一种复杂空间双层管整体弯曲成形工装及方法

本发明属于金属塑性成形及数控弯曲加工，尤其是一种复杂空间双层管整体弯曲成形工装及方法。

背景技术：

1、在现代航空航天、能源动力及精密仪器制造领域，复杂空间双层管因其具备介质隔离、热补偿、结构增强或信号屏蔽等复合功能，被广泛应用于发动机燃油管路、核反应堆冷却回路及高精度光学仪器支架等关键部位。这类构件通常要求内外管保持严格的同轴度与空间轨迹一致性，且成形后需满足高密封性与疲劳强度要求。

2、现有的管材弯曲工艺及夹具多针对单层管设计，当直接应用于双层管整体弯曲时，面临着严峻的技术挑战。传统弯曲设备通常采用单一驱动源同时带动内外管送进，或采用前端整体夹持的方式固定管坯。然而，由于双层管在弯曲变形过程中，内管与外管的受力状态、中性层偏移量及延伸率存在本质差异，这种强制性的同步驱动方式极易导致内外管之间产生相对滑移。这种相对运动不仅破坏了层间的预设配合关系，还常引发内管轴向受压起皱或受拉变薄，严重削弱管路的结构完整性。

3、此外，现有的双层管成形工艺，特别是针对连续多弯件的加工，存在着显著的局限性。目前的工艺手段通常只能通过前端夹持机构来固定外管，而内管的运动则只能单一地依靠后端的机构进行送进。在复杂的弯曲变形过程中，由于缺乏对内管局部的有效同步约束，这种“外管夹持、内管后推”的非协同驱动方式，直接导致内外管之间的相对滑动变得完全不可控制。这种不可控的层间滑移不仅会破坏双层管原有的结构匹配关系，还严重降低了整体成形精度的可控程度，导致产品难以满足高端装备制造的严苛质量标准。

4、因此，亟需提出一种全新的成形夹具，能够有效解决内外管滑动不可控且成形精度低的问题，从而提升复杂空间双层管整体弯曲成形的精度与稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种复杂空间双层管整体弯曲成形工装及方法，解决现有技术中内外管滑动不可控且成形精度低的的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本技术提出一种复杂空间双层管整体弯曲成形工装，包括前端夹持机构、可移动式液压内胀驱动模块、后端双电机独立驱动模块和控制单元，前端夹持机构、可移动式液压内胀驱动模块和后端双电机独立驱动模块均与控制单元连接；

4、前端夹持机构夹持外管的一端外壁，可移动式液压内胀驱动模块设置在内管的内腔中，可移动式液压内胀驱动模块包括高压柔性液压软管和液压缸腔体，高压柔性液压软管通过油路连通液压缸腔体，液压缸腔体内设置有活塞，活塞上连接有锥形芯轴，锥形芯轴上安装有分割筒夹；

5、后端双电机独立驱动模块包括外管驱动电机和内管驱动电机，外管驱动电机连接外管，内管驱动电机连接高压柔性液压软管。

6、进一步地，前端夹持机构的一侧设置有前端外管专用支撑机构，前端外管专用支撑机构支撑外管的外壁。

7、进一步地，外管的另一端设置有后端支撑机构，后端支撑机构中设置有两套相互独立的支撑单元，两套相互独立的支撑单元分别支撑外管和内管的外壁。

8、进一步地，前端夹持机构包括夹持套筒、驱动盘和夹爪本体，夹爪本体为两瓣式分瓣夹头，夹持套筒环绕布置在夹爪本体的外部，分瓣夹头连接驱动盘的一端。

9、进一步地，分瓣夹头包括左夹块和右夹块，左夹块和右夹块的内弧面均匹配外管的外径。

10、进一步地，外管驱动电机和内管驱动电机均为伺服电机，外管驱动电机的输出端通过传动机构连接外管，内管驱动电机的输出端通过传动机构连接高压柔性液压软管。

11、进一步地，控制单元包括控制单元和cnc数控系统，液压控制系统连接驱动盘另一端和高压柔性液压软管，cnc数控系统分别独立连接外管驱动电机和内管驱动电机。

12、进一步地，可移动式液压内胀驱动模块在内管的内腔中轴向设置，高压柔性液压软管为多层钢丝编织的可伸缩结构。

13、第二方面，本技术提出一种基于所述工装的复杂空间双层管整体弯曲成形方法，包括：

14、将双层管坯料套设于可移动式液压内胀驱动模块外部，并将双层管坯料前端送入前端夹持机构，前端夹持机构仅抱紧外管端部，对内管端部保持非接触状态；

15、控制单元通过油路向内管内部的可移动式液压内胀驱动模块中的液压缸腔体内注入高压介质，推动活塞带动锥形芯轴动作，将分割筒夹顶起并撑紧内管的内壁，从而在内管与可移动式液压内胀驱动模块之间建立具有摩擦力的传动界面；

16、控制单元根据当前弯曲道次的轨迹参数，控制弯管机主轴旋转，外管驱动电机驱动外管送进，内管驱动电机依据预设速比驱动高压柔性液压软管，处于膨胀状态的可移动式液压内胀驱动模块在弯曲变形区通过摩擦力带动内管同步弯曲，消除层间滑移，完成当前道次的弯曲成形；

17、当前道次弯曲完成后，控制单元控制液压回路泄压，驱动活塞带动锥形芯轴回退，解除对分割筒夹的径向顶撑力，使内管内部恢复自由状态；内管驱动电机带动泄压后的可移动式液压内胀驱动模块在内管内部轴向移动，将其输送至下一道次弯曲的起弯点位置；

18、到达预定位置后，液压回路重新加压，推动活塞驱动锥形芯轴前移，将分割筒夹径向顶起并撑紧内管内壁，重新建立内外管间的摩擦传动连接，再次建立摩擦传动界面；

19、控制单元调用下一道次的弯曲工艺参数，重复协同弯曲过程，依此循环，直至完成双层管坯料所有弯曲道次的成形；

20、所有弯曲工序完成后，前端夹持机构松开，内管驱动电机带动泄压后的可移动式液压内胀驱动模块完全抽出，取出成形的复杂空间双层管。

21、进一步地，控制单元中的cnc数控系统预先载入空间弯曲轨迹算法，根据不同弯曲角度、弯曲半径实时计算外管和内管的塑性延伸率差值，分别向外管驱动电机、内管驱动电机下发不同运动指令，主动补偿延伸率差异，抑制弯曲时内外管之间产生层间滑移错位。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

23、本发明提供一种复杂空间双层管整体弯曲成形工装，通过前端夹持机构仅抱紧外管端部、对内管保持非接触，从根本上释放了内管的轴向约束；后端双电机独立驱动模块通过外管驱动电机和内管驱动电机分别独立驱动外管和内胀模块，实现了内外管送进的解耦控制；可移动式液压内胀驱动模块采用高压柔性液压软管配合锥形芯轴与分割筒夹的机械锁紧结构，可在内管内腔中建立可靠的摩擦传动界面。三者协同作用，使得工装能够在弯曲过程中利用内胀摩擦力拖拽内管同步变形，同时通过双电机速比控制主动补偿内外管塑性延伸率差异，从根本上解决了传统夹具因强制同步送进导致的层间窜动、起皱或拉裂问题。此外，分割筒夹可根据不同内管直径调整尺寸，使工装具有较强的通用性和适应性；前端外管专用支撑机构和后端支撑机构的设置为长尺寸双层管提供了全程稳定支撑，进一步保障了成形精度。本发明通过前端外管单侧夹持释放内管轴向约束，配合后端双电机独立驱动与可移动式液压内胀驱动模块的协同作用，实现了内外管送进解耦控制与截面质量精准调控，在不改变现有弯曲机床主体架构的前提下，达成了复杂空间双层管的高精度整体成形，显著提升了双层管的整体成形质量。

24、进一步地，通过在前端夹持机构的一侧增设前端外管专用支撑机构，在弯曲过程中对外管外壁形成辅助支撑，有效抵消弯管机主轴旋转及外管送进时产生的径向偏载力，防止外管在夹持段发生局部压溃或失稳变形，同时进一步提升外管前端的定位刚度，确保外管在弯曲变形区始终保持稳定的截面形状，为后续内管与内胀驱动模块的精确协同运动提供可靠的外部基准，从而显著提高复杂空间双层管首段弯曲成形的尺寸精度。

25、进一步地，在后端设置包含两套相互独立支撑单元的后端支撑机构，分别对外管和内管的外壁进行独立支撑，既防止了弯曲过程中管材尾部因重力下垂或扭矩作用产生的摆动与扭曲，又避免了两管层间的强制约束干涉；该独立支撑设计与后端双电机独立驱动模块相配合，确保外管和内管在后端各自具有独立的运动自由度，从而有效消除因尾部约束耦合导致的附加应力，显著提升多道次弯曲时管材后段的成形稳定性与层间位置一致性。

26、进一步地，将分瓣夹头的左夹块和右夹块内弧面设计为匹配外管外径的结构，增大了夹块与外管的接触面积，使夹紧力均匀分布在外管外壁周向，避免因局部应力集中导致外管表面产生压痕或凹坑等损伤；同时，该内弧面匹配设计可对不同管径的外管通过更换夹块实现快速适配，提升了工装的通用性与柔性，且由于夹持过程仅抱紧外管，内管在轴向不受夹紧力约束，为内管在弯曲变形区随内胀驱动模块自由送进创造了有利条件。

27、进一步地，采用伺服电机作为外管驱动电机和内管驱动电机，并通过传动机构分别独立驱动外管和高压柔性液压软管，伺服电机的高响应速度与高控制精度使得控制单元能够依据实时弯曲轨迹参数，对外管送进速度与内管驱动速度进行精确的速比调节；该驱动方案确保了在每一弯曲道次中，外管和内管的轴向送进量可根据各自的塑性延伸特性进行差异化补偿，从而从动力源层面实现了内外管运动的解耦控制，为抑制层间错位提供了精准的执行基础。

28、进一步地，通过将控制单元设计为液压控制系统与cnc数控系统的结合体，液压控制系统精确调节驱动盘和内胀液压缸的压力，保证外管夹持与内管胀紧的可靠性，而cnc数控系统分别独立控制外管驱动电机和内管驱动电机，实现弯曲轨迹参数与双电机运动的实时协同；该双系统分层控制架构既利用了液压系统输出力大、稳定性好的优势，又发挥了cnc系统轨迹规划与多轴联动精度高的特长，使工装能够自动适应不同弯曲半径和弯曲角度的工艺需求，大幅提升了复杂空间双层管成形的自动化水平与工艺一致性。

29、进一步地，将可移动式液压内胀驱动模块在内管腔中轴向设置，并采用多层钢丝编织可伸缩结构的高压柔性液压软管，该软管既具备高压密封性能以传递液压力驱动锥形芯轴和分割筒夹胀紧内壁，又能够在内管驱动电机的牵引下实现轴向伸缩与弯曲随动，适应内管在弯曲变形区产生的轴向位移和曲率变化；同时，多层钢丝编织结构增强了软管的抗拉强度和耐疲劳性能，确保在反复加压、泄压及轴向移动的循环工况下保持可靠工作，避免了普通软管在高压循环下过早失效，极大提升了工装的耐用度和长期使用稳定性。

30、本发明还提供一种复杂空间双层管整体弯曲成形方法，在每个弯曲道次中，控制单元通过油路向内管内部的可移动式液压内胀驱动模块注入高压介质，推动活塞带动锥形芯轴将分割筒夹径向顶起并撑紧内管内壁，使处于膨胀状态的内胀模块在弯曲变形区通过摩擦力带动内管同步弯曲，消除了内外管之间的层间滑移；在当前道次完成后，液压回路泄压使内管内部恢复自由状态，内管驱动电机可将泄压后的内胀模块在内管内部轴向移动至下一道次起弯点位置，实现了内胀模块在多弯道次间的灵活位移。本发明在不改变现有弯曲机床主体架构的前提下，采用高压多层钢丝编织柔性液压软管作为内胀介质，结合锥形芯轴与分割筒夹的机械锁紧结构，实现了复杂空间双层管多道次、多角度整体弯曲的高精度成形，既保证了内胀力的均匀分布，又通过分割筒夹的径向顶撑实现了内管与内胀装置的可靠连接，避免了软管打滑或内管变形问题，有效抑制了弯曲过程中内外管之间的层间滑移错位。同时，可根据不同内管直径调整分割筒夹的尺寸，具有较强的通用性和适应性。

31、进一步地，控制单元中的cnc数控系统预先载入空间弯曲轨迹算法，根据不同弯曲角度、弯曲半径实时计算外管和内管的塑性延伸率差值，分别向外管驱动电机、内管驱动电机下发不同运动指令，主动补偿延伸率差异。这一智能速比补偿机制从控制策略层面主动消除了内外管因弯曲半径不同而产生的轴向长度变化差异，使内管在弯曲变形过程中始终与外管保持协调变形，无需依赖机械强制同步即能有效抑制层间滑移错位，从根本上提升了复杂空间多弯轨迹下双层管整体成形的几何精度和内部质量一致性。