一种金属复杂构件3D自由弯曲成形工艺优化方法与流程

本发明属于金属复杂构件先进制造技术领域，特别涉及一种金属复杂构件3D自由弯曲成形工艺优化方法。

背景技术：

各种截面形状的金属复杂构件在航空航天、核电、汽车、舰船、石化、建筑以及其它民用工业等诸多领域具有广泛的应用，对于降低产品的生产成本以及减重方面发挥着重要的作用。

目前，传统的金属构件弯曲技术主要为压弯、拉弯、绕弯、推弯以及由上述基本工艺衍生出的弯曲工艺。以上传统的管材成形方法在弯曲复杂轴线形状管材时并不能满足管材高精度的要求。同时，根据相对弯曲半径的不同，以上管材弯曲方法也必须不断更换弯曲模，从而极大降低了生产效率。因此，以上管材弯曲方法只适用于大批量，形状简单的管材的弯曲过程。而对于形状复杂的空间弯管或者曲率连续变化的复杂形状弯管，以上传统弯管方法均无法实现。

复杂构件的三维自由弯曲系统则能实现管材、型材、线材在各种弯曲半径条件下的高精度无模成形，对传统金属弯曲成形技术形成了巨大的挑战，是塑性成形领域的公认的一种重要技术创新。

技术实现要素：

传统的金属构件弯曲技术在弯曲复杂轴线形状管材时存在较大的局限性。本发明针对传统的金属构件弯曲技术存在的不足，提出了一种新的金属复杂构件3D自由弯曲成形工艺优化方法。采用对金属复杂构件先进行分段，然后补充过渡段，再建立不同段的几何形状与关键工艺参数之间的数量关系，并进行不断优化的过程，制备得到了同时具有高的尺寸精度与复杂轴线形状的金属复杂构件，充分地发挥了管材三维自由弯曲系统可以实时改变管材弯曲半径，实现复杂造型金属构件弯曲的优点。

一种金属复杂构件3D自由弯曲成形工艺优化方法，包括以下步骤：

第一步，将复杂形状弯管的三维几何模型进行分段，包括直段、弯曲段；

第二步，在不同的弯曲段之间补充过渡段；

第三步，建立直段、过渡段、弯曲段的包括直段长度L、弯曲半径R、弯曲角度θ在内的几何形状参数与球面轴承在X/Y平面内的运动速度u、管材Z轴送进速度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；

第四步，采用有限元方法建立三维弯曲模型，并在第三步所述数量关系中引入修正系数k；

第五步，采用第四步所述引入修正系数k后的数量关系作为弯曲工艺参数，启动弯管有限元反复迭代计算，将计算结果导入几何软件中进行处理，并对比计算结果与第一步所建立三维弯曲模型的尺寸差异；

第六步，基于建立的尺寸误差判据，决定是否修改修正系数k并进行再次迭代；当误差小于给定值时，迭代结束；

第七步，将最终的工艺参数传送给设备，执行实际弯曲成形。

所述的方法，第二步中，在直段与弯曲段之间补充从直段向弯曲段过渡的第一过渡段和从弯曲段向下一直段过渡的第二过渡段。

所述的方法，第三步中，建立直段、第一过渡段、弯曲段、第二过渡段的几何形状参数如直段长度L、弯曲半径R、弯曲角度θ与球面轴承在X/Y平面内的运动速度u、管材Z轴送进速度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，其中管材沿Z轴送进速度保持匀速运动v：

直段：球面轴承运动速度u＝0，运动时间

第一过渡段：球面轴承运动速度运动时间

弯曲段：球面轴承运动速度u＝0；运动时间其中

第二过渡段：球面轴承运动速度运动时间

所述的方法，第三步中，球面轴承在X、Y平面内的运动方向取决于对复杂形状弯管的三维几何模型进行分段后不同的弯曲段在X、Y平面上的投影方向。

所述的方法，第四步中，在以下所列的数量关系中引入修正系数k；

第一过渡段：球面轴承运动速度运动时间

弯曲段：球面轴承运动速度u＝0；运动时间其中

第二过渡段：球面轴承运动速度运动时间

所述的方法，第六步中，建立的尺寸误差判据为有限元迭代计算出的弯曲结果中弯曲半径R、弯曲角θ与第一步所建立的三维弯曲模型误差小于1％。。

有益效果：

1、本发明为金属复杂构件的3D自由弯曲成形提供了一种新的成形工艺优化方法；

2、本发明为管材三维自由弯曲装置的配套弯曲工艺，充分地发挥了管材三维自由弯曲装置所具有的可以实时改变管材弯曲半径，实现复杂造型金属构件弯曲的优点；

3、本发明方法简单可行，生产效率高，在航空航天、核电、汽车等工程领域具有重要的工程应用价值和明显的经济效益。

附图说明

图1、金属复杂构件3D自由弯曲成形工艺优化方法流程图。

图2、管材三维自由弯曲装置示意图，C球面轴承，D弯曲模；

图3、“L”形弯管成形工艺优化方法实例；

图中，1-第一直段，2-第一过渡段，3-第一弯曲段，4-第二过渡段，5-第二直段

图4、“U”形弯管成形工艺优化方法实例；

图中，6-第三直段，7-第三过渡段，8-第二弯曲段，9-第四过渡段，10-第四直段，11-第五过渡段，12-第三弯曲段，13-第六过渡段，14-第五直段；

图5、“S”形弯管成形工艺优化方法实例；

图中，15-第七过渡段，16-第四弯曲段，17-第八过渡段，18-第九过渡段，19-第五弯曲段，20-第十过渡段；

具体实施方式

以下结合“L”形、“U”形、“S”形弯管的具体实施实例，对本发明进行详细说明。

本发明实施例中采用3D自由弯曲成形设备，包括弯曲模，球面轴承等，弯曲模在球面轴承的作用下可以沿X/Y轴向运动。

实施例1

第一步，将外径为20mm,两端直段长分别为200mm，圆弧段半径为87.85mm的“L”形弯管模型划分成两个直段和一个弯曲(圆弧)段，如图3所示，分别为：第一直段1，第一弯曲段3，第二直段5；

第二步，在两个直段和弯曲段之间补充第一过渡段2和第二过渡段4；

第三步，管材轴向送进速度v＝10mm/s，弯曲模中心至导向机构前端之间距离A＝30mm。建立第一直段、第一过渡段、第一弯曲段、第二过渡段的几何形状参数弯曲半径R、弯曲角度θ等与球面轴承运动速度u、运动时间t之间的数量关系如下所示：

第一直段1：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝20s；

第一过渡段2:球面轴承沿y轴正方向运动速度运动时间Δt＝3.06s；

第一弯曲段3：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝10.74s；

第二过渡段4：球面轴承沿y轴负方向运动速度运动时间Δt＝3s；

第二直段5：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝17s；

第四步，采用有限元方法建立三维弯曲模型，并在第三步所述数量关系中引入修正系数k。引入修正系数后的公式如下所示：

第一直段1：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝20s；

第一过渡段2:球面轴承沿y轴正方向运动速度运动时间

第一弯曲段3：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间

第二过渡段4:球面轴承沿y轴负方向运动速度运动时间Δt＝3s；

第二直段5：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝17s；

第五步，采用第四步所述引入修正系数k后的数量关系作为弯曲参数，取k初值为1，启动弯管有限元反复迭代计算，将计算结果导入几何软件CATIA中进行处理，并对比计算结果与第一步中“L”形弯管三维模型的尺寸差异；

第六步：判断有限元迭代计算出的弯曲结果中弯曲半径R、弯曲角θ与第一步所建立的三维弯曲模型误差是否小于1％，小于1％时，迭代结束；本实施例中，当修正系数k＝1.43时，有限元迭代计算出的弯曲结果中弯曲半径R、弯曲角度θ与所建立的“L”形弯管模型尺寸差距小于1％，迭代结束；

第七步：将k＝1.43代入第四步所列公式中，将所列公式输入三维自由弯曲设备中，进行实际弯曲生产。

实施例2

第一步，将外径为15mm,两端及底部直段长均为200mm，圆弧段半径为63.75mm的“U”形弯管划分成三个直段和两个弯曲段；如图4所示，分别是：第三直段6，第四直段10，第五直段14，第二弯曲段8，第三弯曲段12；

第二步，如图4所示，在直段和弯曲段之间补充过渡段，由于该“U”形弯管为左右对称结构，因此，在该弯管中存在4个过渡段：第三过渡段7，第四过渡段9，第五过渡段11，第六过渡段13，且第三过渡段7和第五过渡段11，第四过渡段9和第六过渡段13的工艺参数完全一致；

第三步，管材轴向送进速度v＝10mm/s，弯曲模中心至导向机构之间距离A＝22.5mm。建立直段、第一过渡段、弯曲段、第二过渡段的几何形状参数弯曲半径R、弯曲角度θ与球面轴承运动速度u、运动时间t之间的数量关系如下所示：

第三直段6：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝20s；

第三过渡段7：球面轴承沿y轴正方向运动速度运动时间Δt＝2.43s；

第二弯曲段8：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝8.14s；

第四过渡段9：球面轴承沿y轴负方向运动速度运动时间Δt＝2.25s；

第四直段10：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝17s；

第五过渡段11：球面轴承沿y轴正方向运动速度运动时间Δt＝2.43s；

第三弯曲段12：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝8.14s；

第六过渡段13：球面轴承沿y轴负方向运动速度运动时间t＝2.25s；

第五直段14：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝17s；

第四步，采用有限元方法建立三维弯曲模型，并在第三步所述数量关系中引入修正系数k。引入修正系数后的公式如下所示：

第三直段6：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝20s；

第三过渡段7：球面轴承沿y轴正方向运动速度运动时间

第二弯曲段8：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间

第四过渡段9：球面轴承沿y轴负方向运动速度运动时间Δt＝2.25s；

第四直段10：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝17.75s；

第五过渡段11：球面轴承沿y轴正方向运动速度运动时间

第三弯曲段12：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间

第六过渡段13：球面轴承沿y轴负方向运动速度运动时间Δt＝2.25s；

第五直段14：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝17.75s；

第五步，采用第四步所述引入修正系数k后的数量关系作为弯曲参数，取k初值为1，启动弯管有限元反复迭代计算，将计算结果导入几何软件CATIA中进行处理，并对比计算结果与第一步所建立“U”形弯管三维模型的尺寸差异；

第六步：判断有限元迭代计算出的弯曲结果中弯曲半径R、弯曲角θ与第一步所建立的三维弯曲模型误差是否小于1％，小于1％时，迭代结束；本实施例中，当修正系数k＝1.4时，有限元迭代计算出的弯曲结果中弯曲半径R、弯曲角θ与所建立的三维弯曲模型差距小于1％，迭代结束；

第七步：将k＝1.4代入第四步所列公式中，将所列公式输入三维自由弯曲设备中，进行实际弯曲生产。

实施例3

第一步，将外径为15mm,两个半圆半径均为100mm的“S”形弯管划分成两个弯曲段，如图5所示，分别是第四弯曲段16，第五弯曲段19；

第二步，在两个半圆上补充4个过渡段，分别是：第七过渡段15，第八过渡段17，第九过渡段18，第十过渡段20；其中第七过渡段15和第九过渡段18，第八过渡段17和第十过渡段20的工艺参数完全一致；

第三步，管材轴向送进速度v＝10mm/s，弯曲模中心至导向机构之间距离A＝22.5mm。建立过渡段、弯曲段的几何形状参数弯曲半径R、弯曲角度θ与弯曲模偏心运动速度u、运动时间t之间的数量关系如下所示：

第七过渡段15：球面轴承沿x轴正方向运动运动时间Δt＝2.43s；

第四弯曲段16：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝26.736s；

第八过渡段17：球面轴承沿x轴负方向运动运动时间Δt＝2.25s；

第九过渡段18：球面轴承沿x轴负方向运动运动时间Δt＝2.43s；

第五弯曲段19：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间Δt＝26.736s；

第十过渡段20：球面轴承沿x轴正方向运动运动时间Δt＝2.25s；

第四步，采用有限元方法建立三维弯曲模型，并在第三步所述数量关系中引入修正系数k。引入修正系数后的公式如下所示：

第七过渡段15：球面轴承沿x轴正方向运动运动时间

第四弯曲段16：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进运动时间

第八过渡段17：球面轴承沿x轴负方向运动运动时间Δt＝2.25s；

第九过渡段18：球面轴承沿x轴负方向运动运动时间

第五弯曲段19：球面轴承固定不动，管材轴向匀速送进，运动时间

第十过渡段20：球面轴承沿x轴正方向运动运动时间Δt＝2.25s；

第五步，采用第四步所述引入修正系数k后的数量关系作为弯曲参数，取k初值为1，启动弯管有限元反复迭代计算，将计算结果导入几何软件进行处理，并对比计算结果与第一步所建立“S”形弯管三维模型的尺寸差异；

第六步：判断有限元迭代计算出的弯曲结果中弯曲半径R、弯曲角θ与第一步所建立的三维弯曲模型误差是否小于1％，小于1％时，迭代结束；本实施例中，当修正系数k＝1.3时，有限元迭代计算出的弯曲结果中弯曲半径R、弯曲角度θ与所建立的三维弯曲模型差距小于1％，迭代结束；

第七步：将k＝1.3代入第四步所列公式中，将所列公式输入三维自由弯曲设备中，进行实际弯曲试验。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。