陶杰，熊昊，萬(wàn)柏方，魏文斌，程旋，王林濤，余耀暉，王成，郭訓(xùn)忠

（1. 南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016；2. 江蘇省核能裝備材料工程實(shí)驗(yàn)室，南京 210016；3. 江蘇圖南合金股份有限公司，江蘇 丹陽(yáng) 212352）

三維自由彎曲成形技術(shù)是彎曲加工領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)創(chuàng)新，屬于基于三維軌跡控制的柔性成形領(lǐng)域的一項(xiàng)典型代表性技術(shù)，其能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜軸線（如連續(xù)變曲率、空間多彎）以及異形復(fù)雜截面的管材/型材的一次整體精確成形[1—2]。采用該技術(shù)制造的三維復(fù)雜彎曲構(gòu)件在航空航天、核能、石化、汽車、醫(yī)學(xué)工程以及建筑造型等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

三維自由彎曲成形最初稱之為 MOS Bending技術(shù)，是由發(fā)明該技術(shù)的三名日本學(xué)者的姓氏英文首字母命名的[3]。1990年，Murata等在日本和德國(guó)分別申報(bào)了該技術(shù)專利[4—5]，并在1992年申報(bào)了美國(guó)專利[6]。1996年，Murata首次研究了自由彎曲成形工藝中彎曲模的傾斜角對(duì)彎管截面畸變、成形力以及成形極限的影響規(guī)律[7]。隨后，德國(guó)研究人員Gantner等[8]系統(tǒng)揭示了自由彎曲的成形機(jī)制、三軸成形裝備的結(jié)構(gòu)形式以及CNC控制軟件系統(tǒng)的主要模塊，同時(shí)建立了不同材料在三維自由彎曲成形時(shí)形成的彎曲半徑R與偏距U之間的數(shù)學(xué)模型以及軸向推進(jìn)距離與彎管對(duì)應(yīng)的彎曲角度之間的定量關(guān)系。另外，闡述了三維自由彎曲成形工藝解析的主要思路。日本和德國(guó)學(xué)者開拓性的研究工作為三維自由彎曲成形工藝和裝備的開發(fā)提供了重要的方向。

隨著相關(guān)基礎(chǔ)研究工作的逐步完善，日本Nissin公司及德國(guó) J.NEU多家企業(yè)陸續(xù)推出了商業(yè)化的自由彎曲成形裝備[9—12]。尤其是德國(guó) J.NEU 公司已經(jīng)完成了系列自由彎曲成形裝備的研發(fā)工作，可以滿足不同規(guī)格、不同材料、不同幾何構(gòu)型的管材/型材三維復(fù)雜彎曲構(gòu)件整體成形的工程需求?，F(xiàn)在綜合性能最為優(yōu)越的J.NEU自由彎曲裝備適用于外徑為6～90 mm管材的三維自由造型，且最小相對(duì)彎曲半徑可達(dá)2.5D。管材最大進(jìn)給速度可達(dá) 400 mm/s。另外，該機(jī)型更可實(shí)現(xiàn)空心構(gòu)件軸線扭轉(zhuǎn)成形。

上述主流自由彎曲成形裝備的彎曲模主要靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力不足且機(jī)頭整體剛度低。在成形大尺寸、厚壁管材時(shí)，隨著偏距U值的增大，相對(duì)彎曲半徑的減小，軸向推力將顯著增大，從而導(dǎo)致機(jī)頭整體變形，直接影響了三維復(fù)雜彎曲構(gòu)件的幾何精度。并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)通常有電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，具有剛度重量比大、承載能力強(qiáng)、誤差累計(jì)小、動(dòng)態(tài)性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、綜合制造成本低等優(yōu)勢(shì)，在需要高剛度、高精度或者大載荷而無(wú)須很大工作空間的領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[13]。三維自由彎曲裝備若采用此種多足并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)頭，將大大提高裝備的整體剛度及承載能力，進(jìn)而適應(yīng)于大尺寸厚壁三維復(fù)雜彎管的成形。2008年起，基于各種形式多足并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由彎曲成形技術(shù)獲得更多關(guān)注，相關(guān)成形裝備也得到了發(fā)展。日本東京工業(yè)大學(xué)[14—15]、德國(guó)蒂森克虜伯公司[16]、德國(guó)弗朗霍夫?qū)W會(huì)模具和成型技術(shù)研究所[17]相繼研發(fā)了基于多足并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由彎曲成形裝備。國(guó)內(nèi)學(xué)者在三維自由彎曲成形技術(shù)及裝備方面也進(jìn)行了初步的探索研究。中航工業(yè)北京航空制造工程研究所曾元松研究員[18]在著作《航空鈑金制造技術(shù)》中首次公開介紹三維自由彎曲成形技術(shù)，并指出其潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。吉林大學(xué)李明哲教授等[19—20]發(fā)明了一種彎曲模與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)無(wú)配合連接的自由彎曲成形裝備，并應(yīng)用ABAQUS有限元仿真軟件對(duì)基于該結(jié)構(gòu)的管材三維自由彎曲成形過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬，獲得了相對(duì)彎曲半徑低至1.7的碳鋼彎管。南京航空航天大學(xué)先進(jìn)材料及成形技術(shù)研究所聚焦該技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的工程應(yīng)用，在管材變形應(yīng)力應(yīng)變分析、工藝程序解析、有限元數(shù)值模擬、控制軟件系統(tǒng)以及硬件機(jī)械研發(fā)方面開展了系統(tǒng)的研究工作[21—24]。

圖1 三維自由彎曲成形裝備典型構(gòu)型Fig.1 Representative configuration of three-dimensional free-bending system

1 三維自由彎曲成形裝備典型構(gòu)型

三維自由彎曲成形裝備中彎曲模中心的運(yùn)動(dòng)軌跡及自身姿態(tài)（主要指傾斜角α）是決定彎曲構(gòu)件形狀及尺寸精度的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)成形裝備軸數(shù)的不同，可將裝備分為三軸、五軸及六軸自由彎曲裝備，見(jiàn)圖1所示。根據(jù)彎曲模的運(yùn)動(dòng)方式又可將裝備構(gòu)型分為被動(dòng)式及主動(dòng)式兩種。三軸屬于被動(dòng)式，五軸、六軸及基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由彎曲結(jié)構(gòu)屬于主動(dòng)式。被動(dòng)式與主動(dòng)式的主要區(qū)別在于彎曲模在從零點(diǎn)向偏心距為U過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)是否是主動(dòng)發(fā)生的，三軸構(gòu)型中彎曲模的轉(zhuǎn)動(dòng)姿態(tài)隨管材形狀的變化而變化，而三軸過(guò)渡構(gòu)型中彎曲模的轉(zhuǎn)動(dòng)則是通過(guò)彎曲模和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)之間的一個(gè)接觸配合來(lái)實(shí)現(xiàn)，即球面軸承在xy平面內(nèi)平動(dòng)時(shí)，彎曲模隨之也產(chǎn)生平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；五軸、六軸及基于并聯(lián)機(jī)器人的自由彎曲構(gòu)型中彎曲模在各個(gè)方向上的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)則都是由伺服電機(jī)或電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)完成的。

1.1 三軸及過(guò)渡構(gòu)型

三軸及三軸過(guò)渡構(gòu)型主要由彎曲成形機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和推進(jìn)機(jī)構(gòu)3大部分組成。見(jiàn)圖2所示，彎曲成形機(jī)構(gòu)包括彎曲模、球面軸承、xy軸方向的伺服電機(jī)等，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)向裝置、管材接近感應(yīng)開關(guān)、管長(zhǎng)測(cè)量裝置等，推進(jìn)機(jī)構(gòu)包括送料推塊、送料鏈條、送料電機(jī)等。

三軸及其過(guò)渡構(gòu)型的一般成形過(guò)程為：在初始時(shí)刻，推進(jìn)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與彎曲模處于同一軸線上（z向）。管材在推進(jìn)機(jī)構(gòu)的作用下開始軸向送進(jìn)（z向），并被推入導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與彎曲模之間的變形區(qū)內(nèi)，管材在由于彎曲模的偏距而產(chǎn)生的力矩的作用下產(chǎn)生彎曲變形。彎曲模不斷變換運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)管材多段、多個(gè)方向連續(xù)彎曲成形。在彎曲變形區(qū)長(zhǎng)度（A值）一定的情況下，偏心距U的大小決定了彎曲半徑R的大小，U值較小時(shí)管材被彎制成較大的彎曲半徑，U值較大時(shí)管材被彎制成較小的彎曲半徑。由于彎曲?？蓪?shí)現(xiàn)x和y兩個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，管材為z向的直線推進(jìn)，因此將這種自由彎曲裝備稱為三軸構(gòu)型。三軸及其過(guò)渡構(gòu)型的差異在于彎曲模與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)之間是否存在配合接觸。圖3a所示為三軸構(gòu)型，彎曲模不與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)連接，成形過(guò)程中彎曲模的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)隨管材形狀的變化而變化。圖3b所示為三軸過(guò)渡構(gòu)型，彎曲模除了與球面軸承接觸之外，其尾部還與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)連接；在彎曲模偏心運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其尾部和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)之間的接觸約束可控制彎曲模的偏轉(zhuǎn)角度，三軸過(guò)渡構(gòu)型中彎曲模運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性更高。

圖2 三軸構(gòu)型Fig.2 Tri-axial configuration

圖3 原理示意圖Fig.3 Schematic diagram

1.2 五軸構(gòu)型

三維自由彎曲裝備五軸構(gòu)型的成形原理與三軸構(gòu)型基本相同，即通過(guò)彎曲模在xy平面內(nèi)偏離管材軸線產(chǎn)生彎矩，同時(shí)管材軸向（z向）送進(jìn)被推入彎曲模與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)之間的變形區(qū)內(nèi)，進(jìn)行彎曲變形。圖4所示為五軸構(gòu)型的主要組成部件。與三軸構(gòu)型相比，五軸構(gòu)型增加了兩臺(tái)用于控制彎曲模運(yùn)動(dòng)軌跡的伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了彎曲模轉(zhuǎn)動(dòng)角速度及轉(zhuǎn)動(dòng)角度的主動(dòng)控制，其成形精度相比三軸構(gòu)型更高。三軸構(gòu)型的彎曲模在xy平面內(nèi)的平動(dòng)依靠球面軸承帶動(dòng)，彎曲模繞xy二軸的轉(zhuǎn)動(dòng)則依靠彎曲模與球面軸承、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)之間的連接實(shí)現(xiàn)。這種條件下彎曲模的轉(zhuǎn)動(dòng)角度完全由彎曲模偏心距離決定，無(wú)論是在成形過(guò)渡段1或是圓弧段過(guò)程中，彎曲模轉(zhuǎn)動(dòng)角度都無(wú)法達(dá)到與管材彎曲軸線垂直的角度，導(dǎo)致管材彎段截面受到附加的橫向剪力作用，使彎段橫截面畸變程度增加。另外，由于三軸構(gòu)型中彎曲模與球面軸承、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)之間配合連接，彎曲模的最大偏心距受到模具幾何約束的限制，進(jìn)而導(dǎo)致三軸構(gòu)型所能達(dá)到的管材成形極限較低，最小彎曲半徑僅為 3.0D，而五六軸構(gòu)型能達(dá)到2.0D。五軸構(gòu)型在三軸構(gòu)型的基礎(chǔ)上對(duì)彎曲模的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行釋放。具體表現(xiàn)為取消彎曲模與球面軸承、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)，并通過(guò)增加伺服電機(jī)將彎曲模的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度都設(shè)置為主動(dòng)。相較于三軸構(gòu)型，五軸構(gòu)型的優(yōu)勢(shì)在于：① 彎曲模的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不受彎曲模偏心距影響，可主動(dòng)調(diào)整，通過(guò)調(diào)整彎曲模轉(zhuǎn)動(dòng)角，使其與管材彎曲軸線保持實(shí)時(shí)垂直，可使管材彎段的橫截面程度降低；② 由于取消了彎曲模與其他模具的連接結(jié)構(gòu)，彎曲模與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)自由度更大，因此五軸構(gòu)型可以適用于各種異形截面形狀管材、型材的彎曲造型。

見(jiàn)圖5所示，五軸構(gòu)型主要包括兩種形式。其中，圖5b與圖1b五軸裝備為同一種形式，即第二旋轉(zhuǎn)軸β方向平行于管材軸線方向。圖5a為五軸構(gòu)型的另一種形式，即β方向通過(guò)彎曲模中心且平行于y軸方向。圖5b中的彎曲模要實(shí)現(xiàn)繞垂直管材方向的轉(zhuǎn)動(dòng)（圖5a中的β向），需經(jīng)過(guò)兩個(gè)步驟（先繞圖5b中β向轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后再繞α方向轉(zhuǎn)動(dòng)），而圖5a直接繞其β向轉(zhuǎn)動(dòng)即可。正是由于這一點(diǎn)，圖5b形式的五軸彎曲裝備不能完成方管、線材、型材等非圓形截面坯料的空間彎曲成形。

圖4 五軸構(gòu)型主要部件[11]Fig.4 main parts of five-axis configuration

圖5 五軸自由彎曲構(gòu)型的兩種形式Fig.5 Two forms of five-axis free-bending configuration

1.3 六軸構(gòu)型

六軸構(gòu)型的主要機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖6。與五軸構(gòu)型相比，其在彎曲成形構(gòu)件中增加了一個(gè)伺服電機(jī)，控制彎曲機(jī)構(gòu)繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以進(jìn)一步提高彎曲模的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，進(jìn)而可在彎曲過(guò)程中實(shí)現(xiàn)軸線扭曲彎制。

在五軸和六軸構(gòu)型的自由彎曲裝備中，有時(shí)需要在彎曲模與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)之間設(shè)置柔性芯棒，以減小彎曲變形區(qū)內(nèi)管材的截面畸變程度與壁厚減薄量。對(duì)于大口徑薄壁管及異形截面坯料，通常需要利用柔性芯棒輔助成形。圖7所示為自由彎曲裝備通常配備的芯棒及其主要的類型。

圖6 六軸自由彎曲成形裝備Fig.6 Six-axis free-bending forming equipment

1.4 基于串聯(lián)機(jī)器人的三維自由彎曲成形裝備

在汽車行業(yè)，高強(qiáng)度鋼已應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)，以提高碰撞安全性和實(shí)現(xiàn)輕量化車身。高強(qiáng)鋼熱沖壓成形只適用于開放橫截面結(jié)構(gòu)件，對(duì)于具有連續(xù)的封閉截面的空管狀結(jié)構(gòu)件，目前常用的液壓成形的最大拉伸強(qiáng)度僅達(dá)到 980 MPa，無(wú)法成形一些拉伸強(qiáng)度超過(guò)1400 MPa的超高強(qiáng)度鋼。用于成形超高強(qiáng)度封閉截面構(gòu)件的方法是熱沖壓點(diǎn)焊，但這種方法成形后往往附帶一個(gè)凸緣，降低結(jié)構(gòu)完整性和整體剛度。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，日本新日鐵和住友金屬公司開發(fā)了一種基于串聯(lián)機(jī)器人的三維熱彎及在線淬火技術(shù)(3DQ-Three-Dimensional Hot Bending and Direct Quench Using Robot)[25—27]。

圖7 自由彎曲裝備的芯棒及其主要類型[17]Fig.7 Mandrel of the free-bending system and its main types

圖8所示為基于串聯(lián)機(jī)器人的三維熱彎及在線淬火技術(shù)(3DQ)過(guò)程的原理示意圖。成形初始時(shí)刻，管材的尾端規(guī)定于推進(jìn)器上，中間直段部分固定于支撐輥或支撐導(dǎo)向器中。成形過(guò)程開始后，管材在推進(jìn)器的作用下通過(guò)加熱及淬火裝置，被感應(yīng)加熱器迅速加熱后進(jìn)行直接淬火，淬火溫度高于Ac3。與此同時(shí)，彎曲或扭曲的力矩通過(guò)機(jī)器人施加到管材前部夾持段上。由于加熱部分的屈服應(yīng)力低，因此該時(shí)刻的變形集中在該加熱部分中。彎曲部分通過(guò)水冷淬火，拉伸強(qiáng)度提高到1470 MPa或更高。通過(guò)連續(xù)進(jìn)行該工序，可以得到具有復(fù)雜的三維彎曲形狀的超高拉伸強(qiáng)度的構(gòu)件。3DQ技術(shù)具有以下特點(diǎn)： ①成形構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1470 MPa或更高； ②回彈量極小，高成形精度； ③構(gòu)件的殘余應(yīng)力較低； ④可以成形中空管狀結(jié)構(gòu)，相交傳統(tǒng)技術(shù)，零件及模具數(shù)量，成本降低； ⑤可以一次整體成形復(fù)雜彎曲形狀構(gòu)件。通過(guò)將 3DQ技術(shù)應(yīng)用于汽車部件，預(yù)計(jì)將有助于減輕汽車的重量同時(shí)提高碰撞安全性。目前利用 3DQ技術(shù)制造的部件已應(yīng)用于車門防撞梁和座椅部件，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)部件。

圖8 三維熱彎及在線淬火技術(shù)原理Fig.8 Principal of 3DQ process

圖9 基于單臂串聯(lián)機(jī)器人的3DQ裝備機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.9 Single arm robot type 3DQ machine

圖9所示為基于單臂串聯(lián)機(jī)器人的3DQ裝備機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該裝備具有非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，并且由于可以通過(guò)機(jī)器人的關(guān)節(jié)柔性而不需要增加特殊的扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所以實(shí)現(xiàn)了機(jī)器設(shè)備的簡(jiǎn)單和緊湊。該裝備適用于成形中小尺寸的管材及簡(jiǎn)單形狀的部件。這種類型是最通用的3DQ裝備。圖10所示為基于雙臂串聯(lián)機(jī)器人的 3DQ裝備機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。在單臂型中，當(dāng)彎曲復(fù)雜部件時(shí)，機(jī)器人以高速執(zhí)行復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，存在移動(dòng)量和加速度增加的趨勢(shì)，反復(fù)頻繁的加速和減速引起振動(dòng)和延遲，導(dǎo)致軌道偏差，影響成形精度。而在雙臂式3DQ裝備中，3個(gè)機(jī)器人是協(xié)作控制的?！凹訜岽慊饳C(jī)器人”安裝了冷卻裝置、支撐輥以及加熱線圈，并且在該系統(tǒng)中是僅有的單臂機(jī)器人?！皬澢鷻C(jī)器人”夾持管材前端并在成形過(guò)程的后半段對(duì)管材進(jìn)行彎曲加工?！八土蠙C(jī)器人”夾持管材尾端對(duì)管材產(chǎn)生推進(jìn)作用。通過(guò)優(yōu)化每個(gè)機(jī)器人的操作，可以大大降低其加速度，從而提高產(chǎn)品的尺寸精度。

圖10 基于雙臂串聯(lián)機(jī)器人的3DQ裝備機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.10 Dual arm robot type 3DQ machine

1.5 基于并聯(lián)機(jī)器人的三維自由彎曲成形裝備

圖11所示為基于Stewart-Gough platform并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六軸自由彎曲裝備示意圖?；诓⒙?lián)機(jī)構(gòu)的六軸自由彎曲裝備與上述三軸、五軸以及六軸構(gòu)型主要區(qū)別在于對(duì)彎曲模運(yùn)動(dòng)的控制方式，三軸、五軸以及六軸構(gòu)型的自由彎曲裝備中對(duì)彎曲模各個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)控制（包括彎曲模在xy平面的兩個(gè)平動(dòng)自由度及其繞xyz軸的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度）是由多個(gè)伺服電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的，而基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六軸自由彎曲裝備中彎曲模固定在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)電液伺服系統(tǒng)并行調(diào)控伸縮桿件的長(zhǎng)度，可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)彎曲模在空間內(nèi)全自由度的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡。得益于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的高精度、高剛度及較大的承載能力，與傳統(tǒng)構(gòu)型的自由彎曲裝備相比，基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由彎曲裝備在成形大尺寸厚壁管材時(shí)仍能獲得較好的成形質(zhì)量和成形精度；同時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)所需的工作空間較小，對(duì)于同一種尺寸的管材，基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六軸自由彎曲裝備比傳統(tǒng)構(gòu)型的自由彎曲裝備的空間體積更小，制造成本也更低。

目前，三維自由彎曲裝備控制彎曲模的并聯(lián)結(jié)構(gòu)主要有以下兩種形式：德國(guó)弗朗霍夫?qū)W會(huì)模具所和日本機(jī)床促進(jìn)會(huì)技術(shù)研究院所研發(fā)的基于 Stewart-Gough platform并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由彎曲成形裝備；日本東京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系研發(fā)的基于3-RPSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由彎曲成形裝備。并聯(lián)機(jī)構(gòu)可采用不同的固定形式，圖12所示為基于立式并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由彎曲成形裝備，并聯(lián)機(jī)構(gòu)安裝固定方向與管材軸向垂直，彎曲模固定于動(dòng)平臺(tái)之上；圖13中的并聯(lián)機(jī)構(gòu)安裝固定方向與管材同軸，彎曲模嵌套于動(dòng)平臺(tái)中心，這種形式被稱為基于臥式并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由彎曲成形裝備。

圖11 基于Stewart-Gough platform并聯(lián)機(jī)構(gòu)的三維自由彎曲成形裝備Fig.11 Free-bending forming equipment based on Stewart-Gough platform parallel mechanism

圖12 基于立式并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由彎曲裝備Fig.12 Free-bending forming equipment based on vertical parallel mechanism

圖13 基于臥式并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由彎曲成形裝備[15]Fig.13 Free-bending forming equipment based on horizontal parallel mechanism

2 三維自由彎曲成形關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維自由彎曲成形數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)

三維自由彎曲成形為復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)問(wèn)題，涉及材料非線性、邊界條件非線性、載荷非線性等，這種問(wèn)題的求解計(jì)算需要具有顯式求解器的仿真程序如LS-DYNA、ABAQUS等有限元數(shù)值模擬軟件才能完成。三維自由彎曲成形有限元數(shù)值模擬過(guò)程可以分為以下4大步驟。

1) 確定模具尺寸。根據(jù)坯料的尺寸（如外徑、壁厚等）、空心彎曲構(gòu)件的設(shè)計(jì)尺寸（如最小彎曲半徑、總長(zhǎng)度等）及管件的質(zhì)量要求（如表面質(zhì)量、壁厚均勻性等），確定各模具的具體尺寸，特別是彎曲模和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前端的距離A值、各模具與坯料之間的間隙大小Δc及各處模具的圓角半徑大小。

2) CAD建模。根據(jù)確定好的各模具尺寸，利用CATIA、UG等三維繪圖軟件建立簡(jiǎn)化的CAD模型。

3) 工藝計(jì)算。根據(jù)直段和彎段的過(guò)渡段1、圓弧段、過(guò)渡段2對(duì)目標(biāo)管件進(jìn)行分段，建立上述每一小段過(guò)程中x,y,z三個(gè)方向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度u與運(yùn)動(dòng)時(shí)間t之間的函數(shù)關(guān)系。如下所示，為工藝計(jì)算示例：

分段長(zhǎng)度計(jì)算：

段1（直線段1）：L1=l1

段2（過(guò)渡段1）：

段4（過(guò)渡段2）：S3=A

段5（直線段2）：L2=l2-A

段6（過(guò)渡段3）：

段8（過(guò)渡段4）：S3=A

……

分段速度計(jì)算：

設(shè)置z向運(yùn)動(dòng)速度為勻速，速度為v，彎曲模運(yùn)動(dòng)速度為u（ux=ucosφn，uy=usinφn）。

段1：速度u1=0,t1=L1/v

段3：

速度u3=0，

段5：速度u5=0，

段7：

速度u7=0，

……

4) 數(shù)值模擬。將自由彎曲的三維模型導(dǎo)入ABAQUS（實(shí)體單元）或LS-DYNA（殼單元）等仿真模擬軟件后，完成具體的參數(shù)設(shè)置過(guò)程并提交計(jì)算。

圖14 三軸和五軸構(gòu)型的ABAQUS有限元模型Fig.14 ABAQUS FEM model of three-axis and five-axis configuration

圖14所示為三維自由彎曲的三軸構(gòu)型、五軸構(gòu)型的ABAQUS有限元模型。對(duì)于三軸構(gòu)型來(lái)說(shuō)，管材設(shè)置為變形體殼體，網(wǎng)格劃分為 S4R類型，彎曲模設(shè)置為可變形實(shí)體，網(wǎng)格劃分為C3D10M。其余模具部件均設(shè)置為剛體，網(wǎng)格劃分為C3D8R類型。分析步設(shè)置為動(dòng)力顯式，增加壁厚、坐標(biāo)輸出設(shè)置。所有部件之間的相互接觸均為通用接觸，通用接觸設(shè)置為全局切向罰函數(shù)，摩擦因數(shù)設(shè)置為 0.02～0.10（模具內(nèi)壁附有潤(rùn)滑膜，故模具和管之間的摩擦因數(shù)非常?。］d荷設(shè)置中壓緊機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)置為xyz方向完全固定，推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)置沿z向的預(yù)定運(yùn)動(dòng)速度，其余方向速度設(shè)為0，球面軸承設(shè)置沿x和y方向的預(yù)定運(yùn)動(dòng)速度，其余方向速度設(shè)為0。對(duì)于五軸、六軸構(gòu)型來(lái)說(shuō)，彎曲模為主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，和其他機(jī)構(gòu)一樣設(shè)置為剛體，網(wǎng)格類型設(shè)為C3D10M。管材設(shè)置為變形體殼體，網(wǎng)格劃分為 S4R類型。分析步、接觸設(shè)置等設(shè)置過(guò)程與三軸構(gòu)型有限元模型類似。載荷設(shè)置中壓緊機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)置為xyz方向完全固定，推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)置沿z向的指定運(yùn)動(dòng)速度，其余方向速度設(shè)為0，彎曲模在局部坐標(biāo)系中定義其平動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。圖15所示為液壓系統(tǒng)用空間復(fù)雜管件的分步模擬結(jié)果。

圖15 液壓系統(tǒng)用空間復(fù)雜管件的分步模擬結(jié)果Fig.15 Simulation results of space complex pipe for hydraulic system

2.2 幾何尺寸的一次校正及在線糾偏技術(shù)

在管材三維自由彎曲成形過(guò)程中，原始管坯的截面尺寸、彎曲剛度、彈性模量、屈服強(qiáng)度等參數(shù)均會(huì)影響成形后的彎曲半徑精度。對(duì)于不同材料、不同截面尺寸的原始管坯，即使彎曲模偏心距U不發(fā)生變化，彎曲半徑R仍會(huì)在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)出不同的數(shù)值。在針對(duì)空心構(gòu)件進(jìn)行彎曲成形時(shí)，需針對(duì)不同的彎曲半徑提出相應(yīng)的修正系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)理論公式的修正，因此，三維自由彎曲成形裝備需包含一套完備的材料偏心距U和彎曲半徑R關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)不同材料、幾何尺寸、熱處理狀態(tài)的坯料成形，需首先找到針對(duì)理論公式的彎曲修正系數(shù)。然后根據(jù)管件實(shí)際尺寸（通過(guò)導(dǎo)入IGES、STEP數(shù)據(jù)或通過(guò)接觸式測(cè)量、激光掃描得到）確定相應(yīng)修正系數(shù)的大小，制定相應(yīng)的工藝參數(shù)，并將工藝參數(shù)發(fā)送到仿真模擬系統(tǒng)中實(shí)施模擬。模擬過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)比已經(jīng)成形出的管材尺寸與 CAD模型的尺寸偏差，并對(duì)成形工藝參數(shù)進(jìn)行反復(fù)迭代計(jì)算和數(shù)據(jù)校正以實(shí)現(xiàn)首次糾偏，最終得到初步的工藝參數(shù)。將經(jīng)過(guò)首次糾偏后的成形工藝參數(shù)發(fā)送至自由彎曲成形裝備，執(zhí)行實(shí)際彎曲成形過(guò)程。成形過(guò)程中，實(shí)時(shí)測(cè)量已經(jīng)成形出的彎曲構(gòu)件各節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系，與CAD模型再次對(duì)比，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)尚未成形管材的成形工藝參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步在線修正，實(shí)現(xiàn)幾何尺寸的在線糾偏。圖16為仿真模擬系統(tǒng)中的模擬成形界面，圖17為實(shí)際成形管件與設(shè)計(jì)模型的對(duì)比界面。經(jīng)過(guò)幾何尺寸的一次校正及在線糾偏后，可實(shí)現(xiàn)管件的高精度、自動(dòng)化生產(chǎn)。

圖16 仿真模擬系統(tǒng)[12]Fig.16 Simulation system

圖17 實(shí)際成形管件與CAD模型的對(duì)比Fig.17 Comparison between actual formed tube and CAD model

2.3 難變形材料的溫?zé)嶙杂蓮澢尚渭夹g(shù)

隨著航空航天事業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)鈦合金、高溫合金等其他難變形材料彎曲成形的需求逐漸增多。對(duì)于鈦合金板材來(lái)說(shuō)，目前一般采用激光束照射材料表面所形成的溫度梯度而導(dǎo)致的熱應(yīng)力應(yīng)變使金屬板材達(dá)到預(yù)定的變形，并改善其性能。鈦合金管材的激光彎曲成形機(jī)制是Buckling機(jī)制和增厚機(jī)制的疊加，彎曲過(guò)程中彎曲內(nèi)側(cè)增厚現(xiàn)象明顯，同時(shí)加工硬化對(duì)金屬材料的硬度有較大影響[28]。高溫合金在成形加工過(guò)程中，存在常溫下變形抗力巨大、零件回彈嚴(yán)重、材料加工硬化嚴(yán)重等問(wèn)題。以上缺陷導(dǎo)致上述難變形材料在室溫條件下進(jìn)行塑性成形較為困難，而溫?zé)釓澢尚蝿t可有效降低難變形材料的變形抗力，提高其塑性。

三維自由彎曲成形裝備所包括的溫?zé)岢尚文K能夠?qū)崿F(xiàn)常溫下難變形材料的溫?zé)嶙杂蓮澢尚巍D18所示為溫?zé)釓澢尚窝b置示意圖，其中的感應(yīng)線圈加熱模塊包括高頻感應(yīng)線圈和絕緣隔熱層，通電后高頻感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在工件中產(chǎn)生出同頻率的感應(yīng)電流，這種不均勻分布的感應(yīng)電流產(chǎn)生集膚效應(yīng)，可使工件表面迅速加熱，而絕緣隔熱層可防止熱量散失，通過(guò)此模塊能夠?qū)⑦M(jìn)入彎曲模的管材加熱至設(shè)定溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)難變形材料的溫?zé)釓澢尚巍?/p>

圖18 溫?zé)嶙杂蓮澢尚窝b置Fig.18 Schematic diagram of warm free-bending forming equipment

3 三維自由彎曲成形裝備及技術(shù)的工程應(yīng)用

空心彎曲構(gòu)件是工業(yè)各領(lǐng)域的重要零部件，各種截面形狀的復(fù)雜彎曲構(gòu)件在航空航天、核電、汽車、艦船、石化、建筑以及其他民用工業(yè)等諸多領(lǐng)域具有重要而廣泛的應(yīng)用[29]。常規(guī)彎曲成形技術(shù)，如數(shù)控繞彎、型模推彎、加熱拉彎[30—31]以及由上述基本工藝衍生出的彎曲工藝等僅適用于幾何形狀較簡(jiǎn)單、彎曲半徑不連續(xù)變化及存在過(guò)渡直段彎曲構(gòu)件的成形。對(duì)于具有三維空間軸線、異型復(fù)雜截面、變曲率半徑、無(wú)直段連續(xù)彎曲等特征彎曲構(gòu)件，常規(guī)彎曲成形技術(shù)則具有一定的局限性，無(wú)法滿足上述復(fù)雜構(gòu)件的快速一次成形。三維自由彎曲成形技術(shù)是塑性成形領(lǐng)域近年來(lái)的一項(xiàng)重要的技術(shù)創(chuàng)新[32]，能夠?qū)崿F(xiàn)管材、型材復(fù)雜彎曲構(gòu)件的快速精確三維成形。與傳統(tǒng)彎曲成形方法相比，該技術(shù)主要通過(guò)控制彎曲模具在三維空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)彎曲空心構(gòu)件的柔性、精確成形，顯著提高了構(gòu)件的幾何精度及復(fù)雜程度。另外，在三維自由彎曲成形過(guò)程中，管坯與彎曲模緊密貼合，彎曲段的截面畸變被抑制；管坯受到軸向附加壓應(yīng)力，從而使管坯應(yīng)變中性層由彎曲內(nèi)側(cè)向外移動(dòng)，改善了彎曲段外側(cè)的壁厚減薄情況，提高了彎曲構(gòu)件的壁厚整體均勻性。

3.1 航空航天工程領(lǐng)域

在航空領(lǐng)域，飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)重量及空間的要求越來(lái)越嚴(yán)格，變彎曲半徑、軸線為空間曲線的復(fù)雜彎管的空間構(gòu)型更為靈活，可以有效利用發(fā)動(dòng)機(jī)的外部空間大大降低管路系統(tǒng)重量，對(duì)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比具有重要意義，廣泛應(yīng)用于航空飛機(jī)上的操縱部件、壓氣機(jī)部件、引氣管路、空調(diào)管路、液壓管路、燃油滑油管路以及用于各類裝備間物料流通的管道等。圖19所示為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜管路系統(tǒng)。對(duì)于規(guī)格眾多的復(fù)雜彎曲構(gòu)件，國(guó)內(nèi)外航空航天制造單位甚至依然采用半自動(dòng)工制造的方法[33]，其形狀、尺寸以及性能都難以保證。目前利用常規(guī)制造技術(shù)生產(chǎn)導(dǎo)管類部件無(wú)法進(jìn)行三維空間軸線的自由化設(shè)計(jì)，無(wú)法充分利用飛機(jī)有限的內(nèi)部空間，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)管路系統(tǒng)重量增加，所占內(nèi)部空間增大，飛機(jī)各部分組件的整體結(jié)構(gòu)緊湊性降低，造成裝備管路或其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)度冗余，導(dǎo)致飛機(jī)空間利用率、使用壽命、安全性等重要指標(biāo)難以保證。相較于傳統(tǒng)成形技術(shù)，三維自由彎曲成形技術(shù)具備較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用該技術(shù)能夠輕松滿足航空器用空心復(fù)雜彎曲構(gòu)件的成形精度和成形質(zhì)量要求。

圖19 航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜管路系統(tǒng)Fig.19 Aero engine tube line

在航天領(lǐng)域，各種形狀的彎曲構(gòu)件作為管路系統(tǒng)的主要元件，對(duì)保證火箭動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定工作發(fā)揮了重要作用（見(jiàn)圖20）?？臻g運(yùn)載火箭中液態(tài)氫和液態(tài)氧的燃料管道系統(tǒng)和加油管路系統(tǒng)中均需要大量的復(fù)雜空心彎曲構(gòu)件，以承擔(dān)介質(zhì)的運(yùn)輸任務(wù)。目前，制造這些性能要求較高的管件一般采用無(wú)縫焊接技術(shù)，此方法雖然可以有效提高零件的精度、光潔度和外觀可觀性[34]，但是也存在著工序繁雜、耗時(shí)較長(zhǎng)等缺陷，且管路發(fā)生漏油的概率也較高。三維自由彎曲成形技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜彎管的一次性整體成形，成形效率較高，且避免了焊接彎管焊接接頭處容易漏油等缺陷。

圖20 運(yùn)載火箭管路系統(tǒng)中的管件Fig.20 Tubes in carrier rocket tube system

3.2 核能工程領(lǐng)域

在核電工程各種管道回路、蒸汽發(fā)生器、熱交換器、冷凝水供水管路等系統(tǒng)中，各種復(fù)雜形狀的異徑、異型截面管對(duì)提高核管路系統(tǒng)的柔性、穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。如圖21所示，上述構(gòu)件得到了廣泛的應(yīng)用。彎管成形工藝是管道制造中的核心技術(shù)，大直徑小彎曲半徑管道彎曲成形過(guò)程中空間尺寸的精確控制給主管道的制造帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，也是管道國(guó)產(chǎn)化制造中的技術(shù)難點(diǎn)之一[35]。核電管道用復(fù)雜管件的彎制大多采用冷彎方式進(jìn)行，為了精確控制管材尺寸，傳統(tǒng)核電系統(tǒng)彎管成形方法必須綜合考慮彎管用芯模的設(shè)計(jì)、芯模的裝填方式以及水壓機(jī)的性能；另外，對(duì)接管嘴位置的尺寸控制也為技術(shù)難點(diǎn)之一。

圖21 核電冷卻劑管道中的復(fù)雜彎管構(gòu)件Fig.21 Complex bend member in nuclear power coolant pipeline

采用三維自由彎曲成形裝備進(jìn)行復(fù)雜彎管彎曲成形時(shí)，可以通過(guò)裝備配備的模擬仿真軟件對(duì)比模擬成形后的彎管和所要彎曲的CAD模型的尺寸偏差，并進(jìn)而修正彎曲成形工藝參數(shù)。成形后的彎管也可以通過(guò)裝備配備的激光掃描系統(tǒng)掃描成形后彎管的彎曲半徑、彎曲角度、直段長(zhǎng)度等尺寸參數(shù)，并再次與所要彎曲的CAD模型對(duì)比，從而徹底解決材料回彈引起的尺寸偏差。同時(shí)，可通過(guò)定義管材節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的方法，實(shí)現(xiàn)彎曲段和直段各處節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的精確控制。相較于傳統(tǒng)金屬構(gòu)件彎曲成形方法，采用三維自由彎曲成形裝備成形核電管道構(gòu)件時(shí)具有更高的尺寸精度和更低的生產(chǎn)制造成本，成形后管件的壁厚均勻性也可以得到明顯改善。

3.3 汽車制造領(lǐng)域

由于空心管狀零件具有較好的剛度和減重效果，已逐漸取代汽車底盤和空間框架中的點(diǎn)焊鈑金零件。這些零件大多通常是先進(jìn)行彎曲并附加液壓成形。然而，傳統(tǒng)的彎曲過(guò)程旋轉(zhuǎn)拉彎或滾彎往往不適合這些幾何形狀。三維自由彎曲成形得益其三維柔性制造的特點(diǎn)，特別適用于作為液壓成形前的彎曲工序。圖22所示為三維自由彎曲成形技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用。

圖22 三維自由彎曲成形技術(shù)在汽車制造中應(yīng)用Fig.22 Application of3D free-bending forming technology in automobile manufacturing

3.4 醫(yī)療工程領(lǐng)域

在醫(yī)療工程領(lǐng)域，彎曲構(gòu)件由于其自身的柔性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，作為輔助人體運(yùn)動(dòng)的醫(yī)療器械，圖23所示為彎曲狀的拐杖和抗震顫矯形器。此類產(chǎn)品通常應(yīng)該根據(jù)不同患者的個(gè)體差異性或要求而定制，從而通常具有不同的彎曲半徑，且形狀較為復(fù)雜。三維自由彎曲成形技術(shù)得益于其柔性成形的優(yōu)勢(shì)，在制造定制醫(yī)療器械時(shí)具有極大的靈活性和便利性，能夠提高此類零件的成形效率，并顯著降低制造成本。

3.5 建筑裝飾領(lǐng)域

在建筑工程領(lǐng)域，各種形狀的彎曲承力構(gòu)件廣泛分布在涵洞、橋梁、鐵塔等大型支撐彎曲型鋼結(jié)構(gòu)中，見(jiàn)圖24。這些彎曲承力件通常尺寸較大，即擁有非常大的彎曲半徑和較大的彎曲弧長(zhǎng)，制造這些構(gòu)件的傳統(tǒng)方法是采用壓彎或拉彎再分段焊接，這種方法生產(chǎn)效率低，同時(shí)由于焊縫可能在使用過(guò)程中出現(xiàn)疲勞裂紋，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后較易出現(xiàn)安全隱患。三維自由彎曲成形裝備針對(duì)大的彎曲半徑無(wú)需采用大尺寸模具，只需彎曲模發(fā)生小的位移，材料即可彎制成大半徑弧度。同時(shí)由于是一次彎制成形，三維自由彎曲成形的構(gòu)件相比于傳統(tǒng)彎曲裝備成形的構(gòu)件在高強(qiáng)高壓的工作環(huán)境下?lián)碛懈叩膹?qiáng)度極限。

復(fù)雜形狀的彎曲產(chǎn)品在建材裝飾領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，如室內(nèi)家具和城市外景工藝品等，見(jiàn)圖25。充分發(fā)揮了三維自由彎曲成形裝備柔性成形以及可實(shí)現(xiàn)彎曲半徑和彎曲方向連續(xù)變化的優(yōu)勢(shì)，能夠最大程度上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思路。

圖23 彎曲狀的拐杖和抗震顫矯形器Fig.23 Curved crutch and anti tremororthosis

圖24 彎曲承力構(gòu)件在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用Fig.24 Application of bending component in construction engineering

圖25 三維自由彎曲技術(shù)在建筑建材領(lǐng)域的應(yīng)用Fig.25 Application of three dimensional free-bending in architecture and decoration

4 結(jié)論

三維自由彎曲成形技術(shù)是一種新興的柔性、精確、高效管材彎曲成形方法。三維自由彎曲成形裝備整合了彎曲數(shù)值模擬技術(shù)、幾何尺寸一次校正及在線技術(shù)、難變形材料的溫?zé)嶙杂蓮澢尚渭夹g(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，相較于傳統(tǒng)數(shù)控彎曲裝備具有極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展空間。隨著三維自由彎曲成形技術(shù)相關(guān)理論研究的完善以及相關(guān)裝備的研發(fā)，三維自由彎曲成形技術(shù)及其裝備必將在我國(guó)各工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。