鎧裝熱電偶彎曲成形工藝研究

文／陳雨·蘇州長風(fēng)航空電子有限公司

彎曲成形過程中，管材可以根據(jù)圖紙要求完成各類形狀的成形，因此在航空航天及其發(fā)動機等應(yīng)用領(lǐng)域被大量運用，當(dāng)前由于避讓干涉的要求，熱電偶的形狀及結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，熱電偶被設(shè)計為復(fù)雜的空間形狀。隨著學(xué)者的研究，智能彎管機的優(yōu)化設(shè)計平臺，實現(xiàn)了對彎管加工的運動控制。

鎧裝熱電偶一般通過單支鎧裝熱電偶進行彎曲成形，然后再組合加固集成一個整體，以滿足機上安裝和避讓需求。鎧裝電纜是將金屬熱電偶絲用無機物絕緣及金屬管封裝、壓實成可撓的堅實組合體，其由套管、絕緣物、熱電偶絲三部分組成，金屬套管多為高溫合金材料，絕緣物為氧化鎂粉。從力學(xué)結(jié)構(gòu)角度看，與普通的熱電偶彎曲不同，鎧裝電纜是介于實心棒、空心熱電偶中間的一種狀態(tài)。由于鎧裝電纜結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致鎧裝熱電偶在彎曲成形中回彈角參數(shù)的設(shè)定與普通金屬管料區(qū)別很大。

是以釉下青花作為一種色彩而與釉上多種彩相結(jié)合的瓷器裝飾技法。

設(shè)計要求

由于熱電偶的幾何形狀復(fù)雜，很難用三視圖把它描繪出來。使用數(shù)控彎管機成形時，采用的是矢量彎管技術(shù)。為了便于數(shù)控彎曲，鎧裝熱電偶組件的圖樣上對彎曲要素進行了直接標(biāo)示，并采用笛卡爾坐標(biāo)系建立空間尺寸，圖樣上標(biāo)示的三大彎曲要素如圖1所示。為保證機上安裝避讓和不被折斷的最小彎曲半徑，熱電偶圖樣上規(guī)定了每個彎角的彎曲半徑。為確保偶絲在產(chǎn)品接線盒中布線規(guī)范，同時明確了偶絲出口位置。

圖1 彎曲成形中的設(shè)計要素要求

鎧裝熱電偶彎曲工藝流程

目前，鎧裝熱電偶采用數(shù)控彎管加工的方式，大幅度提高了熱電偶的加工效率和加工一致性。數(shù)控彎管機是基于矢量彎管原理，工藝人員在圖紙中給出UG NX7.5三維軟件建模后獲取的空間點坐標(biāo)尺寸（或是實物測量尺寸），將尺寸在彎管機點坐標(biāo)頁面中輸入后，點擊自動生成程序，進入程序頁面進行編輯后，轉(zhuǎn)換為自動加工，從而實現(xiàn)彎管自動控制過程。鎧裝熱電偶彎曲制造工藝流程見圖2。

圖2 鎧裝熱電偶彎曲制造工藝流程

在彎曲工藝中，需要對彎曲參數(shù)和要素進行以下方面的控制。

⑴起始點、彎曲點的坐標(biāo)值，彎曲半徑與設(shè)計圖樣一致。

⑵當(dāng)相鄰兩直線段彎角等于180°時，只需確定起彎點坐標(biāo)值，并將點類型改為端點。

⑶根據(jù)裝夾端和彎曲干涉選定順序彎管或倒序彎管。

⑷回彈補償根據(jù)鎧裝熱電偶的材料、直徑和彎曲角度選定。

⑸根據(jù)鎧裝熱電偶的總長、起始點、輪模的L值確定偏置值。

⑹根據(jù)鎧裝熱電偶直徑、彎曲半徑和彎曲形狀選用或定制模具。

⑺機床上輪模的成形槽自下而上定義為M1、M2、M3、M4，根據(jù)彎曲過程確定。

⑻裝夾時偶絲方向，通過設(shè)計圖樣上彎曲點坐標(biāo)和偶絲方向轉(zhuǎn)化得出。

⑼送料、轉(zhuǎn)角和彎管速度設(shè)置為機床最高操作速度的20%～40%。

⑽鎧裝熱電偶頭部或尾部伸出輪模長度值由鎧裝熱電偶起始端直線段長度和輪模的L值確定。

鎧裝熱電偶彎曲工藝優(yōu)化

偶絲出口排布

⑴工藝要求。

鎧裝熱電偶在彎曲時，要保證尾部偶絲的空間方向，以保證后續(xù)集成時布線規(guī)范。但是管料在經(jīng)過多次的空間轉(zhuǎn)角之后，尾部偶絲的最終方向與直料狀態(tài)時的方向已發(fā)生很大變化，即便通過設(shè)計給出的坐標(biāo)點進行三維建模，測量出彎曲角度、每段料的長度，但是空間轉(zhuǎn)角仍然不一致，離散性較大。彎曲工藝規(guī)程依據(jù)產(chǎn)品圖樣確定鎧裝電纜偶絲出口位置，當(dāng)產(chǎn)品圖樣未規(guī)定出口位置時，工藝規(guī)程也要對偶絲出口位置進行預(yù)定義，通過計算結(jié)合首檢試彎方法在彎曲前用裝夾定位夾具限制工件轉(zhuǎn)動自由度，確保工件彎曲后偶絲位置的準(zhǔn)確性和一致性。

只有了解熱電偶在經(jīng)過多次空間轉(zhuǎn)角后的累積轉(zhuǎn)角，才能判斷管料空間的轉(zhuǎn)角角度。由于設(shè)計人員給出了坐標(biāo)點數(shù)值，可以通過坐標(biāo)點的計算，解決此問題。

⑵轉(zhuǎn)角計算基礎(chǔ)。

假設(shè)有一段空間熱電偶的管形，設(shè)計給定P1（x1，y1，z1）、P2（x2，y2，z2）、P3（x3，y3，z3）、P4（x4，y4，z4）。

平面方程算法中，由點坐標(biāo)P1、P2、P3，確定 P1P2P3平面方程，即 a1（x-x1）+b1（y-y1）+c1（z-z1）=0，同理 P2P3P4平面方程為：a2（x-x2）+b2（y-y2）+c2（z-z2）=0。

⑶實際應(yīng)用。

以某熱電極為例，其點坐標(biāo)數(shù)值為P1（0，0，0）、P2（0，60，0）、P3（40，105，-30.18）、P4（74.36，82.09，-20.18），代入平面方程計算式中。

1)判斷旋轉(zhuǎn)因子。

將點坐標(biāo)中的x，y，z值代入公式中，可得d1≥0，轉(zhuǎn)角方向為正向旋轉(zhuǎn)。

2)計算空間轉(zhuǎn)角。

利用平面方程算法進行計算，得出空間轉(zhuǎn)角的數(shù)值。經(jīng)計算，∠P1P2P3=48.07°，∠P2P3P4=87.17°，平面夾角α=42.45°，該熱電極彎曲后在空間產(chǎn)生了42.45°的轉(zhuǎn)角。

根據(jù)計算得出的旋轉(zhuǎn)角度，可以得到偶絲在彎曲前的放置方向。通過以上方法，可根據(jù)點坐標(biāo)值計算出熱電偶空間的轉(zhuǎn)角，在裝夾時通過初期偏轉(zhuǎn)來保證偶絲最終出口位置的準(zhǔn)確性和一致性。

回彈角補償?shù)脑O(shè)定

⑴回彈補償問題。

回彈是熱電偶成形中普遍存在的現(xiàn)象，在鎧裝熱電偶的彎曲成形過程中，彎曲的作用力使其產(chǎn)生彈塑性變形。當(dāng)機床退彎后，管材內(nèi)部受到拉伸，彎曲曲率和彎曲角此時產(chǎn)生變化，不可避免地形成回彈，在一定程度上影響彎管生產(chǎn)的精度，尤其是大批量管材彎曲時，如果不能保證其角度的一次到位，最終需用矯正的方法得到圖紙要求的角度尺寸，重復(fù)勞動過多，生產(chǎn)效率會受到很大影響，因此回彈成為管材彎曲的重點研究對象。

⑵計算方法。

有效預(yù)測鎧裝熱電偶彎曲回彈角補償值，在編程時對其進行設(shè)置，可提高一次成形精度，縮短生產(chǎn)周期，降低成本。然而，由于管材材料、尺寸以及熱處理方式等原因，目前有關(guān)其彎曲回彈補償方法及成形技術(shù)的研究并不成熟。本文提出的解決措施僅針對生產(chǎn)中涉及到的鎧裝熱電偶材料，同批零件在材料相同、外徑相同、熱處理方式一致的前提下，通過數(shù)學(xué)推理及線性插值的方法來實現(xiàn)回彈角的確定，分析得出其不同角度回彈值與彎曲半徑、彎曲角度的線性關(guān)系，從而減少試彎量，降低生產(chǎn)消耗。

彎曲回彈規(guī)律的研究是根據(jù)理論分析與實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合，得到管材彎曲角度在一定范圍內(nèi)的回彈與伸長規(guī)律。根據(jù)智能彎管回彈伸長測量儀的相關(guān)實驗資料，對其數(shù)據(jù)進行分析，得出成形角與回彈量呈一定的線性關(guān)系，成形角度α與要求角度α'的關(guān)系為α'=kα+c，其中，k和c是參考系數(shù)值。比如，根據(jù)生產(chǎn)記錄的直徑為4.6mm的GH3039材料彎曲時任意兩個角度(如30°和90°)的回彈數(shù)據(jù)，代入上述公式即可求得系數(shù)k和c。

經(jīng)過計算和長期實踐后，我們得到常用的鎧裝熱電偶三種金屬套管材料的回彈補償值，具體見表1、表2和表3。但是，由于彎曲回彈受金屬護套的材質(zhì)、熱處理狀態(tài)、內(nèi)部填充氧化鎂粉的松緊狀態(tài)等因素影響大，數(shù)據(jù)目前只能作為參考，必須在首件試彎后加以修正方可用于生產(chǎn)，這一點在上述彎曲流程中已經(jīng)考慮。

表1 1Cr18Ni9Ti材質(zhì)護套回彈補償選用參照表

表2 GH3039材質(zhì)套管回彈補償選用參照表

表3 GH3128材質(zhì)套管回彈補償選用參照表

鎧裝熱電偶彎曲件的檢驗方法

⑴檢驗要求。

鎧裝熱電偶彎曲件的檢驗項目主要包括外觀、偶絲位置、空間形狀、彎曲尺寸等，前兩者可以使用目測檢驗的方法，后面幾種除去投影的彎角可以通過角度尺測量外，受工廠設(shè)備條件限制，空間形狀中的彎角尚不能直接測量。鎧裝熱電偶彎曲成形后，簡易的檢驗方法采取每段尺寸與1:1圖樣比對進行檢驗，此方法只能判斷每段的長度是否基本正確，無法檢驗空間轉(zhuǎn)角即空間走向是否完全正確，空間走向的檢驗只能通過圖紙大致比對，這種檢測方法精度不高，僅在新品試樣研制中使用，在生產(chǎn)交付過程中不能廣泛使用。

⑵檢驗方法的優(yōu)化。

當(dāng)前，彎管檢測有在線測量和復(fù)合夾具測量兩種方法，生產(chǎn)中常常選擇后者，通過設(shè)計檢驗夾具來檢驗鎧裝熱電偶的空間走向和兩端的位置精度，從裝配角度出發(fā)，對彎曲件進行容差復(fù)合性測量。

根據(jù)某熱電偶的彎曲實例，分析出熱電偶都是由多個直線段和圓弧組成，因此設(shè)計時，通過點坐標(biāo)對每個直線段的走向進行控制，也可根據(jù)情況適當(dāng)控制其相鄰圓弧的空間位置。鎧裝熱電偶兩端的相對位置尺寸很關(guān)鍵，關(guān)系到最終產(chǎn)品的安裝接口。根據(jù)形位公差測量的基本原理，檢具設(shè)計時可以通過UG三維造型來模擬安裝狀態(tài)，檢具設(shè)計中應(yīng)同時兼顧彎曲回彈、變形等因素，檢具定位尺寸的極限偏差設(shè)定在15%D（D為熱電偶電纜直徑）左右，導(dǎo)向檢查槽尺寸的極限偏差設(shè)定在20%～25%D之間，設(shè)置的檢查點應(yīng)與緊固位置一致。檢具的底座、定位塊等零件均采用不銹鋼材料或45#鋼表面鍍鉻處理，整體采用快速壓緊和插銷檢測的結(jié)構(gòu)。圖3所示為某型產(chǎn)品的檢具，檢具的基本部件為定位塊、導(dǎo)向檢查塊、底座、長度檢查通止塊及塞片，該檢具已經(jīng)使用在多種型號產(chǎn)品的生產(chǎn)中，使用穩(wěn)定，操作簡單。

圖3 檢驗夾具

結(jié)束語

本文根據(jù)生產(chǎn)實踐，從鎧裝熱電偶彎曲成形的特殊性出發(fā)，研究了其工藝流程及相關(guān)過程中的理論依據(jù)，運用理論計算和圖示說明針對性地闡述了偶絲出口位置的規(guī)定方法；通過大量試驗總結(jié)了常用熱電偶護套材料的彎曲回彈參考數(shù)值。此外，本文還研究了鎧裝熱電偶彎曲形狀的要求，設(shè)計了滿足其空間走向和位置度要求的復(fù)合性檢驗夾具，以保證彎曲尺寸的合格驗收。