金属型材三维自由弯曲模具设计方法

摘要

本发明公开了金属型材三维自由弯曲模具设计方法，属于三维自由弯曲成形技术配套工艺优化方法。该方法包括采取以下措施加以实现：首先，对型材截面几何特征进行分析计算其形心位置，使得模具的中心与型材形心重合；其次，通过优化模具的几何结构，使得在弯曲成形过程中，减少模具和型材的接触，降低摩擦，从而达到提高型材成形质量及成形精度的目的。

说明书

技术领域

本发明属于金属复杂构件先进制造技术领域，特别涉及一种金属型材三维自由弯曲模具设计方法。

背景技术

各种截面形状的金属复杂型材构件在航空航天、核电、汽车、舰船、石化、建筑以及其它民用工业等诸多领域具有广泛的应用，对于降低产品的生产成本以及减重方面发挥着重要的作用。

传统的金属构件弯曲技术如压弯、拉弯、绕弯、推弯以及由上述基本工艺衍生出的弯曲工艺在弯曲复杂形状型材时并不能满足高精度的要求，因此只能适用于大批量，形状简单的管材的弯曲过程。而对于形状复杂或者曲率连续变化的复杂构件，以上方法均无法实现。

复杂构件的三维自由弯曲系统则能实现型材在各种弯曲半径下的无模成形，对传统金属弯曲成形技术形成了巨大的挑战，在塑性成形领域是一项公认的重要技术创新。复杂构件的三维自由弯曲系统虽然能实现型材在各种弯曲半径下的柔性成形，但是国内目前尚无详细完整的型材弯曲模具设计方法，限制了型材的三维自由弯曲技术的应用与推广。

发明内容

本发明针对型材自由弯曲技术存在的不足，提出了一种金属型材三维自由弯曲模具设计方法。

本发明所采用的技术方案是：通过对不同型材的截面形状进行分析，通过减少模具和型材之间的摩擦，保证模具中心与型材形心重合，优化模具设计，提高型材质量及精确度。

一种金属型材三维自由弯曲模具设计方法，包括以下步骤：

第一步，确定影响型材弯曲成形质量及精度的因素；

第二步，减小型材与模具的接触面积；

第三步，保证模具中心与型材形心重合；

第四步，根据模具中心所在位置以及所确定的模具与型材的接触部分，合理设计出模具。

所述的方法第一步中，一方面，由公式f＝F(s,T,Ra,E,R)(其中，f为摩擦系数，s为型材与模具的接触面积，T为弯曲成形时的温度，Ra为模具与型材接触部分的粗糙度，E为型材的弹性模量，R为型材的强度)知，可以通过减小型材与模具的接触面积，以进行模具设计，降低模具与型材之间的摩擦，提高型材成形质量及精度；另一方面，当模具中心与型材形心重合时，可以消除附加弯矩(M＝P_u×U，其中P_u为型材所承受的弯曲力，U为模具与型材导向机构之间的距离)，提高型材成形质量及精度。

所述的方法第二步中，减小型材与模具的接触面积，首先，确定型材的具体尺寸；其次，确定型材与模具的接触部分；最后，根据所测数据和实际情况，合理设计模具与型材的接触部分。

所述的方法第三步中，保证模具中心与型材形心重合，首先确定型材的具体尺寸；其次将型材按照实际尺寸画成平面图形，将该平面图形分成由若干个: 单图形；然后由公式(其中，S_i，和为任一组成部分的面积及其形心的坐标)计算型材形心；最后，将计算得到的型材形心坐标设为模具中心。

有益效果：

1、本发明为三维自由弯曲成形技术配套工艺优化方法，为金属型材三维自由弯曲提供了一种新的模具设计方法；

2、本发明通过减少模具和型材之间的接触，保证模具中心与型材形心重合，优化模具设计，提高型材成形质量及成形精度；

3、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：金属型材三维自由弯曲模具设计方法流程图。

图2：三角形型材截面尺寸示意图。

图3：根据图3三角形型材设计的模具示意图。

图4：L形型材截面尺寸示意图。

图5：根据图4L形型材模具示意图。

图6：复杂型材截面尺寸示意图。

图7：根据图6复杂型材设计的模具示意图。

具体实施方式

以下结合图1-7并具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

图2为截面几何形状为三角形的型材在直角坐标系中的尺寸示意图。该型材各边长均为40mm，圆弧半径为2mm。图3为基于对三角形型材的截面几何形状进行详细分析，在减少模具和型材之间的摩擦，保证模具中心与型材形心重合的原则下，所设计出的模具投影示意图。在这一实例中，模具设计的具体步骤为：

第一步：除去型材表面的油污，精确测量出三角管的尺寸；

第二步：根据三角管的尺寸，将模具的厚度设置为4mm，；

第三步：确定三角管与模具接触的区域，对模具与三角管接触的区域分别从两侧进行倒圆角，圆角半径为2mm，使得三角管与模具接触的方式设计为线面接触，以减少型材与模具接触面积；

第四步：当模具中心与型材形心重合时，可以消除附加弯矩(M＝P_u×U，其中P_u为型材所承受的弯曲力，U为模具与型材导向机构之间的距离)，提高型材成形质量及精度。根据所测得的三角管的精确数据，按照该数据画出平面图形，并计算型材的形心，具体计算如下：以某一条边为x轴，该边的垂直平分线为y轴,建立直角坐标系，计算得：可知型材的形心坐标(0,11.55)，为消除模具与型材形心不重合时产生的附加弯矩，故将型材的形心坐标设为模具的中心坐标；

第五步：由线面接触方式以及已经确定的模具的中心坐标，设计出模具。

实施例2

图4为截面几何形状为L形型材在直角坐标系中的尺寸示意图。图5为基于对L形型材的截面几何形状进行详细分析，在减少模具和型材之间的摩擦，保证模具中心与型材形心重合的原则下，所设计出的模具投影示意图。在这一实例中，模具设计的具体步骤为：

第一步：除去型材表面的油污，精确测量出L形型材的具体尺寸；

第二步：根据L形型材的具体尺寸，将模具的厚度设置为10mm，；

第三步：确定L形型材与模具接触的区域，对模具与L形型材接触的区域分别从两侧进行倒圆角，圆角半径为5mm，使得L形型材与模具接触的方式设计为线面接触，以减少型材与模具接触面积；

第四步：当模具中心与型材形心重合时，可以消除附加弯矩(M＝P_u×U，其中P_u为型材所承受的弯曲力，U为模具与型材导向机构之间的距离)，提高型材成形质量及精度。根据所测得的三角管的精确数据，按照该数据画出平面图形，并计算型材的形心，具体计算如下：将该平面图形分成如图4所示的A,B>

矩形A：

矩形B：

由公式(其中，S_i，和为任一组成部分的面积及其形心的坐标)计整个图形形心坐标为：

为消除模具与型材形心不重合时产生的附加弯矩，故将型材的形心(23,38) 设为模具的中心坐标；

第五步：由线面接触方式以及已经确定的模具的中心坐标，设计出模具。

实施例3

图6为复杂型材在直角坐标系中的尺寸示意图。图7为基于对该复杂型材的截面几何形状进行详细分析，在减少模具和型材之间的摩擦，保证模具中心与型材形心重合的原则下，所设计出的模具投影示意图。在这一实例中，模具设计的具体步骤为：

第一步：除去型材表面的油污，精确测量出复杂型材的尺寸；

第二步：根据复杂型材的尺寸，将模具的厚度设置为10mm，；

第三步：确定复杂型材与模具接触的区域，对模具与复杂型材接触的区域分别从两侧进行倒圆角，圆角半径为5mm，使得复杂型材与模具接触的方式设计为线面接触，以减少型材与模具接触面积；

第四步：当模具中心与型材形心重合时，可以消除附加弯矩(M＝P_u×U，其中P_u为型材所承受的弯曲力，U为模具与型材导向机构之间的距离)，提高型材成形质量及精度。根据所测得的复杂型材的精确数据，按照该数据画出平面图形，并计算型材的形心，具体计算如下：由于该图形为对称图形，可知型材的形心坐标(150,150)，为消除模具与型材形心不重合时产生的附加弯矩，故将型材的形心坐标设为模具的中心坐标；

第五步：由线面接触方式以及已经确定的模具的中心坐标，设计出模具。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。