CN114346028B - 一种型材螺旋构件六轴自由弯扭成形系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种型材螺旋构件六轴自由弯扭成形系统及方法，包括多辊结构主动式弯曲模和多辊结构导向机构。其中多辊结构主动式弯曲模安装在机头上，在成形时C轴转动机构可带动安装在机头上的弯曲模一起绕Z方向转动，使成形的型材弯曲方向偏离由Y向滑台和X向滑台产生的偏心距方向，随着型材的连续进给，弯曲方向与原偏心距方向始终保持一固定偏转角，实现型材螺旋构件的成形；本发明为型材六轴自由弯扭装备配套的成形模具系统及工艺解析方案，简化了工艺解析流程，提高了成形质量。本发明方法简单可行，生产效率高，在航空航天、新能源汽车等领域具有重要的工程应用价值和明显的经济效益。

Description

一种型材螺旋构件六轴自由弯扭成形系统及方法
技术领域
本发明属于型材弯曲构件柔性成形技术领域，具体涉及一种型材螺旋构件六轴自由弯扭成形系统及方法。
背景技术
具有螺旋轴线特征的型材弯曲构件作为航空航天及新能源汽车中普遍的承力结构件，目前多采用滚弯或拼焊的成形方法。但滚弯技术成形的型材螺旋件最小弯曲半径必须大于6D，同时由于坯料两侧均处于少约束状态，成形后的轴线精度难以保证，多需要人工二次校正，效率低且成本高。目前自由弯曲工艺及技术虽然能实现螺旋轴线构件的整体成形，但是该方法存在以下局限性：
(1)目前常用的三轴自由弯曲工艺多适用于圆管螺旋构件的成形，对于型材螺旋构件，由于截面方向一直在发生变化，被动式的弯曲模由于自由度的限制无法实现型材截面的主动扭转。
(2)对于成形型材构件的五、六轴自由弯曲装备，在成形螺旋轴线时，传统的解析方法会使弯曲模的两个平动轴和三个转动轴需要一直处于运动状态，容易使装备各轴发生自干涉，尚缺乏一种简便的工艺解析方法。
(3)目前常用的六轴弯曲模多为整体式的弯曲模和导向机构，在成形截面具有棱角、凹槽等特征的型材时，坯料与模具间的磨损比较严重，成形质量较差。
发明内容
本发明针对目前三轴及六轴自由弯曲工艺成形型材螺旋构件时存在的不足，提出了一种型材螺旋构件六轴自由弯扭成形系统方法。
自由弯扭成形系统包括多辊结构的弯曲模和导向机构。其中多辊结构主动式弯曲模安装在机头上，在成形时C轴转动机构可带动安装在机头上的弯曲模一起绕Z方向转动，使成形的型材弯曲方向偏离由Y向滑台和X向滑台产生的偏心距方向，随着型材的连续进给，弯曲方向与原偏心距方向始终保持一固定偏转角，实现型材螺旋构件的成形。建立型材螺旋构件的几何形状参数与Y向位移Uy、A轴转角
Figure BDA0003434086100000021
C轴转动
Figure BDA0003434086100000022
成形区长度A、辊轮中心与模具座中心在Z方向的距离B、过渡段时间t1、成形段时间t2、型材轴向推进速度v之间的数量关系，解析出六轴自由弯扭成形设备的工艺参数。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种型材螺旋构件六轴自由弯扭成形系统，包括多辊结构主动式弯曲模和多辊结构导向机构；其中，多辊结构主动式弯曲模，包括分别排列在型材(1)的上下左右四个方向，且各辊轮轮廓形状与其包覆位置的型材(1)的外轮廓形状一致的上辊轮(4)、左辊轮(5)、右辊轮(6)、下辊轮(7)以及模具座(3)、定位块(8)；上辊轮(4)、左辊轮(5)、右辊轮(6)及下辊轮(7)均通过轴承与两侧的定位块(8)连接。同时，定位块(8)采用螺栓分别固定在模具座(3)的四个角上。模具座(3)的中心点与上辊轮(4)、左辊轮(5)、右辊轮(6)、下辊轮(7)的中心点在Z方向上的距离为B。
多辊结构导向机构安装在弯曲模轴向后方，其结构包括：前辊轮组(14)、后辊轮组(15)、左固定板(16)及右固定板(17)；其中，前辊轮组(14)和后辊轮组(15)在Z方向安装间距120mm,且每组辊轮均包含上下左右4个辊轮，各辊轮轮廓形状与其包覆位置的型材(1)的外轮廓形状一致，4个辊轮通过轴承安装在左固定板(16)及右固定板(17)之间，在成形时可随型材(1)的进给实现被动转动。
模具座(3)安装在机头(2)上，模具座(3)与左侧的A轴转动机构(11)通过键连接，模具座(3)在A轴转动电机(20)的驱动下实现绕X轴方向主动转动。
机头(2)安装在C轴转动机构(13)上，机头(2)与下方的B轴转动机构(12)通过键连接，机头(2)能在B轴转动电机(21)的驱动下实现绕Y方向主动转动。
C轴转动机构(13)安装在Y向滑台(9)上，在Y轴电机(19)的驱动下，可带动Y向滑台(9)和C轴转动机构(13)一起沿Y方向做垂直运动。同时，Y向滑台(9)安装在X向滑台(10)上，在X轴电机(18)的驱动下，可带动X向滑台(10)和、Y向滑台(9)及C轴转动机构(13)一起沿X方向做水平运动。
在成形开始后，型材(1)沿Z轴正方向进给，此时Y向滑台(9)在Y轴电机(19)的驱动下向Y轴正方向移动，产生偏心距，此时C轴转动机构(13)在C轴转动电机(22)的驱动下带动模具座(3)一起绕Z方向转动，使成形的型材弯曲方向偏离由Y向滑台(9)产生的偏心距方向，随着型材的连续进给，弯曲方向与原偏心距方向始终保持C轴转动机构(13)转角的大小，实现型材螺旋构件的成形。
根据所述型材螺旋构件六轴自由弯扭成形系统的成形方法，包括：
建立待成形型材螺旋构件的几何形状参数(如螺径D、螺距S、螺旋圈数n)与弯曲模空间位姿参数(如Y向滑台(9)位移Uy、A轴转动机构(11)转动角
Figure BDA0003434086100000039
C轴转动机构(13)转动角
Figure BDA00034340861000000310
)及成形装备工艺参数(如成形区长度A、辊轮中心与模具座(3)中心在Z方向的距离B、过渡段时间t1、成形段时间t2、型材(1)轴向推进速度v)之间的数量关系，解析出六轴自由弯扭成形设备的工艺参数；具体包括：
第一步，根据螺径D确定所述Y向滑台(9)在Y方向的位移:
Figure BDA0003434086100000031
第二步，根据螺距S确定所述C轴转动机构(13)转动角：
Figure BDA0003434086100000032
第三步，确定模具座(3)绕A轴的转动角度
Figure BDA0003434086100000033
Figure BDA0003434086100000034
第四步，计算各阶段的成形时间：
①弯曲模过渡段运动时间：
Figure BDA0003434086100000035
②型材螺旋构件成形总时间：
Figure BDA0003434086100000036
③成形段时型材的进给时间：
Figure BDA0003434086100000037
④弯曲模回程时间：
Figure BDA0003434086100000038
本发明具有以下有益效果
1、本发明为型材螺旋构件的整体成形提供了一种六轴自由弯扭成形新方法，简化了模具运动轨迹，避免了六轴自由弯扭成形复杂构件时各轴的干涉；
2、本发明提供的多辊结构的弯曲模和导向机构，将型材成形时受到的滑动摩擦转变为滚动摩擦，避免了模具连续运动时对型材棱角、凹槽处的划伤，提高了型材弯曲构件的成形质量；
3、本发明提供的成形模具系统及工艺解析方法简单可行，生产效率高，在航空航天及新能源汽车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、一种型材螺旋构件六轴自由弯扭模具系统整体外观示意图；
图2、多辊结构主动式弯曲模结构示意图；
图3、多辊结构导向机构示意图；
图4、六轴自由弯扭模具系统及成形新方法关键参数示意图；
图5、型材螺旋构件成形过程示意图；
图6、方管型材螺旋构件尺寸示意图；
图7、非对称六边形型材截面示意图；
图8、非对称六边形型材成形模具示意图；
图9、非对称六边形型材螺旋构件尺寸示意图；
具体实施方式
以下结合方形截面型材螺旋构件成形的具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
第一步，如图2和图3所示根据待成形型材螺旋构件的截面形状(40×40×2mm的方形截面型材)，加工弯曲模配套的上辊轮(4)、左辊轮(5)、右辊轮(6)、下辊轮(7)及导向机构的前辊轮组(14)和后辊轮组(15)，并完成组装；
第二步，如图1所示将组装好的多辊结构主动式弯曲模和多辊结构导向机构安装在六轴自由弯扭装备上；
第三步，将待成形型材装入六轴自由弯扭装备，轴向进给速度设置为v＝100mm/s，如图4所示为六轴自由弯扭模具系统及成形新方法关键参数示意图，型材成形区长度A＝120mm，辊轮中心与模具座(3)中心在Z方向的距离B＝30mm，计算待成形螺旋构件的几何形状参数(螺径D＝450mm、螺距S＝400mm、螺旋圈数n＝1.5)与Y向滑台(9)位移Uy、A轴转动机构(11)转动角
Figure BDA0003434086100000057
C轴转动机构(13)转动角
Figure BDA0003434086100000058
成形区长度A、辊轮中心与模具座(3)中心在Z方向的距离B、过渡段时间t1、成形段时间t2、型材(1)轴向推进速度v之间的数量关系如下所示：
在Y轴电机(19)的驱动下，所述Y向滑台(9)在Y方向的位移:
Figure BDA0003434086100000051
在C轴转动电机(22)的驱动下，根据螺距S确定所述C轴转动机构(13)转动角：
Figure BDA0003434086100000052
在C轴转动电机(22)的驱动下，模具座(3)绕A轴的转动角度:
Figure BDA0003434086100000053
如图5所示为型材螺旋构件成形过程示意图，弯曲模过渡段运动时间：
Figure BDA0003434086100000054
成形段时型材的进给时间：
Figure BDA0003434086100000055
弯曲模回程时间：
Figure BDA0003434086100000056
最终成形的型材螺旋轴线构件如图6所示。
实施例2
第一步，如7所示根据待成形非对称六边形型材螺旋构件的截面形状，加工弯曲模配套的上辊轮(4)、左辊轮(5)、右辊轮(6)、下辊轮(7)及导向机构的前辊轮组(14)和后辊轮组(15)，并完成组装；
第二步，将组装好的如图8所示的多辊结构主动式弯曲模和多辊结构导向机构安装在六轴自由弯扭装备上；
第三步，将待成形非对称六边形型材装入六轴自由弯扭装备，轴向进给速度设置为v＝100mm/s，型材成形区长度A＝120mm，辊轮中心与模具座(3)中心在Z方向的距离B＝30mm，计算待成形螺旋构件的几何形状参数(螺径D＝500mm、螺距S＝450mm、螺旋圈数n＝2)与Y向滑台(9)位移Uy、A轴转动机构(11)转动角
Figure BDA0003434086100000061
C轴转动机构(13)转动角
Figure BDA0003434086100000062
成形区长度A、辊轮中心与模具座(3)中心在Z方向的距离B、过渡段时间t1、成形段时间t2、型材(1)轴向推进速度v之间的数量关系如下所示：
在Y轴电机(19)的驱动下，所述Y向滑台(9)在Y方向的位移:
Figure BDA0003434086100000063
在C轴转动电机(22)的驱动下，根据螺距S确定所述C轴转动机构(13)转动角：
Figure BDA0003434086100000064
在C轴转动电机(22)的驱动下，模具座(3)绕A轴的转动角度:
Figure BDA0003434086100000065
如图5所示为型材螺旋构件成形过程示意图，弯曲模过渡段运动时间：
Figure BDA0003434086100000066
成形段时型材的进给时间：
Figure BDA0003434086100000067
弯曲模回程时间：
Figure BDA0003434086100000068
最终成形的非对称六边形型材螺旋轴线构件如图9所示。
应当理解的是，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种基于型材螺旋构件六轴自由弯扭成形系统的成形方法，其特征在于，型材螺旋构件六轴自由弯扭成形系统包括多辊结构主动式弯曲模和多辊结构导向机构；多辊结构主动式弯曲模，包括分别排列在型材(1)的上下左右四个方向，且各辊轮轮廓形状与其包覆位置的型材(1)的外轮廓形状一致的上辊轮(4)、左辊轮(5)、右辊轮(6)、下辊轮(7)以及模具座(3)、定位块(8)；上辊轮(4)、左辊轮(5)、右辊轮(6)及下辊轮(7)均通过轴承与两侧的定位块(8)连接；定位块(8)采用螺栓分别固定在模具座(3)的四个角上；模具座(3)的中心点与上辊轮(4)、左辊轮(5)、右辊轮(6)、下辊轮(7)的中心点在Z方向上的距离为B；多辊结构导向机构安装在弯曲模轴向后方，其结构包括：前辊轮组(14)、后辊轮组(15)、左固定板(16)及右固定板(17)；其中，前辊轮组(14)和后辊轮组(15)在Z方向安装间距120mm,且每组辊轮均包含上下左右4个辊轮，各辊轮轮廓形状与其包覆位置的型材(1)的外轮廓形状一致，4个辊轮通过轴承安装在左固定板(16)及右固定板(17)之间，在成形时可随型材(1)的进给实现被动转动；模具座(3)安装在机头(2)上，模具座(3)与左侧的A轴转动机构(11)通过键连接，模具座(3)在A轴转动电机(20)的驱动下实现绕X轴方向主动转动；机头(2)安装在C轴转动机构(13)上，机头(2)与下方的B轴转动机构(12)通过键连接，机头(2)能在B轴转动电机(21)的驱动下实现绕Y方向主动转动；C轴转动机构(13)安装在Y向滑台(9)上，在Y轴电机(19)的驱动下，可带动Y向滑台(9)和C轴转动机构(13)一起沿Y方向做垂直运动；同时，Y向滑台(9)安装在X向滑台(10)上，在X轴电机(18)的驱动下，可带动X向滑台(10)和Y向滑台(9)及C轴转动机构(13)一起沿X方向做水平运动；在成形开始后，型材(1)沿Z轴正方向进给，此时Y向滑台(9)在Y轴电机(19)的驱动下向Y轴正方向移动，产生偏心距，此时C轴转动机构(13)在C轴转动电机(22)的驱动下带动模具座(3)一起绕Z方向转动，使成形的型材弯曲方向偏离由Y向滑台(9)产生的偏心距方向，随着型材的连续进给，弯曲方向与原偏心距方向始终保持C轴转动机构(13)转角的大小，实现型材螺旋构件的成形；
所述的成形方法，包括：建立待成形型材螺旋构件的几何形状参数与弯曲模空间位姿参数及成形装备工艺参数之间的数量关系，解析出六轴自由弯扭成形设备的工艺参数；几何形状参数包括螺径D、螺距S、螺旋圈数n；弯曲模空间位姿参数包括Y向滑台(9)位移Uy、A轴转动机构(11)转动角
Figure FDA0003871410550000028
C轴转动机构(13)转动角
Figure FDA0003871410550000029
成形装备工艺参数包括成形区长度A、辊轮中心与模具座(3)中心在Z方向的距离B、过渡段时间t1、成形段时间t2、型材(1)轴向推进速度v；模具座(3)的中心点与上辊轮(4)、左辊轮(5)、右辊轮(6)、下辊轮(7)的中心点在Z方向上的距离为B；
具体方法包括：
第一步，根据螺径D确定所述Y向滑台(9)在Y方向的位移:
Figure FDA0003871410550000021
第二步，根据螺距S确定所述C轴转动机构(13)转动角：
Figure FDA0003871410550000022
第三步，确定模具座(3)绕A轴的转动角度
Figure FDA0003871410550000023
第四步，计算各阶段的成形时间：
①弯曲模过渡段运动时间：
Figure FDA0003871410550000024
②型材螺旋构件成形总时间：
Figure FDA0003871410550000025
③成形段时型材的进给时间：
Figure FDA0003871410550000026
④弯曲模回程时间：
Figure FDA0003871410550000027
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