導(dǎo)管零件在現(xiàn)代飛機(jī)上的應(yīng)用量大、應(yīng)用范圍廣，由導(dǎo)管零件組成的管路系統(tǒng)是飛機(jī)最重要的生命線。液壓系統(tǒng)導(dǎo)管組件是飛機(jī)的主動(dòng)脈，而各類控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的能量也主要依托液壓管路系統(tǒng)進(jìn)行傳遞，保證飛機(jī)各部件按設(shè)計(jì)要求完成精準(zhǔn)動(dòng)作[1]。

鈦合金作為一種先進(jìn)的耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)高強(qiáng)高性能結(jié)構(gòu)材料，在航空領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。用鈦管代替不銹鋼管，可使管路系統(tǒng)減重50%，因此鈦合金液壓導(dǎo)管組件的大量應(yīng)用已成為現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)的發(fā)展趨勢[2–3]。

鈦合金液壓導(dǎo)管組件制造過程主要涉及管材彎曲成形、導(dǎo)管外形檢測、導(dǎo)管連接，以及性能測試等工藝過程。在管材彎曲成形方面，鈦合金液壓導(dǎo)管多為復(fù)雜空間多彎零件，走 向無序、數(shù)量繁多，且鈦管彎曲回彈較大。國內(nèi)外學(xué)者針對彎管回彈問題，采用數(shù)值模擬、理論解析和試驗(yàn)研究的方法[4–11] 開展了大量的研究工作，但主要是針對單彎導(dǎo)管彎曲過程，對于多彎導(dǎo)管零件的精度控制的研究鮮有報(bào)道。因此，鈦合金導(dǎo)管外形精度難以控制，雖采用傳統(tǒng)數(shù)控彎曲技術(shù)，但也會面臨由于導(dǎo)管零件空間排布緊湊，出現(xiàn)導(dǎo)管與彎曲設(shè)備干涉的問題。左/ 右彎數(shù)控彎曲成形技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)彎管方向?yàn)轫槙r(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換，可以有效避免導(dǎo)管與彎管設(shè)備的干涉，提高鈦合金導(dǎo)管彎曲的成形極限。

目前，在導(dǎo)管外形檢測方面，國內(nèi)航空制造廠商對導(dǎo)管外形精度主要采用檢驗(yàn)工裝、激光掃描設(shè)備或三坐標(biāo)測量設(shè)備檢測[12–13]，其中檢驗(yàn)工裝制造成本高、制造周期長；激光掃描設(shè)備功能單一、檢測速度慢，難以滿足導(dǎo)管零件規(guī)格數(shù)量多、種類雜以及導(dǎo)管零件制造快速響應(yīng)的迫切需求；三坐標(biāo)測量設(shè)備雖然通用性較好，但是存在導(dǎo)管零件測量效率低、測量結(jié)果后處理工作量較大的問題，難以滿足導(dǎo)管大批量生產(chǎn)的要求。管路三維數(shù)字化光學(xué)測量設(shè)備在國外航空制造企業(yè)迅速推廣應(yīng)用，設(shè)備通過對數(shù)碼相機(jī)所獲得圖像的分析處理，獲得完整的三維空間形態(tài)、彎曲角度、管件加工首尾端頭段、管件端面空間坐標(biāo)、管路附件位置等信息，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管彎管形狀幾何尺寸測量、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，測量結(jié)果模型能夠與設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行尺寸對比和顯示。

在導(dǎo)管連接方面，鈦合金管材具有缺口敏感性，不適合擴(kuò)口連接技術(shù)，與傳統(tǒng)管材擴(kuò)口連接相比，無擴(kuò)口滾壓連接屬于線密封，具有高密封性、可承受高溫高壓、自鎖抗震性好（ 不打保險(xiǎn)絲）、重量輕、壽命高等特點(diǎn)。因此，鈦合金導(dǎo)管無擴(kuò)口滾壓連接技術(shù)成為國外軍機(jī)和民機(jī)采用的最為廣泛的導(dǎo)管連接技術(shù)。

國外對無擴(kuò)口連接技術(shù)的研究已經(jīng)成熟，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和工程化應(yīng)用；國內(nèi)從“十五”開始，也相繼開展了一系列研究，主要包括中國航空制造技術(shù)研究院、中科院金屬所、成飛、沈飛等單位，研究內(nèi)容主要集中在成形過程的有限元模擬、密封原理和試驗(yàn)方法等[14–17]。

在導(dǎo)管組件性能測試方面，管路結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)飛行中會受到各種動(dòng)態(tài)載荷的作用，如非平穩(wěn)氣動(dòng)力作用，包括擾流抖振激勵(lì)、附面層壓力脈動(dòng)以及急劇機(jī)動(dòng)動(dòng)力所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷，因此，管路連接件必須具備一定的振動(dòng)疲勞性能。疲勞性能是連接接頭要求最為嚴(yán)格、技術(shù)難度最大的性能之一，而導(dǎo)管無擴(kuò)口內(nèi)徑滾壓連接件接頭振動(dòng)疲勞性能可靠性

是決定該技術(shù)能否工程化應(yīng)用的關(guān)鍵問題[18–19]。國內(nèi)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)的“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象一直是影響飛機(jī)可靠性的重要問題，隨著高推重比、長壽命和輕量化等性能的要求，液壓管路系統(tǒng)承受的工作壓力越來越高，對管路結(jié)構(gòu)件特別是連接接頭性能的要求越來越苛刻，需要具有耐高壓、高密封、高可靠等性能。

本文針對典型航空21~28MPa液壓系統(tǒng)鈦合金導(dǎo)管組件制造過程，基于導(dǎo)管左/ 右彎數(shù)控彎曲技術(shù)、管路光學(xué)測量技術(shù)、無擴(kuò)口滾壓連接技術(shù)、導(dǎo)管組件性能測試技術(shù)等導(dǎo)管組 件制造關(guān)鍵技術(shù)，提出了航空液壓系統(tǒng)導(dǎo)管組件制造技術(shù)方案，并應(yīng)用于民機(jī)典型液壓系統(tǒng)高強(qiáng)鈦合金（Ti–3Al–2.5V）導(dǎo)管組件制造過程,驗(yàn)證方案的可行性，為解決航空液壓 系統(tǒng)“跑、冒、滴、漏”問題提供新的技術(shù)思路。

1、技術(shù)方案

1.1 液壓系統(tǒng)鈦合金導(dǎo)管組件制造方案

圖1 為典型液壓系統(tǒng)鈦合金導(dǎo)管組件制造技術(shù)途徑。基于典型鈦合金導(dǎo)管組件數(shù)模，確定導(dǎo)管下料、彎曲、無擴(kuò)口滾壓連接工藝參數(shù)，形成導(dǎo)管組件制造工藝指令和設(shè)備數(shù)控程序。從管坯開始，逐步完成導(dǎo)管切割下料、打標(biāo)、彎曲、測量、修端、測量、無擴(kuò)口滾壓以及導(dǎo)管組件性能測試過程，不斷優(yōu)化迭代，最終實(shí)現(xiàn)鈦合金導(dǎo)管組件精確制造，具體步驟如下。（1）建立典型鈦管彎曲過程模擬有限元模型，以及鈦管無擴(kuò)口滾壓連接過程模擬有限元模型，模擬典型導(dǎo)管彎曲過程和管材無擴(kuò)口滾壓過程，獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)。（2）采用左/ 右彎數(shù)控彎管設(shè)備的機(jī)構(gòu)仿真分析模塊，驗(yàn)證彎管設(shè)備數(shù)控程序，防止彎管過程導(dǎo)管與機(jī)構(gòu)干涉；采用左/ 右彎切換，改變導(dǎo)管彎曲方向，最大限度地減小空間緊湊導(dǎo)管與彎管設(shè)備的干涉，提高彎管成形極限。（3）采用管路光學(xué)測量設(shè)備，測量導(dǎo)管彎曲形狀精度，優(yōu)化迭代工藝參數(shù)，獲得導(dǎo)管修端參數(shù)，采用導(dǎo)管修端設(shè)備切除導(dǎo)管工藝余量，保證導(dǎo)管彎曲成形精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)；檢測無擴(kuò)口導(dǎo)管組件制造精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。（4）采用無擴(kuò)口滾壓連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鈦合金導(dǎo)管組件的可靠連接，導(dǎo)管組件滿足疲勞性能測試要求。

1.2 液壓系統(tǒng)鈦合金導(dǎo)管組件性能測試方法

1.2.1 導(dǎo)管精度指標(biāo)

繞彎過程管材過度減薄采用最大壁厚減薄率描述，即It = (t – t′)/t （1）式中，t′ 為管件的最小壁厚；t 為管坯壁厚；It ≤0.15。

管材截面畸變采用最大橢圓率描述，即Id = (Dmax – Dmin)/D （2）式中，Dmax 為管件的最大直徑；Dmin為管件的最小直徑；D 為管坯直徑；Id ≤0.05。 導(dǎo)管外形精度根據(jù)Q/AVIC03064—2016，采用光學(xué)測量設(shè)備檢測典型管件幾何精度。

1.2.2 鈦合金導(dǎo)管無擴(kuò)口滾壓

連接件性能測試管路無擴(kuò)口滾壓連接接頭包含導(dǎo)管與管套的機(jī)械連接件、外套螺母、接頭等組件（圖2）。裝配件的密封靠各組件間的連接與配合來實(shí)現(xiàn)，即導(dǎo)管與管套相連接，管套與外套螺母相配合以及管套與接頭相配合。

其中導(dǎo)管與管套之間的密封性能由滾壓連接工藝來保證，管套與接頭之間的密封性能靠配合面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)加精度控制來保證。

根據(jù)航空液壓管路在實(shí)際工作中所受載荷工況，液壓管路連接件在應(yīng)用前，必須通過相應(yīng)性能考核試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)HB 5966—2008 要求，航空液壓管路連接件性能考核試驗(yàn)包 括7項(xiàng)試驗(yàn)，即氣密、耐壓、爆破、連接強(qiáng)度、重復(fù)裝配、脈沖和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞。其中旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)最為苛刻，試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)件內(nèi)部充工作壓力的液體，單端固定，另一端以一定的偏心量旋轉(zhuǎn)，通過107 次循環(huán)載荷，試驗(yàn)通過后，要求連接件無泄漏，該試驗(yàn)考核連接接頭疲勞載荷下的密封性能。彎曲疲勞試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。在彎曲疲勞試驗(yàn)中，最容易失效的地方為導(dǎo)管與管套之間的密封界面，失效形式為界面之間滲漏和導(dǎo)管的斷裂，如圖4 所示。

導(dǎo)管與管套之間的可靠連接是無擴(kuò)口滾壓連接技術(shù)的難點(diǎn)和控制的重點(diǎn)，通過失效斷口分析，掌握疲勞失效機(jī)理，為連接工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

2、結(jié)果與討論

針對某型飛機(jī)起落架應(yīng)急放典型鈦合金導(dǎo)管組件（ 圖5），基于鈦合金導(dǎo)管組件制造技術(shù)途徑，綜合應(yīng)用導(dǎo)管左/ 右彎數(shù)控彎曲技術(shù)、管路光學(xué)測量技術(shù)、無擴(kuò)口滾壓連接技術(shù)以

及導(dǎo)管組件性能測試技術(shù)，開展鈦合金導(dǎo)管組件加工制造，驗(yàn)證鈦合金導(dǎo)管組件制造技術(shù)途徑的可行性，評估典型鈦合金導(dǎo)管組件制造質(zhì)量。高強(qiáng)鈦合金（ Ti–3Al–2.5V）導(dǎo)管組件由導(dǎo)管（ 直徑φ 6mm×壁厚 0.5mm）、管套和外套螺母組成，零件幾何信息如表1 所示。導(dǎo)管組件外形精度要求如表2 所示。針對該規(guī)格導(dǎo)管，建立鈦管彎曲過程模擬有限元模型，模擬導(dǎo)管彎曲過程。由于管材直徑較小，因此管材發(fā)生過度截面畸變的可能性較大，因此通過彎管過程的模擬，獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)，保證管材截面畸變指標(biāo)合格。開展導(dǎo)管工藝試驗(yàn)獲得導(dǎo)管回彈規(guī)律，提高導(dǎo)管彎曲成形精度。采用左/ 右彎數(shù)控彎管設(shè)備的機(jī)構(gòu)仿真分析模塊，驗(yàn)證彎管設(shè)備數(shù)控程序，防止彎管過程導(dǎo)管與機(jī)構(gòu)干涉。采用管路光學(xué)測量設(shè)備，測量導(dǎo)管彎曲形狀精度，優(yōu)化迭代工藝參數(shù)，獲得導(dǎo)管修端參數(shù)，采用導(dǎo)管修端設(shè)備切除導(dǎo)管工藝余量，保證導(dǎo)管彎曲成形精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。采用無擴(kuò)口滾壓連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鈦合金導(dǎo)管組件的可靠連接，導(dǎo)管組件滿足疲勞性能測試要求。

2.1 導(dǎo)管工藝參數(shù)

2.1.1 彎管過程模擬及機(jī)構(gòu)仿真基于ABAQUS 軟件平臺，建立鈦合金典型件繞彎全過程模擬有限元模型，模擬典型件繞彎過程。采用彈塑性動(dòng)力顯式有限元法模擬典型件繞彎過程，包括管材彎曲和芯棒回側(cè)過程；基于繞彎過程的模擬結(jié)果，采用彈塑性靜力隱式有限元法模擬彎管件的回彈過程。圖6 為具有代表性的鈦合金典型件繞彎過程模擬有限元模型，管材為變形體，采用4節(jié)點(diǎn)減縮積分雙曲薄殼單元離散，并考慮沙漏控制。彎管模具包括彎曲模、壓塊、夾塊、管塞以及芯模，均被簡化為剛體面，并采用4 節(jié)點(diǎn)雙線性二階剛體單元離散。管坯材料為TA18 鈦合金，管材為各向同性彈塑性材料，泊松比為0.3。管材屈服遵循Mises 屈服準(zhǔn)則。管材和模具間的摩擦采用庫侖模型描述，該模型定義臨界剪應(yīng)力τcriti 為表面間接觸壓力 σn 的函數(shù)（ τcriti = μσn），μ 為摩擦系數(shù)（ 0 < μ < 0.5），管模間摩擦系數(shù)設(shè)定為0.3。

采用有限元模型模擬鈦管彎曲過程，圖7 為管材橢圓率的分布。可以發(fā)現(xiàn)，在相同彎曲模間隙條件下，有芯彎曲和無芯彎曲管材的扁化程度基本相同。當(dāng)彎曲模間隙Cb = 0.1mm 時(shí)，管材的最大橢圓率達(dá)到5.5%，當(dāng)Cb∈[0，0.03mm] 時(shí)，管材的最大橢圓率不超過5%，可見彎曲模的間隙對管材的扁化程度影響較大，且彎曲模的間隙越小，管材橢圓率越小。這是因?yàn)殡S著彎曲模間隙的減小，彎曲模與管材內(nèi)弧面的接觸作用增加，減小了管材外弧面的周向拉應(yīng)力，進(jìn)而減小了管材外弧面的周向壓應(yīng)變，減小了管材沿周向的變形。

采用KM–A25–WD–CNC 左/右彎數(shù)控彎管設(shè)備的機(jī)構(gòu)仿真模塊，確認(rèn)導(dǎo)管彎曲數(shù)控指令，分析彎管過程導(dǎo)管與彎曲機(jī)構(gòu)的干涉情況。如圖8 所示，隨著彎管工藝的進(jìn)行，導(dǎo)管 在彎曲設(shè)備和模具間旋轉(zhuǎn)騰移，發(fā)生導(dǎo)管與彎曲機(jī)構(gòu)干涉的可能性將增加，采用左/ 右彎數(shù)控彎管設(shè)備，可以改變彎曲方向，能夠減小導(dǎo)管與彎曲機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉的可能性，驗(yàn)證了彎管數(shù)控指令。

2.1.2 彎管工藝試驗(yàn)

采用有芯彎曲的方法，開展了TA18 高強(qiáng)鈦管的繞彎工藝試驗(yàn)。圖9 為管材有芯彎曲過程的回彈規(guī)律。可以發(fā)現(xiàn)，彎曲角越大，回彈角越大，回彈角與彎曲角呈現(xiàn)二次函數(shù)的關(guān)系，這是因?yàn)殡S著彎曲角度的增加，管材變形抗力增加，管材的等效應(yīng)力圖8 彎管過程機(jī)構(gòu)仿真Fig.8 Mechanical structure movement simulations in a tube bending process

（a）第3彎彎曲過程（b）第4彎彎曲過程（c）第6彎彎曲過程（d）第10彎彎曲過程增加，但是彎管卸載后管材內(nèi)部殘余應(yīng)力變化不大，因此管材回彈角增加。對于120°管件，測量了管件內(nèi)外弧面的厚向應(yīng)變分布。可以發(fā)現(xiàn)，管材外弧面最大厚向壓應(yīng)變不超過–0.05，管材的壁厚減薄程度滿足要求。測量了管件的橢圓度分布，發(fā)現(xiàn)，管材最大橢圓度約為0.03，滿足管材橢圓度的技術(shù)要求。

2.1.3 導(dǎo)管彎曲及檢測

在KM–A25–WD–CNC左/右彎數(shù)控彎管設(shè)備上，基于鈦管回彈規(guī)律，開展鈦管彎曲，數(shù)控程序參數(shù)如表3 所示。導(dǎo)管如圖10 所示。采用Inspect P16 管路光學(xué)檢測設(shè)備，測量導(dǎo)管外形精度，檢測結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明，鈦合金導(dǎo)管端點(diǎn)軸向偏差為0.15mm 和0，測量點(diǎn)徑向偏差為0.11~1.43mm，兩端點(diǎn)距離偏差為0.96mm，彎曲成形精度滿足技術(shù)要求。

2.2 無擴(kuò)口滾壓連接

2.2.1 疲勞失效機(jī)理分析

對疲勞斷裂件進(jìn)行端口觀測，分析導(dǎo)管與管套連接界面疲勞試驗(yàn)前后變化情況。沿著管材的徑向切開管接頭，并從管材徑向方向觀測，如圖12 所示，斷裂位置發(fā)生在管套平直段，斷裂面在距離尾端面3~4mm處。管材斷裂具有臺階狀特征，管材的內(nèi)部表面光滑；管套平直段內(nèi)部表面特征存在顯著差異，在沿管套軸向上存在分界線，靠近管套平直段尾 端部分內(nèi)表面光滑，而在另一側(cè)表面粗糙。斷裂位置附近區(qū)域存在銀灰色– 黑色相間的特征，表明試驗(yàn)中存在顯著的摩擦。

對平直段導(dǎo)管與管套連接界面進(jìn)行了微觀觀測，發(fā)現(xiàn)連接表面發(fā)生了微動(dòng)磨損，是導(dǎo)致疲勞失效的主要原因。如圖13 所示，從微觀形貌上判斷，導(dǎo)管與管套之間應(yīng)為粘著磨損，兩者間發(fā)生了材料的轉(zhuǎn)移。圖13（f）為圖13（e）紅色十字區(qū)域磨粒的成分分析，F(xiàn)e 元素的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到77%，可以判斷管套材料轉(zhuǎn)移到了導(dǎo)管上。

綜上所述，可以得出無擴(kuò)口內(nèi)徑滾壓連接件疲勞失效機(jī)制為在循環(huán)載荷下，導(dǎo)管與管套接觸面之間發(fā)生微動(dòng)磨損，破壞了原有的接觸狀況，當(dāng)磨損累積到一定程度，不足以保證 導(dǎo)管與管套之間的緊密接觸時(shí)，連接件失效。

通過以上分析，無擴(kuò)口滾壓連接件在彎曲疲勞試驗(yàn)中，受到彎矩載荷作用，導(dǎo)管與管套之間必然存在微動(dòng)磨損，這一現(xiàn)象是無法避免的，只能采取措施降低微動(dòng)磨損的程度，延緩 疲勞失效的發(fā)生，提升連接件抗疲勞壽命，如管套內(nèi)表面涂覆二硫化鉬涂層，是提高無擴(kuò)口滾壓連接件抗疲勞性能的有效措施。

2.2.2 無擴(kuò)口滾壓連接工藝

導(dǎo)管與管套的連接接頭結(jié)構(gòu)如圖14 所示，成形時(shí)需要控制的參數(shù)主要有管端伸出量“2”、連接件內(nèi)徑d、連接區(qū)域長度L2。管端伸出量由工裝夾具設(shè)計(jì)保證，連接件內(nèi)徑由工 藝參數(shù)成形扭矩控制，連接區(qū)域長度由脹形器滾柱的結(jié)構(gòu)尺寸和位置控制。對每種管材，選擇相應(yīng)配套的脹形器和工裝夾具；根據(jù)管套與內(nèi)外工裝夾具的配合關(guān)系和連接件L2 的尺寸要求，調(diào)整滾柱相對脹形器端面的位置至合適位置“L”，如圖15 所示。

導(dǎo)管與管套連接后的組件如圖16 所示，采用內(nèi)徑卡規(guī)測量連接件L2 區(qū)域的內(nèi)徑d 的范圍，采用千分尺測量管端伸出量。結(jié)果表明，鈦合金導(dǎo)管組件連接質(zhì)量滿足技術(shù)要求。

3、結(jié)論

針對典型航空21~28MPa 液壓系統(tǒng)鈦合金導(dǎo)管組件制造過程，基于導(dǎo)管左/ 右彎數(shù)控彎曲技術(shù)、管路光學(xué)測量技術(shù)、無擴(kuò)口滾壓連接技術(shù)、導(dǎo)管組件性能測試技術(shù)等導(dǎo)管組件 制造關(guān)鍵技術(shù)，提出了航空液壓系統(tǒng)導(dǎo)管組件制造技術(shù)方案，并應(yīng)用于民機(jī)典型液壓系統(tǒng)高強(qiáng)鈦合金（Ti–3Al–2.5V）導(dǎo)管組件制造過程，驗(yàn)證了方案的可行性，結(jié)果如下。

（1）綜合采用有限元模擬和工藝試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)TA18 高強(qiáng)鈦管彎曲角越大，回彈角越大，回彈角與彎曲角呈現(xiàn)二次函數(shù)的關(guān)系；彎曲模的間隙對管材的扁化程度影響較大， 且彎曲模的間隙越小，管材橢圓率越小；采用左/ 右彎數(shù)控彎管設(shè)備，可以改變彎曲方向，能夠減小導(dǎo)管與彎曲機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉的可能性，驗(yàn)證了彎管數(shù)控指令。

（2）采用Inspect P16 管路光學(xué)檢測設(shè)備，測量導(dǎo)管外形精度，滿足導(dǎo)管技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)管零件裝機(jī)應(yīng)用。

（3）獲得了無擴(kuò)口內(nèi)徑滾壓連接件疲勞失效機(jī)制，在循環(huán)載荷下，導(dǎo)管與管套接觸面之間發(fā)生微動(dòng)磨損，破壞了原有的接觸狀況，當(dāng)磨損累積到一定程度，不足以保證導(dǎo)管與管套之間的緊密接觸時(shí)，連接件失效。

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