一种管材螺纹状弯曲的加工方法及加工装置与流程

本发明涉及管材三维连续弯曲领域，尤其涉及到管材螺纹弯曲的加工方法及装置。

背景技术：

目前的管材弯曲传统加工方法，都是借助通用或专业工具，向管材施加适当的外力或外力矩，将直管弯曲成具有一定曲率的弯管，通常有压弯、滚弯、推弯、绕弯、拉弯等弯曲方法，这些方法统称为机械方法。但是使用上述传统方法生产的管材产品存在一些较大的质量缺陷，如容易产生回弹现象、形状不易控制等。

现代加工技术中的激光加工技术已经开始应用到管材弯曲的加工中来。管材激光弯曲属于热应力成型，利用激光对管材局部进行照射，使管材上的热应力分布不均匀。当热应力超过材料成型极限时，管材将发生局部塑性变形，从而导致管材发生弯曲。这种加工方法弯曲精度高、无回弹，产品性能好，且环境适应性强，目前已经得到广泛的应用。

但是，简单的二维弯曲在实际生产中的实用价值不大。这是因为大部分管材加工不是简单的二维弯曲，而会涉及到复杂的三维弯曲成型。在此基础上，研发配套管材激光螺纹弯曲的装置也迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种管材螺纹状弯曲的加工方法，从而克服激光弯曲技术在复杂弯曲变形中的缺陷。

本发明的另一个目的在于提供一种管材螺纹状弯曲的加工装置，所述装置结构简单、造价低廉，便于实际生产、工程中的广泛使用和推广。

本发明解决技术问题所采用的方案是：

一种管材螺纹状弯曲的加工方法，其中，所述方法包括如下步骤：

1)计算路径规划的相关参数：

将螺纹线轴线均分成多个线段，根据其中一段线段的端点A和B的坐标以及几何关系计算出管材单向弯曲角度α的大小。

线段的端点点A、点B的坐标分别为(0,b,c)、(a,0,0)，计算公式为：

其中，p为螺距，n为一圈螺纹所分的段数，D为螺纹外径。

管材单向弯曲角度α与相邻扫描轨迹之间的轴向偏移角度β的计算公式为：

2)选定激光发生器的工艺参数：

所述工艺参数包括激光功率、光斑直径及扫描速度；并根据管材单向弯曲角度α与扫描次数的关系，确定产生步骤1)中所得到的管材单向弯曲角度α所需要的扫描次数，从而规划出扫描路径。

3)根据所述扫描路径，对管材进行弯曲变形加工：

根据步骤2)中得到的扫描次数，对管材AB段进行扫描，每次扫描后，将管材转动β度；扫描结束后，即可得到单向弯曲角度为α的管材。

4)根据上述步骤，继续对下一段管材进行扫描。

所述的一种管材螺纹状弯曲的加工方法步骤2)中的工艺参数以及管材单向弯曲角度α与扫描次数的关系是通过有限元分析软件ANSYS进行数字模拟仿真得到的。

一种管材弯曲变形的加工装置，包括主体框架、激光发生器位移系统和管材位移系统，其中：

所述主体框架包括第一角块36、第二角块3、第三角块40、第四角块16、第一导轨6、第三导轨43、第四导轨20、第一固定端28、第二固定端1、第三固定端19和第四固定端18。

其中，主体框架顶部四角分别设置第一角块36、第二角块3、第三角块40和第四角块16；其中，第一角块36与第二角块3之间设置有第一导轨6，第三角块40与第四角块16之间设置有第三导轨43；

主体框架底部设置有第一固定端28、第二固定端1、第三固定端19和第四固定端18，其中，第二固定端1与第三固定端19之间设置有第四导轨20。

所述激光发生器位移系统包括第一步进电机10、第二步进电机33、第一同步带8、第二同步带31、第三同步带15、第一同步轮9、第二同步轮5、第三同步轮14、第四同步轮42、第五同步轮45、第六同步轮34、第一轴承座4、第二轴承座41、第三轴承座13、第四轴承座44、第一滑块7、第二滑块38、第三滑块46、第一“L”形拐角座11、第二“L”形拐角座32、同步轴12、第二导轨35和激光发生器39。

第一“L”形拐角座11固定在第一角块36上表面，第一步进电机10固定在第一“L”形拐角座11上，第一步进电机10的动力输出端通过联轴器与第一同步轮9的连接轴相连接。

第一轴承座4固定在第二角块3的上表面，第二同步轮5的连接轴设置于第一轴承座4上。

第一同步带8设置在第一同步轮9和第二同步轮5之间；第一滑块7位于第一角块36和第二角块3之间的第一导轨6上，第一滑块7与第一同步带8连接。

第三轴承座13固定在第四角块16的上表面，第三同步轮14的连接轴设置在第三轴承座13内。

第二轴承座41固定在第三角块40的上表面，第四同步轮42的连接轴设置在第二轴承座41内。

第三同步带15设置在第三同步轮14和四同步轮42之间；第三滑块46设置于第三角块40和第四角块16之间的第三导轨43上；第三滑块46与第三同步带15连接。

同步轴12的一端插入第三轴承座13，并与第三同步轮14的连接轴相连；另一端穿过第一步进电机10，并与第一同步轮9的连接轴相连接。

第一滑块7与第三滑块46之间设置有第二导轨35，第二导轨35与第一滑块7与第三滑块46之间的连接方式为固定连接；第二滑块38设置于第二导轨35上。

第二“L”形拐角座32固定在第一滑块7的下表面，第二步进电机33固定在第二“L”形拐角座32下方，第二步进电机33的动力输出轴通过联轴器与第六同步轮34的连接轴相连接。

第四轴承座44固定在第三滑块46的下表面，第五同步轮45的连接轴设置在第四轴承座44内；第二同步带31设置在第五同步轮45和第六同步轮34之间；第二滑块38下端与第二同步带31的上端相连。

激光发生器39固定于第二滑块38的下方。

所述管材位移系统包括第三步进电机25、第四滑块21和第三“L”形拐角座24。

其中，第三“L”形拐角座24固定在第四滑块21的上表面，第三步进电机25固定在第三“L”形拐角座24上；第三步进电机25的动力输出轴与三爪卡盘23相连，三爪卡盘23用于夹紧管材22。

第四滑块21位于第二固定端1和第三固定端19之间的第四导轨20上。

所述的一种管材弯曲变形的加工装置主体框架还包括第一横梁37、第二横梁30和第三横梁26，其中，第二角块3与第三角块40之间设置有第二横梁30，第四角块16与第一角块36之间设置有第一横梁37，第一固定端28与第四固定端18之间设置有第三横梁26。

所述的一种管材弯曲变形的加工装置主体框架还包括第一立柱29、第二立柱2、第三立柱27和第四立柱17，其中，第一角块36和第一固定端28之间设置有第一立柱29，第二角块3和第二固定端1之间设置有第二立柱2，第三角块40和第三固定端19之间设置有第三立柱27，第四角块16和第四固定端18之间设置有第四立柱17。

所述的一种管材弯曲变形的加工装置的导轨、横梁以及立柱与角块或固定端的连接方式为插入固定。

所述的一种管材弯曲变形的加工装置第二导轨35与第一滑块7与第三滑块46之间的固定连接方式为插入固定。

所述的一种管材弯曲变形的加工装置第四导轨20上设有刻度槽。

本发明的有益效果在于：

1)本发明能够提供规划好的管材三维连续弯曲的路径，并利用简单的方法实现管材的三维连续弯曲；

2)本发明提供的一种管材螺纹状弯曲的加工装置属于一种新型激光加工装置。所述装置激光发生器沿着x轴和y轴两个方向的平移运动及管材沿着y轴的平移运动和绕x轴的旋转运动；

3)本发明提供了一种管材螺纹状弯曲的加工装置，所述装置结构简单、造价低廉，便于实际生产、工程中的广泛使用和推广。

附图说明

图1为螺纹线上A、B两点位置的示意图；

图2为坐标系上A、B、C三点示意图；

图3为扫描路径位置示意图；

图4为本发明管材螺纹状弯曲的加工装置。

附图中：

1 第二固定端 2 第二立柱

3 第二角块 4 第一轴承座

5 第二同步轮 6 第一导轨

7 第一滑块 8 第一同步带

9 第一同步轮 10 第一步进电机

11 第一“L”形拐角座 12 同步轴

13 第三轴承座 14 第三同步轮

15 第三同步带 16 第四角块

17 第四立柱 18 第四固定端

19 第三固定端 20 第四导轨

21 第四滑块 22 管材

23 三爪卡盘 24 第三“L”形拐角座

25 第三步进电机 26 第三横梁

27 第三立柱 28 第一固定端

29 第一立柱 30 第二横梁

31 第二同步带 32 第二“L”形拐角座

33 第二步进电机 34 第六同步轮

35 第二导轨 36 第一角块

37 第一横梁 38 第二滑块

39 激光发生器 40 第三角块

41 第二轴承座 42 第四同步轮

43 第三导轨 44 第四轴承座

45 第五同步轮 46 第三滑块

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种管材螺纹状弯曲的加工方法，包括如下步骤：

1)计算路径规划的相关参数：

如图1所示，将螺纹线轴线均分成多个线段，取其中一个线段AB为例。

如图2所示，A、B两点分别为一段管材轴线的两端点，点C为AB段的中点。线ACB为管材弯曲后的轴线。根据螺纹的性能参数半径、及牙距，确定点A、点B的坐标。角α为这段管材要完成的单向弯曲角度。根据其中一段线段的端点A和B的坐标以及几何关系计算出管材单向弯曲角度α的大小。AOB平面是管材弯曲所在的平面，其与水平面的夹角为β，激光光束的方向与AOB平面垂直，因此，相邻扫描轨迹之间的轴向偏移角度为β。扫描的轨迹数为螺纹线轴线所分的线段段数。因此相邻扫描轨迹之间的轴向间距为轴线每段线段的长度。

线段的端点A和B的坐标分别为(0,b,c)、(a,0,0)，计算公式为：

其中，p为螺距，n为一圈螺纹所分的段数，D为螺纹外径。

管材单向弯曲角度α与相邻扫描轨迹之间的轴向偏移角度β计算公式为：

2)选定激光发生器的工艺参数：

所述工艺参数包括激光功率、光斑直径及扫描速度。工艺参数均需要在有限元分析软件ANSYS中进行数字模拟仿真。同时，通过有限元分析软件ANSYS得到管材单向弯曲角度α所需要的扫描次数，从而规划出扫描路径。扫描路径如图3所示。

3)根据所述扫描路径，对管材进行弯曲变形加工：

根据步骤2)中得到的扫描次数，对管材AB段进行扫描，每次扫描后，将管材转动β度。扫描结束后，即可得到单向弯曲角度为α的管材。

4)根据上述步骤，继续对下一段管材进行扫描。

图4为本发明的一种管材弯曲变形的加工装置，包括主体框架、激光发生器位移系统和管材位移系统。

所述主体框架包括第一角块36、第二角块3、第三角块40、第四角块16、第一横梁37、第二横梁30、第三横梁26、第一导轨6、第三导轨43、第四导轨20、第一固定端28、第二固定端1、第三固定端19、第四固定端18、第一立柱29、第二立柱2、第三立柱27和第四立柱17。

其中，主体框架顶部四角分别设置第一角块36、第二角块3、第三角块40和第四角块16；其中，第一角块36与第二角块3之间设置有第一导轨6，第三角块40与第四角块16之间设置有第三导轨43，第二角块3与第三角块40之间设置有第二横梁30，第四角块16与第一角块36之间设置有第一横梁37。

主体框架底部设置有第一固定端28、第二固定端1、第三固定端19和第四固定端18，其中，第二固定端1与第三固定端19之间设置有第四导轨20，第一固定端28与第四固定端18之间设置有第三横梁26。

第一角块36和第一固定端28之间设置有第一立柱29，第二角块3和第二固定端1之间设置有第二立柱2，第三角块40和第三固定端19之间设置有第三立柱27，第四角块16和第四固定端18之间设置有第四立柱17。

优选地，所述导轨、横梁以及立柱与角块或固定端的连接方式为插入固定。

所述激光发生器位移系统包括第一步进电机10、第二步进电机33、第一同步带8、第二同步带31、第三同步带15、第一同步轮9、第二同步轮5、第三同步轮14、第四同步轮42、第五同步轮45、第六同步轮34、第一轴承座4、第二轴承座41、第三轴承座13、第四轴承座44、第一滑块7、第二滑块38、第三滑块46、第一“L”形拐角座11、第二“L”形拐角座32、同步轴12、第二导轨35和激光发生器39。

第一“L”形拐角座11固定在第一角块36上表面，第一步进电机10固定在第一“L”形拐角座11上，第一步进电机10的动力输出端通过联轴器与第一同步轮9的连接轴相连接。

第一轴承座4固定在第二角块3的上表面，第二同步轮5的连接轴设置于第一轴承座4上。

第一同步带8设置在第一同步轮9和第二同步轮5之间。第一滑块7位于第一角块36和第二角块3之间的第一导轨6上，第一滑块7与第一同步带8连接。

第三轴承座13固定在第四角块16的上表面，第三同步轮14的连接轴设置在第三轴承座13内。

第二轴承座41固定在第三角块40的上表面，第四同步轮42的连接轴设置在第二轴承座41内。

第三同步带15设置在第三同步轮14和四同步轮42之间。第三滑块46设置于第三角块40和第四角块16之间的第三导轨43上。第三滑块46与第三同步带15连接。

同步轴12的一端插入第三轴承座13，并与第三同步轮14的连接轴相连；另一端穿过第一步进电机10，并与第一同步轮9的连接轴相连接。

第一滑块7与第三滑块46之间设置有第二导轨35，第二导轨35与第一滑块7与第三滑块46之间的连接方式为固定连接。优选地，所述固定连接为插入固定。第二导轨35穿过第二滑块38，从而使第二滑块38设置于第二导轨35上。

第二“L”形拐角座32固定在第一滑块7的下表面，第二步进电机33固定在第二“L”形拐角座32下方，第二步进电机33的动力输出轴通过联轴器与第六同步轮34的连接轴相连接。

第四轴承座44固定在第三滑块46的下表面，第五同步轮45的连接轴设置在第四轴承座44内。第二同步带31设置在第五同步轮45和第六同步轮34之间。第二滑块38下端与第二同步带31的上端相连。

激光发生器39固定于第二滑块38的下方。所述激光发生器39为可伸缩式，可以根据实际需要伸长或者缩短以满足实际工况的需求。

所述管材位移系统包括第三步进电机25、第四滑块21、第三“L”形拐角座24。

其中，第三“L”形拐角座24固定在第四滑块21的上表面，第三步进电机25固定在第三“L”形拐角座24上。第三步进电机25的动力输出轴与三爪卡盘23相连，三爪卡盘23用于夹紧管材22。

第四滑块21位于第二固定端1和第三固定端19之间的第四导轨20上。第四导轨20上设有刻度槽，能够根据实际情况手动调节第四滑块21的位置，确定位置后，用保险销锁死。至此，管材22可以实现沿着垂直于其轴向的方向平移和围绕其轴向旋转的两种运动形式。

本发明的工作过程为：

根据弯曲角度α与扫描次数的关系，确定产生单向弯曲角度α所需要的扫描次数。启动激光发生器位移系统，根据选定的激光功率、光斑直径及扫描速度等工艺参数对管材22进行扫描。当驱动器驱动第一步进电机10转动时，带动第一同步带8，从而带动第一滑块7沿第一导轨6在第一同步轮9和第二同步轮5之间定量滑动。当第一同步轮9作为主动轮开始转动时，通过同步轴12的动力传输作用，带动第三同步轮14转动，第三同步轮14通过第三同步带15带动第四同步轮42一起作同步运动，从而带动第三滑块46沿第三导轨43在第三同步轮14和第四同步轮42之间定量滑动。

第一滑块7在第一导轨6上滑动时，第三滑块46同时在第三导轨43上滑动，进而带动第二导轨35和第二滑块38沿着管材22的轴向方向移动。

当第二步进电机33转动时，带动第六同步轮34转动，第六同步轮34带动第五同步轮45和第二滑块38一起做同步运动，第二滑块38可实现沿着垂直于管材22轴向方向的平移。

至此，通过第一步进电机10和第二步进电机33可以驱动第二滑块38实现沿着管材22的轴向和垂直于管材22的轴向的两个自由度的平移运动。

管材位移系统带动管材22转动，与激光发生器位移系统的扫描过程同步进行。当驱动器驱动第三步进电机25转动时，第三步进电机25的动力输出轴带动管材22转动。

整个装置实现了激光发生器39沿着管材22轴向和垂直于轴向两个方向的平移运动及管材22沿着垂直于轴向的平移运动和绕轴向旋转运动，可以很好地满足实际生产的需求。

由于管材被激光扫描后发生弯曲，很难从扫描过的区域确定扫描位置，因此扫描从自由端开始，并对逐条轨迹进行扫描。每条轨迹扫描完成一次后，冷却后进行第二次扫描，直到达到需要的扫描次数。

然后将管材转动β度，用相同的工艺参数和操作流程进行第二条扫描轨迹的扫描，直至最后一条扫描轨迹扫描完成。