CN111545608B - 一种减小自由弯曲零件相对弯曲半径的装置和自由弯曲方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减小自由弯曲零件相对弯曲半径的装置和自由弯曲方法。弯曲模末端与导向机构前端采用球面链接，弯曲模与导向机构位于同一轴线上，并且可以围绕导向机构实现矢量偏转，弯曲模末端内壁为一平缓的球面，弯曲模末端的球面直径略大于导向机构前端球面的直径，导向机构采用螺纹连接方式安装在基座上，针对不同横截面形状、不同材质的空心构件通过改变螺纹移动距离改变导向机构的位置实时调整导向机构前端至弯曲模中心的距离，减小实际弯曲半径。本发明通过减少自由弯曲成形设备对成形零件的干涉，降低成形过程中的塑性变形能，提高了成形质量，减小了自由弯曲零件的相对弯曲半径。

Description

一种减小自由弯曲零件相对弯曲半径的装置和自由弯曲方法
技术领域
本发明属于金属空心构件先进制造技术领域，特别涉及一种减小自由弯曲零件相对弯曲半径的方法。
背景技术
基于轻量化、提高耐冲击性和节能减排的制造技术发展趋势，高性能轻量化复杂弯曲空心构件由于其具有的结构优势及良好的力学性能，不管是平面弯曲件，还是空间弯曲件，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均具有重要而广泛的应用。作为塑性加工领域一项革命性的技术创新，基于轨迹控制的三维自由弯曲技术将弯曲成形技术与多轴联动控制技术相结合，通过控制弯曲模的运动轨迹即可实现复杂弯曲空心构件精确成形，特别适用于变弯曲半径空心构件、空间复杂弯曲空心构件及无直段弯曲构件的精确成形，目前在国外已经广泛应用于汽车制造、建筑装饰等领域，并且在航空航天制造领域有广泛的应用前景。
受限于自由弯曲成形基于模具轨迹控制的无模成形原理，在成形小弯曲半径构件时极易与设备机构发生干涉，加之弯曲模中心到导向模前端之间的弯曲变形区内管材无任何几何约束限制，同时极易出现弯曲内侧的起皱失稳现象。因此，对比其他传统依赖模具形状约束的成形方法，自由弯曲成形技术在相对弯曲半径指标上处于比较落后的地位，相对弯曲半径已经成为制约自由弯曲成形技术进一步普及应用的瓶颈问题。
发明内容
本发明针现有自由弯曲设备中成形的零件相对弯曲半径较大、工艺适用范围较窄的现状，提出了一种减小自由弯曲零件相对弯曲半径的方法。
一种减小自由弯曲零件相对弯曲半径的装置，包括球面轴承、弯曲模和导向机构；弯曲模末端与导向机构前端采用球面链接，弯曲模与导向机构位于同一轴线上，并且可以围绕导向机构实现矢量偏转，弯曲模末端内壁为一平缓的球面，弯曲模末端的球面直径略大于导向机构前端球面的直径，导向机构采用螺纹连接方式安装在基座上，针对不同横截面形状、不同材质的空心构件通过改变螺纹移动距离改变导向机构的位置实时调整导向机构前端至弯曲模中心的距离，减小实际弯曲半径。
所述的装置，弯曲模出口段为由小变大的的圆锥形结构或者由小变大的“天圆地方”结构；圆锥形结构适用于圆管，“天圆地方”结构适用于方管。
所述的装置，导向机构前端内壁加入倒角以减小弯曲成形过程中对管件的压力。
所述的装置，增加导向机构的长度至5A，A为导向机构前端至弯曲模中心的距离。
所述的装置，在管材内部加入自润滑柔性芯棒，自润滑柔性芯棒包括一个棒体和若干球头，球头之间、球头与棒体之间采用球链连接，在管材弯曲过程中对管材内壁起支撑作用。
根据任一所述装置的自由弯曲方法，首先，对三维自由弯曲成形设备进行结构优化：弯曲模末端与导向机构前端采用球面链接，弯曲模与导向机构位于同一轴线上，并且可以围绕导向机构实现矢量偏转，弯曲模末端内壁为一平缓的球面，弯曲模末端的球面直径略大于导向机构前端球面的直径，导向机构采用螺纹连接方式安装在基座上，针对不同横截面形状、不同材质的空心构件通过改变螺纹移动距离改变导向机构的位置实时调整导向机构前端至弯曲模中心的距离，减小实际弯曲半径；主要包括机头结构优化以及改进导向机构；其次，针对不同横截面形状、不同材质的空心构件，在其内部加入可实现自润滑功能的芯棒；再开展成形参数优化，系统优化成形工艺参数及芯棒参数，降低塑性变形能；最后开展干涉仿真模拟，确定合适的成形方向及成形角度，从而达到提高所成形的自由弯曲零件成形质量及成形精度，减小相对弯曲半径的目的。
由公式
Figure BDA0002552662650000021
(其中，R为弯曲半径，U为自由弯曲成形时的偏心距，A为弯曲模中心至导向机构前端的距离)，减小A值可以减小实际弯曲成形时的弯曲半径。因此，采用螺纹连接方式将导向机构安装在基座上，可针对不同横截面形状、不同材质的空心构件实时调整A值，减小实际弯曲半径。
加入芯棒不但可以为空心构件提供内部支撑，还具有自润滑作用，在自由弯曲成形过程中可提高材料流动性，提高成形质量，从而可实现更小弯曲半径自由弯曲成形。
自由弯曲成形是一个涉及材料非线性、几何非线性及边界条件非线性等多因素相互耦合作用的过程，工艺参数对于成形质量及成形极限有重大影响，基于自由弯曲成形原理，对工艺参数(摩擦系数、间隙及推进速度)及芯棒参数(芯棒伸出量、芯棒结构等)进行优化，可降低弯曲成形过程所需塑性变形能，提高成形极限。
开展涉仿真模拟，可确定合适的成形方向及成形角度，减小自由弯曲成形设备对成形零件的干涉作用，实现复杂小弯曲半径自由弯曲零件精确成形。
有益效果：
1、本发明为三维自由弯曲成形技术配套工艺优化方法，提供了一种新的减少自由弯曲零件的相对弯曲半径的方法；
2、本发明通过减少自由弯曲成形设备对成形零件的干涉，降低成形过程中的塑性变形能，提高了成形质量，减小了自由弯曲零件的相对弯曲半径；
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为减少自由弯曲零件相对弯曲半径的方法流程图；
图2为铝合金圆管示意图；
图3为A值调整示意图；
图4为铝合金圆管成形装配图；
图5为铝合金矩形管示意图；
图6为铝合金矩形管成形装配图；
图7为图6的局部放大图；
图中：1球面轴承I，2弯曲模I，3自润滑柔性芯棒，4导向机构I，5铝合金圆管，6倒角。7铝合金矩形管，8球面轴承II，9弯曲模II，10导向机构II，11压紧机构，12倒角。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
图2为直径为15mm，壁厚为1mm的6061-T6铝合金圆管示意图。为减小该圆管自由弯曲成形时的相对弯曲半径，首先对自由弯曲成形设备进行结构优化：
1、弯曲模2末端与导向机构I 4前端采用球面链接，且弯曲模2末端内壁为一平缓的球面，此处球面直径略大于导向机构前端球面的直径，导向机构I 4采用螺纹连接方式安装在基座上，可针对不同横截面形状、不同材质的空心构件通过改变螺纹移动距离改变导向机构I 4的位置实时调整A值(导向机构I 4前端至弯曲模2中心的距离)，减小实际弯曲半径，弯曲模2出口段为由小变大的的圆锥形结构如图3所示；
2、并在导向机构I 4前端内壁加入倒角6以减小弯曲成形过程中对铝合金圆管5的压力，防止产生压痕；
3、增加导向机构I 4的长度至5A，在弯曲成形过程中起到压紧并防止铝合金圆管5翘曲失稳的作用；
4、在管材内部加入自润滑柔性芯棒3，自润滑柔性芯棒3包括一个棒体和若干球头，其中棒体材质为GCr15,可固定于基座上，对自润滑柔性芯棒整体起定位和固定作用，球头数量可根据A值的大小做灵活调整，材质为45号钢，在管材弯曲过程中对管材内壁起支撑作用，球头之间、球头与棒体之间采用球链连接，并在接触位置处涂有润滑脂。
5、针对性开展自由弯曲成形工艺参数优化及芯棒参数优化，确定了摩擦系数为0.04，轴向推进速度为25mm/s，管材与弯曲模、管材与芯棒之间的间隙均为0.1mm，芯球个数为4等参数，最终成形装配图如图4所示。最后开展干涉仿真分析，确定弯曲方向为90°时效果最好。完成上述优化后，可实现相对弯曲半径为2.5-3.0D的管材精确成形。
实施例2
图5为宽度为15mm，高度为10mm，壁厚为0.8mm的6061-T6铝合金矩形管管示意图。为减小该矩形管7自由弯曲成形时的相对弯曲半径，首先对自由弯曲成形设备进行结构优化：
在保证强度的前提下，为减小成形过程中发生干涉可能性，减小球面轴承8的尺寸。弯曲模II 9末端与导向机构II 10前端采用球面链接，且弯曲模II 9内壁为一平缓的球面，此处球面直径略大于导向机构II 10前端球面的直径，导向机构II 10采用螺纹连接方式安装在基座上，可针对不同横截面形状、不同材质的空心构件通过改变螺纹移动距离改变导向机构II 10的位置实时调整A值(导向机构II 10前端至弯曲模2中心的距离)，减小实际弯曲半径；为保证矩形截面空心构件成形质量，提高成形极限，保证弯曲模9在运动过程中始终保持稳定状态，将弯曲模II 9出口段为由小变大的“天圆地方”结构，如图6-7；
并在导向机构I I 10前端内壁加入倒角12以减小弯曲成形过程中对矩形管7的压力，防止产生压痕。
然后针对性开展自由弯曲成形工艺参数优化，确定了摩擦系数为0.02，轴向推进速度为10mm/s，矩形管与模具之间的间隙均为0.1mm，导向机构倒角半径为0.2mm等参数，最终成形装配图如图6所示。最后开展干涉仿真分析，确定弯曲方向为90°时效果最好。完成上述优化后，可实现相对弯曲半径为3.0D的矩形管精确成形。
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 (2)

1.一种减小自由弯曲零件相对弯曲半径的装置，其特征在于：包括球面轴承、弯曲模和导向机构；弯曲模末端与导向机构前端采用球面链接，弯曲模与导向机构位于同一轴线上，并且可以围绕导向机构实现矢量偏转，弯曲模末端内壁为一平缓的球面，弯曲模末端的球面直径略大于导向机构前端球面的直径确保导向机构前端球面能够在弯曲模末端的球面内沿轴向自由移动以改变导向机构的位置实时调整导向机构前端至弯曲模中心的距离，导向机构采用螺纹连接方式安装在基座上，针对不同横截面形状、不同材质的空心构件通过改变螺纹移动距离改变导向机构的位置实时调整导向机构前端至弯曲模中心的距离，减小实际弯曲半径；在管材内部加入自润滑柔性芯棒，自润滑柔性芯棒包括一个棒体和若干球头，球头之间、球头与棒体之间采用球链连接，在管材弯曲过程中对管材内壁起支撑作用；弯曲模出口段为由小变大的圆锥形结构或者由小变大的“天圆地方”结构；圆锥形结构适用于圆管，“天圆地方”结构适用于方管；导向机构前端内壁加入倒角以减小弯曲成形过程中对管件的压力；增加导向机构的长度至5A，A为导向机构前端至弯曲模中心的距离。
2.根据权利要求1所述装置的自由弯曲方法，其特征在于：首先，对三维自由弯曲成形设备进行结构优化：弯曲模末端与导向机构前端采用球面链接，弯曲模与导向机构位于同一轴线上，并且可以围绕导向机构实现矢量偏转，弯曲模末端内壁为一平缓的球面，弯曲模末端的球面直径略大于导向机构前端球面的直径，导向机构采用螺纹连接方式安装在基座上，针对不同横截面形状、不同材质的空心构件通过改变螺纹移动距离改变导向机构的位置实时调整导向机构前端至弯曲模中心的距离，减小实际弯曲半径；主要包括机头结构优化以及改进导向机构；其次，针对不同横截面形状、不同材质的空心构件，在其内部加入可实现自润滑功能的芯棒；再开展成形参数优化，系统优化成形工艺参数及芯棒参数，降低塑性变形能；最后开展干涉仿真模拟，确定合适的成形方向及成形角度，从而达到提高所成形的自由弯曲零件成形质量及成形精度，减小相对弯曲半径的目的。
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