三维自由弯曲成形弯管机的制作方法

本发明涉及金属复杂构件先进制造技术领域，特别是指一种三维自由弯曲成形弯管机。

背景技术：

由于管件结构具有较好的强度和刚度性能，并且同时具有较好的成形加工性能，因此复杂空间弯曲件在航空航天、核电、汽车、舰船、石化、建筑以及其他民用工业等诸多领域具有广泛的应用。目前，金属弯曲件的空间构型也渐趋复杂，弯曲件的轴线形式从平面形式逐渐演变成空间形式，同一个弯曲件上所具有的弯曲半径数也逐渐增多，对传统的弯曲成形技术和装备形成了巨大的挑战。

传统的金属构件弯曲成形技术如弯压、拉弯、绕弯、推弯以及由上述基本工艺衍生出来的弯曲工艺等在弯曲变弯曲半径的弯管时需要根据弯曲半径不断更换弯曲模具，极大降低了生产效率。另外，采用以上传统弯管工艺弯曲空间弯时，空间弯的三维构型受到诸多限制，无法实现复杂金属工件的高精度弯曲成形，对于变弯曲半径、轴线为平面或空间曲线的复杂金属构件，以上传统弯管方法均无法实现一次性高精度成形。

综上，传统弯曲成形技术所能加工的弯曲件构型简单，不能加工复杂空间弯曲件，且需根据不同弯曲半径不断更换弯曲模，加工成形效率低、成本高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种三维自由弯曲成形弯管机，其不需要更换弯曲模具，就可实现复杂空间弯管自由弯曲成形，生产效率高。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种三维自由弯曲成形弯管机，包括固定架、推进机构、固定模、弯头移动机构和弯头偏转机构，其中：

所述推进机构包括设置在所述固定架中部的第一滚珠丝杠，所述第一滚珠丝杠的一端插接在所述固定架内，另一端延伸出所述固定架的外部，所述固定模设置在所述第一滚珠丝杠另一端的末端，所述第一滚珠丝杠上设置有夹紧装置，所述夹紧装置上设置有夹紧管件的第一管件通道，所述固定模上设置有第二管件通道；

所述弯头移动机构包括设置在所述固定模外侧的动平台，所述动平台上设置有圆形透孔，所述动平台与固定架之间设置有可使所述动平台沿空间任意方向平移的运动传递支链；

所述弯头偏转机构设置在所述动平台的外侧，所述弯头偏转机构包括可使管件实现空间任意角度弯曲的偏转平台，所述偏转平台上设置有第三管道通道，所述偏转平台与动平台之间设置有可使所述偏转平台发生偏转的驱动机构；

初始状态时所述第一管件通道、第二管件通道、圆形透孔和第三管件通道的轴线均在同一条直线上。

进一步的，所述运动传递支链包括3组并联的upu运动支链，其中：

所述upu运动支链包括设置在所述固定架侧面与所述动平台之间的第二滚珠丝杠，所述第二滚珠丝杠上设置有与所述第二滚珠丝杠相配合的移动滑杆，所述第二滚珠丝杠与固定架通过第一万向节连接，所述移动滑杆与动平台通过第二万向节连接。

进一步的，所述驱动机构包括设置在所述动平台端面上的齿轮传动机构，所述齿轮传动机构包括第一齿轮和与所述第一齿轮相啮合的旋转台，所述旋转台的端面上设置有用于支撑所述偏转平台的安装架，所述安装架上设置有驱动所述偏转平台偏转的转动轴和驱动所述转动轴转动的第一偏转电机，所述动平台上设置有驱动所述第一齿轮转动的第二偏转电机。

进一步的，所述旋转台的圆周方向的外侧设置有与所述第一齿轮相啮合的外齿，所述旋转台上设置有1/2周的所述外齿。

进一步的，所述夹紧装置包括与所述第一滚珠丝杠相配合的推进滑块，所述推进滑块上设置有压紧块，所述推进滑块与压紧块通过螺栓固定连接，所述推进滑块和压紧块上均设置有用于安装管件的凹槽，所述推进滑块与压紧块上的组合后形成所述第一管件通道。

进一步的，所述固定模内设置有可替换的用于套接管件的支撑套，所述偏转平台内设置有可替换的用于套接管件的弯曲套，所述支撑套和/或弯曲套的末端设置为弧面。

进一步的，所述固定架上设置有支撑架，所述支撑架上设置有用于对所述推进滑块起导向作用的导轨。

进一步的，所述固定模采用六棱柱。

本发明具有以下有益效果：

本发明的三维自由弯曲成形弯管机结构简单，操作方便，无需更换弯曲模即可改变弯曲半径，可以很容易地实现变弯曲半径弯曲、变弯曲角度弯曲、螺旋形弯曲、空间弯曲等多种空间复杂弯曲构件的成形，避免了传统弯曲成形技术需要更换弯曲模才能实现不同半径的缺陷，大大提高了加工弯曲复杂构件的效率，在航空航天、核电、汽车、舰船、石化、建筑以及其他民用工业等诸多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为本发明的三维自由弯曲成形弯管机的结构示意图；

图2为本发明的三维自由弯曲成形弯管机的固定模的结构示意图；

图3为本发明的三维自由弯曲成形弯管机的弯头移动机构的结构示意图；

图4为本发明的三维自由弯曲成形弯管机的弯头偏转机构的结构示意图；

图5为本发明的三维自由弯曲成形弯管机的弯头偏转机构的动作结构示意图；

图6为实施例为空间螺旋弯管的结构示意图；

图7为本发明的三维自由弯曲成形弯管机的管件弯曲成形原理的结构示意图；

图8—图12为本发明的三维自由弯曲成形弯管机的加工空间螺旋弯管每步骤中弯头偏转机构对应的状态示意图，其中图9—图12中的图(a)为旋转台的状态示意图，图(b)为偏转平台的状态示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种三维自由弯曲成形弯管机，如图1-12所示，包括固定架1、推进机构2、固定模3、弯头移动机构4和弯头偏转机构5，其中：

推进机构2包括设置在固定架1中部的第一滚珠丝杠2-1，第一滚珠丝杠2-1的一端插接在固定架1内，另一端延伸出固定架1的外部，固定模3设置在第一滚珠丝杠2-1另一端的末端，第一滚珠丝杠2-1上设置有夹紧装置，夹紧装置上设置有夹紧管件的第一管件通道，固定模3上设置有第二管件通道3-1；

弯头移动机构4包括设置在固定模3外侧的动平台4-1，动平台4-1上设置有圆形透孔4-11，动平台4-1与固定架1之间设置有可使动平台4-1沿空间任意方向平移的运动传递支链；

弯头偏转机构5设置在动平台4-1的外侧，弯头偏转机构5包括可使管件实现空间任意角度弯曲的偏转平台5-1，偏转平台5-1上设置有第三管道通道5-11，偏转平台5-1与动平台4-1之间设置有可使偏转平台5-1发生偏转的驱动机构；

初始状态时第一管件通道、第二管件通道3-1、圆形透孔4-11和第三管件通道5-11的轴线均在同一条直线上。

本发明的三维自由弯曲成形弯管机包括固定架、推进机构、固定模、弯头移动机构和弯头偏转机构，其中，弯头移动机构中的动平台在运动传递支链的作用下，可沿x轴、y轴或z轴方向移动，从而实现空间任意方向上的平移；弯头偏转机构中的偏转平台一方面能够在动平台的作用下平移，另一方面能够在驱动机构的作用下实现空间任意角度的偏转；在动平台和偏转平台的相互作用下可实现不同弯曲半径和弯曲角度的任意变换。在应用时，初始状态为第一管件通道、第二管件通道、圆形透孔和第三管件通道的轴线均在同一条直线上；首先将待加工管件嵌入夹紧装置的第一管件通道中，在第一滚珠丝杠输送作用下，待加工管件依次穿过固定模的第二管件通道、动平台的圆形透孔，最后进入偏转平台的第三管件通道中；然后根据加工需要，通过驱动运动传递支链，调整动平台的偏移量，此时偏转平台在动平台的作用下同时平移，紧接着，通过控制驱动机构，调整偏转平台的偏转量，使得偏转平台的偏转角达到预设值；偏转平台位置确定后，弯头移动机构和弯头偏转机构固定不动，推进机构以一定速度将管件往前推进，即可加工出所需形状的管件。

综上，本发明的三维自由弯曲成形弯管机结构简单，操作方便，无需更换弯曲模即可改变弯曲半径，可以很容易地实现变弯曲半径弯曲、变弯曲角度弯曲、螺旋形弯曲、空间弯曲等多种空间复杂弯曲构件的成形，避免了传统弯曲成形技术需要更换弯曲模才能实现不同半径的缺陷，大大提高了加工弯曲复杂构件的效率，在航空航天、核电、汽车、舰船、石化、建筑以及其他民用工业等诸多领域具有重要的工程应用价值和明显的经济效益。

优选的，运动传递支链包括3组并联的upu运动支链，其中：upu运动支链包括设置在固定架1侧面与动平台4-1之间的第二滚珠丝杠4-2，第二滚珠丝杠4-2上设置有与第二滚珠丝杠4-2相配合的移动滑杆4-3，第二滚珠丝杠4-2与固定架1通过第一万向节4-4连接，移动滑杆4-3与动平台4-1通过第二万向节4-5连接。第二滚珠丝杠与移动滑块形成移动副p，第一万向节与第二万向节为两个u副，从而形成upu运动支链；第二滚珠丝杠在电机的驱动作用下转动，带动移动滑杆移动，移动滑杆在第二滚珠丝杠、第一万向节和第二万向节的共同作用下可以驱动动平台在空间任意方向上的平移。

进一步的，驱动机构包括设置在动平台4-1端面上的齿轮传动机构，齿轮传动机构包括第一齿轮5-2和与第一齿轮5-2相啮合的旋转台5-3，旋转台5-3在第一齿轮5-2的带动下可绕动平台4-1轴线旋转，旋转台5-3的端面上设置有用于支撑偏转平台5-1的安装架5-4，安装架5-4上设置有驱动偏转平台5-1偏转的转动轴和驱动转动轴转动的第一偏转电机5-5，动平台4-1上设置有驱动第一齿轮5-2转动的第二偏转电机。第二偏转电机带动第一齿轮旋转，旋转台因与第一齿轮啮合而一起旋转，进而使偏转平台发生绕z轴的偏转；第一偏转电机可以直接控制偏转平台在二维平面内任意角度的偏转，在第一、第二偏转电机的共同作用下可实现偏转平台在空间任意角度的偏转。

为了简化结构，降低制造成本，旋转台5-3的圆周方向的外侧优选设置1/2周与第一齿轮5-2相啮合的外齿5-31。旋转台和动平台之间通过旋转副连接，即旋转台可绕动平台的轴线旋转，旋转台的外齿范围为180度，这是因为180度就能满足要求，故不必将外圆周全部加工成齿。如图5所示，从图a到图b，第一偏转电机不动，仅第二偏转电机控制旋转台旋转了180度；从图b到图c，第二偏转电机不动即旋转台不动，第一偏转电机控制偏转台偏转到另一边；从图c到图d，第一偏转电机不动，第二偏转电机控制旋转台旋转了180度；从图a到图b实现了偏转台上半部180度的偏转(如图e所示)即a→e→b；从图c到图d实现了下半部180度的偏转(如图f所示)即c→f→d，因此180度的轮齿就能实现空间的偏转，不需要将旋转台外周全部加工成齿轮。

进一步的，夹紧装置包括与第一滚珠丝杠2-1相配合的推进滑块2-2，推进滑块2-2上设置有压紧块2-3，推进滑块2-2与压紧块2-3通过螺栓固定连接，推进滑块2-2和压紧块2-3上均设置有用于安装管件的凹槽，推进滑块2-2与压紧块2-3上的凹槽组合后形成第一管件通道。在应用时，首先将待加工的管件放入推进滑块的凹槽中，然后将压紧块与推进滑块相配合，通过螺栓实现压紧块与推进滑块的固定连接，从而实现对待加工管件的压紧作用，将待加工管件压紧后，驱动第一滚珠丝杠转动，推进滑块在第一滚珠丝杠的作用下实现对待加工管件的输送。

作为本发明的一种改进，固定模3内设置有可替换的用于套接管件的支撑套3-2，偏转平台5-1内设置有可替换的用于套接管件的弯曲套，支撑套3-2和/或弯曲套的末端设置为弧面3-21。通过更换不同直径的支撑套和弯曲套，可加工不同直径的管件，扩大本发明的适用范围；为了保证管件的加工精度和加工质量，将支撑套和/或弯曲套的末端设置为弧面。

本发明中，为了提高推进滑块2-2运动的平稳性，保证管件的加工精度，固定架1上设置有支撑架1-1，支撑1-1架上设置有用于对推进滑块2-2起导向作用的导轨。另外，固定模3采用六棱柱；本发明中的移动副均采用滚珠丝杠装置，能够满足管件在加工过程中的受力和刚度要求。

本发明的三维自由弯曲成形弯管机可加工任意弯曲半径和弯曲角度的空间复杂弯曲管件，下面以将直径15mm、壁厚2mm的铝合金管加工成如图6所示的空间螺旋弯管(半径从50mm—65mm—80mm—100mm依次过渡)为例具体介绍本发明的动作过程。

如图7所示，v为固定模3与偏转平台5-1之间的距离，u为动平台4-1的偏移量，θ为偏转平台5-1的偏转角，λ为管件的弯曲角，r为管件的弯曲半径。

步骤1：将待加工管件嵌入夹紧装置的第一管件通道中，在第一滚珠丝杠2-1输送作用下，待加工管件依次穿过固定模3的第二管件通道3-1、动平台4-1的圆形透孔4-11，最后进入偏转平台5-1的第三管件通道5-11中；

步骤2：加工半径为50mm部分的空间螺旋管：

通过控制运动传递支链，使得固定模3和偏转平台5-1间的距离v1为30mm，动平台4-1的偏移量u1为10mm，同时控制第一偏转电机5-5，使得偏转平台5-1绕α轴逆时针旋转36.89°(θ1)，此时偏转平台5-1由图8位置运动到图9所示位置；

步骤3：加工半径为65mm部分的空间螺旋管：

通过控制运动传递支链，使得固定模3和偏转平台5-1间的距离v2为30mm，动平台4-1的偏移量u2为7.337mm，同时控制第一偏转电机5-5和第二偏转电机，使得偏转平台5-1绕α轴逆时针旋转26.56°(θ2)，旋转台5-3顺时针旋转7.12°(ψ2)，此时偏转平台5-1由图9位置运动到图10所示位置；

步骤4：加工半径为80mm部分的空间螺旋管：

通过控制运动传递支链，使得固定模3和偏转平台5-1间的距离v3为30mm，动平台4-1的偏移量u3为5.84mm，同时控制第一偏转电机5-5和第二偏转电机，使得偏转平台5-1绕α轴逆时针旋转19.08°(θ3)，旋转台5-3顺时针旋转11.02°(ψ3)，此时偏转平台5-1由图10位置运动到图11所示位置；

步骤5：加工半径为100mm部分的空间螺旋管：

通过控制运动传递支链，使得固定模3和偏转平台5-1间的距离v4为30mm，动平台4-1的偏移量u4为4.61mm，同时控制第一偏转电机5-5和第二偏转电机，使得偏转平台5-1绕α轴逆时针旋转12.35°(θ4)，旋转台5-3顺时针旋转12.35°(ψ4)，此时偏转平台5-1由图11位置运动到图12所示位置；

步骤6：在上述步骤2—步骤5的动作过程中，推进机构2始终以一定速度往前推进管件，整个过程管件被往前推进1600mm，空间螺旋弯管加工完成后，弯头移动机构和弯头偏转机构复位。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。