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              鎧裝熱電偶彎曲成形工藝研究發布時間:2021-06-17 13:54:20  瀏覽次數:220
                  彎曲成形過程中,管材可以根據圖紙要求完成各類形狀的成形,因此在航空航天及其發動機等應用領域被大量運用,當前由于避讓干涉的要求,熱電偶的形狀及結構日趨復雜,熱電偶被設計為復雜的空間形狀。隨著學者的研究,智能彎管機的優化設計平臺,實現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。從力學結構角度看,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。由于鎧裝電纜結構的特殊性,導致鎧裝熱電偶在彎曲成形中回彈角參數的設定與普通金屬管料區別很大。
                  設計要求
                  由于熱電偶的幾何形狀復雜,很難用三視圖把它描繪出來。使用數控彎管機成形時,采用的是矢量彎管技術。為了便于數控彎曲,鎧裝熱電偶組件的圖樣上對彎曲要素進行了直接標示,并采用笛卡爾坐標系建立空間尺寸,圖樣上標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,熱電偶圖樣上規定了每個彎角的彎曲半徑。為確保偶絲在產品接線盒中布線規范,同時明確了偶絲出口位置。
              圖1 彎曲成形中的設計要素要求
                  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尺寸(或是實物測量尺寸),將尺寸在彎管機點坐標頁面中輸入后,點擊自動生成程序,進入程序頁面進行編輯后,轉換為自動加工,從而實現彎管自動控制過程。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,需要對彎曲參數和要素進行以下方面的控制。
                  ⑴起始點、彎曲點的坐標值,彎曲半徑與設計圖樣一致。
                  ⑵當相鄰兩直線段彎角等于180°時,只需確定起彎點坐標值,并將點類型改為端點。
                  ⑶根據裝夾端和彎曲干涉選定順序彎管或倒序彎管。
                  ⑷回彈補償根據鎧裝熱電偶的材料、直徑和彎曲角度選定。
                  ⑸根據鎧裝熱電偶的總長、起始點、輪模的L值確定偏置值。
                  ⑹根據鎧裝熱電偶直徑、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,根據彎曲過程確定。
                  ⑻裝夾時偶絲方向,通過設計圖樣上彎曲點坐標和偶絲方向轉化得出。
                  ⑼送料、轉角和彎管速度設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,以保證后續集成時布線規范。但是管料在經過多次的空間轉角之后,尾部偶絲的最終方向與直料狀態時的方向已發生很大變化,即便通過設計給出的坐標點進行三維建模,測量出彎曲角度、每段料的長度,但是空間轉角仍然不一致,離散性較大。彎曲工藝規程依據產品圖樣確定鎧裝電纜偶絲出口位置,當產品圖樣未規定出口位置時,工藝規程也要對偶絲出口位置進行預定義,通過計算結合首檢試彎方法在彎曲前用裝夾定位夾具限制工件轉動自由度,確保工件彎曲后偶絲位置的準確性和一致性。
                  只有了解熱電偶在經過多次空間轉角后的累積轉角,才能判斷管料空間的轉角角度。由于設計人員給出了坐標點數值,可以通過坐標點的計算,解決此問題。
                  ⑵轉角計算基礎。
                  假設有一段空間熱電偶的管形,設計給定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實際應用。
                  以某熱電極為例,其點坐標數值為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)判斷旋轉因子。
                  判斷旋轉因子的正負值,若d1≥0,則P2P3P4平面在P1P2P3平面正向,空間轉角為正向旋轉;反之則為負向轉動。
                  將點坐標中的x,y,z值代入公式中,可得d1≥0,轉角方向為正向旋轉。
                  2)計算空間轉角。
                  利用平面方程算法進行計算,得出空間轉角的數值。經計算,∠P1P2P3=48.07°,∠P2P3P4=87.17°,平面夾角α=42.45°,該熱電極彎曲后在空間產生了42.45°的轉角。
                  根據計算得出的旋轉角度,可以得到偶絲在彎曲前的放置方向。通過以上方法,可根據點坐標值計算出熱電偶空間的轉角,在裝夾時通過初期偏轉來保證偶絲最終出口位置的準確性和一致性。
                  回彈角補償的設定
                  ⑴回彈補償問題。
                  回彈是熱電偶成形中普遍存在的現象,在鎧裝熱電偶的彎曲成形過程中,彎曲的作用力使其產生彈塑性變形。當機床退彎后,管材內部受到拉伸,彎曲曲率和彎曲角此時產生變化,不可避免地形成回彈,在一定程度上影響彎管生產的精度,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,重復勞動過多,生產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。
                  有效預測鎧裝熱電偶彎曲回彈角補償值,在編程時對其進行設置,可提高一次成形精度,縮短生產周期,降低成本。然而,由于管材材料、尺寸以及熱處理方式等原因,目前有關其彎曲回彈補償方法及成形技術的研究并不成熟。本文提出的解決措施僅針對生產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,通過數學推理及線性插值的方法來實現回彈角的確定,分析得出其不同角度回彈值與彎曲半徑、彎曲角度的線性關系,從而減少試彎量,降低生產消耗。
                  彎曲回彈規律的研究是根據理論分析與實驗數據相結合,得到管材彎曲角度在一定范圍內的回彈與伸長規律。根據智能彎管回彈伸長測量儀的相關實驗資料,對其數據進行分析,得出成形角與回彈量呈一定的線性關系,成形角度α與要求角度α'的關系為α'=kα+c,其中,k和c是參考系數值。比如,根據生產記錄的直徑為Φ4.6mm的GH3039材料彎曲時任意兩個角度(如30°和90°)的回彈數據,代入上述公式即可求得系數k和c。
                   經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、熱處理狀態、內部填充氧化鎂粉的松緊狀態等因素影響大,數據目前只能作為參考,必須在首件試彎后加以修正方可用于生產,這一點在上述彎曲流程中已經考慮。
                 表1 1Cr18Ni9Ti材質護套回彈補償選用參照表

                  表2 GH3039材質套管回彈補償選用參照表

                  表3 GH3128材質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,在生產交付過程中不能廣泛使用。
                 ⑵檢驗方法的優化。
                  當前,彎管檢測有在線測量和復合夾具測量兩種方法,生產中常常選擇后者,通過設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,對彎曲件進行容差復合性測量。
                  根據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,因此設計時,通過點坐標對每個直線段的走向進行控制,也可根據情況適當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鍵,關系到最終產品的安裝接口。根據形位公差測量的基本原理,檢具設計時可以通過UG三維造型來模擬安裝狀態,檢具設計中應同時兼顧彎曲回彈、變形等因素,檢具定位尺寸的極限偏差設定在15%D(D為熱電偶電纜直徑)左右,導向檢查槽尺寸的極限偏差設定在20%~25%D之間,設置的檢查點應與緊固位置一致。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構。圖3所示為某型產品的檢具,檢具的基本部件為定位塊、導向檢查塊、底座、長度檢查通止塊及塞片,該檢具已經使用在多種型號產品的生產中,使用穩定,操作簡單。
              圖3 檢驗夾具
                  結束語
                  本文根據生產實踐,從鎧裝熱電偶彎曲成形的特殊性出發,研究了其工藝流程及相關過程中的理論依據,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定方法;通過大量試驗總結了常用熱電偶護套材料的彎曲回彈參考數值。此外,本文還研究了鎧裝熱電偶彎曲形狀的要求,設計了滿足其空間走向和位置度要求的復合性檢驗夾具,以保證彎曲尺寸的合格驗收。


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