一种复合式多点分布压紧装置及管材自由弯曲成型方法
阅读说明：本技术 一种复合式多点分布压紧装置及管材自由弯曲成型方法 (Composite multi-point distribution pressing device and free bending forming method of pipe ) 是由 贺子芮 李光俊 郭训忠 张�浩 程诚 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明属于管材自由弯曲技术领域,特别涉及一种复合式多点分布压紧装置及管材自由弯曲成型方法。本技术方案的压紧装置中有若干个压紧机构配合,可实现对待成型管材的多点分布压紧,各压紧机构之间互相独立,可在不干扰推进装置正常推进的前提下,对待成型管材进行可靠压紧,避免管材构件因轴向失稳和周向异常旋转导致的返工、报废,显著提升三维自由弯曲设备成形能力和成形效率。(The invention belongs to the technical field of free bending of pipes, and particularly relates to a combined type multipoint distribution pressing device and a free bending forming method of pipes. The pressing device of the technical scheme is matched with the plurality of pressing mechanisms, so that the pressing of multipoint distribution of the pipe to be formed can be realized, the pressing mechanisms are independent of each other, the pipe to be formed can be reliably pressed on the premise of not interfering normal propulsion of the propulsion device, reworking and scrapping caused by axial instability and circumferential abnormal rotation of pipe components are avoided, and the forming capacity and the forming efficiency of the three-dimensional free bending equipment are remarkably improved.)
技术领域
本发明属于管材自由弯曲技术领域，特别涉及一种用于三维自由弯曲成形设备的复合式多点分布压紧装置以及基于该压紧装置的管材自由弯曲成型方法。
背景技术
近年来，军用飞机设计向着结构扁平化、空间紧凑化、整体轻量化方向迈进，对金属管路构件整体化、精确化以及可靠性提出了更高要求。由于此类构件通常具有三维复杂轴线、连续变曲率半径或复杂混合曲率半径等重要几何特征，采用传统弯曲成形技术存在模具成本高、成形范围窄、工艺灵活性差等突出问题，严重制约了复杂管路构件的研制和工程化应用。
三维自由弯曲成形是塑性成形领域一项重要技术变革，该技术借助数字化多轴控制系统，通过实时调整弯曲模在空间内的位置及姿态，配合轴向进给运动，实现三维复杂管路构件的整体精确成形，无需为了适应管材弯曲半径的变化频繁更换弯曲模具，同时能够克服传统成形技术频繁更换模具的问题，是一种典型柔性精确成形技术。随着三维自由弯曲成形技术的发展，在现有技术基础上发展出了三维自由弯曲成形设备（即三维自由弯曲成形弯管机），基于三维自由弯曲成形的原理，三维自由弯曲成形设备需至少具备控制、推进、压紧和弯曲功能，因此，在三维自由弯曲成形设备中设置了电气控制系统、推进装置、压紧装置和包括弯曲模具在内的成形机构。管材自由弯曲成形的过程中，在压紧装置对管材压紧的条件下，推进装置推动管材向前进给，弯曲模具空间姿态及偏离平衡位置的距离发生频繁变化，进而导致待成形管材所受的轴向附加压应力在短时间内急剧变化。此时，若压紧力不足，当轴向压应力超过管材刚度极限后将出现严重失稳现象；若压紧力过大，将产生过大推进负荷，进而阻碍管材的进给运动。然而，现有压紧装置压紧力施加不均匀，压紧行程和压紧力可调范围小，且对管材的规格和材料强度适应性差；此外，管材在进给过程中缺少周向压紧约束，容易出现异常旋转。因此，压紧问题可导致复杂结构导管成形稳定性差，严重降低了产品质量、设备成形能力和成形效率，限制了三维自由弯曲成形技术的发展与拓展应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种复合式多点分布压紧装置及管材自由弯曲成型方法，该装置由多组可相互独立运动且压紧行程和压紧力可调的压紧机构组成，可以根据待成形管材长度选择执行压紧动作的压紧机构数量，并实现对未成形管段的分段、柔性的高可靠性压紧。
本发明具体通过通过以下技术方案实现：
一种复合式多点分布压紧装置，包括机身框架和若干压紧机构，所有压紧机构在机身框架上沿管材进给方向排布；所述机身框架包括底座和架体，且架体固定连接于底座上；所述压紧机构包括安装座、上压紧块、下压紧块、上压紧轮组、下压紧轮组和至少一个气动机构；气动机构包括气缸、驱动连杆、气动控制回路和位置传感器；气缸与所述机身框架的架体固定连接，驱动连杆的顶端与气缸轴向活动连接，驱动连杆的底端连接于安装座的顶部；上压紧块与安装座的底部固定连接，下压紧块处于上压紧块的正下方，并与所述机身框架的底座固定连接；上压紧块的底部和下压紧块的顶部分别开设有压管槽；下压紧块的一端为进料端，另一端为出料端，位置传感器设置于下压紧块的出料端，并与所述机身框架的底座固定连接；上压紧轮组布设于上压紧块的两端，并与安装座的底部固定连接；下压紧轮组布设于下压紧块的两端，并与所述机身框架的底座固定连接；位置传感器与三维自由弯曲成形设备的中央控制器电性连接，气缸通过气动控制回路与三维自由弯曲成形设备中的电气控制系统电性连接。
进一步的，压紧机构中设置有两个同步运动的气动机构；所述安装座的顶部沿管材进给方向间隔设置有两个铰链Ⅰ，且两个铰链Ⅰ与安装座轴线中点的距离相等，两个气动机构的驱动连杆分别通过两个铰链Ⅰ与安装座可拆卸连接。
进一步的，所述上压紧轮组包含两个分别处于上压紧块两端的压紧轮组件，所述下压紧轮组分别包含两个分别处于下压紧块两端的压紧轮组件；每个压紧轮组件包含一个压紧轮本体和一个铰链Ⅱ，压紧轮本体和铰链Ⅱ转动连接；压紧轮本体上，沿周向设置有用于与管材表面紧密贴合的型面；上压紧轮组中，铰链Ⅱ与安装座固定连接；下压紧轮组中，铰链Ⅱ与机身框架的底座固定连接。
进一步的，所述压管槽为V型槽。
进一步的，所述上压紧块和下压紧块由尼龙材料制成。
进一步的，所述压紧轮本体上可拆卸的套设有用于适应不同直径管材的四氟包覆橡胶圈。
进一步的，所述位置传感器为接近开关或对射式红外传感器。
基于上述一种复合式多点分布压紧装置，本技术方案提供一种基于复合式多点分布压紧的管材自由弯曲成型方法，包括以下步骤：
S1，前期准备：通过数值仿真和实验确定待成形管材在自由弯曲成形过程中所需的压紧力和压紧行程，并将压紧力和压紧行程与工艺参数一起通过三维自由弯曲成形设备的操作系统输入至中央控制器中；
S2，压紧机构复位：使三维自由弯曲成形设备通电，通过操作系统控制中央控制器向所有的气动机构发出控制信号，中央控制器通过气动控制回路控制气缸工作，使驱动连杆在气缸的作用下，将安装座连同上压紧块和上压紧轮组提升至悬空状态，该悬空状态为压紧机构的复位状态；
S3，上料：准备好待成型管材，并将待成型管材沿管材进给方向铺放于下压紧块的压管槽中；
S4，压紧执行：根据待成形管材长度选择执行压紧动作的压紧机构数量，通过中央控制器向所有执行压紧动作的压紧机构发送控制信号；所有执行压紧动作的压紧机构中的安装座、上压紧块和上压紧轮组在相应气动机构的作用下逐渐下降，直至上压紧块与下压紧块相互配合，对待成型管材进行压紧，防止待成型管材出现轴向失稳，同时，上压紧轮组与下压紧轮组配合，防止待成型管材出现周向异常旋转；然后检查每个压紧机构的压紧动作是否执行到位；
S5，管材推进：启动三维自由弯曲成形设备，使三维自由弯曲成形设备中推进装置的推进块移动至待成型管材的推进端，利用推进装置的推进块推动待成型管材沿管材进给方向移动，使待成型管材在推进块的连续推动作用下通过弯曲模；
S6，弯曲成型：利用球面轴承带动弯曲模转动，在球面轴承的偏心运动下，弯曲模对待成型管材进行局部渐进弯曲成形，最终得到自由弯曲的管材构件；在此期间，利用位置传感器感应推进块的位置，并将推进块的位置信号反馈至中央控制器，中央控制器推进块的位置信号解除对应的压紧机构的压紧动作，并使该压紧机构处于复位状态，以确保推进块顺利通过。
具体的，所述前期准备的过程中，将安装座连同上压紧块和上压紧轮组提升至悬空状态后，还根据待成型管材的直径选择相应规格的四氟包覆橡胶圈，并在所有压紧轮本体上套设该规格的四氟包覆橡胶圈。
具体的，所述压紧执行的过程中，参与执行压紧动作的压紧机构是根据所输的压紧行程，以所输的压紧力对待成型管材进行压紧。
本发明带来的有益效果：
1）本技术方案提供了一种复合式多点分布压紧装置，将其运用于三维自由弯曲成形设备中，压紧装置中有若干个压紧机构配合，可实现对待成型管材的多点分布压紧，各压紧机构之间互相独立，可在不干扰推进装置正常推进的前提下，对待成型管材进行可靠压紧；另外，本技术方案通过三维自由弯曲成形设备的电气控制系统控制压紧装置的多点分布压紧动作，可扩大压紧行程和压紧力的可调范围，解决现有压紧装置存在的压紧力施加不均匀和材料强度适应性差的问题，并在一定程度上解决对待成型管材的规格适应性差的问题。
3）本技术方案可行性好、实用性强，通过上压紧块与下压紧块的配合，有效防止待成型管材出现轴向失稳，通过上压紧轮组与下压紧轮组配合，有效防止待成型管材出现周向异常旋转，压管槽的设置，增强了对待成型管材的径向约束。综上所述，本技术方案可有效避免管材构件因轴向失稳和周向异常旋转导致的返工、报废，显著提升三维自由弯曲设备成形能力和成形效率。研究成果可以推广应用于航天、航海、核电、汽车等领域，对我国军事、科技发展有推动作用，未来将产生巨大的社会与军事效益。
4）本技术方案中通过铰链Ⅰ实现的可拆卸结构，便于压紧机构的组装，同时方便对相关易损耗部件进行更换和维护，以确保压紧装置处于最佳使用状态。进一步的，通过设置两个气动机构，且两个气动机构按所述要求布设，确保对待成型管材施加压力的均匀性和有效性。
5）在压紧轮本体上套设可拆卸的四氟包覆橡胶圈，用于适应不同直径管材的压紧，同时实现一定范围压紧力的大小可调，增强本技术方案抑制管材周向异常旋转的能力；另外，相对于普通硅胶等材料，四氟包覆橡胶圈更方便拆取。
6）可根据待成型管材的长度选择执行压紧工作的压紧机构，满足实际使用需要，提升操作人员对压紧装置的使用体验。
7） 一种管材自由弯曲成型方法，基于复合式多点分布压紧装置对待成型管材进行多点分布压紧，压紧行程和压紧力具有足够的可调范围，有效解决压紧力施加不均匀以及对管材的规格和材料强度适应性差的问题；另外，利用本技术方案提供的压紧装置对待成型管材进行有效约束，防止待成型管材出现轴向失稳和周向异常旋转，如此便可确保复杂结构导管成形稳定性，提高产品质量、设备成形能力和设备成形效率，促进三维自由弯曲成形技术发展和拓展应用。
说明书附图
图1为本技术方案的压紧装置整体结构示意图；
图2为压紧机构的结构示意图；
图3为六个压紧机构的布设结构示意图；
图4为图3的A处放大结构示意图；
图5为气动机构的控制原理图；
图6为气动机构的工作原理图；
图7为本技术方案中压紧装置的的工作流程图；
图8为典型管材构件结构示意图。
图中：
1、底座；2、架体；3、安装座；4、上压紧块；5、下压紧块；6、气动机构；6.1、气缸；6.2、驱动连杆；6.3、气动控制回路；6.4、位置传感器；7、弯曲模；8、推进块； 9、压管槽；10、中央控制器；11、铰链Ⅰ；12、压紧轮组件；12.1、压紧轮本体；12.1.1、型面；12.2、铰链Ⅱ；13、待成型管材。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于理解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明的结构和工作原理，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
本实施例公开了一种复合式多点分布压紧装置，作为本发明一种基本的实施方案，如图1所示，包括机身框架和若干压紧机构，如图1和图3所示，可设置六个压紧机构，所有压紧机构在机身框架上沿管材进给方向排布，以构成多点分布压紧条件。
机身框架作为支撑压紧机构的重要部件，如图1所示，包括底座1和架体2，且架体2固定连接于底座1上。压紧机构包括安装座3、上压紧块4、下压紧块5、上压紧轮组、下压紧轮组和至少一个气动机构6。其中，上压紧块4与安装座3的底部固定连接，上压紧轮组布设于上压紧块4的两端，并与安装座3的底部固定连接。下压紧块5处于上压紧块4的正下方，并与所述机身框架的底座1固定连接，用于与上压紧块4配合，对待成型管材13进行压紧和约束。下压紧轮组布设于下压紧块5的两端，并与所述机身框架的底座1固定连接，用于与上压紧轮组配合，防止待成型管材13周向异常旋转。进一步的，为确保对待成型管材13进行约束的可靠性和稳定性，上压紧块4的底部和下压紧块5的顶部分别开设有压管槽 9，可增强对待成型管材13的径向约束。气动机构6包括气缸6.1、驱动连杆6.2、气动控制回路6.3和位置传感器6.4。其中，气缸6.1与机身框架的架体2固定连接，驱动连杆6.2的顶端与气缸6.1轴向活动连接，驱动连杆6.2的底端连接于安装座3的顶部，在气缸6.1的控制作用下，驱动连杆6.2可沿自身轴向来回移动，以进一步实现对安装座3连同上压紧块4和上压紧轮组的垂向移动控制。另外，压紧装置中的所有气动机构6由三维自由弯曲成形设备的电气控制系统统一控制，即，位置传感器6.4与三维自由弯曲成形设备的中央控制器10电性连接，气缸6.1通过气动控制回路6.3与三维自由弯曲成形设备中的电气控制系统电性连接，如图5所示。具体的，电气控制系统包括中央处理器和操作系统，操作系统与中央控制器10电性连接，位置传感器6.4与气动控制回路6.3分别与中央控制器10电性连接。位置传感器6.4的工作原理如图6所示，位置传感器6.4用于感应三维自由弯曲成形设备中推进装置的推进块8位置，当某位置传感器6.4感应到推进块8时，需要通过中央控制器10控制相应的压紧机构解除压紧动作，并使安装座3、上压紧块4和上压紧轮组处于悬空状态，以确保推进块8顺利通过。因此，令下压紧块5的一端为进料端，另一端为出料端，将位置传感器6.4设置于下压紧块5的进料端，并使位置传感器6.4与所述机身框架的底座1固定连接。
实施例2
为了更好的实现本发明，本实施例公开了一种优选的实施方案，为进一步确保对待成型管材13施加压力的均匀性和有效性，即实施例1中，如图2所示，压紧机构中设置有两个同步运动的气动机构6，具体的，安装座3的顶部沿管材进给方向间隔设置有两个铰链Ⅰ11，且两个铰链Ⅰ11与安装座3轴线中点的距离相等，两个气动机构6的驱动连杆6.2分别通过两个铰链Ⅰ11与安装座3可拆卸连接。进一步的，上压紧轮组包含两个分别处于上压紧块4两端的压紧轮组件12，下压紧轮组分别包含两个分别处于下压紧块5两端的压紧轮组件12；每个压紧轮组件12包含一个压紧轮本体12.1和一个铰链Ⅱ12.2，压紧轮本体12.1和铰链Ⅱ12.2转动连接；如图4所示，压紧轮本体12.1上，沿周向设置有用于与管材表面紧密贴合的型面12.1.1；上压紧轮组中，铰链Ⅱ12.2与安装座3固定连接；下压紧轮组中，铰链Ⅱ12.2与机身框架的底座1固定连接。本技术方案通过铰链Ⅱ12.2实现压紧轮本体12.1的转动安装，在不影响待成型管材13轴向移动的前提下，有效避免待成型管材13出现周向异常旋转；另外，铰链Ⅰ11和铰链Ⅱ12.2的设置，方便安装座3和压紧轮本体12.1的拆卸与安装，进一步方便对相关易损耗部件进行更换和维护。
实施例3
为了更好的实现本发明，本实施例公开了一种优选的实施方案，即实施例1中，上压紧块4和下压紧块5由尼龙材料制成，尼龙材料摩擦系数小，同时具有优异的机械强度和耐疲劳性能，且易于加工更换，可在保证成形管材表面质量的同时节约生产成本，解决了材料强度适应性差的问题。进一步的，压管槽 9为V型槽，相对于其他形状的压管槽 9（如；若压管槽 9为圆弧形，除了刚好与压管槽 9直径相同的待成型管材13以外，其他待成型管材13都不适用），V型槽更加具备通用性，适用于多种不同直径的待成型管材13，可有效解决现有技术中对管材的规格适应性差的问题。
实施例4
为了更好的实现本发明，本实施例公开了一种优选的实施方案，即实施例1中，压紧轮本体12.1上可拆卸的套设有四氟包覆橡胶圈（未在附图中展示），用于适应不同直径管材的压紧，同时实现一定范围压紧力的大小可调，增强本技术方案抑制管材周向异常旋转的能力；另外，相对于普通硅胶等材料，四氟包覆橡胶圈更方便拆取。另外，位置传感器6.4为接近开关或对射式红外传感器，工作原理简单，可确保对推进块8的有效感应。
实施例5
本实施例以如图8所示的典型管材构件为例，提供一种基于复合式多点分布压紧的管材自由弯曲成型方法。该管材构件具有空间连续多弯、局部小弯曲半径的典型特征，空间连续多弯特征导致弯曲成形过程中弯曲模7具空间姿态及偏离平衡位置的距离频繁变化，进而导致待成形管材所受轴向压应力在短时间内急剧变化，同时产生周向附加旋转力矩，增大周向异常旋转的可能；局部小弯曲半径特征导致待成形管材所受轴向压应力增大，若压紧力不足，当轴向压应力超过管材刚度极限后将出现严重失稳现象。基于此，如图7所示，基于复合式多点分布压紧的管材自由弯曲成型方法包括以下步骤：
S1，前期准备：通过数值仿真和实验确定待成形管材在自由弯曲成形过程中所需的压紧力和压紧行程，并将压紧力和压紧行程与工艺参数一起通过三维自由弯曲成形设备的操作系统输入至中央控制器10中。其中，操作系统包括软件系统和硬件系统，硬件系统包括带有液晶显示屏和操作键的控制面板，软件系统包括配合硬件系统对压紧装置乃至整个三维自由弯曲成形设备进行控制的运行程序。
S2，压紧机构复位：使三维自由弯曲成形设备通电，通过操作系统控制中央控制器10向所有的气动机构6发出控制信号，中央控制器10通过气动控制回路6.3控制气缸6.1工作，使驱动连杆6.2在气缸6.1的作用下，将安装座3连同上压紧块4和上压紧轮组提升至悬空状态，该悬空状态为压紧机构的复位状态。
S3，上料：准备好待成型管材13，并将待成型管材13沿管材进给方向铺放于下压紧块5的压管槽 9中。
S4，压紧执行：根据待成形管材长度选择执行压紧动作的压紧机构数量，通过中央控制器10向所有执行压紧动作的压紧机构发送控制信号；所有执行压紧动作的压紧机构中的安装座3、上压紧块4和上压紧轮组在相应气动机构6的作用下逐渐下降，直至上压紧块4与下压紧块5相互配合，对待成型管材13进行压紧，防止待成型管材13轴向失稳，同时，上压紧轮组与下压紧轮组配合，防止待成型管材13周向异常旋转；然后检查每个压紧机构的压紧动作是否执行到位。其中，可通过三维自由弯曲成形设备自动根据待成形管材长度自动选择执行压紧动作的压紧机构数量，也可由操作人员根据肉眼观察待成形管材长度后，根据操作系统选择执行压紧动作的压紧机构数量。
S5，管材推进：待成型管材13的一端为被弯曲模7加工的成型端，另一端为推进端，基于此，启动三维自由弯曲成形设备，使三维自由弯曲成形设备中推进装置的推进块8移动至待成型管材13的推进端，利用推进装置的推进块8推动待成型管材13沿管材进给方向移动，使待成型管材13在推进块8的连续推动作用下通过弯曲模7。
S6，弯曲成型：在三维自由弯曲成形设备中，利用球面轴承带动弯曲模7转动，在球面轴承的偏心运动下，弯曲模7对待成型管材13进行局部渐进弯曲成形，最终得到自由弯曲的管材构件，如图8所示；在此期间，利用位置传感器6.4感应推进块8的位置，并将推进块8的位置信号反馈至中央控制器10，中央控制器10推进块8的位置信号解除对应的压紧机构的压紧动作，并使该压紧机构处于复位状态，以确保推进块8顺利通过。
进一步的，为了更好的实现本发明，在前期准备的过程中，将安装座3连同上压紧块4和上压紧轮组提升至悬空状态后，还根据待成型管材13的直径选择相应规格的四氟包覆橡胶圈，并在所有压紧轮本体12.1上套设该规格的四氟包覆橡胶圈。通过选择并套设相应规格的四氟包覆橡胶圈，可适应多种不同直径管材的压紧，同时实现一定范围压紧力的大小可调，增强本技术方案抑制管材周向异常旋转的能力。进一步的，在压紧执行的过程中，参与执行压紧动作的压紧机构是根据所输的压紧行程，以所输的压紧力对待成型管材13进行压紧。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
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