外侧支撑强度为代价的。

发明内容

本发明公开了一种用于飞机发动机金属导管弯曲的弹性双支撑变径芯棒，实现径向尺寸的可变性，使同一芯棒能适用于不同直径的弯管加工，有效降低生产成本，能够提高弯曲加工质量，防止弯曲折皱。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括支架收纳管、弹性外支架和内液压部件；内液压部件包括输液管、管接头和弹性膜，弹性膜内腔充满有液体，弹性膜尾端开口，开口经管接头和输液管的一端连接相通，输液管另一端外接液压系统，输液管用于向弹性膜内腔充液；弹性外支架是由拉杆和弹性网状结构构成的柔性整体，拉杆分依次连接的弹性牵引段、直段和拉环三部分，弹性网状结构主要由多层波浪形金属条圆周和多个抗疲劳弹性连接件网状连接构成；波浪形金属条圆周为绕一圈圆周闭环的波浪形金属条，多个波浪形金属条圆周套装在弹性膜外，相邻波浪形金属条圆周之间通过多个抗疲劳弹性连接件连接，抗疲劳弹性连接件两端分别连接在相邻两个波浪形金属条圆周的波浪形波峰之间，形成可径向弹性扩张和压缩的网状；拉杆的弹性牵引段具有多股金属弹性牵引条，每一股弹性牵引条的一端与远离管接头的弹性网状结构边缘处的波浪形金属条圆周一个波峰固连，每一股弹性牵引线的另一端均连接到直段的一端，直段的另一端固连拉环；支架收纳管套装在弹性外支架/内液压部件之外。

在弹性网状结构处于扩展状态时，所述的支架收纳管空套在拉杆和直段外；在弹性网状结构处于收缩时，支架收纳管空套在弹性膜外，对弹性膜起到限位作用。

所述的弹性牵引段、波浪形金属条圆周和抗疲劳弹性连接件为金属条结构，所述的直段、拉环为金属丝结构。

所述的抗疲劳弹性连接件为S型弯折的金属条结构。

所述的弹性膜与弹性网状结构的内壁固连，能随之弹性扩张和收缩。

所述的弹性膜与弹性外支架的内壁固连，能随之发生弹性形变。使用时，弹性外支架从支架收纳管中膨出紧贴管坯内壁，起到支撑作用，所述的弹性膜中可充液并在弯曲加工过程中保持液压作为补充支撑。

所述的弹性外支架包括拉杆和弹性网状结构。对管坯内壁起到支撑作用的是弹性网状结构，它具有直径方向的充分弹性，当它的径向尺寸变大时，轴向尺寸会因为网状结构的联动而变小。所述的弹性网状结构由多层波浪形金属条圆周，以及多个抗疲劳弹性连接件固连形成，上述构件之间优选的固连方式为焊接。所述的拉杆的作用是便于操控弹性网状结构的收放，拉杆上有弹性牵引段、直段和拉环，弹性牵引段与弹性网状结构优选通过焊接固连。

本发明装置下在一定使用直径范围内，弹性网状结构在待弯的金属导管管坯内已经扩展到紧贴管坯内壁，也仍然具有径向扩张的趋势，能为管壁提供支撑。

所述的内液压部件包括输液管、管接头和弹性膜。所述的弹性膜固连附着在弹性网状结构内部，能随弹性网状结构一同扩张和压缩。弹性膜靠近拉杆的一端封闭，远离拉杆的一端设有管接头，管接头连接输液管，输液管和本发明以外的液压系统相连，本发明使用过程中，外部的液压系统可通过输液管向弹性膜内腔中充液，利用液压补充支撑效果，弹性膜能较好地解决充液的密封问题，充分保证支撑液压稳定以及填充的液体不污染工作环境。

所述的支架收纳管外径远小于用于弯曲加工的管坯内径，使用前能携带弹性外支架伸入飞机发动机金属导管管坯内部。所述的支架收纳管用于在芯棒使用前后收纳所述的弹性外支架，所述的弹性外支架在收纳时处于弹性压缩状态。

本发明在使用前，所述的弹性网状结构在所述的支架收纳管中处于弹性压缩状态。使用本发明时，从所述的拉杆所在端将携带弹性外支架的支架收纳管伸入待弯管坯，使支架收纳管近似位于管坯进入弯曲加工后的弯曲段处。固定拉杆，向拉杆所在端抽出支架收纳管，或是固定支架收纳管，向所述的输液管所在端轻推拉杆，支架收纳管中处于压缩状态的弹性网状结构就会依靠自身的弹性膨出，紧贴管坯内壁。在本发明适用的直径范围内，紧贴管坯的弹性网状结构仍具有向外扩张的趋势，外支架自身的弹性为管坯弯曲段提供了内部支撑的第一层预应力。

膨出的弹性外支架带动其内部附着的弹性膜扩张形成弹性膜内腔，通过输液管将弹性膜内腔充满液体，使得弹性膜紧贴管坯内壁并具有一定向外扩张的趋势，再保持弹性膜内腔压力。利用液压为管坯弯曲段提供内部支撑的第二层预应力。且根据实际加工需要，弹性膜内腔的液压可以调整大小。

使用完成后，先将弹性膜内腔泄压，弹性膜内腔的液体可以通过输液管流出。随后，固定支架收纳管，向拉杆所在端拉动拉杆，即可将弹性外支架压缩收入支架收纳管内，便于将本发明从弯管内部取出。

现有的实验及数值模拟结果显示，大直径薄壁弯管抗起皱、抗截面扁化成形中，仅需对弯曲段内部施加一个较小的应力即可有效防止缺陷，这一应力可由外支架和内液压联合起来充分提供，不存在支撑力度不够的情况。

本发明的有益效果：

本发明通过具有弹性网状结构的外支架实现芯棒的径向尺寸的变化，同一芯棒可以满足一定直径范围内所有尺寸管坯的弯曲成形，以此降低生产成本和芯棒存放保管成本。

本发明在弹性外支架的基础上，内部添加充液腔，使芯棒与弯管内壁的接触近似为面接触，加强支撑效果，提高大直径薄壁弯管的成形质量。

本发明解决了多球节芯棒弯曲角度受限的问题，结构无相互干涉，充分适用于大弯曲角度的弯管加工。

本发明的使用直径可变，能适应不同尺寸的大直径薄壁弯管加工需要，节约生产成本；通过弹性外支架径向扩张的弹力和弹性膜内腔的液压联合对弯管提供支撑，有效防止弯曲过程中起皱和截面扁化成形缺陷。

附图说明

图1为本发明弹性双支撑变径芯棒整体结构示意图。

图2为本发明弹性外支架结构示意图。

图3为本发明弹性外支架处于压缩收纳状态时的示意图。

图4为本发明弹性外支架未展开时芯棒与管坯的关系示意图。

图5(a)、图5(b)为本发明使用时在不同直径管坯中弹性外支架的形状变化示意图。

图6为本发明弹性外支架使用的波浪形金属条圆周示意图。

图中：1、支架收纳管；2、弹性外支架；3、内液压部件；4、输液管；5、管接头；6、弹性膜；7、波浪形金属条圆周；8、抗疲劳弹性连接件；9、弹性牵引段；10、直段；11、拉环；12、拉杆；13、弹性网状结构；14、管坯。

具体实施方式

下面结合附图说明为本发明作详细说明：

如图1-图3所示，具体实施包括支架收纳管1、弹性外支架2和内液压部件3；内液压部件3包括输液管4、管接头5和弹性膜6，弹性膜6内腔充满有液体，弹性膜6尾端开口，开口经管接头5和输液管4的一端连接相通，弹性膜6远离管接头5的一端封闭，输液管4另一端外接液压系统，输液管4用于向弹性膜6内腔充液。

弹性外支架2是主要由拉杆12和弹性网状结构13构成的柔性整体，拉杆12分依次连接的弹性牵引段9、直段10和拉环11三部分，弹性网状结构13主要由多层波浪形金属条圆周7和多个抗疲劳弹性连接件8网状连接构成；波浪形金属条圆周7为绕一圈圆周闭环的波浪形金属条，多个波浪形金属条圆周7套装在弹性膜6外，相邻波浪形金属条圆周7之间通过多个抗疲劳弹性连接件8连接，抗疲劳弹性连接件8两端分别连接在相邻两个波浪形金属条圆周7相靠近的波浪形波峰之间，即相邻层的波浪形金属条圆周7波峰对着波峰、波谷对着波谷，使波浪形错开布置，在相邻层每一个波峰与波峰之间焊接上一个抗疲劳弹性连接件8，形成可径向弹性扩张和压缩的网状。弹性膜6与弹性网状结构13的内壁固连，能随之弹性扩张和收缩，优选的连接方式为使用黏合剂粘连二者，需要达到的连接效果是弹性膜8能随着弹性外支架2一同径向扩大或缩小。弹性膜6内腔充液时密封性好，能为待弯管坯内壁提供稳定的液压支撑。

拉杆12的弹性牵引段9具有多股金属弹性牵引条，每一股弹性牵引条的一端远离管接头5的弹性网状结构13边缘处的波浪形金属条圆周7一个波峰固接，各股弹性牵引线的一端分别和远离管接头5的弹性网状结构13边缘处的波浪形金属条圆周7各个波峰固接，每一股弹性牵引线的另一端均连接到直段10的一端，直段10的另一端固结拉环11，拉环11用于连接金属导管弯曲时另一端的牵引力驱动件；支架收纳管1套装在弹性外支架2/内液压部件3之外。

具体实施中，直段10、拉环11为金属丝结构，波浪形金属条圆周7、弹性牵引段9、抗疲劳弹性连接件8为金属条结构，抗疲劳弹性连接件8为S型弯折的金属条结构。

如图5所示，在弹性网状结构13处于扩展状态时，支架收纳管1空套在拉杆11和直段10外。

如图4所示，在弹性网状结构13处于收缩时，支架收纳管1空套在弹性膜6外，对弹性膜6起到限位作用。

该结构优选的制造方案为：先将材料合适的金属薄板切割成波浪形的条状，取合适长度的波浪形金属条绕制成一个圆周，接口处焊接，经过热处理使之获得径向弹性和定型；考虑到波浪形金属条圆周7的连接件要承受收纳支架和支架膨出时的轴向拉力，以及弯曲时不确定其位于弯曲内侧还是弯曲外侧，可能承受弯曲曲线切线方向(近似轴向)的拉力或压力，故选择抗疲劳的金属薄板切割成之字形连接件，再进行热处理；排布每层波浪形金属条圆周时，使波峰和波谷错开，在靠近的波峰与波峰之间焊接上抗疲劳弹性连接件8，使多层波浪形金属条圆周形成一体化的弹性网状。拉杆12有弹性牵引段9、直段10和拉环11。拉环11是由直段10的一端弯制而成，直段10的另一端与弹性牵引段9的中心固连，优选的固连方式为焊接。弹性牵引段9分多股，每一股与弹性网状结构13最边缘波浪形金属条圆周的波峰分别焊接。弹性外支架2也存在其他制造方案，比如可以直接将板材切割成网状再焊接成圆周，也可以选用其他合适的非金属材料。

使用本发明前，芯棒整体一般处于如图3所示的收纳状态，此时，支架收纳管1中收纳有压缩着的弹性外支架2，以及内液压部件3的弹性膜6。

如图4所示，使用本发明时，从拉杆12所在的一端，将支架收纳管1伸入待弯管坯中，大致置放于加工中的弯曲段处。输液管4直径远小于管坯，可从管坯内部伸出。固定拉杆12，向拉环11所在的一端轻抽支架收纳管1，或是固定支架收纳管1，向输液管4所在的一端轻推拉杆12，压缩的弹性网状结构13会自然膨出，波浪形金属条圆周7紧贴管坯内壁，并且仍然具有径向扩张的趋势，该扩张趋势使得管坯弯曲段内壁受到第一层支撑压强。

弹性网状结构13膨出时径向尺寸会扩大至贴合管坯内壁，贴合后受管壁的反作用力达到力平衡而停止扩大，这一弹性特征使本发明能适用于不同直径的管坯弯制。当弹性网状结构13的径向尺寸变大时，轴向尺寸会因为网状结构的联动而变小，反之亦然。弹性外支架2径向尺寸的扩大会带动附着在内壁的弹性膜6一同扩张，弹性膜内腔体积增大，可通过输液管4外接的液压系统往弹性膜内腔中补充液体，使弹性膜6贴合管壁并具有径向扩张的趋势，再通过外接的液压系统中的元件保持弹性膜内腔压力，弹性膜内腔中的液体压力可对管坯弯曲段内壁提供第二层支撑压强，近似的面支撑充分保证了芯棒的支撑效果。优选的方案还可在输液管4和管接头5之间添加压力表，以便于根据实际加工参数精准地控制芯棒对弯管的支撑压强。

如图3、图4、图5所示，使用本发明时，芯棒整体会由如图3、图4所示的收纳状态，变为如图5所示的弹出状态。

使用完成后，先使弹性膜内腔泄压，内腔中的液体可以通过输液管4流出。固定支架收纳管1，向拉环11所在一端拉动拉杆12，拉杆12的弹性牵引段9首先受支架收纳管1边缘的约束，向管内收缩，接下来带动弹性网状结构13上与拉杆焊接的波浪形金属条圆周7径向尺寸缩小，收进支架收纳管1。拉力通过抗疲劳弹性连接件8传到下一层圆周上，在拉力和支架收纳管1边缘约束共同作用下，弹性外支架2会被收入支架收纳管1，芯棒由如图5所示状态重新变为如图3、4所示状态。最后将支架收纳管1从弯管内取出。

本发明使用时，波浪形金属条圆周7径向尺寸变化、弯曲加工时处于弯曲外侧的抗疲劳弹性连接件8被拉伸、处于弯曲内侧的抗疲劳弹性连接件8被压缩，拉动拉杆12将弹性外支架2整体收入支架收纳管1等过程中，构件波浪形金属条圆周7、抗疲劳弹性连接件8和弹性牵引段9的变形均属于弹性变形。

如图5所示，图5(a)为弹性外支架2处于直径较大的待弯管坯14中的情况，图5(b)为弹性外支架2处于直径较小的待弯管坯14中的情况。与图5(b)比较而言，图5(a)中弹性外支架2的弹性网状结构13更稀疏，轴向尺寸更短。

Claims (6)

1.一种用于飞机发动机金属导管弯曲的弹性双支撑变径芯棒，其特征在于：包括支架收纳管(1)、弹性外支架(2)和内液压部件(3)；内液压部件(3)包括输液管(4)、管接头(5)和弹性膜(6)，弹性膜(6)内腔充满有液体，弹性膜(6)尾端开口，开口经管接头(5)和输液管(4)的一端连接相通，输液管(4)另一端外接液压系统，输液管(4)用于向弹性膜(6)内腔充液；弹性外支架(2)是由拉杆(12)和弹性网状结构(13)构成的柔性整体，拉杆(12)分依次连接的弹性牵引段(9)、直段(10)和拉环(11)三部分，弹性网状结构(13)主要由多层波浪形金属条圆周(7)和多个抗疲劳弹性连接件(8)网状连接构成；波浪形金属条圆周(7)为绕一圈圆周闭环的波浪形金属条，多个波浪形金属条圆周(7)套装在弹性膜(6)外，相邻波浪形金属条圆周(7)之间通过多个抗疲劳弹性连接件(8)连接，抗疲劳弹性连接件(8)两端分别连接在相邻两个波浪形金属条圆周(7)的波浪形波峰之间，形成可径向弹性扩张和压缩的网状；拉杆(12)的弹性牵引段(9)具有多股金属弹性牵引条，每一股弹性牵引条的一端与远离管接头(5)的弹性网状结构(13)边缘处的波浪形金属条圆周(7)一个波峰固连，每一股弹性牵引线的另一端均连接到直段(10)的一端，直段(10)的另一端固连拉环(11)；支架收纳管(1)套装在弹性外支架(2)/内液压部件(3)之外。

2.如权利要求1所述的一种用于飞机发动机金属导管弯曲的弹性双支撑变径芯棒，其特征在于：在弹性网状结构(13)处于扩展状态时，所述的支架收纳管(1)空套在拉杆(11)和直段(10)外；在弹性网状结构(13)处于收缩时，支架收纳管(1)空套在弹性膜(6)外，对弹性膜(6)起到限位作用。

3.如权利要求1所述的一种用于飞机发动机金属导管弯曲的弹性双支撑变径芯棒，其特征在于：所述的弹性牵引段(9)、波浪形金属条圆周(7)和抗疲劳弹性连接件(8)为金属条结构，所述的直段(10)、拉环(11)为金属丝结构。

4.如权利要求1所述的一种用于飞机发动机金属导管弯曲的弹性双支撑变径芯棒，其特征在于：所述的抗疲劳弹性连接件(8)为S型弯折的金属条结构。

5.如权利要求1所述的一种用于飞机发动机金属导管弯曲的弹性双支撑变径芯棒，其特征在于：所述的弹性膜(6)与弹性网状结构(13)的内壁固连，能随之弹性扩张和收缩。

6.如权利要求1所述的一种用于飞机发动机金属导管弯曲的弹性双支撑变径芯棒，其特征在于：所述的支架收纳管(1)外径小于用于弯曲加工的管坯内径，使用前能携带弹性外支架(2)伸入飞机发动机金属导管管坯内部。