型材的三维自由弯曲工艺分析方法与流程

本发明属于型材构件先进制造技术领域，特别涉及一种型材的三维自由弯曲工艺分析方法。

背景技术：

各种截面形状的型材在汽车车身结构、高速列车、航空航天、建筑等领域得到了广泛的应用，对于减轻重量、降低成本、提高材料的性能具有重要的作用。

国内现有的型材弯曲成形方法在实际的生产运用中都存在的一定的局限性，如数控绕弯，对于不同的弯曲形状的型材，就需要更换弯曲模，极大的降低了生产的效率，同时，对于不同弯曲形状的型材，需要不同的弯曲模，一种形状对应一套弯曲模，生产成本高；拉弯、压弯、推弯等也只适用于形状简单，弯曲半径不连续变化的型材成形。而对于形状复杂的型材，其成形质量与性能都难以保证。

而现在国内还没有相应的型材三维自由弯曲技术，型材的三维自由弯曲成形能实现对形状复杂的空间型材和曲率连续变化的复杂形状型材的弯曲成形，可以大幅度提高生产效率和降低生产成本。

技术实现要素：

现有的型材弯曲方法对于形状复杂的空间型材或者曲率连续变化的复杂形状构件，其成形的方法具有一定的局限性。本发明针对现有的弯曲型材方法的不足，提出了一种型材的三维自由弯曲工艺分析方法。先对型材的形心进行计算，然后确定型材的弯曲方向，将几何模型进行分段，其次建立几何形状与工艺参数的数量关系，进行模拟计算与处理，最后实现型材的弯曲成形。具体技术方案如下:

一种型材的三维自由弯曲工艺的分析方法，通过下列步骤来实现：

第一步，对型材横截面形状形心的计算，确定弯曲模中心的位置；

第二步，根据型材所需求的弯曲形状，确定型材的弯曲方向；

第三步，将型材的三维几何模型进行分段，包括直段、非标准圆弧段、圆弧段；

第四步，建立直段、非标准圆弧段、圆弧段的几何形状参数与工艺参数之间的数量关系；

第五步，将得到的数量关系值带入软件中进行模拟计算与处理，得出相应的工艺参数；

第六步，将相应的工艺参数带入设备中执行弯曲成形。

优选的，第一步中，对型材横截面形状形心的计算，确定弯曲模中心的位置：

优选的，任意的型材横截面图形，形心的坐标为(y,z)，其面积为a，y轴和z轴为图形所在平面内的坐标轴。

当型材横截面图形为简单图形时：

，

式中，sy为图形对z轴的静矩；sz为图形y轴的静矩。

当型材截面是由若干个简单的图形组成时，型材截面的形心坐标计算公式为：

，

式中，ai为第i个图形的面积；yi为第i个图形在y轴上的形心坐标；zi为第i个图形在z轴上的形心坐标。

优选的，第二步中，根据型材所需求的弯曲形状，选择型材的某一边作为弯曲受力边，确定型材的弯曲方向。

优选的，第三步中，将型材的三维几何模型进行分段，依次包括第一直段、非标准圆弧段、圆弧段、第二直段；

优选的，第四步中，建立第一直段、非标准圆弧段、圆弧段、第二直段的几何形状参数包括第一直段长度l、圆弧的弯曲半径r、弯曲角θ等与弯曲模偏心运动速度u、角速度w、弯曲模与x轴正方向的夹角、型材轴向送进速度v、运动时间t、弯曲模中心至导向机构前端之间距离a之间的数量关系。

优选的，所述数量关系如下所示，其中管材轴向送进保持匀速运动v，弯曲模偏心运动速度u分为弯曲模x向运动速度ux、弯曲模y向运动速度uy，为各段的时间。

第一直段：弯曲模偏心运动速度ux=uy=0，w=0，运动时间；

非标准圆弧段：

，，

角速度，运动时间；

标准圆弧段：弯曲模运动速度ux=uy=0，型材轴向送进距离，运动时间；

直段：弯曲模运动速度，，

，运动时间。

有益效果：

1.本发明为型材的弯曲成形提供了一种新的工艺分析方法；

2.本发明通过改变偏心距的大小可以随时改变弯曲半径的大小，同时通过电脑的控制可以连续改变型材的弯曲半径和弯曲方向，可以很容易地满足各种型材弯曲形式，操作性和控制性好；

3.本发明在型材汽车车身结构、高速列车、航空航天、建筑等领域得到了广泛的应用，对于减轻重量、降低成本、提高材料的性能具有重要的作用。

附图说明

图1：型材三维自由弯曲工艺分析方法流程图。

图2：方形型材的弯曲工艺分析方法实例。

图2中：1-第一直段，2-非标准圆弧段，3-圆弧段，4-第二直段。

图3：“l”形型材的弯曲工艺分析方法实例。

图3中：5-第一直段，6-非标准圆弧段，7-圆弧段，8-第二直段。

图4：异形截面型材的弯曲工艺分析方法实例。

图4中：9-第一直段，10-非标准圆弧段，11-圆弧段，12-第二直段。

具体实施方式

以下结合方形型材，“l”形型材，异形截面型材的具体实施实例，对本发明进行详细说明。

实施例1

方形型材的规格为20×20mm，倒角为2mm。

第一步，计算型材的形心，由于方形型材的平面图形简单，所以根据计算公式：

,,

形心的坐标为（10，10）。

第二步，由于型材为正方形，这里取型材向y轴方向弯。

第三步，对方形型材进行分段，如图2所示。

第四步，取型材的轴向送进速度v=10mm/s，弯曲模中心至导向机构前端之间距离a为30mm，两直段长为100mm，圆弧段的半径r为60mm，将该尺寸参数转换成每一小段实际弯曲工艺参数，建立直段、非标准圆弧段、圆弧段的几何形状参数第一直段1长度l、圆弧的弯曲半径r与弯曲模偏心运动速度u、型材轴向送进速度v、运动时间t、弯曲模中心至导向机构前端之间距离a之间的数量关系如下所示，其中管材轴向送进保持匀速运动v，弯曲模偏心运动速度u分为弯曲模x向运动速度ux、弯曲模y向运动速度uy，为各段的运动时间。

第一直段1：弯曲模偏心运动速度ux=uy=0，v=10，w=0，运动时间；

非标准圆弧段2：

；

角速度w=，运动时间；

标准圆弧段3：弯曲模运动速度ux=uy=0，w=0，型材轴向送进距离，运动时间；

第二直段4：弯曲模运动速度；

；

；运动时间。

第五步，将得到的数量关系值带入软件中进行模拟计算与处理，得出相应的工艺参数；

第六步，将相应的工艺参数带入设备中执行弯曲成形。

实施例2

“l”形型材的规格为长的一边的长度为40mm，短的一边的长度为30mm，厚度为4mm。

第一步，计算型材的形心，由于“l”形型材的平面图形是由若干个简单的图形组成时，组合图形形心坐标计算公式为：

，，

，，

,

；

形心的坐标为（7.57，12.29）。

第二步，由于型材为“l”形，以不同的边作为弯曲方向会得到不同的弯曲形状，这里取边长为30mm作为弯曲边。

第三步，对“l”型材进行分段，如图3所示。

第四步，取型材的轴向送进速度v=10mm/s，弯曲模中心至导向机构前端之间距离a为32mm，两直段长为100mm，圆弧段的半径r为240mm，θ=35°，φ=90°，将该尺寸参数转换成每一小段实际弯曲工艺参数，建立直段、非标准圆弧段、圆弧段的几何形状参数如直段长度l、圆弧的弯曲半径r、弯曲角等与弯曲模偏心运动速度u、型材轴向送进速度v、运动时间t、弯曲模中心至导向机构前端之间距离a之间的数量关系如下所示，其中管材轴向送进保持匀速运动v，弯曲模偏心运动速度u分为弯曲模x向运动速度ux、弯曲模y向运动速度uy，为各段的时间。

第一直段5：弯曲模偏心运动速度ux=uy=0，v=10，w=0，运动时间；

非标准圆弧段6：

；

；

角速度w=，运动时间；

标准圆弧段7：弯曲模运动速度ux=uy=0，w=0，型材轴向送进距离，运动时间；

第二直段8：弯曲模运动速度；

；

；运动时间。

第五步，将得到的数量关系值带入软件中进行模拟计算与处理，得出相应的工艺参数；

第六步，将相应的工艺参数带入设备中执行弯曲成形。

实施例3

异形截面型材的外形类似为“回”，外规格为40×30mm，内规格为34×26mm，一边的厚度为4mm，其它三边的厚度为2mm。

第一步，计算型材的形心，由于“回”形型材的平面图形是由若干个简单的图形组成时，组合图形形心坐标计算公式为：

，，

，

，

异形截面型材的横截面有一铅垂对称轴，其形心必然在这对称轴上，所以型材形心的横坐标为，

纵坐标为（注：面积a2是减去的，故上式运算时，a2以负值带入）；

形心的坐标为（15，17.2）。

第二步，取型材弯曲方向为边长为40mm的一边作为受力边进行弯曲。

第三步，异形截面对型材进行分段，如图4所示。

第四步，取型材的轴向送进速度v=10mm/s，弯曲模中心至导向机构前端之间距离a为32mm，圆弧段的半径r为90mm，θ=75°，φ=90°，将该尺寸参数转换成每一小段实际弯曲工艺参数，建立直段、非标准圆弧段、圆弧段的几何形状参数如直段长度l、圆弧的弯曲半径r、弯曲角θ等与弯曲模偏心运动速度u、型材轴向送进速度v、运动时间t、弯曲模中心至导向机构前端之间距离a之间的数量关系如下所示，其中管材轴向送进保持匀速运动v，弯曲模偏心运动速度u分为弯曲模x向运动速度ux、弯曲模y向运动速度uy，为各段的时间。

第一直段9：弯曲模偏心运动速度ux=uy=0，v=10，w=0，运动时间；

非标准圆弧段10：

；

；

角速度w=，运动时间；

标准圆弧段11：弯曲模运动速度ux=uy=0，w=0，型材轴向送进距离，运动时间；

第二直段12：弯曲模运动速度；

；

；运动时间

第五步，将得到的数量关系值带入软件中进行模拟计算与处理，得出相应的工艺参数；

第六步，将相应的工艺参数带入设备中执行弯曲成形。