本發(fā)明屬于金屬復(fù)雜構(gòu)件柔性制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種螺旋式三維復(fù)雜彎曲件的自由彎曲成形方法。

背景技術(shù)：

螺旋式三維復(fù)雜彎曲件是彎管中一類重要的零件，例如作為環(huán)形件的特殊產(chǎn)品的螺旋盤管具有換熱面積大、換熱效率高等優(yōu)點，已廣泛地應(yīng)用于石油、化工、冶金、建筑、造船、城市集中供熱、空調(diào)、熱水供應(yīng)系統(tǒng)、洗滌機(jī)械的蒸餾冷凝器和溶劑冷卻器等領(lǐng)域。目前螺旋式三維復(fù)雜彎曲件的生產(chǎn)方法普遍采用繞彎、滾彎、中頻感應(yīng)加熱彎曲和火焰加熱彎曲等成形工藝加工制造。然而這些傳統(tǒng)方法都有各自的缺點：管材繞彎后的截面畸變和壁厚變化很大，而且不同曲率半徑和管徑的螺旋式三維復(fù)雜彎曲件必須更換不同的模具，從而增加了制造成本；滾彎的彎曲半徑有一定限制，僅適用于曲率半徑要求很大的厚壁管，而且彎曲半徑和螺距極不容易控制；中頻彎管中的中頻感應(yīng)機(jī)組耗電量大，設(shè)備投資較大；火焰彎管機(jī)由于火焰加熱效率較低，故僅適用于薄壁的螺旋式三維復(fù)雜彎曲件的彎制。

復(fù)雜構(gòu)件的三維自由彎曲系統(tǒng)能實現(xiàn)管材、型材、線材在各種彎曲半徑條件下的高精度無模成形。該技術(shù)完全通過控制工藝參數(shù)，無須改變模具或工裝即可實現(xiàn)航空器所需的各種異形復(fù)雜彎曲件的精確成形。三維自由彎曲成形技術(shù)不需要更換模具即可一次快速成形中間無直段的螺旋式三維復(fù)雜彎曲件，彎管成形質(zhì)量較好，橢圓度和壁厚減薄量都低于傳統(tǒng)彎管方法，且設(shè)備制造成本較低，彎曲半徑和螺距調(diào)整方便，適應(yīng)性強(qiáng)，成形效率高。但是對于螺旋式三維復(fù)雜彎曲件，國內(nèi)的三維自由彎曲系統(tǒng)尚沒有一套完整的成形工藝解析方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種螺旋式三維復(fù)雜彎曲件的自由彎曲成形工藝解析方案。

一種螺旋式三維復(fù)雜彎曲件的自由彎曲成形方法，管材z向勻速送進(jìn)，彎曲模從初始位置o(初始位置偏心距為0)開始先在t1時間內(nèi)運(yùn)動到指定彎曲半徑r的y向偏心距uy位置，在此位置停留t2時間成形半個圓弧長，隨后以o為圓心、偏心距uy為半徑，在xy平面內(nèi)從uy位置出發(fā)以1/4圓弧軌跡，經(jīng)若干次偏轉(zhuǎn)和停留，最終運(yùn)動至x向偏心距ux位置后不作停留，并在t3時間內(nèi)返回初始位置o。

所述的自由彎曲成形方法，具體過程為：首先根據(jù)圓柱型螺旋式三維復(fù)雜彎曲件的尺寸如圓柱直徑d和螺距s確定其單圈螺線長度l、彎曲半徑r及y向偏心距uy；其次對復(fù)雜構(gòu)型的彎管三維幾何模型進(jìn)行分段，以螺線長為管材送進(jìn)的長度從而確定每次停留的時間tss、tkk，并根據(jù)螺旋圈數(shù)n確定偏轉(zhuǎn)的次數(shù)n和角度θn；然后在上述數(shù)量關(guān)系中引入修正系數(shù)k，啟動有限元反復(fù)迭代計算，將計算結(jié)果導(dǎo)入幾何軟件進(jìn)行處理，并對比計算結(jié)果與理論模型的尺寸差異；當(dāng)誤差小于給定值時，迭代結(jié)束并將最終的工藝參數(shù)制定成完整的工藝路線圖，在三維自由彎曲設(shè)備上成形預(yù)定螺旋式三維復(fù)雜彎曲件。

所述的自由彎曲成形方法，圓柱直徑為d、螺距為s、螺旋圈數(shù)為n的螺旋式三維復(fù)雜彎曲件的工藝解析步驟如下：

第一步，根據(jù)圓柱直徑d確定彎曲半徑r，r＝d/2，根據(jù)彎曲半徑r和彎曲模中心與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前端的距離a確定y向偏心距uy、運(yùn)動時間t1及停留時間t2；

第二步，根據(jù)螺旋圈數(shù)n確定彎曲模從uy位置運(yùn)動至ux位置過程中彎曲模偏轉(zhuǎn)次數(shù)n，n＝2n-1；及偏轉(zhuǎn)角度θn，

第三步，根據(jù)直徑d和螺距s計算單圈螺線長l和半圈螺線長l/2，根據(jù)螺線長、彎曲模偏轉(zhuǎn)角速度ω及管材勻速送進(jìn)的速度v確定彎曲模每次的偏轉(zhuǎn)時間ts、tk和停留時間tss、tkk；ts+tss＝2(tk+tkk)＝l/v；

第四步，彎曲模運(yùn)動至x向偏心距ux位置后不作停留立即返回初始位置o；ux＝uy，

第五步，采用有限元方法建立三維彎曲模型，并在第一步和第四步所述數(shù)量關(guān)系中a值引入修正系數(shù)k，a’＝ka，取k初值為1，k0＝1，啟動彎管有限元反復(fù)迭代計算，將計算結(jié)果導(dǎo)入計算機(jī)，并對比計算結(jié)果與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(jù)，當(dāng)修正系數(shù)k＝k’時，有限元迭代計算出的彎曲結(jié)果中圓柱直徑d、螺距s與所建立的三維彎曲模型差距小于1％，迭代結(jié)束；

第七步，將k＝k’時第一到四步所列公式計算所得工藝參數(shù)輸入三維自由彎曲設(shè)備中，執(zhí)行實際螺旋式三維彎曲。

所述的自由彎曲成形方法，該方法成形一個螺旋圈數(shù)為n的螺旋式三維復(fù)雜彎曲件，彎曲模從uy運(yùn)動到ux過程中需經(jīng)過2n-1次偏轉(zhuǎn)，每次偏轉(zhuǎn)停留一段時間，第一次偏轉(zhuǎn)和停留為成形單圈螺線長，以后每次偏轉(zhuǎn)和停留為成形半圈螺線長，最后一次偏轉(zhuǎn)不作停留，馬上返回初始位置。

所述的自由彎曲成形方法，彎曲模偏轉(zhuǎn)角速度ω根據(jù)設(shè)備技術(shù)參數(shù)而定，不小于0.26rad/s。

所述的自由彎曲成形方法，該方法成形的螺旋式三維復(fù)雜彎曲件的最大螺距s為其圓柱直徑d的一半即彎曲半徑r，且螺距與可成形的最大螺圈數(shù)n有一定的匹配關(guān)系即nmax＝r/s。

所述的自由彎曲成形方法，該方法成形的螺旋式三維復(fù)雜彎曲件的最小彎曲半徑r為其管材外徑d的2.5倍即rmin＝2.5d，最大彎曲半徑為無窮大。

所述的自由彎曲成形方法，該方法適用于成形各種鑄鋼管件、鑄鐵管件、不銹鋼管件、鍛鋼管件、合金管件等螺旋式三維復(fù)雜彎曲件。

所述的自由彎曲成形方法，該方法適用于成形管材、型材及各種異型截面材料的快速螺旋式三維成形。

有益效果：

1、本發(fā)明為螺旋式三維復(fù)雜彎曲件的成形提供了一種自由彎曲成形工藝方案；

2、本發(fā)明為管材三維自由彎曲裝置的配套彎曲工藝解析方案，充分地發(fā)揮了管材三維自由彎曲裝置所具有的可以實現(xiàn)復(fù)雜造型金屬構(gòu)件彎曲和一次柔性成形的優(yōu)點；

3、本發(fā)明方法簡單可行，生產(chǎn)效率高，在航空航天、核電、汽車等工程領(lǐng)域具有重要的工程應(yīng)用價值和明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

圖1、螺旋式三維復(fù)雜彎曲件的自由彎曲成形方法示意圖(彎曲模的運(yùn)動路線圖)；

圖2、管材三維自由彎曲裝置示意圖；

圖中，1-球面軸承，2-彎曲模，3-螺旋式三維復(fù)雜彎曲件，4-導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，5-壓緊機(jī)構(gòu)，6-頂推機(jī)構(gòu)；

圖3、管材三維自由彎曲原理示意圖；

圖中，1-球面軸承，2-彎曲模，3-螺旋式三維復(fù)雜彎曲件，4-導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；

圖4、圓柱直徑為120mm、螺距為30mm、螺旋圈數(shù)為2、管材外徑為15mm的螺旋式三維復(fù)雜彎曲件；a正面視圖，b頂視圖；

圖5、圓柱直徑為150mm、螺距為15mm、螺旋圈數(shù)為5、管材外徑為6mm的螺旋式三維復(fù)雜彎曲件；a正面視圖，b頂視圖；

圖6、圓柱直徑為200mm、螺距為10mm、螺旋圈數(shù)為10、管材外徑為4mm的螺旋式三維復(fù)雜彎曲件；a正面視圖，b頂視圖；

具體實施方式

以下結(jié)合三個不同尺寸螺旋管的具體實施實例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示為螺旋式三維復(fù)雜彎曲件的自由彎曲成形方法示意圖(彎曲模的運(yùn)動路線圖)，管材z向勻速送進(jìn)，彎曲模在xy平面中從初始位置o(偏心距為0)開始先在t1時間內(nèi)運(yùn)動到指定彎曲半徑r的y向偏心距uy位置，在此位置停留t2時間成形半個圓弧長，隨后以o為圓心、偏心距uy為半徑，在xy平面內(nèi)從uy位置出發(fā)以1/4圓弧軌跡，經(jīng)若干次偏轉(zhuǎn)(各次偏轉(zhuǎn)時間為ts、tk)和停留(各次停留時間為tss、tkk)，最終運(yùn)動至x向偏心距ux位置后不作停留，并在t3時間內(nèi)返回初始位置o。

具體地，圓柱直徑為d、螺距為s、螺旋圈數(shù)為n的螺旋式三維復(fù)雜彎曲件的工藝解析步驟如下：

第一步，根據(jù)圓柱直徑d確定彎曲半徑r(r＝d/2)，根據(jù)彎曲半徑r、管材z向運(yùn)動速度v及彎曲模中心與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前端的距離a確定y向偏心距uy、運(yùn)動時間t1及停留時間t2；

第二步，根據(jù)螺旋圈數(shù)n確定彎曲模從uy位置運(yùn)動至ux位置過程中彎曲模偏轉(zhuǎn)次數(shù)n，n＝2n-1，及偏轉(zhuǎn)角度θn，

第三步，根據(jù)直徑d和螺距s計算單圈螺線長l和半圈螺線長l/2，根據(jù)螺線長、彎曲模偏轉(zhuǎn)角速度ω及管材勻速送進(jìn)的速度v確定彎曲模偏轉(zhuǎn)時間ts、tk，和停留時間tss、tkk，ts+tss＝2(tk+tkk)＝l/v；

第四步，彎曲模運(yùn)動至x向偏心距ux位置后立即返回初始位置o；ux＝uy，

第五步，采用有限元方法建立三維彎曲模型，并在第一步和第四步所述數(shù)量關(guān)系中a值引入修正系數(shù)k，a’＝ka，取k初值為k0＝1，啟動彎管有限元反復(fù)迭代計算，將計算結(jié)果導(dǎo)入計算機(jī)，對比計算結(jié)果與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(jù)，當(dāng)修正系數(shù)k＝k’時，有限元迭代計算出的彎曲結(jié)果中圓柱直徑d、螺距s與所建立的三維彎曲模型差距小于1％，迭代結(jié)束；

第七步，將k＝k’時第一到四步所列公式計算所得工藝參數(shù)輸入三維自由彎曲設(shè)備中，執(zhí)行實際螺旋式三維彎曲。

實施例1

圖4為圓柱直徑120mm、螺距30mm、螺旋圈數(shù)2、管材外徑15mm的螺旋式三維復(fù)雜彎曲件，具體成形工藝方法步驟如下：

第一，根據(jù)圓柱直徑d＝120mm確定彎曲半徑r＝d/2＝60mm，根據(jù)彎曲半徑60mm、管材z向運(yùn)動速度v＝20mm/s及彎曲模中心與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前端的距離a＝30mm，確定y向偏心距uy、運(yùn)動時間t1及停留時間t2；

第二，根據(jù)螺旋圈數(shù)n＝2確定彎曲模從uy位置運(yùn)動至ux位置過程中彎曲模偏轉(zhuǎn)次數(shù)n及每次偏轉(zhuǎn)的角度θn；

n＝2n-1＝2×2-1＝3

第三，根據(jù)直徑d＝120mm和螺距s＝30mm計算單圈螺線長l和半圈螺線長l/2，根據(jù)螺線長、彎曲模偏轉(zhuǎn)角速度ω＝0.52rad/s及管材勻速送進(jìn)的速度v＝20mm/s確定彎曲模每次的偏轉(zhuǎn)時間ts、tk和停留時間tss、tkk；

第四，彎曲模運(yùn)動至x向偏心距ux位置后立即返回初始位置o；

ux＝uy＝8.0384mm，

第五，采用有限元方法建立三維彎曲模型，并在第一步和第四步所述數(shù)量關(guān)系中a值引入修正系數(shù)k(a’＝ka)，取k初值為1(k0＝1)，啟動彎管有限元反復(fù)迭代計算，將計算結(jié)果導(dǎo)入計算機(jī)，并對比計算結(jié)果與所建立三維彎曲模型的尺寸差異；

第六，基于建立的尺寸誤差判據(jù)，當(dāng)修正系數(shù)k＝1.43時，有限元迭代計算出的彎曲結(jié)果中圓柱直徑d、螺距s與所建立的三維彎曲模型差距小于1％，迭代結(jié)束；

第七，將k＝1.43時第一到四步所列公式計算所得工藝參數(shù)輸入三維自由彎曲設(shè)備中，執(zhí)行實際螺旋式三維彎曲。

實施例2

圖5為圓柱直徑150mm、螺距15mm、螺旋圈數(shù)5、管材外徑6mm的螺旋式三維復(fù)雜彎曲件，具體成形工藝方法步驟如下：

第一，根據(jù)圓柱直徑d＝150mm確定彎曲半徑r＝d/2＝75mm，根據(jù)彎曲半徑75mm、管材z向運(yùn)動速度v＝20mm/s及彎曲模中心與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前端的距離a＝30mm，確定y向偏心距uy、運(yùn)動時間t1及停留時間t2；

第二，根據(jù)螺旋圈數(shù)n＝3確定彎曲模從uy位置運(yùn)動至ux位置過程中彎曲模偏轉(zhuǎn)次數(shù)n及每次偏轉(zhuǎn)的角度θn；

n＝2n-1＝2×3-1＝5

第三，根據(jù)直徑d＝150mm和螺距s＝15mm計算單圈螺線長l和半圈螺線長l/2，根據(jù)螺線長、彎曲模偏轉(zhuǎn)角速度ω＝0.52rad/s及管材勻速送進(jìn)的速度v＝20mm/s確定彎曲模每次的偏轉(zhuǎn)時間ts、tk和停留時間tss、tkk；

第四，彎曲模運(yùn)動至x向偏心距ux位置后立即返回初始位置o；

ux＝uy＝8.8599mm，

第五，采用有限元方法建立三維彎曲模型，并在第一步和第四步所述數(shù)量關(guān)系中a值引入修正系數(shù)k(a’＝ka)，取k初值為1(k0＝1)，啟動彎管有限元反復(fù)迭代計算，將計算結(jié)果導(dǎo)入計算機(jī)，并對比計算結(jié)果與所建立三維彎曲模型的尺寸差異；

第六，基于建立的尺寸誤差判據(jù)，當(dāng)修正系數(shù)k＝1.34時，有限元迭代計算出的彎曲結(jié)果中圓柱直徑d、螺距s與所建立的三維彎曲模型差距小于1％，迭代結(jié)束；

第七，將k＝1.34時第一到四步所列公式計算所得工藝參數(shù)輸入三維自由彎曲設(shè)備中，執(zhí)行實際螺旋式三維彎曲。

實施例3

圖6為圓柱直徑200mm、螺距10mm、螺旋圈數(shù)10、管材外徑4mm的螺旋式三維復(fù)雜彎曲件，具體成形工藝方法步驟如下：

第一，根據(jù)圓柱直徑d＝200mm確定彎曲半徑r＝d/2＝100mm，根據(jù)彎曲半徑100mm、管材z向運(yùn)動速度v＝20mm/s及彎曲模中心與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前端的距離a＝30mm，確定y向偏心距uy、運(yùn)動時間t1及停留時間t2；

第二，根據(jù)螺旋圈數(shù)n＝10確定彎曲模從uy位置運(yùn)動至ux位置過程中彎曲模偏轉(zhuǎn)次數(shù)n及每次偏轉(zhuǎn)的角度θn；

n＝2n-1＝2×10-1＝19

第三，根據(jù)直徑d＝200mm和螺距s＝10mm計算單圈螺線長l和半圈螺線長l/2，根據(jù)螺線長、彎曲模偏轉(zhuǎn)角速度ω＝0.52rad/s及管材勻速送進(jìn)的速度v＝20mm/s確定彎曲模每次的偏轉(zhuǎn)時間ts、tk和停留時間tss、tkk；

第四，彎曲模運(yùn)動至x向偏心距ux位置后立即返回初始位置o；

ux＝uy＝4.6061mm，

第五，采用有限元方法建立三維彎曲模型，并在第一步和第四步所述數(shù)量關(guān)系中a值引入修正系數(shù)k(a’＝ka)，取k初值為1(k0＝1)，啟動彎管有限元反復(fù)迭代計算，將計算結(jié)果導(dǎo)入計算機(jī)，并對比計算結(jié)果與所建立三維彎曲模型的尺寸差異；

第六，基于建立的尺寸誤差判據(jù)，當(dāng)修正系數(shù)k＝1.27時，有限元迭代計算出的彎曲結(jié)果中圓柱直徑d、螺距s與所建立的三維彎曲模型差距小于1％，迭代結(jié)束；

第七，將k＝1.27時第一到四步所列公式計算所得工藝參數(shù)輸入三維自由彎曲設(shè)備中，執(zhí)行實際螺旋式三維彎曲。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。