三維自由彎曲成形技術(shù)是塑性成形領(lǐng)域近年來的一項(xiàng)重要的技術(shù)創(chuàng)新，

可實(shí)現(xiàn)管材、型材、線材精確無模連續(xù)彎曲成形，特別適用于復(fù)雜空間形

狀彎曲構(gòu)件或者彎曲半徑連續(xù)變化的復(fù)雜彎曲構(gòu)件。

在國內(nèi)，南航團(tuán)隊(duì)率先開展了系統(tǒng)的研發(fā)工作，在基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、

數(shù)字化裝備及重大工程應(yīng)用上取得了全面進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)國外同類技術(shù)的

趕超。

管材三維自由彎曲成形基礎(chǔ)理論研究

三維自由彎曲成形材料變形規(guī)律

建立了考慮軸向推力的自由彎曲力學(xué)模型，分析了應(yīng)變中性層移動(dòng)規(guī)律

和對(duì)管材內(nèi)外側(cè)壁厚分布的影響，見圖1、圖2。結(jié)論：軸向推力導(dǎo)致應(yīng)力

應(yīng)變中性層外移，降低了彎曲外側(cè)的壁厚減薄率，提高了管材成形質(zhì)量。

*.9.386963983ec--0o1i________

?l.OlOe?OO

+1.034e+00

?l.O57e+OO

*1.081e+00

?1.104C+00

圖1管材應(yīng)變中性層向外弧移動(dòng)

?l.127e+00

STH

(Avg:+715.1%5)1e+00AV

+l.221e+OO

.1.198e+00

!.l.174c+00

圖2管材內(nèi)外側(cè)壁厚沿彎曲角度分布

三維自由彎曲成形缺陷形成機(jī)理

針對(duì)管材截面畸變及失穩(wěn)起皺缺陷的形成機(jī)理及分布規(guī)律進(jìn)行研究，建

立了基于殼體能量的缺陷預(yù)測模型。

管材自由彎曲橫截面橢化畸變及分布規(guī)律見圖3、圖4,管材開始彎曲

部分的橫截面畸變率呈現(xiàn)較高的峰值；在彎曲過程的中段和結(jié)束部分，彎

管橫截面畸變率較低，即明顯的截面畸變現(xiàn)象出現(xiàn)在過渡段。

圖3管材自由彎曲橫截面橢化畸變

R/Do=2.93

(

求

)

褂

倒

酹

亞

愛

軍

圖4管材自由彎曲橫截面橢化分布規(guī)律

基于殼體能量原理的起皺預(yù)測模型見圖5，波紋起皺現(xiàn)象集中出現(xiàn)在圓

弧段成形部分。

圖5基于殼體能量原理的起皺預(yù)測模型

型材彎扭機(jī)理

建立了方形截面型材自由彎扭理論解析模型，闡明了方形截面型材不同

面上的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。結(jié)論：彎曲內(nèi)表面受到的應(yīng)力整體處于下降趨

勢(shì)；彎曲外表面、扭轉(zhuǎn)內(nèi)表面和扭轉(zhuǎn)外表面的等效應(yīng)力均呈整體上升趨勢(shì)；

按逆時(shí)針方向，扭轉(zhuǎn)外表面、彎曲外表面及扭轉(zhuǎn)內(nèi)表面上的等效應(yīng)變分布

均呈先下降再增高的趨勢(shì)。

扭轉(zhuǎn)對(duì)彎曲作用機(jī)理

建立了平橢截面型材自由彎扭過程中截面扭轉(zhuǎn)角與彎曲回彈后半徑關(guān)

系的理論分析模型，揭示了沿平橢型材長軸和短軸彎扭時(shí)截面扭轉(zhuǎn)對(duì)彎曲

變形的影響規(guī)律。

三維自由彎曲成形關(guān)鍵技術(shù)

管材軸線精確解析

建立了自由彎曲模具三維運(yùn)動(dòng)軌跡模型，將彎曲弧段進(jìn)行劃分（圖6）:

將單彎分為過渡段1、中間圓弧段和過渡段2,代表偏心、停留和回程。

圖6彎曲弧段劃分

將多彎分為若干個(gè)彎曲平面，根據(jù)平面相對(duì)位置關(guān)系決定彎曲模運(yùn)動(dòng)方

向，提出了金屬管材自由彎曲成形系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了從復(fù)雜

彎曲構(gòu)件幾何軸線到成形模具運(yùn)動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)規(guī)劃，見圖7。

圖7彎曲模具運(yùn)動(dòng)軌跡精確規(guī)劃

形變曲率軸線精確解析

提出了由彎曲段轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)鍵點(diǎn)控制的彎曲模運(yùn)動(dòng)控制方法，建立了連續(xù)

變曲率構(gòu)型的軌跡解析模型，實(shí)現(xiàn)了自由彎曲工藝從成形定曲率構(gòu)件向成

形連續(xù)變曲率構(gòu)件的突破。

型材彎扭工藝解析

提出了耦合截面扭轉(zhuǎn)的彎曲方向反向補(bǔ)償算法，建立了適用于型材螺旋

構(gòu)件一次成形的軌跡解析模型，結(jié)論：在型材彎曲成形過程中附加額外截

面扭轉(zhuǎn)角會(huì)使構(gòu)件的彎曲方向發(fā)生周期性連續(xù)改變。

工藝軟件系統(tǒng)

自主研發(fā)了三維自由彎曲工藝軟件系統(tǒng)，提高了自由彎曲解析效率，圖

8為六軸自由彎曲控制系統(tǒng)。

圖8六軸自由彎曲控制系統(tǒng)

數(shù)字化全流程

開展了自由彎曲成形軸線獲取、計(jì)算機(jī)輔助工藝解析及測量反饋方法研

究，搭建了數(shù)字化成形平臺(tái)，建立了從軸線獲取至對(duì)比分析的全流程，實(shí)

現(xiàn)了復(fù)雜彎曲構(gòu)件的高效、高精度數(shù)字化加工，流程如下。

⑴軸線獲取。

軸線的準(zhǔn)確獲取是高精度數(shù)字化自由彎曲成形的前提，采用專業(yè)軟件根

據(jù)復(fù)雜彎曲構(gòu)件的幾何構(gòu)型提取和擬合彎曲軸線及軸線上關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，為

后續(xù)工藝解析及對(duì)比分析步驟提供數(shù)模。

⑵工藝解析。

根據(jù)第一步中獲得的軸線點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行自由彎曲工藝解析，將數(shù)模的

幾何信息轉(zhuǎn)化為自由彎曲工藝信息，獲得可直接輸入自由彎曲裝備的加工

指令。

⑶成形試驗(yàn)。

輸入加工指令，開展復(fù)雜彎曲構(gòu)件成形試驗(yàn)。

⑷掃描檢測。

使用專業(yè)掃描測量設(shè)備獲得實(shí)際成形構(gòu)件的數(shù)模。

⑸對(duì)比分析。

在專業(yè)軟件中對(duì)比構(gòu)件原始數(shù)模和實(shí)際成形零件的數(shù)模，分析實(shí)際成形

零件的彎曲精度及彎曲質(zhì)量，對(duì)于成形不滿足要求的構(gòu)件需反饋修改成形

工藝參數(shù)。

模具內(nèi)襯設(shè)計(jì)優(yōu)化

以減輕管材表面劃傷為目的，開展了自由彎曲成形彎曲模與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的

內(nèi)襯設(shè)計(jì)與材料優(yōu)選研究，通過設(shè)計(jì)新型陶瓷內(nèi)襯，提高了管材表面質(zhì)量，

降低了彎曲模磨損，提高了裝備壽命。

⑴氧化措/不銹鋼摩擦磨損性能研究。

20#專用潤滑油潤滑條件下，氧化措與不銹鋼摩擦系數(shù)可達(dá)0.02。

結(jié)論：優(yōu)化彎曲模材料，有效降低摩擦系數(shù)，明顯改善管材成形質(zhì)量。

⑵彎曲模與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)內(nèi)襯設(shè)計(jì)研究。

采用氧化鋅材料的彎曲模與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)內(nèi)襯見圖9,管材表面犁溝、剝落

坑等磨損問題明顯減輕。

彎曲模導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

陶姿內(nèi)襯

圖9采用氧化錯(cuò)材料的彎曲模與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)內(nèi)襯

裝備研制

研發(fā)歷程

自2016年起從事自由彎曲成形裝備的自主研發(fā)，南航團(tuán)隊(duì)已研發(fā)出

10種型號(hào)的自由彎曲設(shè)備，見圖10。

電磁感應(yīng)加2

自由彎曲裝W

臥式并聯(lián)機(jī)構(gòu)

自由彎曲裝備

2023年

五軸自由彎曲學(xué)

2022年

成形管徑41mm

六軸工程樣機(jī)桌面式細(xì)徑管自

不型化自由由彎曲成形裝備

彎曲裝備

并聯(lián)機(jī)構(gòu)裝備

三軸工程樣機(jī)

三軸原理樣機(jī)六軸原理祥。2019年|軟件、模具升級(jí)

2018年算法優(yōu)化

圖10南航團(tuán)隊(duì)研發(fā)的10種型號(hào)的自由彎曲設(shè)備

⑴三軸自由彎曲成形裝備設(shè)計(jì)及制造，工程樣機(jī)見圖11,設(shè)備參數(shù)見

表1O

表1三軸自由彎曲成形裝備性能參數(shù)

圖11三軸自由彎曲工程樣機(jī)

⑵六軸自由彎曲成形裝備設(shè)計(jì)及制造，工程樣機(jī)見圖12,設(shè)備參數(shù)見

表2。

表2六軸自由彎曲成形裝備性能參數(shù)

可加工管徑15~90mrr<

推進(jìn)速度>400mnVs

軸向推力N55t

可成形材料強(qiáng)度一>1700MPa

最小彎曲半徑S2.5D

圖12六軸自由彎曲工程樣機(jī)

⑶五軸自由彎曲成形裝備設(shè)計(jì)及制造，工程樣機(jī)見圖13,設(shè)備參數(shù)見

表30

表3五軸自由彎曲成形裝備性能參數(shù)

可加工管徑10~40mrr

殳200mnVs

|軸向推力M10t

3800MPa

最小彎曲半徑w2.5D

圖13五軸自由彎曲工程樣機(jī)

⑷七軸（基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)）自由彎曲成形裝備設(shè)計(jì)，工程樣機(jī)見圖14,

設(shè)備參數(shù)見表4。

表4七軸（基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)）自由彎曲成形設(shè)備性能參數(shù)

可加工管徑5~30mrr

推進(jìn)速度>100mm1y

軸向推力a*5t

同步聯(lián)動(dòng)軸n7

最小彎曲半徑w3D

圖14七軸（基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)）自由彎曲成形裝備設(shè)計(jì)

⑸便攜式自由彎曲成形裝備設(shè)計(jì)，工程樣機(jī)見圖15，設(shè)備參數(shù)見表5。

表5便攜式自由彎曲成形設(shè)備性能參數(shù)

可加工管徑5~lOmrr

推進(jìn)速度NlOOmm's

軸向推力>3t

m500MPe

最小彎曲半徑這4D

圖15便攜式自由彎曲成形裝備

管材三維自由彎曲成形的工程化應(yīng)用

航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

航空航天工程領(lǐng)域所需復(fù)雜導(dǎo)管及結(jié)構(gòu)件對(duì)于三維自由彎曲技術(shù)具有

廣泛需求，典型的零件為滑油、燃油和氣體管路，見圖16。

圖16航空航天領(lǐng)域典型管路構(gòu)件

南航團(tuán)隊(duì)完成航空航天裝備管路系統(tǒng)用空間復(fù)雜連續(xù)變曲率不銹鋼管

件的加工，見圖17;與沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司合作完成了某型航

空器鋁合金燃油管試制，見圖18;與上海航天設(shè)備制造總廠有限公司合作

完成了某型航天器用異形截面熱管試制，見圖19。

圖17航空發(fā)動(dòng)機(jī)用管路構(gòu)件

圖18戰(zhàn)機(jī)燃油管路構(gòu)件

圖19航天器用異形截面熱管構(gòu)件

汽車工程領(lǐng)域的應(yīng)用

汽車行業(yè)所需復(fù)雜管路及型材構(gòu)件對(duì)于三維自由彎曲技術(shù)具有廣泛需

求，包括車身框架、底盤、座椅骨架、A柱等零件。

在汽車領(lǐng)域，南航團(tuán)隊(duì)完成了高強(qiáng)鋁合金〃目字形〃截面汽車防撞梁構(gòu)件

的自由彎曲成形，見圖20;完成了鋁合金非對(duì)稱六邊形截面車頂行李架構(gòu)

件的自由彎扭成形，見圖21;針對(duì)車頂行李箱外框用復(fù)雜截面鋁合金型材

構(gòu)件，成功實(shí)現(xiàn)了兩種不同截面構(gòu)件的一次高效、高質(zhì)量成形，見圖22;

完成了新能源汽車高強(qiáng)鋼A柱類產(chǎn)品的加工，見圖23。

圖20高強(qiáng)