管材三维自由弯曲成形技术及装备

文/秦瑶·南京航空航天大学

三维自由弯曲成形技术是塑性成形领域近年来的一项重要的技术创新，可实现管材、型材、线材精确无模连续弯曲成形，特别适用于复杂空间形状弯曲构件或者弯曲半径连续变化的复杂弯曲构件。

在国内，南航团队率先开展了系统的研发工作，在基础理论、关键技术、数字化装备及重大工程应用上取得了全面进展，实现了对国外同类技术的赶超。

管材三维自由弯曲成形基础理论研究

三维自由弯曲成形材料变形规律

建立了考虑轴向推力的自由弯曲力学模型，分析了应变中性层移动规律和对管材内外侧壁厚分布的影响，见图1、图2。结论：轴向推力导致应力应变中性层外移，降低了弯曲外侧的壁厚减薄率，提高了管材成形质量。

图1 管材应变中性层向外弧移动

图2 管材内外侧壁厚沿弯曲角度分布

三维自由弯曲成形缺陷形成机理

针对管材截面畸变及失稳起皱缺陷的形成机理及分布规律进行研究，建立了基于壳体能量的缺陷预测模型。

管材自由弯曲横截面椭化畸变及分布规律见图3、图4，管材开始弯曲部分的横截面畸变率呈现较高的峰值；在弯曲过程的中段和结束部分，弯管横截面畸变率较低，即明显的截面畸变现象出现在过渡段。

图3 管材自由弯曲横截面椭化畸变

图4 管材自由弯曲横截面椭化分布规律

基于壳体能量原理的起皱预测模型见图5，波纹起皱现象集中出现在圆弧段成形部分。

图5 基于壳体能量原理的起皱预测模型

型材弯扭机理

建立了方形截面型材自由弯扭理论解析模型，阐明了方形截面型材不同面上的应力应变分布规律。结论：弯曲内表面受到的应力整体处于下降趋势；弯曲外表面、扭转内表面和扭转外表面的等效应力均呈整体上升趋势；按逆时针方向，扭转外表面、弯曲外表面及扭转内表面上的等效应变分布均呈先下降再增高的趋势。

扭转对弯曲作用机理

建立了平椭截面型材自由弯扭过程中截面扭转角与弯曲回弹后半径关系的理论分析模型，揭示了沿平椭型材长轴和短轴弯扭时截面扭转对弯曲变形的影响规律。

三维自由弯曲成形关键技术

管材轴线精确解析

建立了自由弯曲模具三维运动轨迹模型，将弯曲弧段进行划分（图6）：将单弯分为过渡段1、中间圆弧段和过渡段2，代表偏心、停留和回程。

图6 弯曲弧段划分

将多弯分为若干个弯曲平面，根据平面相对位置关系决定弯曲模运动方向，提出了金属管材自由弯曲成形系统运动轨迹优化方法，实现了从复杂弯曲构件几何轴线到成形模具运动轨迹的精准规划，见图7。

图7 弯曲模具运动轨迹精确规划

形变曲率轴线精确解析

提出了由弯曲段转变为关键点控制的弯曲模运动控制方法，建立了连续变曲率构型的轨迹解析模型，实现了自由弯曲工艺从成形定曲率构件向成形连续变曲率构件的突破。

型材弯扭工艺解析

提出了耦合截面扭转的弯曲方向反向补偿算法，建立了适用于型材螺旋构件一次成形的轨迹解析模型，结论：在型材弯曲成形过程中附加额外截面扭转角会使构件的弯曲方向发生周期性连续改变。

工艺软件系统

自主研发了三维自由弯曲工艺软件系统，提高了自由弯曲解析效率，图8 为六轴自由弯曲控制系统。

图8 六轴自由弯曲控制系统

数字化全流程

开展了自由弯曲成形轴线获取、计算机辅助工艺解析及测量反馈方法研究，搭建了数字化成形平台，建立了从轴线获取至对比分析的全流程，实现了复杂弯曲构件的高效、高精度数字化加工，流程如下。

⑴轴线获取。

轴线的准确获取是高精度数字化自由弯曲成形的前提，采用专业软件根据复杂弯曲构件的几何构型提取和拟合弯曲轴线及轴线上关键点坐标，为后续工艺解析及对比分析步骤提供数模。

⑵工艺解析。

根据第一步中获得的轴线点坐标数据进行自由弯曲工艺解析，将数模的几何信息转化为自由弯曲工艺信息，获得可直接输入自由弯曲装备的加工指令。

⑶成形试验。

输入加工指令，开展复杂弯曲构件成形试验。

⑷扫描检测。

使用专业扫描测量设备获得实际成形构件的数模。

⑸对比分析。

在专业软件中对比构件原始数模和实际成形零件的数模，分析实际成形零件的弯曲精度及弯曲质量，对于成形不满足要求的构件需反馈修改成形工艺参数。

模具内衬设计优化

以减轻管材表面划伤为目的，开展了自由弯曲成形弯曲模与导向机构的内衬设计与材料优选研究，通过设计新型陶瓷内衬，提高了管材表面质量，降低了弯曲模磨损，提高了装备寿命。

⑴氧化锆/不锈钢摩擦磨损性能研究。

20#专用润滑油润滑条件下，氧化锆与不锈钢摩擦系数可达0.02。

结论：优化弯曲模材料，有效降低摩擦系数，明显改善管材成形质量。

⑵弯曲模与导向机构内衬设计研究。

采用氧化锆材料的弯曲模与导向机构内衬见图9，管材表面犁沟、剥落坑等磨损问题明显减轻。

图9 采用氧化锆材料的弯曲模与导向机构内衬

装备研制

研发历程

自2016 年起从事自由弯曲成形装备的自主研发，南航团队已研发出10 种型号的自由弯曲设备，见图10。

图10 南航团队研发的10 种型号的自由弯曲设备

⑴三轴自由弯曲成形装备设计及制造，工程样机见图11，设备参数见表1。

表1 三轴自由弯曲成形装备性能参数

图11 三轴自由弯曲工程样机

⑵六轴自由弯曲成形装备设计及制造，工程样机见图12，设备参数见表2。

表2 六轴自由弯曲成形装备性能参数

图12 六轴自由弯曲工程样机

⑶五轴自由弯曲成形装备设计及制造，工程样机见图13，设备参数见表3。

表3 五轴自由弯曲成形装备性能参数

图13 五轴自由弯曲工程样机

⑷七轴（基于并联结构）自由弯曲成形装备设计，工程样机见图14，设备参数见表4。

表4 七轴（基于并联结构）自由弯曲成形设备性能参数

图14 七轴（基于并联结构）自由弯曲成形装备设计

⑸便携式自由弯曲成形装备设计，工程样机见图15，设备参数见表5。

表5 便携式自由弯曲成形设备性能参数

图15 便携式自由弯曲成形装备

管材三维自由弯曲成形的工程化应用

航空航天领域的应用

航空航天工程领域所需复杂导管及结构件对于三维自由弯曲技术具有广泛需求，典型的零件为滑油、燃油和气体管路，见图16。

图16 航空航天领域典型管路构件

南航团队完成航空航天装备管路系统用空间复杂连续变曲率不锈钢管件的加工，见图17；与沈阳飞机工业（集团）有限公司合作完成了某型航空器铝合金燃油管试制，见图18；与上海航天设备制造总厂有限公司合作完成了某型航天器用异形截面热管试制，见图19。

图17 航空发动机用管路构件

图18 战机燃油管路构件

图19 航天器用异形截面热管构件

汽车工程领域的应用

汽车行业所需复杂管路及型材构件对于三维自由弯曲技术具有广泛需求，包括车身框架、底盘、座椅骨架、A 柱等零件。

在汽车领域，南航团队完成了高强铝合金“目字形”截面汽车防撞梁构件的自由弯曲成形，见图20；完成了铝合金非对称六边形截面车顶行李架构件的自由弯扭成形，见图21；针对车顶行李箱外框用复杂截面铝合金型材构件，成功实现了两种不同截面构件的一次高效、高质量成形，见图22；完成了新能源汽车高强钢A 柱类产品的加工，见图23。

图20 高强铝合金“目字形”截面汽车防撞梁构件

图21 6063 铝合金非对称六边形截面车顶行李架构件

图22 车顶行李箱外框用复杂截面铝合金型材构件

图23 汽车高强钢A 柱

其他工程领域的应用

此外，在轨道交通、石化工程、核能工程、建筑装饰、家装家居等领域，管材三维弯曲成形均有涉及。南航团队完成了不锈钢座椅靠背造型三轴自由弯曲加工，见图24；轴线弯曲螺旋三轴自由弯曲加工，见图25；户外景观雕塑用空间连续变曲率弯管加工，见图26；楼梯扶手用空间连续变曲率弯管的加工，见图27，目前，已实现多批次稳定供货，获得需求单位的好评。

图24 不锈钢座椅靠背造型三轴自由弯曲加工

图25 轴线弯曲螺旋三轴自由弯曲加工

图26 户外景观雕塑用空间连续变曲率弯管加工

图27 楼梯扶手用空间连续变曲率弯管加工

结束语

三维自由弯曲成形技术具有无需更换弯曲模即可改变弯曲半径、可实现空心构件弯曲半径的连续变化、可实现多种复杂弯曲形式、成形精度高、成形质量高等优点。随着相关基本理论研究的不断深入和完善，以及数值模拟技术、复杂多轴控制系统、针对复杂弯管的逆向扫描系统等相关技术的快速发展，三维自由弯曲成形技术在我国制造工程领域必将获得重要应用。