CN110837711A - 一种基于三维自由弯曲技术的过渡段优化方法 - Google Patents

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郭训忠
李光俊
王巧玲
李涛
王辉
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Abstract

本发明公开了一种基于三维自由弯曲技术的过渡段优化方法。通过将原本过渡段弯曲模的匀速运动优化为变速运动，从而在每个时间节点下都能得到一个对应的弯曲模速度，同时优化后的过渡段弯曲模运动更加平稳，弯曲构件的截面椭圆度降低，另外优化后的弯曲模运动轨迹更加平滑，过渡段与弯曲段基本实现相切。具体为，首先测量已知弧段的几何尺寸，根据U‑R关系得到过渡段的偏心距U，然后通过变速运动规律求出每个时间节点对应的弯曲模速度。与此同时引入修正系数k，每一次成形结果与目标构件对比后，若误差不在允许范围内，则调整修正参数从而实现迭代修正，直至误差达到允许范围视为工艺完成。

Description

一种基于三维自由弯曲技术的过渡段优化方法
技术领域
本发明属于金属复杂构件先进制造技术领域，特别涉及一种基于三维自由弯曲技术的过渡段优化方法。
背景技术
目前，越来越多的三维复杂弯曲构件在航空航天、船舰、建筑、汽车等领域得到应用，在输送物质、减轻重量、降低成本等方面发挥了重要作用。
传统的弯曲工艺包括压弯、拉弯、绕弯、推弯等，但对于一些精度要求高，形状复杂的三维弯曲构件的，传统工艺无法满足生产需求。三维自由弯曲技术的出现为该类型的零件生产提供了一种有效途径。
目前一般的三维自由弯曲技术多为基于球面轴承的匀速运动，将弯曲构件分解为直段和弯曲段，弯曲段又细分为过渡段和圆弧段，但是该方法下的过渡段的弯曲半径与目标弯曲半径仍存在一定误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种基于三维自由弯曲技术的过渡段优化方法。
一种基于三维自由弯曲技术的过渡段优化方法，过渡段弯曲模运动为变速运动，在每个时间节点下都得到一个对应的弯曲模速度，具体方法为，首先测量已知弧段的几何尺寸，根据U-R关系得到过渡段的偏心距U，然后通过变速运动规律求出每个时间节点对应的弯曲模速度；与此同时引入修正系数k，每一次成形结果与目标构件对比后，若误差不在允许范围内，则调整修正参数从而实现迭代修正，直至误差达到允许范围视为工艺完成。
所述的方法，包括以下步骤：
第一步，建立目标弯曲构件过渡段弯曲半径R、弯曲角度θ与球面轴承在X/Y平面内的变速运动速度μ、管材Z轴匀速送进速度v、运动时间t以及弯曲模中心至导向机构前端之间距离A之间的变速运动数量关系如下所示：
Figure BDA0002263881740000021
将过渡段成形时弯曲模的运动优化为变速运动；
第二步，采用有限元方法建立三维弯曲模型，并在第一步所述数量关系中引入修正系数k；
第三步，采用第二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，并对比计算结果与几何模型的尺寸差异；
第四步，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；
第五步，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，过渡段的几何形状参数，包括弯曲半径R与球面轴承在X/Y平面的运动速度μ、管材轴向推进速度v、运动时间t、弯曲模中心至导向机构前端之间距离A之间的数量关系为：
球面轴承运动速度
Figure BDA0002263881740000022
运动时间
Figure BDA0002263881740000023
v是管材轴向推进速度，U代表偏心距；
所述的方法，第二步中，在过渡段的形状参数与工艺参数的数量关系中引入修正系数k；
球面轴承运动速度
Figure BDA0002263881740000031
所述的方法，第四步中，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、弯曲角度θ与几何模型误差小于1％。
传统三维自由弯曲工艺中对于过渡段的球面轴承运动解析一般为匀速运动，该解析方法下的弯曲构件的弯曲精度以及过渡段处的截面椭圆度都存在较大误差。本发明针对该技术中存在的不足之处，提出了一种基于三维自由弯曲技术的过渡段优化方法。通过将原本过渡段弯曲模的匀速运动优化为变速运动，从而在每个时间节点下都能得到一个对应的弯曲模速度，这样优化使弯曲模的运动更加符合运动学规律，同时优化后的过渡段弯曲模运动更加平稳，弯曲构件的截面椭圆度降低，另外优化后的弯曲模运动轨迹更加平滑，过渡段与弯曲段基本实现相切，充分的发挥了管材三维自由弯曲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。
附图说明
图1、本发明的工艺流程图；
具体实施方式
以下结合弯曲角度分别为45°、90°、180°的弯曲管件的具体实施实例，对本发明进行详细说明。
实施例1
第一步，对外径为15mm，弯曲角度为45°，弯曲半径为90mm的弯曲管件进行模型建立和工艺解析，根据U-R关系求出过渡段的偏心距U(导向机构的中心轴线与弯曲模的中心轴线之间的距离为偏心距U)：
弯曲模球面轴承的运动速度
Figure BDA0002263881740000042
运动时间
Figure BDA0002263881740000043
第二步，采用有限元方法建立三维弯曲模型，并在第一步所述的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：
弯曲模球面轴承运动速度
Figure BDA0002263881740000045
第三步，采用第二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，并对比计算结果与数模的尺寸差异。
第四步，判断有限元迭代计算出的弯曲结果中弯曲半径、弯曲角与第一步的数模误差是否小于1％，小于1％时，迭代结束；
第五步，将k＝1.5代入第二步所列公式中，将所得结果导入三维自由弯曲设备中进行实际弯曲。
实施例2
第一步，对外径为15mm，弯曲角度为90°，弯曲半径为90mm的弯曲管件进行模型建立和工艺解析，
弯曲模球面轴承的运动速度
Figure BDA0002263881740000051
运动时间
Figure BDA0002263881740000052
Figure BDA0002263881740000053
第二步，采用有限元方法建立三维弯曲模型，并在第一步所述的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：
弯曲模球面轴承运动速度
Figure BDA0002263881740000054
第三步，采用第二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，并对比计算结果与数模的尺寸差异。
第四步，判断有限元迭代计算出的弯曲结果中弯曲半径、弯曲角与第一步的数模误差是否小于1％，小于1％时，迭代结束；
第五步，将k＝1.43代入第二步所列公式中，将所得结果导入三维自由弯曲设备中进行实际弯曲。
实施例3
第一步，对外径为15mm，弯曲角度为180°，弯曲半径为90mm的弯曲管件进行模型建立和工艺解析，
弯曲模球面轴承的运动速度
Figure BDA0002263881740000055
运动时间
Figure BDA0002263881740000061
Figure BDA0002263881740000062
第二步，采用有限元方法建立三维弯曲模型，并在第一步所述的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：
弯曲模球面轴承运动速度
Figure BDA0002263881740000063
第三步，采用第二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，并对比计算结果与数模的尺寸差异。
第四步，判断有限元迭代计算出的弯曲结果中弯曲半径、弯曲角与第一步的数模误差是否小于1％，小于1％时，迭代结束；
第五步，将k＝1.4代入第二步所列公式中，将所得结果导入三维自由弯曲设备中进行实际弯曲。
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。

Claims (5)

1.一种基于三维自由弯曲技术的过渡段优化方法，其特征在于，过渡段弯曲模运动为变速运动，在每个时间节点下都得到一个对应的弯曲模速度，具体方法为，首先测量已知弧段的几何尺寸，根据U-R关系得到过渡段的偏心距U，然后通过变速运动规律求出每个时间节点对应的弯曲模速度；与此同时引入修正系数k，每一次成形结果与目标构件对比后，若误差不在允许范围内，则调整修正参数从而实现迭代修正，直至误差达到允许范围视为工艺完成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，建立目标弯曲构件过渡段弯曲半径R、弯曲角度θ与球面轴承在X/Y平面内的变速运动速度μ、管材Z轴匀速送进速度v、运动时间t以及弯曲模中心至导向机构前端之间距离A之间的变速运动数量关系如下所示：
Figure FDA0002263881730000011
将过渡段成形时弯曲模的运动优化为变速运动；
第二步，采用有限元方法建立三维弯曲模型，并在第一步所述数量关系中引入修正系数k；
第三步，采用第二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，并对比计算结果与几何模型的尺寸差异；
第四步，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；
第五步，将最终的工艺参数传送给设备，执行实际弯曲成形。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：过渡段的几何形状参数，包括弯曲半径R与球面轴承在X/Y平面的运动速度μ、管材轴向推进速度v、运动时间t、弯曲模中心至导向机构前端之间距离A之间的数量关系为：
球面轴承运动速度
Figure FDA0002263881730000021
运动时间
Figure FDA0002263881730000022
v是管材轴向推进速度，U代表偏心距。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：第二步中，在过渡段的形状参数与工艺参数的数量关系中引入修正系数k；
球面轴承运动速度
Figure FDA0002263881730000023
。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：第四步中，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、弯曲角度θ与几何模型误差小于1％。
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