本发明属于金属管件塑性加工领域，具体涉及一种四轴自由弯管机，用于复杂空间管件自由弯曲的成形机。
背景技术：
空间管件自由弯曲成形工艺可用于实现复杂管件(如螺旋管、样条管等)的弯曲成形。与传统数控绕弯工艺相比，自由弯曲工艺所能成形的管件种类更多，形状更复杂，成本更低。目前，中国专利cn106475445提供了一种五轴自由弯曲成形机；中国专利cn207127041u提供了一种极坐标系控制的三维自由弯曲成形机构。这些自由弯曲成形机的特点是送料机构仅提供送进推力，而不提供扭转运动。模具运动控制模块主要集中于弯曲部位，往往需要实现3到4个自由度的运动，机构运动实现相对复杂。模具运动控制模块在实现3到4个自由度的过程中，需要对每个自由度单独配置电机、减速机等部件。这些部件集中于弯曲部位，占用大量空间，不利于实现较小弯曲半径管件的成形。
针对上述问题，本发明拟提供一种新型四轴自由弯曲成形方案。
技术实现要素：
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种四轴自由弯管机，其中管材送进模块1和弯曲方向操控模块6均为直线滑台模组，用于管材的送进和方向操控；通过模具操控模块5操控模具组4运动，实现不同的弯曲半径。使得管材在送进过程中，发生转动来改变弯曲平面。
本发明的技术方案是：一种四轴自由弯管机，其特征在于：包括管材送进模块1、夹钳扭转模块2、辅助导向模块3、模具组4、模具操控模块5、弯曲方向操控模块6和机架7；
所述管材送进模块1和弯曲方向操控模块6均为底面固定于机架7上的直线滑台模组，相互垂直设置，其滑台的台面能够相对于底面做直线滑动；所述夹钳扭转模块2固定于管材送进模块1的滑动面上，用于夹持管材8的一端，能够实现管材的送进和扭转；所述辅助导向模块3固定于机架7上，并位于夹钳扭转模块2和模具组4之间，用于保证管材8的送进方向；
所述模具组4包括球头形固定模12、连接球碗13和球形活动模14；球头形固定模12通过固定座安装于机架7上，与管材8送进方向同轴；所述球头形固定模12和球形活动模14中心轴处均开有通孔，用于穿过管材8，并通过连接球碗13活动连接；连接球碗13由两个半球碗结构组成两端开口的球壳，并通过螺钉固定为一体，其内表面位于同一球面与球头形固定模12的外球面间隙配合，能够绕球头形固定模12的球心转动；球形活动模14的外球面与连接球碗13小径端端口间隙配合安装，通过相对转动实现管材8的弯曲成形；
所述模具操控模块5包括电机15、减速箱16、花键筒17、花键轴18、固定铰链座19和活动铰链20；固定铰链座19固定于弯曲方向操控模块6的滑台面上，减速箱16通过活动铰链20与固定铰链座19铰接，铰链轴与管材8送进方向平行；减速箱16的输入端与电机15连接，其输出轴与花键筒17同轴连接；花键轴18为伸缩结构，轴向与与管材8送进方向垂直，其一端同轴与花键筒17固定连接，另一端与连接球碗13外壁固定连接；通过电机15和减速箱16驱动花键筒17转动，进而带动连接球碗13绕球头形固定模12的球心转动，使活动模14偏离其初始位置，实现管材8弯曲。
本发明的进一步技术方案是：所述夹钳扭转模块2包括三爪卡盘，所述三爪卡盘通过底座固定于所述夹钳扭转模块2的滑台面上，能够随滑台面沿送进方向移动。
本发明的进一步技术方案是：所述辅助导向模块3包括若干三角架9、2根导轨10和2根拉力绳11；2根导轨10相互平行固定于机架7上，并位于管材送进模块1的两侧，且平行于管材8的送进方向；所述三角架9上开有3个轴向相同的孔，其中2个孔分别用于穿过2根导轨10，另1个孔用于穿过管材8，均为间隙配合能够相对滑动，用于防止送进过程中管材8发生失稳；所述拉力绳11的一端固定于机架7上，另一端固定于管材送进模块1的滑台面上，其中间通过螺钉与三角架9连接；2根拉力绳11分别设置于三角架9的两侧，当管材8送进完成后，拉力绳11在管材送进模块1滑台面的复位反向拉力作用下，同时牵动三角架9复位。
本发明的进一步技术方案是：所述模具组4的球形活动模14的通孔为轴向中点处收敛两端扩张的结构，其通孔轴向中点到一侧端口之间的内壁为内锥面，到另一侧端口之间为内圆弧旋转面，用于穿过待加工管材；球头形固定模12的一端为半球形结构，另一端为与所述半球形同轴的阶梯轴，所述阶梯轴尾端通过螺纹和螺母固定于机架7上；连接球碗13的小径端内壁为球面，与球形活动模14的外球面间隙配合安装，同时保证球形活动模14的内圆弧旋转面端口朝向球头形固定模12。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明中，模具组采用的是球头式固定模、连接球碗和球形活动模组成的结构。该结构的特点是，管材弯曲半径由活动模绕固定模球心的转角决定。活动模可绕送进轴线360°旋转，有利于进行弯曲方向的调整。模具操控模块通过花键轴和花键筒驱动活动模运动，模具操控模块铰接于弯曲方向操控模块。该方案有效避免了部件集中在弯曲模位置的问题，更有利于实现小弯曲半径管件的成形。弯管过程中，夹钳扭转模块和弯曲方向操控模块一起工作时，能够在不影响成形的条件下改变管件的状态，避免已成形的管材与机床发生碰撞。
附图说明
图1为本发明的装配及工作原理图；
图2为辅助导向模块的结构特征图；
图3为模具组结构特征图；
图4为模具操控模块结构特征图；
图5为模具组与花键轴连接位置的爆炸图；
附图标记说明：1-管材送进模块；2-夹钳扭转模块；3-辅助导向模块；4-模具组；5-模具操控模块；6-弯曲方向操控模块；7-机架；8-管材；9-三角架；10-导轨；11-拉力绳；12-球头形固定模；13-连接球碗；14-球形活动模；15-电机；16-减速箱；17-花键筒；18-花键轴；19-固定铰链座；20-活动铰链。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1，本发明一种四轴自由弯管机包括管材送进模块1、夹钳扭转模块2、辅助导向模块3、模具组4、模具操控模块5、弯曲方向操控模块6和机架7；
所述管材送进模块1和弯曲方向操控模块6均为底面固定于机架7上的直线滑台模组，相互垂直设置，其滑台的台面能够相对于底面做直线滑动；所述夹钳扭转模块2包括三爪卡盘，所述三爪卡盘通过底座固定于所述夹钳扭转模块2的滑台面上，能够随滑台面沿送进方向移动，用于夹持管材8的一端，能够实现管材的送进和扭转；
参照图2，所述辅助导向模块3固定于机架7上，并位于夹钳扭转模块2和模具组4之间，用于保证管材8的送进方向；所述辅助导向模块3包括若干三角架9、2根导轨10和2根拉力绳11；2根导轨10相互平行固定于机架7上，并位于管材送进模块1的两侧，且平行于管材8的送进方向；所述三角架9上开有3个轴向相同的孔，其中2个孔分别用于穿过2根导轨10，另1个孔用于穿过管材8，均为间隙配合能够相对滑动，利用三角架9的稳定性防止送进过程中管材8发生失稳；三角架9为活动式，能够沿着导轨10滑动。工作过程中，在滑台面的推动下，三角架9沿着导轨10向模具组4方向移动。在移动过程中，三角架9能够支撑管材，防止管材发生失稳。所述拉力绳11的一端固定于机架7上，另一端固定于管材送进模块1的滑台面上，其中间通过螺钉与三角架9连接；2根拉力绳11分别设置于三角架9的两侧，当管材8送进完成后，拉力绳11在管材送进模块1滑台面的复位反向拉力作用下，同时牵动三角架9复位。
参照图3，所述模具组4包括球头形固定模12、连接球碗13和球形活动模14，球头形固定模12通过固定座安装于机架7上；所述球头形固定模12和球形活动模14中心轴处均开有通孔，用于穿过管材8，并通过连接球碗13活动连接；球形活动模14的通孔为轴向中点处收敛两端扩张的结构，其通孔轴向中点到一侧端口之间的内壁为内锥面，到另一侧端口之间为内圆弧旋转面，用于穿过待加工管材；球头形固定模12的一端为半球形结构，另一端为与所述半球形同轴的阶梯轴，所述阶梯轴尾端通过螺纹和螺母固定于机架7上；连接球碗13由两个半球碗结构组成两端开口的球壳，并通过螺钉固定为一体，其内表面位于同一球面与球头形固定模12的外球面间隙配合，能够绕球头形固定模12的球心转动；连接球碗13的小径端内壁为球面，与球形活动模14的外球面间隙配合安装，同时保证球形活动模14的内圆弧旋转面端口朝向球头形固定模12，通过相对转动实现管材8的弯曲成形。管材8通过内孔穿过球头形固定模12和球形活动模14，当连接球碗13绕球头形固定模12的球心转动时，强制管材8发生弯曲，此时管材送进模块1启动，即可成形出弯曲管件。
参照图4和5，所述模具操控模块5包括电机15、减速箱16、花键筒17、花键轴18、固定铰链座19和活动铰链20，用于操控模具组4运动，实现管材8不同的弯曲半径；固定铰链座19固定于弯曲方向操控模块6的滑台面上，减速箱16通过活动铰链20与固定铰链座19铰接，铰链轴与管材8送进方向平行；减速箱16的输入端与电机15连接，其输出轴与花键筒17同轴连接；花键轴18为伸缩结构，其一端同轴与花键筒17固定连接，另一端与连接球碗13外壁固定连接；电机15通过减速箱16驱动花键筒17转动，进而带动连接球碗13绕球头形固定模12的球心转动，使活动模14偏离其初始位置，实现管材8弯曲。
弯曲过程中，球形活动模14在模具操控模块5的操控下，使管材8发生塑性变形。夹钳扭转模块2夹持着管材8的一端，管材送进模块1启动，由管材送进模块1提供推动力，确保管材8源源不断地通过模具组4。夹钳扭转模块2启动，夹持着管材8旋转，可在成形过程中不断改变弯曲平面，最终在多轴联动下成形出空间复杂管件。当成形的金属管件过于复杂时，可能与机床发生碰撞，此时弯曲方向操控模块6和夹钳扭转模块2相配合，可实现弯曲方向的变换，有效避免碰撞的发生。花键筒17和花键轴18的伸缩功能能够补偿消除弯曲方向操控模块6运动过程中模具操控模块5和模具组之间的距离变化，确保弯曲过程的连续性和稳定性。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
1.一种四轴自由弯管机，其特征在于：包括管材送进模块(1)、夹钳扭转模块(2)、辅助导向模块(3)、模具组(4)、模具操控模块(5)、弯曲方向操控模块(6)和机架(7)；
所述管材送进模块(1)和弯曲方向操控模块(6)均为底面固定于机架(7)上的直线滑台模组，相互垂直设置，其滑台的台面能够相对于底面做直线滑动；所述夹钳扭转模块(2)固定于管材送进模块(1)的滑动面上，用于夹持管材(8)的一端，能够实现管材的送进和扭转；所述辅助导向模块3固定于机架(7)上，并位于夹钳扭转模块(2)和模具组(4)之间，用于保证管材(8)的送进方向；
所述模具组(4)包括球头形固定模(12)、连接球碗(13)和球形活动模(14)；球头形固定模(12)通过固定座安装于机架(7)上，与管材(8)送进方向同轴；所述球头形固定模(12)和球形活动模(14)中心轴处均开有通孔，用于穿过管材(8)，并通过连接球碗(13)活动连接；连接球碗(13)由两个半球碗结构组成两端开口的球壳，并通过螺钉固定为一体，其内表面位于同一球面与球头形固定模(12)的外球面间隙配合，能够绕球头形固定模(12)的球心转动；球形活动模14的外球面与连接球碗(13)小径端端口间隙配合安装，通过相对转动实现管材(8)的弯曲成形；
所述模具操控模块(5)包括电机(15)、减速箱(16)、花键筒(17)、花键轴(18)、固定铰链座(19)和活动铰链(20)；固定铰链座(19)固定于弯曲方向操控模块(6)的滑台面上，减速箱(16)通过活动铰链(20)与固定铰链座(19)铰接，铰链轴与管材(8)送进方向平行；减速箱(16)的输入端与电机(15)连接，其输出轴与花键筒(17)同轴连接；花键轴(18)为伸缩结构，轴向与与管材(8)送进方向垂直，其一端同轴与花键筒(17)固定连接，另一端与连接球碗(13)外壁固定连接；通过电机(15)和减速箱(16)驱动花键筒(17)转动，进而带动连接球碗(13)绕球头形固定模(12)的球心转动，使活动模(14)偏离其初始位置，实现管材(8)弯曲。
2.根据权利要求1所述四轴自由弯管机，其特征在于：所述夹钳扭转模块(2)包括三爪卡盘，所述三爪卡盘通过底座固定于所述夹钳扭转模块(2)的滑台面上，能够随滑台面沿送进方向移动。
3.根据权利要求1所述四轴自由弯管机，其特征在于：所述辅助导向模块(3)包括若干三角架(9)、2根导轨(10)和2根拉力绳(11)；2根导轨(10)相互平行固定于机架(7)上，并位于管材送进模块(1)的两侧，且平行于管材(8)的送进方向；所述三角架(9)上开有3个轴向相同的孔，其中2个孔分别用于穿过2根导轨(10)，另1个孔用于穿过管材(8)，均为间隙配合能够相对滑动，用于防止送进过程中管材(8)发生失稳；所述拉力绳(11)的一端固定于机架(7)上，另一端固定于管材送进模块(1)的滑台面上，其中间通过螺钉与三角架(9)连接；2根拉力绳(11)分别设置于三角架(9)的两侧，当管材(8)送进完成后，拉力绳(11)在管材送进模块(1)滑台面的复位反向拉力作用下，同时牵动三角架(9)复位。
4.根据权利要求1所述四轴自由弯管机，其特征在于：所述模具组(4)的球形活动模(14)的通孔为轴向中点处收敛两端扩张的结构，其通孔轴向中点到一侧端口之间的内壁为内锥面，到另一侧端口之间为内圆弧旋转面，用于穿过待加工管材；球头形固定模(12)的一端为半球形结构，另一端为与所述半球形同轴的阶梯轴，所述阶梯轴尾端通过螺纹和螺母固定于机架(7)上；连接球碗(13)的小径端内壁为球面，与球形活动模(14)的外球面间隙配合安装，同时保证球形活动模(14)的内圆弧旋转面端口朝向球头形固定模(12)。
技术总结