文/ 徐勇，張浩 ? 中國科學院金屬研究所，
歐陽翎，李經(jīng)明 ? 河南興迪鍛壓設備制造有限公司
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。由于特殊的結構形式，使其在連接、密封、吸震等方面具備優(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，對其成形技術和成形裝備提出了更多的要求。時下針對金屬波紋管的成形技術種類繁多，例如液壓成形、機械或橡膠脹形、焊接成形、電化學成形、旋壓成形、滾壓成形、電磁成形、超塑成形、水射流漸進成形和半無模成形，結合各技術的特點，都有對應的波紋管的類型和使用范圍。本文圍繞當前工業(yè)中應用較為廣泛的金屬波紋管液壓成形技術及相關設備進行重點介紹。
金屬波紋管的應用
從1929年第一根波紋管的誕生，至今已有近百年的歷史。早期的波紋管應用于測量儀器中，作為彈性輔助原件。金屬波紋管作為基礎元件以及其組成的部件，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)生等領域有著十分廣泛的應用。
眾多國內(nèi)外汽車生產(chǎn)商將金屬波紋管作為降噪裝置，應用于車輛排氣系統(tǒng)中，如圖1所示。在汽車行業(yè)使用的是由雙層不銹鋼板由先進的生產(chǎn)工藝制成的金屬波紋管，布置在發(fā)動機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)動機的振動向排氣管組件的傳播，并降低排氣系統(tǒng)和車架的共振，以減少整車振動噪聲。
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)部門都有復雜的管網(wǎng)系統(tǒng)中有舉足輕重的作用。尤其是在大口徑防泄漏的關鍵節(jié)點上需選用金屬波紋管閥門，如圖2所示。耐高壓、耐腐蝕的金屬波紋管組件與閥體內(nèi)腔活動部件構成密封，阻止高壓流體從閥桿縫隙溢出。
圖2 ?金屬波紋管閥門
在衛(wèi)生醫(yī)療行業(yè)中金屬波紋管也有廣泛的應用，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產(chǎn)生變形，將聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘枴Ｔ诎l(fā)射端，配合電磁驅(qū)動裝置將電信號轉(zhuǎn)換為聲波振動信號。如圖3所示，是該助聽器裝置的原理圖。
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和設備
隨著工業(yè)生產(chǎn)對金屬波紋管提出越來越嚴格，越來越多樣化的實際需求，金屬波紋管由于樣式的差異逐漸分化出眾多的種類。金屬波紋管成形技術與裝備也緊隨這種多樣性的趨勢，利用最新的學術成果和創(chuàng)新技術，自身得到不斷更新和發(fā)展。隨著實際生產(chǎn)對金屬波紋管產(chǎn)品的要求不斷提高，人們對金屬波紋管成形技術和智能裝備展開更深入的研究。
金屬波紋管的成形技術種類繁多，例如液壓成形、橡膠或機械脹壓成形、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成形等波紋管成形技術，并且每種成形技術都有對應類型的波紋管件。
以上眾多成形技術中能覆蓋成形波紋管種類較多，也是成形領域應用較廣泛的當屬液壓成形技術。尤其是對于中型直徑、小型直徑的薄壁波紋管的生產(chǎn)中，液壓成形占有很大的市場份額。波紋管液壓成形技術是現(xiàn)代液壓成形在管材成形中的一種典型應用。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、成形設備自動化程度高、操作簡便。
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，可加工的管壁厚度范圍為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 ?波紋管結構尺寸圖
液壓成形時，將預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行密封。在密封管段通入高壓乳化液，達到管坯的屈服強度時，管坯在相鄰的兩片模瓣間向外脹起初波。初波達到設計弧度，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)泄壓后，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波紋，依次成形管坯上設計的所有波紋。兩種成形方式所對應的工藝原理和設備結構形式有所不同，下面分別進行介紹。
金屬波紋管整體液壓成形
金屬波紋管整體液壓成形設備主要是兩個系統(tǒng)構成，即液壓機系統(tǒng)和模具系統(tǒng)。液壓機采用常規(guī)形式即可，包括合模壓力機、水平側(cè)缸、增壓器、控制部分、乳化液及輔助部分等。模具需要根據(jù)產(chǎn)品設計要求的特點，對芯模進行調(diào)整和更換。模具包括一組模瓣、模具體、分瓣機構。管坯成形模具軸線與工作平面有垂直和平行兩種形式。軸線垂直工作臺布置的模具，一般采用階梯銷軸串聯(lián)模瓣的結構形式。軸線水平工作臺布置的模具，一般采用卯榫勾連模瓣滑道的結構形式。典型零件的整體成形操作流程包括：管坯下料-管口打磨，擴孔-模具復位，開模-管坯在模具中定位-合模脹形-沖頭推模成形-泄壓，沖頭復位-開模取件。
圖5 ?金屬波紋管整體液壓成形技術原理圖
圖6 ?金屬波紋管整體液壓成形設備
金屬波紋管連續(xù)液壓成形
波紋管連續(xù)液壓成形設備主要由：機架、模具、液壓系統(tǒng)三部分組成。機架為部件合理布置提供一個可靠支撐。連續(xù)成形模具，如圖5所示，由芯軸、芯軸限位、導向柱、復位彈簧、密封圈、芯軸進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，如圖7所示，是一種模具軸線水平布置的連續(xù)液壓成形設備結構原理圖。兩種軸線布置形式在工業(yè)生產(chǎn)中都有廣泛的應用。液壓系統(tǒng)提供成形壓力條件，又供給芯軸進退油缸和合模機構等部件協(xié)調(diào)執(zhí)行成形動作。單波連續(xù)成形操作流程：管坯下料-定位與加緊-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)液壓成形設備
從成形工藝分析，連續(xù)液壓成形由于需要對管件重復進行定位、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)液壓成形重復的工序多，其橡膠密封件以及橡膠芯模更容易被磨損，使用壽命更短。整體液壓成形加工的波紋管內(nèi)徑更小，因為成形過程中只需要側(cè)缸推頭將高壓乳化液注入管坯內(nèi)部，省去伸入管坯內(nèi)部的芯模。而整體液壓成形中使用的模具專用化程度高，一般一種產(chǎn)品對應一套模具模芯，一種模具模芯也只能生產(chǎn)一種產(chǎn)品。相對于連續(xù)液壓成形，其模具的通用化程度不高。
金屬波紋管液壓成形技術在實際工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應用。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備自動化程度高、運行穩(wěn)定、操作簡單，因此受到波紋管生產(chǎn)企業(yè)的歡迎。如圖8所示為液壓成形技術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
結束語
金屬波紋管是液壓成形技術在管材成形領域的成功應用案例之一。河南興迪鍛壓設備制造有限公司長期致力于為客戶提供節(jié)能、高效、自動化程度高的金屬波紋管成形技術和生產(chǎn)設備的研發(fā)，目前已開發(fā)出多款具有自主知識產(chǎn)權的智能波紋管液壓成形設備，受到市場的廣泛青睞。