[发明专利]一种螺旋式三维复杂弯曲件的自由弯曲成形方法

说明书

本发明公开了一种螺旋式三维复杂弯曲件的自由弯曲成形方法，管材Z向匀速送进，弯曲模从初始位置O开始先在t1时间内运动到指定弯曲半径R的Y向偏心距Uy位置，在此位置停留t2时间成形半个圆弧长，随后以O为圆心、偏心距Uy为半径，在XY平面内从Uy位置出发以1/4圆弧轨迹，经若干次偏转和停留，最终运动至X向偏心距Ux位置后不作停留，并在t3时间内返回初始位置O。本发明为管材三维自由弯曲装置的配套弯曲工艺解析方案，充分地发挥了管材三维自由弯曲装置所具有的可以实现复杂造型金属构件弯曲和一次柔性成形的优点；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。

技术领域

本发明属于金属复杂构件柔性制造技术领域，特别涉及一种螺旋式三维复杂弯曲件的自由弯曲成形方法。

背景技术

螺旋式三维复杂弯曲件是弯管中一类重要的零件，例如作为环形件的特殊产品的螺旋盘管具有换热面积大、换热效率高等优点，已广泛地应用于石油、化工、冶金、建筑、造船、城市集中供热、空调、热水供应系统、洗涤机械的蒸馏冷凝器和溶剂冷却器等领域。目前螺旋式三维复杂弯曲件的生产方法普遍采用绕弯、滚弯、中频感应加热弯曲和火焰加热弯曲等成形工艺加工制造。然而这些传统方法都有各自的缺点：管材绕弯后的截面畸变和壁厚变化很大，而且不同曲率半径和管径的螺旋式三维复杂弯曲件必须更换不同的模具，从而增加了制造成本；滚弯的弯曲半径有一定限制，仅适用于曲率半径要求很大的厚壁管，而且弯曲半径和螺距极不容易控制；中频弯管中的中频感应机组耗电量大，设备投资较大；火焰弯管机由于火焰加热效率较低，故仅适用于薄壁的螺旋式三维复杂弯曲件的弯制。

复杂构件的三维自由弯曲系统能实现管材、型材、线材在各种弯曲半径条件下的高精度无模成形。该技术完全通过控制工艺参数，无须改变模具或工装即可实现航空器所需的各种异形复杂弯曲件的精确成形。三维自由弯曲成形技术不需要更换模具即可一次快速成形中间无直段的螺旋式三维复杂弯曲件，弯管成形质量较好，椭圆度和壁厚减薄量都低于传统弯管方法，且设备制造成本较低，弯曲半径和螺距调整方便，适应性强，成形效率高。但是对于螺旋式三维复杂弯曲件，国内的三维自由弯曲系统尚没有一套完整的成形工艺解析方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种螺旋式三维复杂弯曲件的自由弯曲成形工艺解析方案。

一种螺旋式三维复杂弯曲件的自由弯曲成形方法，管材Z向匀速送进，弯曲模从初始位置O(初始位置偏心距为0)开始先在t1时间内运动到指定弯曲半径R的Y向偏心距Uy位置，在此位置停留t2时间成形半个圆弧长，随后以O为圆心、偏心距Uy为半径，在XY平面内从Uy位置出发以1/4圆弧轨迹，经若干次偏转和停留，最终运动至X向偏心距Ux位置后不作停留，并在t3时间内返回初始位置O。

所述的自由弯曲成形方法，具体过程为：首先根据圆柱型螺旋式三维复杂弯曲件的尺寸如圆柱直径D和螺距S确定其单圈螺线长度L、弯曲半径R及Y向偏心距Uy；其次对复杂构型的弯管三维几何模型进行分段，以螺线长为管材送进的长度从而确定每次停留的时间tss、tkk，并根据螺旋圈数n确定偏转的次数N和角度θn；然后在上述数量关系中引入修正系数k，启动有限元反复迭代计算，将计算结果导入几何软件进行处理，并对比计算结果与理论模型的尺寸差异；当误差小于给定值时，迭代结束并将最终的工艺参数制定成完整的工艺路线图，在三维自由弯曲设备上成形预定螺旋式三维复杂弯曲件。

所述的自由弯曲成形方法，圆柱直径为D、螺距为S、螺旋圈数为n的螺旋式三维复杂弯曲件的工艺解析步骤如下：

第一步，根据圆柱直径D确定弯曲半径R，R＝D/2，根据弯曲半径R和弯曲模中心与导向机构前端的距离A确定Y向偏心距Uy、运动时间t1及停留时间t2；

第二步，根据螺旋圈数n确定弯曲模从Uy位置运动至Ux位置过程中弯曲模偏转次数N，N＝2n-1；及偏转角度θn，