[发明专利]一种三轴自由弯曲模与导向机构配合优化设计方法

说明书

本发明公开了一种三轴自由弯曲模与导向机构配合优化设计方法，属于金属塑性成形技术领域。该优化设计方法为将现有的三轴弯曲模具与导向机构的配合形式（独立式和直线式）改为球面接触式。相较于传统形式，所述配合形式下，管材成形过程中弯曲模的运动更为稳定，转动角度θ可得到精确控制，并可使三轴自由弯曲设备的最小相对弯曲半径（R/D₀）降至2.5。

技术领域

本发明涉及金属塑性成形设备模具设计与装配领域，具体是一种三轴自由弯曲模与导向机构配合优化设计方法。

背景技术

三维自由弯曲系统在不需要更换模具的情况下，即能实现管材、型材、线材在各种弯曲半径条件下的高精度无模成形。现有的三维自由弯曲设备根据弯曲模的运动自由度可分为三轴、五轴及六轴自由弯曲系统。相比于五轴及六轴设备，三轴自由弯曲设备中弯曲模仅能主动实现X、Y两个方向的平动自由度，而其偏转运动为被动运动方式，一般需要依赖弯曲模与球面轴承、导向机构的配合连接的共同作用实现。三轴构型中这两个特殊的连接形式使得模具装配结构更为复杂，同时导致弯曲模在运动过程中位移距离和偏转角度存在几何限制。由于这些几何限制的存在，现在商用的三轴自由弯曲设备的相对最小弯曲半径一般仅为3。

目前国内的三轴自由弯曲设备中弯曲模与导向机构的配合形式为独立式及直线式。独立式是指弯曲模和导向机构完全脱离的三轴自由弯曲构型。在这种形式下，弯曲模的转动变得更加不可控，为了控制弯曲模的转角不至于太大，常使球面轴承与导向机构的距离很小，通过弯曲模具与导向机构的接触碰撞限制弯曲模的最大转角，但这会使模具的磨损加剧、使用寿命降低。同时由于弯曲模的转角θ与弯曲模的偏心距没有特定的几何关系，而是受管材送进的影响较大，导致运动过程弯曲模的转角θ可能超过其最大行程角，甚至在弯曲模达到预定偏心距后还发生反偏，增加弯曲模运动的不稳定性。直线式是指在半剖面下，弯曲模和导向机构的母线为直线与圆相切式的三轴自由弯曲构型。在这种形式下，弯曲模在上行的过程中，弯曲模的尾部只有一半与导向机构接触，而另一半完全与导向机构脱离。这也导致在弯曲模下行过程开始的阶段，弯曲模尾部不与导向机构接触的一半直接与导向机构发生碰撞，影响运动的稳定性也损伤了模具。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种三轴自由弯曲模与导向机构配合优化设计方法。该优化设计方法为将现有的三轴弯曲模具与导向机构的配合形式(独立式和直线式)改为球面接触式。相较于传统形式，所述配合形式下，管材成形过程中弯曲模的运动更为稳定，偏转角度θ可得到精确控制，并可使三轴自由弯曲设备的最小相对弯曲半径(R/D₀)降至2.5。

该优化设计方法的关键在于计算导向机构球面接触的弯曲模球内曲面尺寸，具体方法为：在弯曲模球半径R0、导向机构球半径R1及两者球心的距离B一定时，连结弯曲模中心O与导向机构上顶点M，作OM的中垂线交导向机构的中线O’M于点N，MN即为与导向机构球面接触的弯曲模球内曲面的球半径R2(R2＝MN＝ML×OM/O’M＝OM²/2O’M＝(B²+R1²)/2R1)，TM即为弯曲模尾部内曲面在半剖面内的投影线。

本发明设计的三轴自由弯曲模与导向机构配合优化设计方法中弯曲模尾部与导向机构相配合的包络曲面始终与导向机构外球面相切，并且相切线是封闭的，从而实现弯曲模的稳定运动。

所述包络曲面的球心在初始位置时与导向机构球心共线，其球半径R2与导向机构球半径R1及弯曲模球心到导向机构球心的距离B有关，即R2＝(B²+R1²)/2R1。

所述的弯曲模的实时偏转角度θ与弯曲模球心到导向机构球心的距离B及弯曲模偏心距U有关，即

所述的管材实时弯曲角φ与弯曲模球心到导向机构前端的距离A及弯曲模偏心距U有关，即

所述的弯曲模的最大行程为0.7倍的管材外径，并且其大小与弯曲模及导向机构的几何尺寸及几何位置有密切关系。