三維自由彎曲成形裝備及其關鍵技術

陶杰，熊昊，萬柏方，魏文斌，程旋，王林濤，余耀暉，王成，郭訓忠

（1. 南京航空航天大學 材料科學與技術學院，南京 210016；2. 江蘇省核能裝備材料工程實驗室，南京 210016；3. 江蘇圖南合金股份有限公司，江蘇 丹陽 212352）

三維自由彎曲成形技術是彎曲加工領域的一項重要技術創新，屬于基于三維軌跡控制的柔性成形領域的一項典型代表性技術，其能夠實現復雜軸線（如連續變曲率、空間多彎）以及異形復雜截面的管材/型材的一次整體精確成形[1—2]。采用該技術制造的三維復雜彎曲構件在航空航天、核能、石化、汽車、醫學工程以及建筑造型等領域發揮了重要作用。

三維自由彎曲成形最初稱之為 MOS Bending技術，是由發明該技術的三名日本學者的姓氏英文首字母命名的[3]。1990年，Murata等在日本和德國分別申報了該技術專利[4—5]，并在1992年申報了美國專利[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彎管截面畸變、成形力以及成形極限的影響規律[7]。隨后，德國研究人員Gantner等[8]系統揭示了自由彎曲的成形機制、三軸成形裝備的結構形式以及CNC控制軟件系統的主要模塊，同時建立了不同材料在三維自由彎曲成形時形成的彎曲半徑R與偏距U之間的數學模型以及軸向推進距離與彎管對應的彎曲角度之間的定量關系。另外，闡述了三維自由彎曲成形工藝解析的主要思路。日本和德國學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提供了重要的方向。

隨著相關基礎研究工作的逐步完善，日本Nissin公司及德國 J.NEU多家企業陸續推出了商業化的自由彎曲成形裝備[9—12]。尤其是德國 J.NEU 公司已經完成了系列自由彎曲成形裝備的研發工作，可以滿足不同規格、不同材料、不同幾何構型的管材/型材三維復雜彎曲構件整體成形的工程需求。現在綜合性能最為優越的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，且最小相對彎曲半徑可達2.5D。管材最大進給速度可達 400 mm/s。另外，該機型更可實現空心構件軸線扭轉成形。

上述主流自由彎曲成形裝備的彎曲模主要靠伺服電機驅動，驅動力不足且機頭整體剛度低。在成形大尺寸、厚壁管材時，隨著偏距U值的增大，相對彎曲半徑的減小，軸向推力將顯著增大，從而導致機頭整體變形，直接影響了三維復雜彎曲構件的幾何精度。并聯機器人機構通常有電液伺服系統驅動，具有剛度重量比大、承載能力強、誤差累計小、動態性能好、結構緊湊、綜合制造成本低等優勢，在需要高剛度、高精度或者大載荷而無須很大工作空間的領域內得到了廣泛應用[13]。三維自由彎曲裝備若采用此種多足并聯結構機頭，將大大提高裝備的整體剛度及承載能力，進而適應于大尺寸厚壁三維復雜彎管的成形。2008年起，基于各種形式多足并聯機構的自由彎曲成形技術獲得更多關注，相關成形裝備也得到了發展。日本東京工業大學[14—15]、德國蒂森克虜伯公司[16]、德國弗朗霍夫學會模具和成型技術研究所[17]相繼研發了基于多足并聯機構的自由彎曲成形裝備。國內學者在三維自由彎曲成形技術及裝備方面也進行了初步的探索研究。中航工業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》中首次公開介紹三維自由彎曲成形技術，并指出其潛在的技術優勢和應用前景。吉林大學李明哲教授等[19—20]發明了一種彎曲模與導向機構無配合連接的自由彎曲成形裝備，并應用ABAQUS有限元仿真軟件對基于該結構的管材三維自由彎曲成形過程進行了有限元模擬，獲得了相對彎曲半徑低至1.7的碳鋼彎管。南京航空航天大學先進材料及成形技術研究所聚焦該技術在航空航天領域的工程應用，在管材變形應力應變分析、工藝程序解析、有限元數值模擬、控制軟件系統以及硬件機械研發方面開展了系統的研究工作[21—24]。

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

1 三維自由彎曲成形裝備典型構型

三維自由彎曲成形裝備中彎曲模中心的運動軌跡及自身姿態（主要指傾斜角α）是決定彎曲構件形狀及尺寸精度的關鍵參數。根據成形裝備軸數的不同，可將裝備分為三軸、五軸及六軸自由彎曲裝備，見圖1所示。根據彎曲模的運動方式又可將裝備構型分為被動式及主動式兩種。三軸屬于被動式，五軸、六軸及基于并聯機構的自由彎曲結構屬于主動式。被動式與主動式的主要區別在于彎曲模在從零點向偏心距為U過程中的轉動是否是主動發生的，三軸構型中彎曲模的轉動姿態隨管材形狀的變化而變化，而三軸過渡構型中彎曲模的轉動則是通過彎曲模和導向機構之間的一個接觸配合來實現，即球面軸承在xy平面內平動時，彎曲模隨之也產生平動和轉動；五軸、六軸及基于并聯機器人的自由彎曲構型中彎曲模在各個方向上的平動和轉動則都是由伺服電機或電液伺服系統驅動完成的。

1.1 三軸及過渡構型

三軸及三軸過渡構型主要由彎曲成形機構、導向機構和推進機構3大部分組成。見圖2所示，彎曲成形機構包括彎曲模、球面軸承、xy軸方向的伺服電機等，導向機構包括導向裝置、管材接近感應開關、管長測量裝置等，推進機構包括送料推塊、送料鏈條、送料電機等。

三軸及其過渡構型的一般成形過程為：在初始時刻，推進機構、導向機構與彎曲模處于同一軸線上（z向）。管材在推進機構的作用下開始軸向送進（z向），并被推入導向機構與彎曲模之間的變形區內，管材在由于彎曲模的偏距而產生的力矩的作用下產生彎曲變形。彎曲模不斷變換運動軌跡和姿態，實現管材多段、多個方向連續彎曲成形。在彎曲變形區長度（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值較小時管材被彎制成較大的彎曲半徑，U值較大時管材被彎制成較小的彎曲半徑。由于彎曲模可實現x和y兩個方向的直線運動，管材為z向的直線推進，因此將這種自由彎曲裝備稱為三軸構型。三軸及其過渡構型的差異在于彎曲模與導向機構之間是否存在配合接觸。圖3a所示為三軸構型，彎曲模不與導向機構連接，成形過程中彎曲模的運動姿態隨管材形狀的變化而變化。圖3b所示為三軸過渡構型，彎曲模除了與球面軸承接觸之外，其尾部還與導向機構連接；在彎曲模偏心運動過程中，其尾部和導向機構之間的接觸約束可控制彎曲模的偏轉角度，三軸過渡構型中彎曲模運動的穩定性更高。

圖2 三軸構型Fig.2 Tri-axial configuration

圖3 原理示意圖Fig.3 Schematic diagram

1.2 五軸構型

三維自由彎曲裝備五軸構型的成形原理與三軸構型基本相同，即通過彎曲模在xy平面內偏離管材軸線產生彎矩，同時管材軸向（z向）送進被推入彎曲模與導向機構之間的變形區內，進行彎曲變形。圖4所示為五軸構型的主要組成部件。與三軸構型相比，五軸構型增加了兩臺用于控制彎曲模運動軌跡的伺服電機，實現了彎曲模轉動角速度及轉動角度的主動控制，其成形精度相比三軸構型更高。三軸構型的彎曲模在xy平面內的平動依靠球面軸承帶動，彎曲模繞xy二軸的轉動則依靠彎曲模與球面軸承、導向機構之間的連接實現。這種條件下彎曲模的轉動角度完全由彎曲模偏心距離決定，無論是在成形過渡段1或是圓弧段過程中，彎曲模轉動角度都無法達到與管材彎曲軸線垂直的角度，導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，由于三軸構型中彎曲模與球面軸承、導向機構之間配合連接，彎曲模的最大偏心距受到模具幾何約束的限制，進而導致三軸構型所能達到的管材成形極限較低，最小彎曲半徑僅為 3.0D，而五六軸構型能達到2.0D。五軸構型在三軸構型的基礎上對彎曲模的轉動自由度進行釋放。具體表現為取消彎曲模與球面軸承、導向機構的連接設計，并通過增加伺服電機將彎曲模的轉動自由度都設置為主動。相較于三軸構型，五軸構型的優勢在于：① 彎曲模的轉動角度不受彎曲模偏心距影響，可主動調整，通過調整彎曲模轉動角，使其與管材彎曲軸線保持實時垂直，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構，彎曲模與導向機構的設計自由度更大，因此五軸構型可以適用于各種異形截面形狀管材、型材的彎曲造型。

見圖5所示，五軸構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，即第二旋轉軸β方向平行于管材軸線方向。圖5a為五軸構型的另一種形式，即β方向通過彎曲模中心且平行于y軸方向。圖5b中的彎曲模要實現繞垂直管材方向的轉動（圖5a中的β向），需經過兩個步驟（先繞圖5b中β向轉動一定角度后再繞α方向轉動），而圖5a直接繞其β向轉動即可。正是由于這一點，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 五軸構型主要部件[11]Fig.4 main parts of five-axis configuration

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

1.3 六軸構型

六軸構型的主要機構簡圖見圖6。與五軸構型相比，其在彎曲成形構件中增加了一個伺服電機，控制彎曲機構繞z軸的轉動運動，以進一步提高彎曲模的轉動自由度，進而可在彎曲過程中實現軸線扭曲彎制。

在五軸和六軸構型的自由彎曲裝備中，有時需要在彎曲模與導向機構之間設置柔性芯棒，以減小彎曲變形區內管材的截面畸變程度與壁厚減薄量。對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 基于串聯機器人的三維自由彎曲成形裝備

在汽車行業，高強度鋼已應用于車身結構，以提高碰撞安全性和實現輕量化車身。高強鋼熱沖壓成形只適用于開放橫截面結構件，對于具有連續的封閉截面的空管狀結構件，目前常用的液壓成形的最大拉伸強度僅達到 980 MPa，無法成形一些拉伸強度超過1400 MPa的超高強度鋼。用于成形超高強度封閉截面構件的方法是熱沖壓點焊，但這種方法成形后往往附帶一個凸緣，降低結構完整性和整體剛度。針對這個問題，日本新日鐵和住友金屬公司開發了一種基于串聯機器人的三維熱彎及在線淬火技術(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所示為基于串聯機器人的三維熱彎及在線淬火技術(3DQ)過程的原理示意圖。成形初始時刻，管材的尾端規定于推進器上，中間直段部分固定于支撐輥或支撐導向器中。成形過程開始后，管材在推進器的作用下通過加熱及淬火裝置，被感應加熱器迅速加熱后進行直接淬火，淬火溫度高于Ac3。與此同時，彎曲或扭曲的力矩通過機器人施加到管材前部夾持段上。由于加熱部分的屈服應力低，因此該時刻的變形集中在該加熱部分中。彎曲部分通過水冷淬火，拉伸強度提高到1470 MPa或更高。通過連續進行該工序，可以得到具有復雜的三維彎曲形狀的超高拉伸強度的構件。3DQ技術具有以下特點： ①成形構件的抗拉強度達到1470 MPa或更高； ②回彈量極小，高成形精度； ③構件的殘余應力較低； ④可以成形中空管狀結構，相交傳統技術，零件及模具數量，成本降低； ⑤可以一次整體成形復雜彎曲形狀構件。通過將 3DQ技術應用于汽車部件，預計將有助于減輕汽車的重量同時提高碰撞安全性。目前利用 3DQ技術制造的部件已應用于車門防撞梁和座椅部件，預計在不久的將來應用于車身結構部件。

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

圖9 基于單臂串聯機器人的3DQ裝備機構簡圖Fig.9 Single arm robot type 3DQ machine

圖9所示為基于單臂串聯機器人的3DQ裝備機構簡圖。該裝備具有非常簡單的結構，并且由于可以通過機器人的關節柔性而不需要增加特殊的扭轉機構，所以實現了機器設備的簡單和緊湊。該裝備適用于成形中小尺寸的管材及簡單形狀的部件。這種類型是最通用的3DQ裝備。圖10所示為基于雙臂串聯機器人的 3DQ裝備機構簡圖。在單臂型中，當彎曲復雜部件時，機器人以高速執行復雜的軌跡運動，存在移動量和加速度增加的趨勢，反復頻繁的加速和減速引起振動和延遲，導致軌道偏差，影響成形精度。而在雙臂式3DQ裝備中，3個機器人是協作控制的。“加熱淬火機器人”安裝了冷卻裝置、支撐輥以及加熱線圈，并且在該系統中是僅有的單臂機器人。“彎曲機器人”夾持管材前端并在成形過程的后半段對管材進行彎曲加工。“送料機器人”夾持管材尾端對管材產生推進作用。通過優化每個機器人的操作，可以大大降低其加速度，從而提高產品的尺寸精度。

圖10 基于雙臂串聯機器人的3DQ裝備機構簡圖Fig.10 Dual arm robot type 3DQ machine

1.5 基于并聯機器人的三維自由彎曲成形裝備

圖11所示為基于Stewart-Gough platform并聯機構的六軸自由彎曲裝備示意圖。基于并聯機構的六軸自由彎曲裝備與上述三軸、五軸以及六軸構型主要區別在于對彎曲模運動的控制方式，三軸、五軸以及六軸構型的自由彎曲裝備中對彎曲模各個運動自由度的運動控制（包括彎曲模在xy平面的兩個平動自由度及其繞xyz軸的3個轉動自由度）是由多個伺服電機聯合驅動的，而基于并聯機構的六軸自由彎曲裝備中彎曲模固定在并聯機構的運動平臺上，通過電液伺服系統并行調控伸縮桿件的長度，可準確實現彎曲模在空間內全自由度的復雜運動軌跡。得益于并聯機構的高精度、高剛度及較大的承載能力，與傳統構型的自由彎曲裝備相比，基于并聯機構的自由彎曲裝備在成形大尺寸厚壁管材時仍能獲得較好的成形質量和成形精度；同時并聯機構所需的工作空間較小，對于同一種尺寸的管材，基于并聯機構的六軸自由彎曲裝備比傳統構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結構主要有以下兩種形式：德國弗朗霍夫學會模具所和日本機床促進會技術研究院所研發的基于 Stewart-Gough platform并聯機構的自由彎曲成形裝備；日本東京工業大學機械工程系研發的基于3-RPSR并聯機構的自由彎曲成形裝備。并聯機構可采用不同的固定形式，圖12所示為基于立式并聯機構的自由彎曲成形裝備，并聯機構安裝固定方向與管材軸向垂直，彎曲模固定于動平臺之上；圖13中的并聯機構安裝固定方向與管材同軸，彎曲模嵌套于動平臺中心，這種形式被稱為基于臥式并聯機構的自由彎曲成形裝備。

圖11 基于Stewart-Gough platform并聯機構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 基于立式并聯機構的自由彎曲裝備Fig.12 Free-bending forming equipment based on vertical parallel mechanism

圖13 基于臥式并聯機構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鍵技術

2.1 三維自由彎曲成形數值模擬關鍵技術

三維自由彎曲成形為復雜非線性動態問題，涉及材料非線性、邊界條件非線性、載荷非線性等，這種問題的求解計算需要具有顯式求解器的仿真程序如LS-DYNA、ABAQUS等有限元數值模擬軟件才能完成。三維自由彎曲成形有限元數值模擬過程可以分為以下4大步驟。

1) 確定模具尺寸。根據坯料的尺寸（如外徑、壁厚等）、空心彎曲構件的設計尺寸（如最小彎曲半徑、總長度等）及管件的質量要求（如表面質量、壁厚均勻性等），確定各模具的具體尺寸，特別是彎曲模和導向機構前端的距離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。根據確定好的各模具尺寸，利用CATIA、UG等三維繪圖軟件建立簡化的CAD模型。

3) 工藝計算。根據直段和彎段的過渡段1、圓弧段、過渡段2對目標管件進行分段，建立上述每一小段過程中x,y,z三個方向驅動機構運動速度u與運動時間t之間的函數關系。如下所示，為工藝計算示例：

分段長度計算：

段1（直線段1）：L1=l1

段2（過渡段1）：

段4（過渡段2）：S3=A

段5（直線段2）：L2=l2-A

段6（過渡段3）：

段8（過渡段4）：S3=A

……

分段速度計算：

設置z向運動速度為勻速，速度為v，彎曲模運動速度為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) 數值模擬。將自由彎曲的三維模型導入ABAQUS（實體單元）或LS-DYNA（殼單元）等仿真模擬軟件后，完成具體的參數設置過程并提交計算。

圖14 三軸和五軸構型的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型、五軸構型的ABAQUS有限元模型。對于三軸構型來說，管材設置為變形體殼體，網格劃分為 S4R類型，彎曲模設置為可變形實體，網格劃分為C3D10M。其余模具部件均設置為剛體，網格劃分為C3D8R類型。分析步設置為動力顯式，增加壁厚、坐標輸出設置。所有部件之間的相互接觸均為通用接觸，通用接觸設置為全局切向罰函數，摩擦因數設置為 0.02～0.10（模具內壁附有潤滑膜，故模具和管之間的摩擦因數非常小）。載荷設置中壓緊機構和導向機構設置為xyz方向完全固定，推進機構設置沿z向的預定運動速度，其余方向速度設為0，球面軸承設置沿x和y方向的預定運動速度，其余方向速度設為0。對于五軸、六軸構型來說，彎曲模為主動運動，和其他機構一樣設置為剛體，網格類型設為C3D10M。管材設置為變形體殼體，網格劃分為 S4R類型。分析步、接觸設置等設置過程與三軸構型有限元模型類似。載荷設置中壓緊機構和導向機構設置為xyz方向完全固定，推進機構設置沿z向的指定運動速度，其余方向速度設為0，彎曲模在局部坐標系中定義其平動速度和轉動角速度。圖15所示為液壓系統用空間復雜管件的分步模擬結果。

圖15 液壓系統用空間復雜管件的分步模擬結果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

在管材三維自由彎曲成形過程中，原始管坯的截面尺寸、彎曲剛度、彈性模量、屈服強度等參數均會影響成形后的彎曲半徑精度。對于不同材料、不同截面尺寸的原始管坯，即使彎曲模偏心距U不發生變化，彎曲半徑R仍會在一定范圍內呈現出不同的數值。在針對空心構件進行彎曲成形時，需針對不同的彎曲半徑提出相應的修正系數，以實現對理論公式的修正，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關系數據庫，針對不同材料、幾何尺寸、熱處理狀態的坯料成形，需首先找到針對理論公式的彎曲修正系數。然后根據管件實際尺寸（通過導入IGES、STEP數據或通過接觸式測量、激光掃描得到）確定相應修正系數的大小，制定相應的工藝參數，并將工藝參數發送到仿真模擬系統中實施模擬。模擬過程中實時對比已經成形出的管材尺寸與 CAD模型的尺寸偏差，并對成形工藝參數進行反復迭代計算和數據校正以實現首次糾偏，最終得到初步的工藝參數。將經過首次糾偏后的成形工藝參數發送至自由彎曲成形裝備，執行實際彎曲成形過程。成形過程中，實時測量已經成形出的彎曲構件各節點之間的相對位置關系，與CAD模型再次對比，并根據對比結果對尚未成形管材的成形工藝參數進行進一步在線修正，實現幾何尺寸的在線糾偏。圖16為仿真模擬系統中的模擬成形界面，圖17為實際成形管件與設計模型的對比界面。經過幾何尺寸的一次校正及在線糾偏后，可實現管件的高精度、自動化生產。

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

圖17 實際成形管件與CAD模型的對比Fig.17 Comparison between actual formed tube and CAD model

2.3 難變形材料的溫熱自由彎曲成形技術

隨著航空航天事業的高速發展，對鈦合金、高溫合金等其他難變形材料彎曲成形的需求逐漸增多。對于鈦合金板材來說，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致的熱應力應變使金屬板材達到預定的變形，并改善其性能。鈦合金管材的激光彎曲成形機制是Buckling機制和增厚機制的疊加，彎曲過程中彎曲內側增厚現象明顯，同時加工硬化對金屬材料的硬度有較大影響[28]。高溫合金在成形加工過程中，存在常溫下變形抗力巨大、零件回彈嚴重、材料加工硬化嚴重等問題。以上缺陷導致上述難變形材料在室溫條件下進行塑性成形較為困難，而溫熱彎曲成形則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熱成形模塊能夠實現常溫下難變形材料的溫熱自由彎曲成形。圖18所示為溫熱彎曲成形裝置示意圖，其中的感應線圈加熱模塊包括高頻感應線圈和絕緣隔熱層，通電后高頻感應線圈產生交變磁場，在工件中產生出同頻率的感應電流，這種不均勻分布的感應電流產生集膚效應，可使工件表面迅速加熱，而絕緣隔熱層可防止熱量散失，通過此模塊能夠將進入彎曲模的管材加熱至設定溫度，進而實現難變形材料的溫熱彎曲成形。

圖18 溫熱自由彎曲成形裝置Fig.18 Schematic diagram of warm free-bending forming equipment

3 三維自由彎曲成形裝備及技術的工程應用

空心彎曲構件是工業各領域的重要零部件，各種截面形狀的復雜彎曲構件在航空航天、核電、汽車、艦船、石化、建筑以及其他民用工業等諸多領域具有重要而廣泛的應用[29]。常規彎曲成形技術，如數控繞彎、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單、彎曲半徑不連續變化及存在過渡直段彎曲構件的成形。對于具有三維空間軸線、異型復雜截面、變曲率半徑、無直段連續彎曲等特征彎曲構件，常規彎曲成形技術則具有一定的局限性，無法滿足上述復雜構件的快速一次成形。三維自由彎曲成形技術是塑性成形領域近年來的一項重要的技術創新[32]，能夠實現管材、型材復雜彎曲構件的快速精確三維成形。與傳統彎曲成形方法相比，該技術主要通過控制彎曲模具在三維空間內的運動軌跡實現彎曲空心構件的柔性、精確成形，顯著提高了構件的幾何精度及復雜程度。另外，在三維自由彎曲成形過程中，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力，從而使管坯應變中性層由彎曲內側向外移動，改善了彎曲段外側的壁厚減薄情況，提高了彎曲構件的壁厚整體均勻性。

3.1 航空航天工程領域

在航空領域，飛機及其發動機對重量及空間的要求越來越嚴格，變彎曲半徑、軸線為空間曲線的復雜彎管的空間構型更為靈活，可以有效利用發動機的外部空間大大降低管路系統重量，對提高航空發動機的推重比具有重要意義，廣泛應用于航空飛機上的操縱部件、壓氣機部件、引氣管路、空調管路、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所示為飛機發動機復雜管路系統。對于規格眾多的復雜彎曲構件，國內外航空航天制造單位甚至依然采用半自動工制造的方法[33]，其形狀、尺寸以及性能都難以保證。目前利用常規制造技術生產導管類部件無法進行三維空間軸線的自由化設計，無法充分利用飛機有限的內部空間，進而導致整個管路系統重量增加，所占內部空間增大，飛機各部分組件的整體結構緊湊性降低，造成裝備管路或其他結構設計過度冗余，導致飛機空間利用率、使用壽命、安全性等重要指標難以保證。相較于傳統成形技術，三維自由彎曲成形技術具備較大的技術優勢，采用該技術能夠輕松滿足航空器用空心復雜彎曲構件的成形精度和成形質量要求。

圖19 航空發動機復雜管路系統Fig.19 Aero engine tube line

在航天領域，各種形狀的彎曲構件作為管路系統的主要元件，對保證火箭動力系統和控制系統的穩定工作發揮了重要作用（見圖20）。空間運載火箭中液態氫和液態氧的燃料管道系統和加油管路系統中均需要大量的復雜空心彎曲構件，以承擔介質的運輸任務。目前，制造這些性能要求較高的管件一般采用無縫焊接技術，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、耗時較長等缺陷，且管路發生漏油的概率也較高。三維自由彎曲成形技術可以實現復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 運載火箭管路系統中的管件Fig.20 Tubes in carrier rocket tube system

3.2 核能工程領域

在核電工程各種管道回路、蒸汽發生器、熱交換器、冷凝水供水管路等系統中，各種復雜形狀的異徑、異型截面管對提高核管路系統的柔性、穩定性和安全性具有重要意義。如圖21所示，上述構件得到了廣泛的應用。彎管成形工藝是管道制造中的核心技術，大直徑小彎曲半徑管道彎曲成形過程中空間尺寸的精確控制給主管道的制造帶來了巨大的挑戰，也是管道國產化制造中的技術難點之一[35]。核電管道用復雜管件的彎制大多采用冷彎方式進行，為了精確控制管材尺寸，傳統核電系統彎管成形方法必須綜合考慮彎管用芯模的設計、芯模的裝填方式以及水壓機的性能；另外，對接管嘴位置的尺寸控制也為技術難點之一。

圖21 核電冷卻劑管道中的復雜彎管構件Fig.21 Complex bend member in nuclear power coolant pipeline

采用三維自由彎曲成形裝備進行復雜彎管彎曲成形時，可以通過裝備配備的模擬仿真軟件對比模擬成形后的彎管和所要彎曲的CAD模型的尺寸偏差，并進而修正彎曲成形工藝參數。成形后的彎管也可以通過裝備配備的激光掃描系統掃描成形后彎管的彎曲半徑、彎曲角度、直段長度等尺寸參數，并再次與所要彎曲的CAD模型對比，從而徹底解決材料回彈引起的尺寸偏差。同時，可通過定義管材節點坐標的方法，實現彎曲段和直段各處節點坐標的精確控制。相較于傳統金屬構件彎曲成形方法，采用三維自由彎曲成形裝備成形核電管道構件時具有更高的尺寸精度和更低的生產制造成本，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焊鈑金零件。這些零件大多通常是先進行彎曲并附加液壓成形。然而，傳統的彎曲過程旋轉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，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在汽車制造中的應用。

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

3.4 醫療工程領域

在醫療工程領域，彎曲構件由于其自身的柔性結構特點，作為輔助人體運動的醫療器械，圖23所示為彎曲狀的拐杖和抗震顫矯形器。此類產品通常應該根據不同患者的個體差異性或要求而定制，從而通常具有不同的彎曲半徑，且形狀較為復雜。三維自由彎曲成形技術得益于其柔性成形的優勢，在制造定制醫療器械時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 建筑裝飾領域

在建筑工程領域，各種形狀的彎曲承力構件廣泛分布在涵洞、橋梁、鐵塔等大型支撐彎曲型鋼結構中，見圖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，制造這些構件的傳統方法是采用壓彎或拉彎再分段焊接，這種方法生產效率低，同時由于焊縫可能在使用過程中出現疲勞裂紋，經過長期使用后較易出現安全隱患。三維自由彎曲成形裝備針對大的彎曲半徑無需采用大尺寸模具，只需彎曲模發生小的位移，材料即可彎制成大半徑弧度。同時由于是一次彎制成形，三維自由彎曲成形的構件相比于傳統彎曲裝備成形的構件在高強高壓的工作環境下擁有更高的強度極限。

復雜形狀的彎曲產品在建材裝飾領域也有著廣泛的應用，如室內家具和城市外景工藝品等，見圖25。充分發揮了三維自由彎曲成形裝備柔性成形以及可實現彎曲半徑和彎曲方向連續變化的優勢，能夠最大程度上實現設計師的設計思路。

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

圖24 彎曲承力構件在建筑工程領域的應用Fig.24 Application of bending component in construction engineering

圖25 三維自由彎曲技術在建筑建材領域的應用Fig.25 Application of three dimensional free-bending in architecture and decoration

4 結論

三維自由彎曲成形技術是一種新興的柔性、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值模擬技術、幾何尺寸一次校正及在線技術、難變形材料的溫熱自由彎曲成形技術等關鍵技術，相較于傳統數控彎曲裝備具有極大的技術優勢和發展空間。隨著三維自由彎曲成形技術相關理論研究的完善以及相關裝備的研發，三維自由彎曲成形技術及其裝備必將在我國各工程領域得到廣泛應用。