鎧裝熱電偶彎曲成形工藝研究

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(dòng)機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域被大量運(yùn)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(jì)為復(fù)雜的空間形狀。隨著學(xué)者的研究，智能彎管機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)彎管加工的運(yùn)動(dòng)控制。鎧裝熱電偶一般通過單支鎧裝熱電偶進(jìn)行彎曲成形，然后再組合加固集成一個(gè)整體，以滿足機(jī)上安裝和避讓需求。鎧裝電纜是將金屬熱電偶絲用無(wú)機(jī)物絕緣及金屬管封裝、壓實(shí)成可撓的堅(jiān)實(shí)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(shí)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。設(shè)計(jì)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(jī)成形時(shí)，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(duì)彎曲要素進(jìn)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(jī)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(gè)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(shí)明確了偶絲出口位置。圖1彎曲成形中的設(shè)計(jì)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(jī)是基于矢量彎管原理，工藝人員在圖紙中給出UGNX7.5三維軟件建模后獲取的空間點(diǎn)坐標(biāo)尺寸（或是實(shí)物測(cè)量尺寸），將尺寸在彎管機(jī)點(diǎn)坐標(biāo)頁(yè)面中輸入后，點(diǎn)擊自動(dòng)生成程序，進(jìn)入程序頁(yè)面進(jìn)行編輯后，轉(zhuǎn)換為自動(dòng)加工，從而實(shí)現(xiàn)彎管自動(dòng)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(duì)彎曲參數(shù)和要素進(jìn)行以下方面的控制。⑴起始點(diǎn)、彎曲點(diǎn)的坐標(biāo)值，彎曲半徑與設(shè)計(jì)圖樣一致。⑵當(dāng)相鄰兩直線段彎角等于180°時(shí)，只需確定起彎點(diǎn)坐標(biāo)值，并將點(diǎn)類型改為端點(diǎn)。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(bǔ)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(zhǎng)、起始點(diǎn)、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(jī)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(shí)偶絲方向，通過設(shè)計(jì)圖樣上彎曲點(diǎn)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(jī)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(zhǎng)度值由鎧裝熱電偶起始端直線段長(zhǎng)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(shí)，要保證尾部偶絲的空間方向，以保證后續(xù)集成時(shí)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(shí)的方向已發(fā)生很大變化，即便通過設(shè)計(jì)給出的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行三維建模，測(cè)量出彎曲角度、每段料的長(zhǎng)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(shí)，工藝規(guī)程也要對(duì)偶絲出口位置進(jìn)行預(yù)定義，通過計(jì)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(dòng)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(jì)人員給出了坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)值，可以通過坐標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算，解決此問題。⑵轉(zhuǎn)角計(jì)算基礎(chǔ)。假設(shè)有一段空間熱電偶的管形，設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí)際應(yīng)用。以某熱電極為例，其點(diǎn)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(jì)算式中。1)判斷旋轉(zhuǎn)因子。判斷旋轉(zhuǎn)因子的正負(fù)值，若d1≥0，則P2P3P4平面在P1P2P3平面正向，空間轉(zhuǎn)角為正向旋轉(zhuǎn)；反之則為負(fù)向轉(zhuǎn)動(dòng)。將點(diǎn)坐標(biāo)中的x，y，z值代入公式中，可得d1≥0，轉(zhuǎn)角方向?yàn)檎蛐D(zhuǎn)。2)計(jì)算空間轉(zhuǎn)角。利用平面方程算法進(jìn)行計(jì)算，得出空間轉(zhuǎn)角的數(shù)值。經(jīng)計(jì)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(jì)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(diǎn)坐標(biāo)值計(jì)算出熱電偶空間的轉(zhuǎn)角，在裝夾時(shí)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?；貜椊茄a(bǔ)償?shù)脑O(shè)定⑴回彈補(bǔ)償問題?；貜検菬犭娕汲尚沃衅毡榇嬖诘默F(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(jī)床退彎后，管材內(nèi)部受到拉伸，彎曲曲率和彎曲角此時(shí)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(shí)，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(dòng)過多，生產(chǎn)效率會(huì)受到很大影響，因此回彈成為管材彎曲的重點(diǎn)研究對(duì)象。⑵計(jì)算方法。有效預(yù)測(cè)鎧裝熱電偶彎曲回彈角補(bǔ)償值，在編程時(shí)對(duì)其進(jìn)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(bǔ)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(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)規(guī)律。根據(jù)智能彎管回彈伸長(zhǎng)測(cè)量?jī)x的相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)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Φ4.6mm的GH3039材料彎曲時(shí)任意兩個(gè)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(jì)算和長(zhǎng)期實(shí)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(bǔ)償值，具體見表1、表2和表3。但是，由于彎曲回彈受金屬護(hù)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(diǎn)在上述彎曲流程中已經(jīng)考慮。表11Cr18Ni9Ti材質(zhì)護(hù)套回彈補(bǔ)償選用參照表表2GH3039材質(zhì)套管回彈補(bǔ)償選用參照表表3GH3128材質(zhì)套管回彈補(bǔ)償選用參照表鎧裝熱電偶彎曲件的檢驗(yàn)方法⑴檢驗(yàn)要求。鎧裝熱電偶彎曲件的檢驗(yàn)項(xiàng)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(cè)檢驗(yàn)的方法，后面幾種除去投影的彎角可以通過角度尺測(cè)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(cè)量。鎧裝熱電偶彎曲成形后，簡(jiǎn)易的檢驗(yàn)方法采取每段尺寸與1:1圖樣比對(duì)進(jìn)行檢驗(yàn)，此方法只能判斷每段的長(zhǎng)度是否基本正確，無(wú)法檢驗(yàn)空間轉(zhuǎn)角即空間走向是否完全正確，空間走向的檢驗(yàn)只能通過圖紙大致比對(duì)，這種檢測(cè)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(yàn)方法的優(yōu)化。當(dāng)前，彎管檢測(cè)有在線測(cè)量和復(fù)合夾具測(cè)量?jī)煞N方法，生產(chǎn)中常常選擇后者，通過設(shè)計(jì)檢驗(yàn)夾具來檢驗(yàn)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(duì)彎曲件進(jìn)行容差復(fù)合性測(cè)量。根據(jù)某熱電偶的彎曲實(shí)例，分析出熱電偶都是由多個(gè)直線段和圓弧組成，因此設(shè)計(jì)時(shí)，通過點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)每個(gè)直線段的走向進(jìn)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(duì)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(cè)量的基本原理，檢具設(shè)計(jì)時(shí)可以通過UG三維造型來模擬安裝狀態(tài)，檢具設(shè)計(jì)中應(yīng)同時(shí)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(diǎn)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(cè)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(zhǎng)度檢查通止塊及塞片，該檢具已經(jīng)使用在多種型號(hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)