本发明属于金属管件塑性加工领域，具体涉及一种用于自由弯曲成形工艺的双球碗式模具。
背景技术：
管件自由弯曲成形工艺可实现复杂金属管件(如螺旋管、变曲率管等)的加工成形。与传统管件绕弯成形装备相比，自由弯曲成形的管件弯曲半径和弯曲角度可同时具有柔性，对模具的依赖性较低。从结构特征上看，管件自由弯曲成形模具主要由固定模、活动模和连接附件组成。
中国专利cn207615432u中提供了一种球碗式型腔模具，活动模为带有连接尾的球形结构，连接尾与球形导向相接触。弯曲过程中，通过操纵活动模在垂直于送进方向的平面内的移动来控制弯曲半径和弯曲方向。该结构的优点是活动模的位移和转角都由操控机构控制，精度较高。但活动模不能自由转动会导致成形曲率集中于固定模出口处，使得推动阻力大幅增加，成形管件表面磨损严重。
为了降低推动阻力改善管件表面磨损程度，本发明提供了一种新型双球碗式模具。
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，本发明提出一种用于自由弯曲成形工艺的双球碗式模具，活动模和固定模均为中空球形结构，连接附件为双球碗式结构，分别与固定模和活动模的外球面配合。固定模和活动模的相对距离由连接附件上两个球碗之间的距离精确保证。弯曲过程中，连接附件绕固定模球心转动一定角度，使活动模球心偏离管件初始中心线，进而使管件发生弯曲。活动模在连接附件的球碗中可旋转，能够根据弯曲半径的变化自适应调整方位。
本发明的技术方案是：一种用于自由弯曲成形工艺的双球碗式模具，其特征在于：包括活动模、连接附件和固定模，通过所述连接附件将所述活动模和固定模可拆卸连接；
所述活动模为轴向开有通孔的球形结构，所述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；
所述固定模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；所述固定模沿轴向开有中心孔作为导向孔，用于穿过待加工管材；
所述连接附件包括外端盖、内嵌环、前半球碗和后半球碗；所述前半球碗和后半球碗均为两端开口的半球碗状结构，其大径端通过螺钉沿周向固定连接，连接后前半球碗和后半球碗的内表面位于同一球面，与所述固定模的外球面配合安装；所述外端盖为法兰盘结构，其一侧端面同轴设置有圆环凸台，通过若干螺栓将外端盖固定于所述前半球碗小径端端面上，使得所述圆环凸台同轴安装于所述前半球碗端面上设置的圆凹槽内；所述外端盖沿中心轴开设的通孔的内壁为球面；所述内嵌环为圆环结构，其内环面为球面；所述内嵌环同轴嵌于所述外端盖的圆环凸台内，使得所述外端盖的通孔球面与所述内嵌环的内环球面位于同一球面，与所述活动模的外球面间隙配合安装，同时保证所述活动模的内圆弧旋转面端口朝向所述固定模。
本发明的进一步技术方案是：所述固定模半球形的端面上开有圆形凹槽，与所述导向孔同轴。
本发明的进一步技术方案是：所述固定模阶梯轴的尾端设置有外螺纹，通过螺母与安装机架固定。
本发明的进一步技术方案是：所述前半球碗小径端的直径小于所述后半球碗小径端的直径。
本发明的进一步技术方案是：所述活动模的通孔收敛处、所述固定模的通孔均与管材间隙配合。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提供一种新型双球碗式模具结构，采用两个球碗结构组成的连接附件对活动模和固定模进行可拆卸连接；连接附件能够绕固定模球心旋转，通过调整连接附件绕固定模球心的转角，实现管材的弯曲变形。
活动模球心位置由连接附件保证，采用内嵌环和外端盖对活动模进行限位；活动模在连接附件的内嵌环和外端盖内可转动，能够根据管材弯曲半径的变化自适应地调整方位，使活动模产生转动角，自适应转动角使活动模的内表面始终与管材外表面相切，从而能够起到减小推动阻力和管件表面划伤等作用。
所述活动模的内锥面的收敛处与管材外径间隙配合，活动模内锥面的大端直径和活动模轴向宽度均与最小弯曲半径有关。进行最小弯曲半径成形数值模拟，活动模处于稳定状态时，内锥面的外端线正好与连接附件的外端面接触，而活动模外侧弧面的边线与连接附件内侧端面接触(如图1所示)。该状态下可估算出活动模内锥面的大端直径和活动模轴向宽度，且所获得的值为最佳值，采用此方法确定活动模结构尺寸参数，能够在保证实现最小弯曲半径的同时，使得活动模的结构最简洁，质量最轻。
附图说明
图1为本发明的装配及工作原理图；
图2为活动模结构特征图；
图3为连接附件结构特征图；
图4为固定模结构特征图；
图5为活动模转角自适应原理图；
附图标记说明：1-活动模；2-连接附件；3-固定模；4-机架；5-螺母；6-夹钳；7-管材；8-活动模外球面；9-内锥面；10-圆弧旋转面；11-外端盖；12-内嵌环；13-前半球碗；14-后半球碗；15-固定模外球面；16-阶梯轴；17-螺纹；18-导向孔；19-平顶。
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。
活动模1和固定模3的球面部分通过连接附件2上的两个球碗相连接。固定模3的阶梯轴部分固定于机架4上，通过螺母5紧固。管材7穿过固定模3上的导向孔18和活动模1，活动模1上的圆弧旋转面10朝向固定模3。
弯曲过程中，连接附件2在操控机构的控制下使活动模球心偏离管材7的初始中心线，形成一定的弯曲角度。同时，夹钳6沿导向孔18方向移动，使管材毛坯通过活动模1，成形出弯曲管件。活动模1的圆弧旋转面10随着弯曲半径的变化自适应地调整方位。
现结合具体实施实例、附图对本发明技术方案进一步描述：
参照图1-图5，本发明提供了一种用于三维自由弯曲成形工艺的双球碗式模具，包括活动模1、连接附件2和固定模3。活动模1和固定模3的球面部分与连接附件2的两个球碗相配合。固定模3的阶梯轴部分与机架相连，通过螺母5紧固。管材7横穿固定模3的导向孔18和活动模1。弯曲过程中，连接附件2绕固定模3的球心转动一定角度，活动模1的球心偏离管材初始轴线，夹钳6推动管材7通过活动模1使管材发生弯曲。
活动模1如图2所示，外表面为球面，内表面由锥面9和圆弧旋转面10组成。球形的外表面使其在连接附件2的球碗中可以自由转动而不受约束，圆弧旋转面10为靠近固定模侧，工作过程中具有转角自适应功能。
所述活动模的内锥面的小端直径与管材外径相同，活动模内锥面的大端直径和活动模轴向宽度均与最小弯曲半径有关。进行最小弯曲半径成形数值模拟，活动模处于稳定状态时，内锥面的外端线正好与连接附件的外端面接触，而活动模外侧弧面的边线与连接附件内侧端面接触(如图1所示)。该状态下可估算出活动模内锥面的大端直径和活动模轴向宽度，且所获得的值为最佳值。采用此方法确定活动模结构尺寸参数，能够在保证实现最小弯曲半径的同时，使得活动模的结构最简洁，质量最轻。
连接附件2如图3所示，由外端盖11、内嵌环12、前半球碗13、后半球碗14和辅助螺钉组成，以便与机械加工和安装。前半球碗13和后半球碗14均为两端开口的半球碗状结构，其大径端通过螺钉沿周向固定连接，连接后前半球碗13和后半球碗14的内表面位于同一球面，与固定模3的外球面配合安装；外端盖11为法兰盘结构，其一侧端面同轴设置有圆环凸台，通过若干螺栓将外端盖11固定于前半球碗13小径端端面上，使得圆环凸台同轴安装于前半球碗13端面上设置的圆凹槽内；外端盖11沿中心轴开设的通孔的内壁为球面；内嵌环12为圆环结构，其内环面为球面；内嵌环12同轴嵌于外端盖11的圆环凸台内，使得外端盖11的通孔球面与内嵌环12的内环球面位于同一球面，与活动模1的外球面间隙配合安装，同时保证所述活动模的内圆弧旋转面端口朝向所述固定模。
固定模3如图4所示，由固定模外球面15、阶梯轴16、螺纹17、导向孔18和平顶19等特征组成。外球面15与连接附件2的其中一个球碗配合，阶梯轴16与机架4连接，用螺母5紧固。固定模3内置导向孔18,起送进导向功能，前端设置平顶19特征有助于缩短活动模1和固定模3球心之间的间距，进而有助于减小最小弯曲半径提升弯曲能力。
弯曲过程中，活动模转角自适应原理如图5，当连接附件2绕固定模球心的转角为α时，管材7随着夹钳6的推动发生弯曲变形。弯曲的管型会使活动模1的内侧圆弧旋转面上的载荷增大，进而产生绕活动模1球心的力矩，使活动模产生进一步的转动角β。自适应转动角β会使活动模1的内表面始终与管材外表面相切，从而有效减轻作用于夹钳6上的推动力和管件表面的磨损。
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。
1.一种用于自由弯曲成形工艺的双球碗式模具，其特征在于：包括活动模、连接附件和固定模，通过所述连接附件将所述活动模和固定模可拆卸连接；
所述活动模为轴向开有通孔的球形结构，所述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；
所述固定模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；所述固定模沿轴向开有中心孔作为导向孔，用于穿过待加工管材；
所述连接附件包括外端盖、内嵌环、前半球碗和后半球碗；所述前半球碗和后半球碗均为两端开口的半球碗状结构，其大径端通过螺钉沿周向固定连接，连接后前半球碗和后半球碗的内表面位于同一球面，与所述固定模的外球面配合安装；所述外端盖为法兰盘结构，其一侧端面同轴设置有圆环凸台，通过若干螺栓将外端盖固定于所述前半球碗小径端端面上，使得所述圆环凸台同轴安装于所述前半球碗端面上设置的圆凹槽内；所述外端盖沿中心轴开设的通孔的内壁为球面；所述内嵌环为圆环结构，其内环面为球面；所述内嵌环同轴嵌于所述外端盖的圆环凸台内，使得所述外端盖的通孔球面与所述内嵌环的内环球面位于同一球面，与所述活动模的外球面间隙配合安装，同时保证所述活动模的内圆弧旋转面端口朝向所述固定模。
2.根据权利要求1所述用于自由弯曲成形工艺的双球碗式模具，其特征在于：所述固定模半球形的端面上开有圆形凹槽，与所述导向孔同轴。
3.根据权利要求1所述用于自由弯曲成形工艺的双球碗式模具，其特征在于：所述固定模阶梯轴的尾端设置有外螺纹，通过螺母与安装机架固定。
4.根据权利要求1所述用于自由弯曲成形工艺的双球碗式模具，其特征在于：所述前半球碗小径端的直径小于所述后半球碗小径端的直径。
5.根据权利要求1所述用于自由弯曲成形工艺的双球碗式模具，其特征在于：所述活动模的通孔收敛处、所述固定模的通孔均与管材间隙配合。
技术总结