一种螺旋式三维复杂弯曲件的自由弯曲成形方法与流程

本发明属于金属复杂构件柔性制造技术领域，特别涉及一种螺旋式三维复杂弯曲件的自由弯曲成形方法。

背景技术：

螺旋式三维复杂弯曲件是弯管中一类重要的零件，例如作为环形件的特殊产品的螺旋盘管具有换热面积大、换热效率高等优点，已广泛地应用于石油、化工、冶金、建筑、造船、城市集中供热、空调、热水供应系统、洗涤机械的蒸馏冷凝器和溶剂冷却器等领域。目前螺旋式三维复杂弯曲件的生产方法普遍采用绕弯、滚弯、中频感应加热弯曲和火焰加热弯曲等成形工艺加工制造。然而这些传统方法都有各自的缺点：管材绕弯后的截面畸变和壁厚变化很大，而且不同曲率半径和管径的螺旋式三维复杂弯曲件必须更换不同的模具，从而增加了制造成本；滚弯的弯曲半径有一定限制，仅适用于曲率半径要求很大的厚壁管，而且弯曲半径和螺距极不容易控制；中频弯管中的中频感应机组耗电量大，设备投资较大；火焰弯管机由于火焰加热效率较低，故仅适用于薄壁的螺旋式三维复杂弯曲件的弯制。

复杂构件的三维自由弯曲系统能实现管材、型材、线材在各种弯曲半径条件下的高精度无模成形。该技术完全通过控制工艺参数，无须改变模具或工装即可实现航空器所需的各种异形复杂弯曲件的精确成形。三维自由弯曲成形技术不需要更换模具即可一次快速成形中间无直段的螺旋式三维复杂弯曲件，弯管成形质量较好，椭圆度和壁厚减薄量都低于传统弯管方法，且设备制造成本较低，弯曲半径和螺距调整方便，适应性强，成形效率高。但是对于螺旋式三维复杂弯曲件，国内的三维自由弯曲系统尚没有一套完整的成形工艺解析方法。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种螺旋式三维复杂弯曲件的自由弯曲成形工艺解析方案。

一种螺旋式三维复杂弯曲件的自由弯曲成形方法，管材z向匀速送进，弯曲模从初始位置o(初始位置偏心距为0)开始先在t1时间内运动到指定弯曲半径r的y向偏心距uy位置，在此位置停留t2时间成形半个圆弧长，随后以o为圆心、偏心距uy为半径，在xy平面内从uy位置出发以1/4圆弧轨迹，经若干次偏转和停留，最终运动至x向偏心距ux位置后不作停留，并在t3时间内返回初始位置o。

所述的自由弯曲成形方法，具体过程为：首先根据圆柱型螺旋式三维复杂弯曲件的尺寸如圆柱直径d和螺距s确定其单圈螺线长度l、弯曲半径r及y向偏心距uy；其次对复杂构型的弯管三维几何模型进行分段，以螺线长为管材送进的长度从而确定每次停留的时间tss、tkk，并根据螺旋圈数n确定偏转的次数n和角度θn；然后在上述数量关系中引入修正系数k，启动有限元反复迭代计算，将计算结果导入几何软件进行处理，并对比计算结果与理论模型的尺寸差异；当误差小于给定值时，迭代结束并将最终的工艺参数制定成完整的工艺路线图，在三维自由弯曲设备上成形预定螺旋式三维复杂弯曲件。

所述的自由弯曲成形方法，圆柱直径为d、螺距为s、螺旋圈数为n的螺旋式三维复杂弯曲件的工艺解析步骤如下：

第一步，根据圆柱直径d确定弯曲半径r，r＝d/2，根据弯曲半径r和弯曲模中心与导向机构前端的距离a确定y向偏心距uy、运动时间t1及停留时间t2；

第二步，根据螺旋圈数n确定弯曲模从uy位置运动至ux位置过程中弯曲模偏转次数n，n＝2n-1；及偏转角度θn，

第三步，根据直径d和螺距s计算单圈螺线长l和半圈螺线长l/2，根据螺线长、弯曲模偏转角速度ω及管材匀速送进的速度v确定弯曲模每次的偏转时间ts、tk和停留时间tss、tkk；ts+tss＝2(tk+tkk)＝l/v；

第四步，弯曲模运动至x向偏心距ux位置后不作停留立即返回初始位置o；ux＝uy，

第五步，采用有限元方法建立三维弯曲模型，并在第一步和第四步所述数量关系中a值引入修正系数k，a’＝ka，取k初值为1，k0＝1，启动弯管有限元反复迭代计算，将计算结果导入计算机，并对比计算结果与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，当修正系数k＝k’时，有限元迭代计算出的弯曲结果中圆柱直径d、螺距s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＝k’时第一到四步所列公式计算所得工艺参数输入三维自由弯曲设备中，执行实际螺旋式三维弯曲。

所述的自由弯曲成形方法，该方法成形一个螺旋圈数为n的螺旋式三维复杂弯曲件，弯曲模从uy运动到ux过程中需经过2n-1次偏转，每次偏转停留一段时间，第一次偏转和停留为成形单圈螺线长，以后每次偏转和停留为成形半圈螺线长，最后一次偏转不作停留，马上返回初始位置。

所述的自由弯曲成形方法，弯曲模偏转角速度ω根据设备技术参数而定，不小于0.26rad/s。

所述的自由弯曲成形方法，该方法成形的螺旋式三维复杂弯曲件的最大螺距s为其圆柱直径d的一半即弯曲半径r，且螺距与可成形的最大螺圈数n有一定的匹配关系即nmax＝r/s。

所述的自由弯曲成形方法，该方法成形的螺旋式三维复杂弯曲件的最小弯曲半径r为其管材外径d的2.5倍即rmin＝2.5d，最大弯曲半径为无穷大。

所述的自由弯曲成形方法，该方法适用于成形各种铸钢管件、铸铁管件、不锈钢管件、锻钢管件、合金管件等螺旋式三维复杂弯曲件。

所述的自由弯曲成形方法，该方法适用于成形管材、型材及各种异型截面材料的快速螺旋式三维成形。

有益效果：

1、本发明为螺旋式三维复杂弯曲件的成形提供了一种自由弯曲成形工艺方案；

2、本发明为管材三维自由弯曲装置的配套弯曲工艺解析方案，充分地发挥了管材三维自由弯曲装置所具有的可以实现复杂造型金属构件弯曲和一次柔性成形的优点；

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、螺旋式三维复杂弯曲件的自由弯曲成形方法示意图(弯曲模的运动路线图)；

图2、管材三维自由弯曲装置示意图；

图中，1-球面轴承，2-弯曲模，3-螺旋式三维复杂弯曲件，4-导向机构，5-压紧机构，6-顶推机构；

图3、管材三维自由弯曲原理示意图；

图中，1-球面轴承，2-弯曲模，3-螺旋式三维复杂弯曲件，4-导向机构；

图4、圆柱直径为120mm、螺距为30mm、螺旋圈数为2、管材外径为15mm的螺旋式三维复杂弯曲件；a正面视图，b顶视图；

图5、圆柱直径为150mm、螺距为15mm、螺旋圈数为5、管材外径为6mm的螺旋式三维复杂弯曲件；a正面视图，b顶视图；

图6、圆柱直径为200mm、螺距为10mm、螺旋圈数为10、管材外径为4mm的螺旋式三维复杂弯曲件；a正面视图，b顶视图；

具体实施方式

以下结合三个不同尺寸螺旋管的具体实施实例，对本发明进行详细说明。

如图1所示为螺旋式三维复杂弯曲件的自由弯曲成形方法示意图(弯曲模的运动路线图)，管材z向匀速送进，弯曲模在xy平面中从初始位置o(偏心距为0)开始先在t1时间内运动到指定弯曲半径r的y向偏心距uy位置，在此位置停留t2时间成形半个圆弧长，随后以o为圆心、偏心距uy为半径，在xy平面内从uy位置出发以1/4圆弧轨迹，经若干次偏转(各次偏转时间为ts、tk)和停留(各次停留时间为tss、tkk)，最终运动至x向偏心距ux位置后不作停留，并在t3时间内返回初始位置o。

具体地，圆柱直径为d、螺距为s、螺旋圈数为n的螺旋式三维复杂弯曲件的工艺解析步骤如下：

第一步，根据圆柱直径d确定弯曲半径r(r＝d/2)，根据弯曲半径r、管材z向运动速度v及弯曲模中心与导向机构前端的距离a确定y向偏心距uy、运动时间t1及停留时间t2；

第二步，根据螺旋圈数n确定弯曲模从uy位置运动至ux位置过程中弯曲模偏转次数n，n＝2n-1，及偏转角度θn，

第三步，根据直径d和螺距s计算单圈螺线长l和半圈螺线长l/2，根据螺线长、弯曲模偏转角速度ω及管材匀速送进的速度v确定弯曲模偏转时间ts、tk，和停留时间tss、tkk，ts+tss＝2(tk+tkk)＝l/v；

第四步，弯曲模运动至x向偏心距ux位置后立即返回初始位置o；ux＝uy，

第五步，采用有限元方法建立三维弯曲模型，并在第一步和第四步所述数量关系中a值引入修正系数k，a’＝ka，取k初值为k0＝1，启动弯管有限元反复迭代计算，将计算结果导入计算机，对比计算结果与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，当修正系数k＝k’时，有限元迭代计算出的弯曲结果中圆柱直径d、螺距s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＝k’时第一到四步所列公式计算所得工艺参数输入三维自由弯曲设备中，执行实际螺旋式三维弯曲。

实施例1

图4为圆柱直径120mm、螺距30mm、螺旋圈数2、管材外径15mm的螺旋式三维复杂弯曲件，具体成形工艺方法步骤如下：

第一，根据圆柱直径d＝120mm确定弯曲半径r＝d/2＝60mm，根据弯曲半径60mm、管材z向运动速度v＝20mm/s及弯曲模中心与导向机构前端的距离a＝30mm，确定y向偏心距uy、运动时间t1及停留时间t2；

第二，根据螺旋圈数n＝2确定弯曲模从uy位置运动至ux位置过程中弯曲模偏转次数n及每次偏转的角度θn；

n＝2n-1＝2×2-1＝3

第三，根据直径d＝120mm和螺距s＝30mm计算单圈螺线长l和半圈螺线长l/2，根据螺线长、弯曲模偏转角速度ω＝0.52rad/s及管材匀速送进的速度v＝20mm/s确定弯曲模每次的偏转时间ts、tk和停留时间tss、tkk；

第四，弯曲模运动至x向偏心距ux位置后立即返回初始位置o；

ux＝uy＝8.0384mm，

第五，采用有限元方法建立三维弯曲模型，并在第一步和第四步所述数量关系中a值引入修正系数k(a’＝ka)，取k初值为1(k0＝1)，启动弯管有限元反复迭代计算，将计算结果导入计算机，并对比计算结果与所建立三维弯曲模型的尺寸差异；

第六，基于建立的尺寸误差判据，当修正系数k＝1.43时，有限元迭代计算出的弯曲结果中圆柱直径d、螺距s与所建立的三维弯曲模型差距小于1％，迭代结束；

第七，将k＝1.43时第一到四步所列公式计算所得工艺参数输入三维自由弯曲设备中，执行实际螺旋式三维弯曲。

实施例2

图5为圆柱直径150mm、螺距15mm、螺旋圈数5、管材外径6mm的螺旋式三维复杂弯曲件，具体成形工艺方法步骤如下：

第一，根据圆柱直径d＝150mm确定弯曲半径r＝d/2＝75mm，根据弯曲半径75mm、管材z向运动速度v＝20mm/s及弯曲模中心与导向机构前端的距离a＝30mm，确定y向偏心距uy、运动时间t1及停留时间t2；

第二，根据螺旋圈数n＝3确定弯曲模从uy位置运动至ux位置过程中弯曲模偏转次数n及每次偏转的角度θn；

n＝2n-1＝2×3-1＝5

第三，根据直径d＝150mm和螺距s＝15mm计算单圈螺线长l和半圈螺线长l/2，根据螺线长、弯曲模偏转角速度ω＝0.52rad/s及管材匀速送进的速度v＝20mm/s确定弯曲模每次的偏转时间ts、tk和停留时间tss、tkk；

第四，弯曲模运动至x向偏心距ux位置后立即返回初始位置o；

ux＝uy＝8.8599mm，

第五，采用有限元方法建立三维弯曲模型，并在第一步和第四步所述数量关系中a值引入修正系数k(a’＝ka)，取k初值为1(k0＝1)，启动弯管有限元反复迭代计算，将计算结果导入计算机，并对比计算结果与所建立三维弯曲模型的尺寸差异；

第六，基于建立的尺寸误差判据，当修正系数k＝1.34时，有限元迭代计算出的弯曲结果中圆柱直径d、螺距s与所建立的三维弯曲模型差距小于1％，迭代结束；

第七，将k＝1.34时第一到四步所列公式计算所得工艺参数输入三维自由弯曲设备中，执行实际螺旋式三维弯曲。

实施例3

图6为圆柱直径200mm、螺距10mm、螺旋圈数10、管材外径4mm的螺旋式三维复杂弯曲件，具体成形工艺方法步骤如下：

第一，根据圆柱直径d＝200mm确定弯曲半径r＝d/2＝100mm，根据弯曲半径100mm、管材z向运动速度v＝20mm/s及弯曲模中心与导向机构前端的距离a＝30mm，确定y向偏心距uy、运动时间t1及停留时间t2；

第二，根据螺旋圈数n＝10确定弯曲模从uy位置运动至ux位置过程中弯曲模偏转次数n及每次偏转的角度θn；

n＝2n-1＝2×10-1＝19

第三，根据直径d＝200mm和螺距s＝10mm计算单圈螺线长l和半圈螺线长l/2，根据螺线长、弯曲模偏转角速度ω＝0.52rad/s及管材匀速送进的速度v＝20mm/s确定弯曲模每次的偏转时间ts、tk和停留时间tss、tkk；

第四，弯曲模运动至x向偏心距ux位置后立即返回初始位置o；

ux＝uy＝4.6061mm，

第五，采用有限元方法建立三维弯曲模型，并在第一步和第四步所述数量关系中a值引入修正系数k(a’＝ka)，取k初值为1(k0＝1)，启动弯管有限元反复迭代计算，将计算结果导入计算机，并对比计算结果与所建立三维弯曲模型的尺寸差异；

第六，基于建立的尺寸误差判据，当修正系数k＝1.27时，有限元迭代计算出的弯曲结果中圆柱直径d、螺距s与所建立的三维弯曲模型差距小于1％，迭代结束；

第七，将k＝1.27时第一到四步所列公式计算所得工艺参数输入三维自由弯曲设备中，执行实际螺旋式三维弯曲。

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。