铠装热电偶弯曲成形工艺研究

文／陈雨·苏州长风航空电子有限公司

弯曲成形过程中，管材可以根据图纸要求完成各类形状的成形，因此在航空航天及其发动机等应用领域被大量运用，当前由于避让干涉的要求，热电偶的形状及结构日趋复杂，热电偶被设计为复杂的空间形状。随着学者的研究，智能弯管机的优化设计平台，实现了对弯管加工的运动控制。

铠装热电偶一般通过单支铠装热电偶进行弯曲成形，然后再组合加固集成一个整体，以满足机上安装和避让需求。铠装电缆是将金属热电偶丝用无机物绝缘及金属管封装、压实成可挠的坚实组合体，其由套管、绝缘物、热电偶丝三部分组成，金属套管多为高温合金材料，绝缘物为氧化镁粉。从力学结构角度看，与普通的热电偶弯曲不同，铠装电缆是介于实心棒、空心热电偶中间的一种状态。由于铠装电缆结构的特殊性，导致铠装热电偶在弯曲成形中回弹角参数的设定与普通金属管料区别很大。

是以釉下青花作为一种色彩而与釉上多种彩相结合的瓷器装饰技法。

设计要求

由于热电偶的几何形状复杂，很难用三视图把它描绘出来。使用数控弯管机成形时，采用的是矢量弯管技术。为了便于数控弯曲，铠装热电偶组件的图样上对弯曲要素进行了直接标示，并采用笛卡尔坐标系建立空间尺寸，图样上标示的三大弯曲要素如图1所示。为保证机上安装避让和不被折断的最小弯曲半径，热电偶图样上规定了每个弯角的弯曲半径。为确保偶丝在产品接线盒中布线规范，同时明确了偶丝出口位置。

图1 弯曲成形中的设计要素要求

铠装热电偶弯曲工艺流程

目前，铠装热电偶采用数控弯管加工的方式，大幅度提高了热电偶的加工效率和加工一致性。数控弯管机是基于矢量弯管原理，工艺人员在图纸中给出UG NX7.5三维软件建模后获取的空间点坐标尺寸（或是实物测量尺寸），将尺寸在弯管机点坐标页面中输入后，点击自动生成程序，进入程序页面进行编辑后，转换为自动加工，从而实现弯管自动控制过程。铠装热电偶弯曲制造工艺流程见图2。

图2 铠装热电偶弯曲制造工艺流程

在弯曲工艺中，需要对弯曲参数和要素进行以下方面的控制。

⑴起始点、弯曲点的坐标值，弯曲半径与设计图样一致。

⑵当相邻两直线段弯角等于180°时，只需确定起弯点坐标值，并将点类型改为端点。

⑶根据装夹端和弯曲干涉选定顺序弯管或倒序弯管。

⑷回弹补偿根据铠装热电偶的材料、直径和弯曲角度选定。

⑸根据铠装热电偶的总长、起始点、轮模的L值确定偏置值。

⑹根据铠装热电偶直径、弯曲半径和弯曲形状选用或定制模具。

⑺机床上轮模的成形槽自下而上定义为M1、M2、M3、M4，根据弯曲过程确定。

⑻装夹时偶丝方向，通过设计图样上弯曲点坐标和偶丝方向转化得出。

⑼送料、转角和弯管速度设置为机床最高操作速度的20%～40%。

⑽铠装热电偶头部或尾部伸出轮模长度值由铠装热电偶起始端直线段长度和轮模的L值确定。

铠装热电偶弯曲工艺优化

偶丝出口排布

⑴工艺要求。

铠装热电偶在弯曲时，要保证尾部偶丝的空间方向，以保证后续集成时布线规范。但是管料在经过多次的空间转角之后，尾部偶丝的最终方向与直料状态时的方向已发生很大变化，即便通过设计给出的坐标点进行三维建模，测量出弯曲角度、每段料的长度，但是空间转角仍然不一致，离散性较大。弯曲工艺规程依据产品图样确定铠装电缆偶丝出口位置，当产品图样未规定出口位置时，工艺规程也要对偶丝出口位置进行预定义，通过计算结合首检试弯方法在弯曲前用装夹定位夹具限制工件转动自由度，确保工件弯曲后偶丝位置的准确性和一致性。

只有了解热电偶在经过多次空间转角后的累积转角，才能判断管料空间的转角角度。由于设计人员给出了坐标点数值，可以通过坐标点的计算，解决此问题。

⑵转角计算基础。

假设有一段空间热电偶的管形，设计给定P1（x1，y1，z1）、P2（x2，y2，z2）、P3（x3，y3，z3）、P4（x4，y4，z4）。

平面方程算法中，由点坐标P1、P2、P3，确定 P1P2P3平面方程，即 a1（x-x1）+b1（y-y1）+c1（z-z1）=0，同理 P2P3P4平面方程为：a2（x-x2）+b2（y-y2）+c2（z-z2）=0。

⑶实际应用。

以某热电极为例，其点坐标数值为P1（0，0，0）、P2（0，60，0）、P3（40，105，-30.18）、P4（74.36，82.09，-20.18），代入平面方程计算式中。

1)判断旋转因子。

将点坐标中的x，y，z值代入公式中，可得d1≥0，转角方向为正向旋转。

2)计算空间转角。

利用平面方程算法进行计算，得出空间转角的数值。经计算，∠P1P2P3=48.07°，∠P2P3P4=87.17°，平面夹角α=42.45°，该热电极弯曲后在空间产生了42.45°的转角。

根据计算得出的旋转角度，可以得到偶丝在弯曲前的放置方向。通过以上方法，可根据点坐标值计算出热电偶空间的转角，在装夹时通过初期偏转来保证偶丝最终出口位置的准确性和一致性。

回弹角补偿的设定

⑴回弹补偿问题。

回弹是热电偶成形中普遍存在的现象，在铠装热电偶的弯曲成形过程中，弯曲的作用力使其产生弹塑性变形。当机床退弯后，管材内部受到拉伸，弯曲曲率和弯曲角此时产生变化，不可避免地形成回弹，在一定程度上影响弯管生产的精度，尤其是大批量管材弯曲时，如果不能保证其角度的一次到位，最终需用矫正的方法得到图纸要求的角度尺寸，重复劳动过多，生产效率会受到很大影响，因此回弹成为管材弯曲的重点研究对象。

⑵计算方法。

有效预测铠装热电偶弯曲回弹角补偿值，在编程时对其进行设置，可提高一次成形精度，缩短生产周期，降低成本。然而，由于管材材料、尺寸以及热处理方式等原因，目前有关其弯曲回弹补偿方法及成形技术的研究并不成熟。本文提出的解决措施仅针对生产中涉及到的铠装热电偶材料，同批零件在材料相同、外径相同、热处理方式一致的前提下，通过数学推理及线性插值的方法来实现回弹角的确定，分析得出其不同角度回弹值与弯曲半径、弯曲角度的线性关系，从而减少试弯量，降低生产消耗。

弯曲回弹规律的研究是根据理论分析与实验数据相结合，得到管材弯曲角度在一定范围内的回弹与伸长规律。根据智能弯管回弹伸长测量仪的相关实验资料，对其数据进行分析，得出成形角与回弹量呈一定的线性关系，成形角度α与要求角度α'的关系为α'=kα+c，其中，k和c是参考系数值。比如，根据生产记录的直径为4.6mm的GH3039材料弯曲时任意两个角度(如30°和90°)的回弹数据，代入上述公式即可求得系数k和c。

经过计算和长期实践后，我们得到常用的铠装热电偶三种金属套管材料的回弹补偿值，具体见表1、表2和表3。但是，由于弯曲回弹受金属护套的材质、热处理状态、内部填充氧化镁粉的松紧状态等因素影响大，数据目前只能作为参考，必须在首件试弯后加以修正方可用于生产，这一点在上述弯曲流程中已经考虑。

表1 1Cr18Ni9Ti材质护套回弹补偿选用参照表

表2 GH3039材质套管回弹补偿选用参照表

表3 GH3128材质套管回弹补偿选用参照表

铠装热电偶弯曲件的检验方法

⑴检验要求。

铠装热电偶弯曲件的检验项目主要包括外观、偶丝位置、空间形状、弯曲尺寸等，前两者可以使用目测检验的方法，后面几种除去投影的弯角可以通过角度尺测量外，受工厂设备条件限制，空间形状中的弯角尚不能直接测量。铠装热电偶弯曲成形后，简易的检验方法采取每段尺寸与1:1图样比对进行检验，此方法只能判断每段的长度是否基本正确，无法检验空间转角即空间走向是否完全正确，空间走向的检验只能通过图纸大致比对，这种检测方法精度不高，仅在新品试样研制中使用，在生产交付过程中不能广泛使用。

⑵检验方法的优化。

当前，弯管检测有在线测量和复合夹具测量两种方法，生产中常常选择后者，通过设计检验夹具来检验铠装热电偶的空间走向和两端的位置精度，从装配角度出发，对弯曲件进行容差复合性测量。

根据某热电偶的弯曲实例，分析出热电偶都是由多个直线段和圆弧组成，因此设计时，通过点坐标对每个直线段的走向进行控制，也可根据情况适当控制其相邻圆弧的空间位置。铠装热电偶两端的相对位置尺寸很关键，关系到最终产品的安装接口。根据形位公差测量的基本原理，检具设计时可以通过UG三维造型来模拟安装状态，检具设计中应同时兼顾弯曲回弹、变形等因素，检具定位尺寸的极限偏差设定在15%D（D为热电偶电缆直径）左右，导向检查槽尺寸的极限偏差设定在20%～25%D之间，设置的检查点应与紧固位置一致。检具的底座、定位块等零件均采用不锈钢材料或45#钢表面镀铬处理，整体采用快速压紧和插销检测的结构。图3所示为某型产品的检具，检具的基本部件为定位块、导向检查块、底座、长度检查通止块及塞片，该检具已经使用在多种型号产品的生产中，使用稳定，操作简单。

图3 检验夹具

结束语

本文根据生产实践，从铠装热电偶弯曲成形的特殊性出发，研究了其工艺流程及相关过程中的理论依据，运用理论计算和图示说明针对性地阐述了偶丝出口位置的规定方法；通过大量试验总结了常用热电偶护套材料的弯曲回弹参考数值。此外，本文还研究了铠装热电偶弯曲形状的要求，设计了满足其空间走向和位置度要求的复合性检验夹具，以保证弯曲尺寸的合格验收。