CN107908809A - 一种三轴自由弯曲模与导向机构配合优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种三轴自由弯曲模与导向机构配合优化设计方法
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***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***。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。
所述的弯曲模与导向机构球面接触的尾部延长线的水平长度ry由弯曲模的最大行程Umax决定，即
在所述弯曲模与导向机构球面接触的配合形式下，弯曲模的最大行程有4个由几何关系基本限制条件，其一弯曲模不脱离导向机构前端，其二弯曲模不与导向机构后端发生碰撞，其三管材被推出弯曲模内孔后不与弯曲模内壁及球面轴承发生接触和碰撞，其四弯曲模转动角度小于设计最大行程角(弯曲模左端不越过球面轴承中线)。
本发明有益效果在于：
1、在所述弯曲模与导向机构球面接触的配合形式下，相较于其它配合方式，管材的弯曲角φ及其与弯曲模转角θ的偏差值γ更小从而减小了管材成形过程中的截面畸变及挠度，可增加设备关键机构的运动稳定性，提高管件的成形精度和成形极限。
2、相交于其它配合方式，该方法能够减小弯曲模球心到导向机构前端的距离A及增大弯曲模的偏心距Umax，从而减小设备所能达到的最小弯曲半径
3、该方法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。
4、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。
5、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。
附图说明
图1、弯曲模与导向机构球面接触设计示意图(半剖面)。
图2、管材三维自由弯曲装置示意图。
图3、弯曲模与导向机构的配合形式为独立式的示意图。
图4、弯曲模与导向机构的配合形式为直线式的示意图。
图5、弯曲模与导向机构球面连接的运动示意简图。
图6、弯曲模最大行程的计算示意图。
图7、弯曲模及导套的基本尺寸示意图。
图中，1-弯曲模，2-导向机构，3-弯曲模尾部与导向机构相配合的球形包络曲面，4-球面轴承，5-管坯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，球面接触式是指在半剖面下，弯曲模和导向机构为圆与圆相切(内切)。
图2为管材三维自由弯曲装置示意图，图3为弯曲模与导向机构的配合形式为独立式的示意图，图4为弯曲模与导向机构的配合形式为直线式的示意图。图中，1-弯曲模，2-导向机构，3-弯曲模尾部与导向机构相配合的球形包络曲面，4-球面轴承，5-管坯。弯曲模1尾部与导向机构2相配合的包络曲面3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。
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。
如图5所示，在球面接触式这种形式下，弯曲模的实时转角与弯曲模偏心距有关，可以通过以下公式计算：
图6所示为弯曲模平动加转动后与导套上下切点距导套中心水平距离的计算示意图。上下切点b、r水平距离rp、ab的计算如下：
rp＝R1sin∠ro’p；ab＝R1sin∠ao’b，其中
弯曲模及导套的基本尺寸如图7所示，在球面接触式这种形式下，弯曲模理论最大行程的基本限制条件：(1)弯曲模下切点不脱出导套前端即vr＝B-rp＝B-R1sin∠ro’p≥A；(2)弯曲模上切点不脱出导套后端，即ab＝R1sin∠ao’b≤C；(3)管材被推出弯曲模内孔后不与弯曲模内壁发生接触和碰撞即γ＝φ-θ＜α；(4)弯曲模转动后左上点不能越过起始位置与球面轴承接触的终点即θ＝arctan(U/B)<π/2-α。在所述弯曲模与导向机构球面接触的配合形式下，通过上述公式的理论计算，弯曲模的最大行程约为0.7倍的管材外径。然后通过合理设计模具尺寸，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。
以下结合适用于3种目标最小弯曲半径(成形极限值)的具体实施实例，对本发明进行详细说明。
实施例1
管坯外径为D，目标最小弯曲半径为2.5D，弯曲模极限偏心距为0.7D。为了确定模具的全部尺寸，先期计算一些可以通过上述基本成形要求参数推算出的尺寸，对于一些不能直接推算的尺寸根据经验值确定。因此模具尺寸确定的顺序为：(1)确定弯曲模中心与导向机构前端的距离A值：(2)根据经验值确定一些无法直接推算的尺寸：B＝2D，R0＝1.8D，R1＝1.2D，C＝0.8D，α＝60°；(3)确定弯曲模与导向机构相配合的球形包络曲面的球半径：R2＝(B2+R12)/2R1＝2.27D；(4)确定弯曲模尾部球形包络曲面的长度：(5)检验弯曲模理论最大行程的4个基本限制条件：
实施例2
管坯外径为D，目标最小弯曲半径为3.0D，弯曲模极限偏心距为0.7D。为了确定模具的全部尺寸，先期计算一些可以通过上述基本成形要求参数推算出的尺寸，对于一些不能直接推算的尺寸根据经验值确定。因此模具尺寸确定的顺序为：(1)确定弯曲模中心与导向机构前端的距离A值：(2)根据经验值确定一些无法直接推算的尺寸：B＝2.5D，R0＝2.0D，R1＝1.6D，C＝1.0D，α＝60°；(3)确定弯曲模与导向机构相配合的球形包络曲面的球半径：R2＝(B2+R12)/2R1＝2.75D；(4)确定弯曲模尾部球形包络曲面的长度：(5)检验弯曲模理论最大行程的4个基本限制条件：
实施例3
管坯外径为D，目标最小弯曲半径为3.5D，弯曲模极限偏心距为0.7D。为了确定模具的全部尺寸，先期计算一些可以通过上述基本成形要求参数推算出的尺寸，对于一些不能直接推算的尺寸根据经验值确定。因此模具尺寸确定的顺序为：(1)确定弯曲模中心与导向机构前端的距离A值：(2)根据经验值确定一些无法直接推算的尺寸：B＝2.8D，R0＝2.2D，R1＝1.8D，C＝1.2D，α＝60°；(3)确定弯曲模与导向机构相配合的球形包络曲面的球半径：R2＝(B2+R12)/2R1＝3.07D；(4)确定弯曲模尾部球形包络曲面的长度：(5)检验弯曲模理论最大行程的4个基本限制条件：
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种三轴自由弯曲模与导向机构配合优化设计方法，其特征在于：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。
2.根据权利要求1所述的三轴自由弯曲模与导向机构配合优化设计方法，其特征在于：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。
3.根据权利要求1或2所述的三轴自由弯曲模与导向机构配合优化设计方法，其特征在于：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
4.根据权利要求1或2所述的三轴自由弯曲模与导向机构配合优化设计方法，其特征在于：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
5.根据权利要求1或2所述的三轴自由弯曲模与导向机构配合优化设计方法，其特征在于：所述的弯曲模的最大行程为0.7倍的管材外径。
6.根据权利要求1或2所述的三轴自由弯曲模与导向机构配合优化设计方法，其特征在于：所述的弯曲模与导向机构球面接触的尾部延长线的水平长度ry由弯曲模的最大行程Umax决定，即
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