[发明专利]三维多曲度零件拉弯成型方法

摘要

本发明公开了三维多曲度零件拉弯成型方法，通过对拉弯零件的外形、尺寸、弯曲角和成形力的分析，确定型材拉弯模的结构形式和适用的型材拉弯机。运用计算机对拉弯零件的数字化模型进行曲率分析；采用弯曲回弹理论分析，通过计算机辅助设计，采用数值模拟的办法，进行模具型面回弹补偿设计。型材的拉弯需配套的拉弯夹头与拉弯模、机床配合使用。运用数控技术对模具进行加工。运用测量机对所加工的模具进行检测，修正，减小理论与实际误差，从而提高零件制造精度。能在二维拉弯机上成型三维复杂零件的模具、减少拉弯的道次、减少拉弯模具的修模或报废，从而有效的降低零件制造成本；且生产效率高。

主权项

三维多曲度零件拉弯成型方法，其特征在于，包括以下步骤：1）计算机对待拉弯零件的外形、尺寸、弯曲角和成形力进行分析，确定型材拉弯模的结构形式和适用的型材拉弯机；2）然后，通过数值模拟待拉弯零件拉弯成型过程，预测待拉弯零件的变形情况，分析待拉弯零件的成型，对上述工艺参数进行优化如下；a、根据待拉弯零件的数学模型抽取出轮廓曲线，按照等参数方式在提取出的轮廓曲线上布点Pi（i＝0,1,2,…,n）计算待拉弯零件轮廓曲线上点Pi处的曲率半径Ri；b、修正各点的曲率半径的计算板料弯曲回弹半径公式为：$R_{\mathrm{nq}}=\frac{R_{\mathrm{nh}}}{1+\frac{R_{\mathrm{nh}}}{\mathrm{HE}}({\mathrm{\σ}}_w-{\mathrm{\σ}}_n)}---\left(1\right)$$\mathrm{\ΔR}=\frac{R_{\mathrm{nq}}^2({\mathrm{\σ}}_w-{\mathrm{\σ}}_n)}{\mathrm{HE}-R_{\mathrm{nq}}({\mathrm{\σ}}_w-{\mathrm{\σ}}_n)}---\left(2\right)$式中：R_nq为回弹前零件的曲率半径；R_nh为回弹后零件的曲率半径；H为剖面厚度尺寸；E为弹性模量；(σw－σn)为弯曲外层和内层的应力差；△R为回弹后曲率半径的变化量；在进一步考虑几何关系、边界条件和当y＝a时，σy＝σn＝σ0.2的基础上，其中边界条件指的是y=a，y为距应力中性层的距离，a为应力中性层与内层材料的距离，σy为距应力中性层距离y的材料所受的应力，σn为内层材料所受的应力，σ为材料应力，可得外层材料与内层材料的应力差，为：${\mathrm{\σ}}_w-{\mathrm{\σ}}_n\≈\frac{\mathrm{DH}}{\mathrm{\ρ}}---\left(3\right)$式中：D为塑性强化模量；ρ为中性层曲率半径，进一步由几何关系（1）可知：$R_{\mathrm{nq}}=\mathrm{\ρ}+a$$\≈\mathrm{\ρ}(1+\frac{{\mathrm{\σ}}_{0.2}}{E}),\frac{{\mathrm{\σ}}_{0.2}}{E}\<\<1---\left(4\right)$$\≈\mathrm{\ρ}$将式（4）代入式（3），得：${\mathrm{\σ}}_w-{\mathrm{\σ}}_n\≈\frac{\mathrm{DH}}{R_{\mathrm{nq}}}---\left(5\right)$将式（5）代入式（1）、式（2）得到回弹后的曲率半径Rnh与回弹前的曲率半径Rnq的关系为：$R_{\mathrm{nh}}=\frac{R_{\mathrm{nq}}}{1-\frac{D}{E}}---\left(6\right)$拉弯型材回弹半径变化为：$\mathrm{\ΔR}=\frac{D}{E}{R}_{\mathrm{nh}}={\mathrm{KR}}_{\mathrm{nh}}---\left(7\right)$式中：K为回弹系数，K＝D/E；由式（1）计算点Pi处曲率修正量，为：ΔR_i＝KR_i    (8)则修正后拉弯模在Pi的曲率半径为：R_i′＝R_i‑ΔR_i    (9)（3）模具型面逐点修正计算。采用圆弧样条来表示模具轮廓形状，选取轮廓曲线的起始点Po，计算该点的法矢量No，设修正后模具轮廓上对应点为Po′，曲率中心为Oo′，则有：${{\stackrel{\→}{P}}_0}^{\text{'}}={\stackrel{\→}{P}}_0-\mathrm{\Δ}{R}_0\frac{{\stackrel{\→}{N}}_0}{\left|{\stackrel{\→}{N}}_0\right|}---\left(10\right)$${\stackrel{\→}{O}}_0={\stackrel{\→}{P}}_0-R_0^{\text{'}}\frac{{\stackrel{\→}{N}}_0}{\left|{\stackrel{\→}{N}}_0\right|}---\left(11\right)$已知P_i′和O_i（i＝0,1,2,…,n），并且点足够密时，P_i=1′可以近似地通过式（12）、式（13）求出，$|{\stackrel{\→}{P}}_{i+1}^{\text{'}}-{\stackrel{\→}{O}}_i|=R_i^{\text{'}}---\left(12\right)$$|{\stackrel{\→}{P}}_{i+1}^{\text{'}}-{{\stackrel{\→}{P}}_i}^{\text{'}}|=\mathrm{\Δ}{S}_i---\left(13\right)$式中：△S_i为P_i、P_i+1两点之间的弧长，O_i+1的计算方法如下：${\stackrel{\→}{O}}_{i+1}={\stackrel{\→}{P}}_{i+1}^{\text{'}}-R_{i+1}^{\text{'}}\frac{{\stackrel{\→}{P}}_{i+1}^{\text{'}}-{\stackrel{\→}{O}}_i}{|{\stackrel{\→}{P}}_{i+1}^{\text{'}}-{\stackrel{\→}{O}}_i|}---\left(14\right)$3）根据步骤2）中优化的工艺参数，进行待拉弯零件拉弯回弹数值模拟，分析成型后零件的回弹量，并对回弹量进行修改以满足生产要求；采用有限元分析法模拟拉弯成形过程：首先对型材两端施加轴向拉力，使横剖面上的应力达到屈服极限；然后在预拉力不变的条件下施加弯矩使之贴膜；最后补加轴向拉力，总拉力的大小，以使变曲率型材最小曲率半径处剖面上的内层材料达到拉伸屈服极限为准，成形后，对型材进行卸载，完成整个拉弯过程；通过对型材的模拟分析，可得到任意截面的应力、应变状态及型材回弹变形；输出型材各节点的变形量，再导入CAD软件中得到型材变形图，通过对型材的回弹分析，可评估修正后的拉弯模型面对拉弯成形的影响；4）根据待拉弯零件截面计算拉弯夹头的中心，使所述拉弯夹头的中心与待拉弯零件的形心重合，5）依据上述测定的工艺参数，选择加工合格的拉弯模具，进行拉弯成型。