本發(fā)明屬于金屬復雜構件先進制造技術領域，特別涉及一種金屬復雜構件3D自由彎曲成形工藝優(yōu)化方法。

背景技術：

各種截面形狀的金屬復雜構件在航空航天、核電、汽車、艦船、石化、建筑以及其它民用工業(yè)等諸多領域具有廣泛的應用，對于降低產品的生產成本以及減重方面發(fā)揮著重要的作用。

目前，傳統(tǒng)的金屬構件彎曲技術主要為壓彎、拉彎、繞彎、推彎以及由上述基本工藝衍生出的彎曲工藝。以上傳統(tǒng)的管材成形方法在彎曲復雜軸線形狀管材時并不能滿足管材高精度的要求。同時，根據相對彎曲半徑的不同，以上管材彎曲方法也必須不斷更換彎曲模，從而極大降低了生產效率。因此，以上管材彎曲方法只適用于大批量，形狀簡單的管材的彎曲過程。而對于形狀復雜的空間彎管或者曲率連續(xù)變化的復雜形狀彎管，以上傳統(tǒng)彎管方法均無法實現。

復雜構件的三維自由彎曲系統(tǒng)則能實現管材、型材、線材在各種彎曲半徑條件下的高精度無模成形，對傳統(tǒng)金屬彎曲成形技術形成了巨大的挑戰(zhàn)，是塑性成形領域的公認的一種重要技術創(chuàng)新。

技術實現要素：

傳統(tǒng)的金屬構件彎曲技術在彎曲復雜軸線形狀管材時存在較大的局限性。本發(fā)明針對傳統(tǒng)的金屬構件彎曲技術存在的不足，提出了一種新的金屬復雜構件3D自由彎曲成形工藝優(yōu)化方法。采用對金屬復雜構件先進行分段，然后補充過渡段，再建立不同段的幾何形狀與關鍵工藝參數之間的數量關系，并進行不斷優(yōu)化的過程，制備得到了同時具有高的尺寸精度與復雜軸線形狀的金屬復雜構件，充分地發(fā)揮了管材三維自由彎曲系統(tǒng)可以實時改變管材彎曲半徑，實現復雜造型金屬構件彎曲的優(yōu)點。

一種金屬復雜構件3D自由彎曲成形工藝優(yōu)化方法，包括以下步驟：

第一步，將復雜形狀彎管的三維幾何模型進行分段，包括直段、彎曲段；

第二步，在不同的彎曲段之間補充過渡段；

第三步，建立直段、過渡段、彎曲段的包括直段長度L、彎曲半徑R、彎曲角度θ在內的幾何形狀參數與球面軸承在X/Y平面內的運動速度u、管材Z軸送進速度v、運動時間t、彎曲模中心至導向機構前端之間距離A之間的數量關系；

第四步，采用有限元方法建立三維彎曲模型，并在第三步所述數量關系中引入修正系數k；

第五步，采用第四步所述引入修正系數k后的數量關系作為彎曲工藝參數，啟動彎管有限元反復迭代計算，將計算結果導入幾何軟件中進行處理，并對比計算結果與第一步所建立三維彎曲模型的尺寸差異；

第六步，基于建立的尺寸誤差判據，決定是否修改修正系數k并進行再次迭代；當誤差小于給定值時，迭代結束；

第七步，將最終的工藝參數傳送給設備，執(zhí)行實際彎曲成形。

所述的方法，第二步中，在直段與彎曲段之間補充從直段向彎曲段過渡的第一過渡段和從彎曲段向下一直段過渡的第二過渡段。

所述的方法，第三步中，建立直段、第一過渡段、彎曲段、第二過渡段的幾何形狀參數如直段長度L、彎曲半徑R、彎曲角度θ與球面軸承在X/Y平面內的運動速度u、管材Z軸送進速度v、運動時間t、彎曲模中心至導向機構前端之間距離A之間的數量關系如下所示，其中管材沿Z軸送進速度保持勻速運動v：

直段：球面軸承運動速度u＝0，運動時間

第一過渡段：球面軸承運動速度運動時間

彎曲段：球面軸承運動速度u＝0；運動時間其中

第二過渡段：球面軸承運動速度運動時間

所述的方法，第三步中，球面軸承在X、Y平面內的運動方向取決于對復雜形狀彎管的三維幾何模型進行分段后不同的彎曲段在X、Y平面上的投影方向。

所述的方法，第四步中，在以下所列的數量關系中引入修正系數k；

第一過渡段：球面軸承運動速度運動時間

彎曲段：球面軸承運動速度u＝0；運動時間其中

第二過渡段：球面軸承運動速度運動時間

所述的方法，第六步中，建立的尺寸誤差判據為有限元迭代計算出的彎曲結果中彎曲半徑R、彎曲角θ與第一步所建立的三維彎曲模型誤差小于1％。。

有益效果：

1、本發(fā)明為金屬復雜構件的3D自由彎曲成形提供了一種新的成形工藝優(yōu)化方法；

2、本發(fā)明為管材三維自由彎曲裝置的配套彎曲工藝，充分地發(fā)揮了管材三維自由彎曲裝置所具有的可以實時改變管材彎曲半徑，實現復雜造型金屬構件彎曲的優(yōu)點；

3、本發(fā)明方法簡單可行，生產效率高，在航空航天、核電、汽車等工程領域具有重要的工程應用價值和明顯的經濟效益。

附圖說明

圖1、金屬復雜構件3D自由彎曲成形工藝優(yōu)化方法流程圖。

圖2、管材三維自由彎曲裝置示意圖，C球面軸承，D彎曲模；

圖3、“L”形彎管成形工藝優(yōu)化方法實例；

圖中，1-第一直段，2-第一過渡段，3-第一彎曲段，4-第二過渡段，5-第二直段

圖4、“U”形彎管成形工藝優(yōu)化方法實例；

圖中，6-第三直段，7-第三過渡段，8-第二彎曲段，9-第四過渡段，10-第四直段，11-第五過渡段，12-第三彎曲段，13-第六過渡段，14-第五直段；

圖5、“S”形彎管成形工藝優(yōu)化方法實例；

圖中，15-第七過渡段，16-第四彎曲段，17-第八過渡段，18-第九過渡段，19-第五彎曲段，20-第十過渡段；

具體實施方式

以下結合“L”形、“U”形、“S”形彎管的具體實施實例，對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明實施例中采用3D自由彎曲成形設備，包括彎曲模，球面軸承等，彎曲模在球面軸承的作用下可以沿X/Y軸向運動。

實施例1

第一步，將外徑為20mm,兩端直段長分別為200mm，圓弧段半徑為87.85mm的“L”形彎管模型劃分成兩個直段和一個彎曲(圓弧)段，如圖3所示，分別為：第一直段1，第一彎曲段3，第二直段5；

第二步，在兩個直段和彎曲段之間補充第一過渡段2和第二過渡段4；

第三步，管材軸向送進速度v＝10mm/s，彎曲模中心至導向機構前端之間距離A＝30mm。建立第一直段、第一過渡段、第一彎曲段、第二過渡段的幾何形狀參數彎曲半徑R、彎曲角度θ等與球面軸承運動速度u、運動時間t之間的數量關系如下所示：

第一直段1：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝20s；

第一過渡段2:球面軸承沿y軸正方向運動速度運動時間Δt＝3.06s；

第一彎曲段3：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝10.74s；

第二過渡段4：球面軸承沿y軸負方向運動速度運動時間Δt＝3s；

第二直段5：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝17s；

第四步，采用有限元方法建立三維彎曲模型，并在第三步所述數量關系中引入修正系數k。引入修正系數后的公式如下所示：

第一直段1：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝20s；

第一過渡段2:球面軸承沿y軸正方向運動速度運動時間

第一彎曲段3：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間

第二過渡段4:球面軸承沿y軸負方向運動速度運動時間Δt＝3s；

第二直段5：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝17s；

第五步，采用第四步所述引入修正系數k后的數量關系作為彎曲參數，取k初值為1，啟動彎管有限元反復迭代計算，將計算結果導入幾何軟件CATIA中進行處理，并對比計算結果與第一步中“L”形彎管三維模型的尺寸差異；

第六步：判斷有限元迭代計算出的彎曲結果中彎曲半徑R、彎曲角θ與第一步所建立的三維彎曲模型誤差是否小于1％，小于1％時，迭代結束；本實施例中，當修正系數k＝1.43時，有限元迭代計算出的彎曲結果中彎曲半徑R、彎曲角度θ與所建立的“L”形彎管模型尺寸差距小于1％，迭代結束；

第七步：將k＝1.43代入第四步所列公式中，將所列公式輸入三維自由彎曲設備中，進行實際彎曲生產。

實施例2

第一步，將外徑為15mm,兩端及底部直段長均為200mm，圓弧段半徑為63.75mm的“U”形彎管劃分成三個直段和兩個彎曲段；如圖4所示，分別是：第三直段6，第四直段10，第五直段14，第二彎曲段8，第三彎曲段12；

第二步，如圖4所示，在直段和彎曲段之間補充過渡段，由于該“U”形彎管為左右對稱結構，因此，在該彎管中存在4個過渡段：第三過渡段7，第四過渡段9，第五過渡段11，第六過渡段13，且第三過渡段7和第五過渡段11，第四過渡段9和第六過渡段13的工藝參數完全一致；

第三步，管材軸向送進速度v＝10mm/s，彎曲模中心至導向機構之間距離A＝22.5mm。建立直段、第一過渡段、彎曲段、第二過渡段的幾何形狀參數彎曲半徑R、彎曲角度θ與球面軸承運動速度u、運動時間t之間的數量關系如下所示：

第三直段6：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝20s；

第三過渡段7：球面軸承沿y軸正方向運動速度運動時間Δt＝2.43s；

第二彎曲段8：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝8.14s；

第四過渡段9：球面軸承沿y軸負方向運動速度運動時間Δt＝2.25s；

第四直段10：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝17s；

第五過渡段11：球面軸承沿y軸正方向運動速度運動時間Δt＝2.43s；

第三彎曲段12：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝8.14s；

第六過渡段13：球面軸承沿y軸負方向運動速度運動時間t＝2.25s；

第五直段14：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝17s；

第四步，采用有限元方法建立三維彎曲模型，并在第三步所述數量關系中引入修正系數k。引入修正系數后的公式如下所示：

第三直段6：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝20s；

第三過渡段7：球面軸承沿y軸正方向運動速度運動時間

第二彎曲段8：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間

第四過渡段9：球面軸承沿y軸負方向運動速度運動時間Δt＝2.25s；

第四直段10：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝17.75s；

第五過渡段11：球面軸承沿y軸正方向運動速度運動時間

第三彎曲段12：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間

第六過渡段13：球面軸承沿y軸負方向運動速度運動時間Δt＝2.25s；

第五直段14：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝17.75s；

第五步，采用第四步所述引入修正系數k后的數量關系作為彎曲參數，取k初值為1，啟動彎管有限元反復迭代計算，將計算結果導入幾何軟件CATIA中進行處理，并對比計算結果與第一步所建立“U”形彎管三維模型的尺寸差異；

第六步：判斷有限元迭代計算出的彎曲結果中彎曲半徑R、彎曲角θ與第一步所建立的三維彎曲模型誤差是否小于1％，小于1％時，迭代結束；本實施例中，當修正系數k＝1.4時，有限元迭代計算出的彎曲結果中彎曲半徑R、彎曲角θ與所建立的三維彎曲模型差距小于1％，迭代結束；

第七步：將k＝1.4代入第四步所列公式中，將所列公式輸入三維自由彎曲設備中，進行實際彎曲生產。

實施例3

第一步，將外徑為15mm,兩個半圓半徑均為100mm的“S”形彎管劃分成兩個彎曲段，如圖5所示，分別是第四彎曲段16，第五彎曲段19；

第二步，在兩個半圓上補充4個過渡段，分別是：第七過渡段15，第八過渡段17，第九過渡段18，第十過渡段20；其中第七過渡段15和第九過渡段18，第八過渡段17和第十過渡段20的工藝參數完全一致；

第三步，管材軸向送進速度v＝10mm/s，彎曲模中心至導向機構之間距離A＝22.5mm。建立過渡段、彎曲段的幾何形狀參數彎曲半徑R、彎曲角度θ與彎曲模偏心運動速度u、運動時間t之間的數量關系如下所示：

第七過渡段15：球面軸承沿x軸正方向運動運動時間Δt＝2.43s；

第四彎曲段16：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝26.736s；

第八過渡段17：球面軸承沿x軸負方向運動運動時間Δt＝2.25s；

第九過渡段18：球面軸承沿x軸負方向運動運動時間Δt＝2.43s；

第五彎曲段19：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間Δt＝26.736s；

第十過渡段20：球面軸承沿x軸正方向運動運動時間Δt＝2.25s；

第四步，采用有限元方法建立三維彎曲模型，并在第三步所述數量關系中引入修正系數k。引入修正系數后的公式如下所示：

第七過渡段15：球面軸承沿x軸正方向運動運動時間

第四彎曲段16：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進運動時間

第八過渡段17：球面軸承沿x軸負方向運動運動時間Δt＝2.25s；

第九過渡段18：球面軸承沿x軸負方向運動運動時間

第五彎曲段19：球面軸承固定不動，管材軸向勻速送進，運動時間

第十過渡段20：球面軸承沿x軸正方向運動運動時間Δt＝2.25s；

第五步，采用第四步所述引入修正系數k后的數量關系作為彎曲參數，取k初值為1，啟動彎管有限元反復迭代計算，將計算結果導入幾何軟件進行處理，并對比計算結果與第一步所建立“S”形彎管三維模型的尺寸差異；

第六步：判斷有限元迭代計算出的彎曲結果中彎曲半徑R、彎曲角θ與第一步所建立的三維彎曲模型誤差是否小于1％，小于1％時，迭代結束；本實施例中，當修正系數k＝1.3時，有限元迭代計算出的彎曲結果中彎曲半徑R、彎曲角度θ與所建立的三維彎曲模型差距小于1％，迭代結束；

第七步：將k＝1.3代入第四步所列公式中，將所列公式輸入三維自由彎曲設備中，進行實際彎曲試驗。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。