什么是自由彎曲成形系統(tǒng)
對(duì)于金屬?gòu)?fù)雜彎曲構(gòu)件，傳統(tǒng)的成形方法主要包括繞彎、拉彎、壓彎、推彎、輥彎等。但現(xiàn)有的這些彎曲方法適用于幾何形狀較簡(jiǎn)單、彎曲半徑不連續(xù)變化的管材彎曲成形。對(duì)于空間彎曲構(gòu)件或者彎曲半徑連續(xù)變化的復(fù)雜彎曲構(gòu)件，則具有一定的局限性。
復(fù)雜空心構(gòu)件的彎曲構(gòu)件，需要應(yīng)用諸多算法進(jìn)行彎曲變形規(guī)律的系統(tǒng)研究。復(fù)雜構(gòu)件的三維自由彎曲成形技術(shù)是將多軸聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)與傳統(tǒng)管材彎曲成形技術(shù)相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)管材、型材、線材在各種彎曲半徑條件下的精確無(wú)模彎曲成形，對(duì)傳統(tǒng)金屬構(gòu)件彎曲成形技術(shù)形成了巨大的挑戰(zhàn)。
三維自由彎曲成形技術(shù)是塑性成形領(lǐng)域近年來(lái)的一項(xiàng)重要的技術(shù)創(chuàng)新，通過(guò)在自由彎曲過(guò)程中彎曲模具的精確多軸控制，幾乎允許實(shí)現(xiàn)任意的彎曲角度，并且可以自由定義彎曲半徑。
圖片來(lái)源： Freeform Tube Bender
三軸、五軸等管材三維自由彎曲成形技術(shù)的原理
1 三軸自由彎曲成形系統(tǒng)原理
該系統(tǒng)主要由彎曲模、球面軸承、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和推進(jìn)機(jī)構(gòu)4 部分組成，其中彎曲模與球面軸承相接觸的球面半徑相同。其工藝原理是：管材在推進(jìn)機(jī)構(gòu)的連續(xù)推動(dòng)作用下依次通過(guò)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和彎曲模，在管材通過(guò)彎曲模時(shí)，球面軸承在X/Y 平面內(nèi)作偏心運(yùn)動(dòng)，而彎曲模隨著球面軸承的偏心運(yùn)動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)球面軸承在X/Y 平面內(nèi)偏離平衡位置為u 時(shí)，管材在彎曲部位產(chǎn)生偏心距u，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)彎曲成形。
隨著Z 軸方向的送料，管材逐漸彎曲出較大的彎曲角。偏心距u 的大小決定了彎曲半徑R 的大小，當(dāng)u很大時(shí)，彎曲半徑R 將會(huì)很小。從彎曲模球心到導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前端之間在Z向的距離為A，當(dāng)A 值大小超過(guò)正常范圍時(shí)，即使u 值很大，同樣無(wú)法彎曲出較小的彎曲半徑。在三軸自由彎曲系統(tǒng)中，管材在彎曲時(shí)受到軸向推進(jìn)機(jī)構(gòu)所施加的推力PL 和球面軸承所施加的彎曲力Pu。在PL 和Pu的共同作用下產(chǎn)生彎矩M，使管材發(fā)生彎曲。
2 五軸自由彎曲系統(tǒng)原理
五軸自由彎曲系統(tǒng)基本原理與三軸相同，即通過(guò)推進(jìn)機(jī)構(gòu)軸向送料與彎模的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程相結(jié)合來(lái)彎管，而彎曲模的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡則決定了彎管的形狀。
五軸自由彎曲系統(tǒng)與三軸自由彎曲系統(tǒng)差別
三軸自由彎曲系統(tǒng)中彎曲模隨著球面軸承的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)自由度受到一定限制，在彎管過(guò)程中彎曲模通常無(wú)法保持與管材截面的實(shí)時(shí)垂直，進(jìn)而導(dǎo)致彎曲后的管材截面畸變程度較大，表面質(zhì)量較差。同時(shí)，由于三軸自由彎曲系統(tǒng)中彎曲模只能隨球面軸承的運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，自由度較小，因此其所能彎曲的構(gòu)件幾何構(gòu)型復(fù)雜程度也受到限制。
而五軸自由彎曲系統(tǒng)除了可以實(shí)現(xiàn)彎曲模在X、Y 向以及推進(jìn)機(jī)構(gòu)在Z 向的運(yùn)動(dòng)之外，還可以實(shí)現(xiàn)彎曲模繞著自身身軸線的α 角度轉(zhuǎn)動(dòng)，以及繞著管材軸線方向的β角度轉(zhuǎn)動(dòng)。
彎曲模在α 和β 角度上的主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)使得：
（1）彎曲過(guò)程中可以通過(guò)彎曲模轉(zhuǎn)動(dòng)角度隨彎管形狀的主動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)彎曲模與管材截面在成形部位始終保持垂直，進(jìn)而提高管材彎曲的表面質(zhì)量，減小截面畸變率；
（2）彎曲模的多自由度運(yùn)動(dòng)可以滿足更加復(fù)雜構(gòu)型的空心構(gòu)件的彎曲過(guò)程。五軸自由彎曲成形系統(tǒng)具有更加柔性的特點(diǎn)，因此其彎曲模形式可以根據(jù)坯料的不同而更換，能滿足多種構(gòu)件的彎曲成形，如管材、棒材、線材、型材等，其中空心構(gòu)件的截面可以是復(fù)雜或異形截面。
結(jié)束語(yǔ)
復(fù)雜空心彎曲構(gòu)件在航空器或航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油、滑油、環(huán)控等管路系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用，主要承擔(dān)各種重要介質(zhì)的輸送。利用三維自由彎曲成形技術(shù)彎曲構(gòu)件，具有成形精度高、成形質(zhì)量高等特點(diǎn)。金屬管材彎曲構(gòu)件廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車、 艦船、石化、建筑以及其他民用工業(yè)等領(lǐng)域。