一种智能3D空间型材成型设备的制作方法

本发明涉及管材成型加工技术领域，尤其涉及一种智能3d空间型材成型设备。

背景技术：

3d空间弯曲成形技术首次由日本3位研究人员makotomurata、shinjiohashi、hideosuzuki共同提出，针对该技术的相关研究首先围绕有限元数值模拟及弯管过程的相关数学模型展开。随着相关基础科学研究的逐步完善，日本及德国多家企业陆续推出了商业化的自由弯曲成形设备，而我国对3d空间弯曲成形方面的研究起步相对较晚，2014年，中航工业在国内首次公开报道了3d空间弯曲成形设备以及弯曲原理，并且介绍了该技术相对于传统空心构件弯曲成形技术所存在的优势。

3d空间弯曲成形技术在航空航天、机车、医疗等制造工程领域潜在优势且后期的可应用范围十分广泛。具体表现为在航空、铁路机车、医疗、建筑、家居、工业设备、汽车等行业领域中的应用，主要承担各种重要介质的输送、支撑、封闭、连接等作用，具有复杂异形截面的弯曲件作为承力结构件同样具有非常广泛的应用。目前对于金属复杂弯曲构件，常见的成形方法主要包括绕弯、拉弯、压弯、推弯、辊弯等，但现有弯曲方法适用于几何形状较简单、弯曲半径不连续变化的管材弯曲成形。对于空间弯曲构件或者弯曲半径连续变化的复杂弯曲构件，则具有一定的局限性：复杂空心构件的弯曲成形具有一些共性问题，主要包括空心构件弯曲成形后的回弹、截面过度畸变、弯曲段壁厚不均匀等。由于影响因素很多，对于具有更为复杂特征的弯曲构件，需要应用诸多算法进行弯曲变形规律的系统研究。智能3d空间成型技术是近年来塑性成形领域的一项重要技术创新，但是并不代表现有的智能3d空间技术已至完美境界，更为重要的是，目前国内对于3d弯曲成形技术的研究较少，作为一种对于复杂异形截面的弯曲件的高效精确制造技术，我们不仅缺乏足够的竞争力，且该项技术中在实际操作过程中仍然存在许多功能不足的弊端。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中难以对对异型管材进行高精准度弯曲成型加工的问题，而提出的一种智能3d空间型材成型设备。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种智能3d空间型材成型设备，包括机台，所述机台上依次安装有推进机构、导向机构、弯曲模与球面轴承，且推进机构、导向机构、弯曲模与球面轴承中共同设置有管材，所述推进机构包括固定安装于机台一侧上的管材送料马达与位于机台一端上的管材运送链条，且管材运送链条上安装有管材送料推板，所述管材送料推板固定连接有与导向机构相对应的推板芯轴，所述机台上分别固定安装有与弯曲模相连接的x向伺服电机、y向伺服电机与z向伺服电机，且球面轴承转动安装于弯曲模上，所述机台上分别安装有与球面轴承相连接的α角度旋转伺服电机与β角度旋转伺服电机。

优选地，所述管材运送链条转动安装于机台上，且管材送料马达与管材运送链条之间连接有传动带。

优选地，所述弯曲模与导向机构远离推板芯轴的一侧相连接。

优选地，所述弯曲模内开设有弯曲模中心，且球面轴承位于弯曲模中心中。

优选地，所述弯曲模与球面轴承相接触的球面半径相同。

优选地，所述x向伺服电机与z向伺服电机水平设置，且y向伺服电机垂直设置。

优选地，所述α角度旋转伺服电机与x向伺服电机同向安装，且β角度旋转伺服电机与z向伺服电机同向安装。

与现有技术相比，本发明具备以下优点：

1、本发明使得该成型系统无需更换弯曲模即可改变弯曲半径：通过对弯曲模偏心距u的改变即可满足空心复杂构件不同弯曲半径条件下的弯曲成形，避免了传统弯曲技术需要更换模具才能实现不同弯曲半径的缺陷，大大提高了弯曲复杂构件时的效率，尤其适合航空航天器复杂弯曲件单件或小批量的实际制造需求，可有助于大幅度降低平均制造成本。

2、本发明可实现空心构件弯曲半径的连续变化：仅需通过调整球面轴承在x、y平面内的位置，即可改变管材偏心距u和弯曲模转动角度，进而实时连续改变空心构件的弯曲半径，尤其在成形航空发动机所需要的连续变弯曲半径的复杂弯管时，具有极大的技术优势，可以彻底改变航空制造业内复杂空心构件半自动弯曲成形、手工成形甚至难以成形的现状，显著提高具有连续弯几何特征的复杂弯曲构件的几何精确性。

3、本发明可实现多种复杂弯曲形式：便于实现变弯曲半径弯曲、变弯曲角度弯曲、螺旋形弯曲、空间弯曲等多种空心复杂弯曲构件的成形，使其通过控制工艺参数，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，属于典型、高效、新型的航空柔性制造技术。

4、本发明成形精度高：通过对弯曲后的空心构件进行三维扫描，并与目标产品的三维几何模型进行尺寸对比，进而修改弯曲工艺参数，可以彻底解决传统弯曲技术所存在的弯曲后回弹问题，实现复杂空心构件高精度成形，为我国目前正在积极开展的航空发动机及燃气轮机所需要的三维复杂弯曲构件快速、精确成形提供重要技术支撑。

5、本发明成形质量高：由于弯曲模内腔与管材紧密贴合，因此可以极大限制弯管成形过程中管材的截面畸变；成形过程中，由于在管坯轴向施加推力，改善了弯曲段的应力状态，使管坯中性层内移，从而减少管材外弧侧的壁厚减薄，提高了壁厚均匀性，对于航空器承压管工艺极具优势，系统所需的弯曲空心构件具有重要意义，可以避免传统弯曲技术形成的弯曲段外侧过度减薄导致的承压能力较差的问题。

综上所述，本发明所提出的3d空间弯曲成形技术具有无需更换弯曲模即可改变弯曲半径、可实现空心构件弯曲半径的连续变化、可实现多种复杂弯曲形式、成形精度高、成形质量高等优点；随着该技术在我国航空制造领域的快速发展和广泛应用，必将促使我国航空复杂空心构件制造的整体水平得到大幅度提升，使该类零件的产品质量和生产效率大大提高；随着相关基本理论研究的不断深入和完善，以及数值模拟技术、复杂多轴控制系统、针对复杂弯管的逆向扫描系统等相关技术的快速发展，3d空间成形技术在我国航空等工程制造领域必将获得重要应用。

附图说明

图1为本发明提出的一种智能3d空间型材成型设备的结构示意图；

图2为本发明提出的一种智能3d空间型材成型设备的旋转机理机构示意图；

图3为本发明提出的一种智能3d空间型材成型设备的复杂弯管的轴线几何分段示意图；

图4为本发明提出的一种智能3d空间型材成型设备的复杂弯管的轴线几何分段补充示意图。

图中：1机台、10管材送料马达、11管材运送链条、12管材送料推板、13推板芯轴、2推进机构、3导向机构、4弯曲模、40x向伺服电机、41y向伺服电机、42z向伺服电机、43α角度旋转伺服电机、44β角度旋转伺服电机、45弯曲模中心、5球面轴承、6管材。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-4，一种智能3d空间型材成型设备，包括机台1，机台1上依次安装有推进机构2、导向机构3、弯曲模4与球面轴承5，且推进机构2、导向机构3、弯曲模4与球面轴承5中共同设置有管材6，值得说明的是：智能3d空间成型系统具有更加柔性的特点，因此保证弯曲模4形式可以根据坯料的不同而更换，能满足多种构件的弯曲成形，如管材、棒材、线材、型材等，其中空心构件的截面可以是复杂或异形截面进而实现弯曲成形。推进机构2包括固定安装于机台1一侧上的管材送料马达10与位于机台1一端上的管材运送链条11，且管材运送链条11上安装有管材送料推板12，管材送料推板12固定连接有与导向机构3相对应的推板芯轴13，利用周向运转的管材运送链条11带动管材运料推板12与推板芯轴13水平运动，从而推动管材6向导向机构3与弯曲模4位置移动，且在推进机构2的推送作用下，可使管材6在成型设备上持续运动，机台1上分别固定安装有与弯曲模4相连接的x向伺服电机40、y向伺服电机41与z向伺服电机42，且球面轴承5转动安装于弯曲模4上，机台1上分别安装有与球面轴承5相连接的α角度旋转伺服电机43与β角度旋转伺服电机44。

进一步说明：α角度旋转伺服电机43与β角度旋转伺服电机44可选用产品型号为sfs353b的电机设备。

第一，x向伺服电机40、y向伺服电机41与z向伺服电机42可根据管材6的特性进行选择适合的型号设备，本技术中可设定产品型号为hc-sfs201b的电机设备；

第二，管材运送链条11转动安装于机台1上，且管材送料马达10与管材运送链条11之间连接有传动带，利用管材送料马达10可驱动管材运送链条11持续运转，从而为管材6提供推送作用。

弯曲模4与导向机构3远离推板芯轴13的一侧相连接。

具体参照说明附图1-2，弯曲模4内开设有弯曲模中心45，且球面轴承5位于弯曲模中心45中，具体参照说明附图2-3，随着z轴方向的送料，管材6逐渐弯曲出较大的弯曲角，偏心距u的大小决定了弯曲半径r的大小，当u很大时，弯曲半径r将会很小，从弯曲模球心到导向机构3前端之间在z向的距离为a。

弯曲模4与球面轴承5相接触的球面半径相同，以实现弯曲模4与球面轴承5的严密连接，同时也可确保管材6通过弯曲模4与球面轴承5进行平顺的持续运动。

具体参照说明附图2，x向伺服电机40与z向伺服电机42水平设置，且y向伺服电机41垂直设置，在x向伺服电机40的驱动下，可使管材6进行x轴(左右)方向的移动，在z向伺服电机42的驱动下，可使管材6进行z轴(前后)方向的移动，在y向伺服电机42的驱动下，可使管材6进行y轴(上下)方向的移动，以达到三维立体压制成型的效果。

具体参照说明附图2，α角度旋转伺服电机43与x向伺服电机40同向安装，且β角度旋转伺服电机44与z向伺服电机42同向安装。当球面轴承5在x/y平面内偏离平衡位置为u时，管材6在弯曲部位产生偏心距u，同时系统能实现弯曲模4绕着自身轴线的α角度转动，以及绕着管材6轴线方向的β角度转动。

本发明可通过以下操作方式阐述其功能原理：

第一，控制管材送料马达10开启，管材送料马达10通过传动带带动管材运送链条11运转以带动管材送料推板12水平移动，再带动推板芯轴13推动管材6向导向机构3处移动。

第二，管材6在推进机构2的连续推动作用下依次通过导向机构3和弯曲模4，在管材6通过弯曲模4时，球面轴承5在x/y平面内作偏心运动，而弯曲模4随着球面轴承4的偏心运动发生转动，当球面轴承5在x/y平面内偏离平衡位置为u时，管材在弯曲部位产生偏心距u，同时系统能实现弯曲模4绕着自身轴线的α角度转动，以及绕着管材6的轴线方向的β角度转动。弯曲模4在α角度和β角度上的主动转动使得：

1)弯曲过程中可以通过弯曲模4转动角度随弯管形状的主动调整，实现弯曲模4与管材6截面在成形部位始终保持垂直，进而提高管材6弯曲的表面质量，减小截面畸变率；

2)弯曲模4的多自由度运动可以满足更加复杂构型的空心构件的弯曲过程。随着z轴方向的送料，管材6逐渐弯曲出较大的弯曲角。偏心距u的大小决定了弯曲半径r的大小，具体参照说明附图1，当u很大时，弯曲半径r将会很小。从弯曲模球心45到导向机构3前端之间在z向的距离为a，在本弯曲系统中，管,6在弯曲时受到轴向推进机构2所施加的推力pl和球面轴承5所施加的弯曲力pu。在pl和pu的共同作用下产生弯矩m，使管材6发生弯曲。值得注意的是，其中：m＝pu×a+pl×u(该公式为标量计算)。

具体可参照说明附图1-2，弯曲力pu大小取决于管材6材料本身的性质以及偏心距u和a的大小，当管材6材料不变时，a值越大，u值越小，则弯曲力pu越小。球面轴承5和轴向推进机构2可在伺服电机的驱动下实现x/y/z3个方向的自由运动，另外弯曲模4绕着自身轴线的α角度转动，以及绕着管材6轴线方向的β角度转动,故本成型系统也可命名为五轴智能空间成型系统。

进一步说明：

三维复杂空心构件的弯曲工艺主要包括以下基本过程：

1)具体参照说明附图3：首先提取所要弯曲的复杂空心构件的轴线，并将其轴线分为首尾连续相接的圆弧段和直线段，然后测量每一直线段和圆弧段的直段长度ln、圆弧段弯曲半径rn、弯曲角θn、弯曲方向φn等尺寸参数。

2)在空间构件的自由弯曲过程中，弯曲一个圆弧时通常需要经历3个阶段：过渡段1为球面轴承5从平衡位置运动至偏心距为u位置的过程；圆弧段为球面轴承5固定在预定偏心距位置，同时推进机构2轴向送料的过程；过渡段2为球面轴承5从偏心距为u的位置返回平衡位置的过程。

3)在这3个阶段中，球面轴承5适用不同的运动规律：在完成对复杂弯管轴线进行分段的过程后，需在圆弧段和直线之间补充如说迷茫附图4所示的过渡段。建立每小段中ln、rn、θn、φn,等尺寸参数与x、y、z三个方向的驱动机构运动速度ux、uy、uz以及运动时间t之间的函数关系：ln＝f(uz，δt)，rn＝f(ux，uy，δt)，θn＝f(ux，uy，uz，δt)，φn＝f(ux，uy)。

4)3d空间弯曲成形技术除了能满足常规空心构件的弯曲成形外，特别适合于具有下列特征的弯曲构件的成形：其一，结构复杂、轴线为空间复杂曲线的弯曲构件，如带直段弯管、螺旋形弯管、空间弯管等；其二，弯曲半径连续变化，且最小低至2.5d～3d的弯曲构件；其三，弯曲角度在0°～360°之间任意变化的弯曲构件；其四，中小尺寸外径的弯管，由于成形力的限制，目前可成形的管材口径一般在110mm以下。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。