[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

权利要求书

1.一种螺旋式三维复杂弯曲件的自由弯曲成形方法，其特征在于：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，初始位置偏心距为0，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；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，包括根据圆柱直径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；

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，

第三步，根据直径D和螺距S计算单圈螺线长L和半圈螺线长L/2，根据螺线长、弯曲模偏转角速度ω及管材匀速送进的速度v确定弯曲模每次的偏转时间ts、tk和停留时间tss、tkk；ts+tss＝2(tk+tkk)＝L/v；

第四步，弯曲模运动至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维弯曲模型，并在第一步和第四步所述数量关系中A值引入修正系数k，A’＝kA，取k初值为1，k₀＝1，启动弯管有限元反复迭代计算，将计算结果导入计算机，并对比计算结果与所建立三维弯曲模型的尺寸差异；

第六步，基于建立的尺寸误差判据，当修正系数k＝k’时，有限元迭代计算出的弯曲结果中圆柱直径D、螺距S与所建立的三维弯曲模型差距小于1％，迭代结束；

第七步，将k＝k’时第一到四步所列公式计算所得工艺参数输入三维自由弯曲设备中，执行实际螺旋式三维弯曲。

2.根据权利要求1所述的自由弯曲成形方法，其特征在于：该方法成形一个螺旋圈数为n的螺旋式三维复杂弯曲件，弯曲模从Uy运动到Ux过程中需经过2n-1次偏转，每次偏转停留一段时间，第一次偏转和停留为成形单圈螺线长，以后每次偏转和停留为成形半圈螺线长，最后一次偏转不作停留，马上返回初始位置。

3.根据权利要求1所述的自由弯曲成形方法，其特征在于：弯曲模偏转角速度ω根据设备技术参数而定，不小于0.26rad/s。

4.根据权利要求1所述的自由弯曲成形方法，其特征在于：该方法成形的螺旋式三维复杂弯曲件的最大螺距S为其圆柱直径D的一半即弯曲半径R，且螺距与可成形的最大螺圈数n有一定的匹配关系即n_max＝R/S。

5.根据权利要求1所述的自由弯曲成形方法，其特征在于：该方法成形的螺旋式三维复杂弯曲件的最小弯曲半径R为其管材外径d的2.5倍即R_min＝2.5d，最大弯曲半径为无穷大。

6.根据权利要求1所述的自由弯曲成形方法，其特征在于：该方法适用于成形包括各种铸钢管件、铸铁管件、不锈钢管件、锻钢管件、合金管件在内的螺旋式三维复杂弯曲件。

7.根据权利要求1所述的自由弯曲成形方法，其特征在于：该方法适用于管材、型材及各种异型截面材料的快速螺旋式三维成形。