本发明属于金属复杂空心构件先进制造技术领域，特别涉及一种提高金属空心构件弯曲成形极限的方法。
背景技术：
小弯曲半径弯管构件(相对弯曲半径R/D≤2)作为一种关键的轻量化构件，已经在航空、航天、汽车、以及其他高技术工业中得到了广泛的应用。因此航空、航天、汽车等高技术工业的迅速发展迫切需要研究和发展制造小弯曲半径管件的先进塑性成形技术。
目前，日本、德国等国家均已开发出了三轴及五轴、六轴自由弯曲成形设备。但是，三轴自由弯曲成形设备所能实现的最小弯曲半径为2.5-3倍的管材外径、五轴及六轴自由弯曲成形设备所能实现的最小弯曲半径为2-2.5倍的管材外径，均无法满足小弯曲半径构件的弯曲成形要求。该缺陷限制了自由弯曲成形设备在成形小弯曲半径构件时的应用。
技术实现要素：
现有的三轴、五轴及六轴自由弯曲成形设备所能实现的最小弯曲半径为2倍的管材外径，无法满足小弯曲半径弯管(R/D≤2)的成形要求。本发明针对现有自由弯曲成形装备存在的弊端，提出了一种提高金属三维自由弯曲成形极限的方法。采用控制管材与弯曲模内腔之间间隙，优化模具结构等方法最大程度缩小了管材自由弯曲成形的弯曲半径，充分挖掘自由弯曲成形技术的潜力。
一种提高金属三维自由弯曲成形极限的方法，包括采取以下措施加以实现：在弯曲成形过程中对弯曲模(2)的运动偏心距U(弯曲模的中心偏离坐标原点的距离)和弯曲模中心与导向机构(3)前端的距离V进行优化组合；
通过以下综合步骤对弯曲模(2)运动偏心距U和弯曲模中心与导向机构(3)前端的距离V进行优化组合：
(1)在自由弯曲成形试验时，设置弯曲模偏心距U取值范围为0.5-0.6倍的管材直径D，即设置U的取值范围为0.5D-0.6D，弯曲模中心至导向机构前端之间距离V取值范围为0.5—1.5倍的管材直径，即设置V的取值范围为0.5-1.5D；
(2)首先设置V的大小为0.5D，启动管材弯曲成形过程，管材被连续从导向机构中送入弯曲模中，在这个过程中，通过伺服电机驱动球面轴承向Y轴正方向运动，使弯曲模偏离坐标原点的偏心距U从0.5D缓慢增加到0.6D，并且实时读取弯曲模受到的来自管材的反作用力PL和送料机构受到的来自管材的反作用力PU；实时计算V×PL+U×PU的大小，并与管材所能承受的最大弯矩对比，当两者相等时，球面轴承(4)停止运动，固定弯曲模的偏心距U大小不变，测量得到此时管材的弯曲半径；
(3)将V的数值大小在0.5D-1.5D的取值范围内，以一定的增幅逐渐增加，并且对于每一个V均重复步骤(2),得到对应每一个V时的弯曲半径大小；
(4)对比所有弯曲半径的大小，所得到的最小值即为该管材的最小弯曲半径即为该管材的成形极限。
所述的方法，在实施自由弯曲成形试验之前，严格控制所选择管材的外径尺寸精度，控制管材(3)与弯曲模内腔(2)之间的间隙。
所述的方法，还包括以下措施：优化弯曲模(2)与导向机构前端(4)之间的接触方式，提高弯曲模的自由度。
所述的方法，对于同一种外径的管材，为了得到更小的弯曲半径，选取径厚比较大的管材。
所述的方法，所述步骤(3)中，将V的数值大小在0.5D-1.5D的取值范围内，以0.1mm的增幅逐渐增加。
所述的方法，根据所弯曲管材的外径不同，控制管材(3)的外壁与弯曲模(2)内腔之间的间隙值大小在0.1-0.3mm的区间内；
所述的方法，弯曲模(2)与导向机构(3)前端之间无接触，弯曲模的运动姿态在弯曲过程中随管材形状的变化处于完全随动的状态，弯曲模(2)的转动倾角随管材弯曲形状的改变而改变，弯曲模(2)与导向机构(3)前端之间的距离V在弯曲过程中可实时调整.
所述的方法，对于同一种外径的管材，选取径厚比小于7.5的厚壁管。
有益效果：
1、本发明提供了一种提高金属自由弯曲成形成形极限的方法；
2、本发明有效地解决了现有自由弯曲成形设备管材弯曲半径较大，无法实现小弯曲半径弯曲的缺陷，同时对于提高金属三维自由弯曲成形质量具有重要指导意义；
3、本发明方法简单可行，生产效率高，在航空、航天等工程领域具有重要的工程应用价值和明显的经济效益。
附图说明
图1、金属三维自由弯曲成形设备原理示意图；
1、管坯，2、弯曲模，3、导向机构，4、球面轴承，5、送料机构；
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
第一步，确定目标为获得采用三维自由弯曲成形的外径为15mm的铝合金管的最小弯曲半径；
第二步，选取内径为15mm的弯曲模，以及相应的导向机构和球面轴承，其中弯曲模在弯曲过程中为完全随动状态；
第三步，选择长度为260mm，壁厚2.5mm，外径处于15-15.3mm范围内的铝合金管,该管材所能承受的最大弯矩为80000N·mm；
第四步，设置偏心距U取值范围为7.5mm-9mm,弯曲模中心与导向机构前端之间距离为7.5mm-22.5mm；
第五步，首先设置V的大小为7.5mm，启动管材弯曲成形过程，管材被连续从导向机构中送入弯曲模中。在这个过程中，调整U的数值从7.5mm缓慢增加到9mm，并且实时读取弯曲模受到的来自管材的反作用力PL和送料机构受到的来自管材的反作用力PU。实时计算V×PL+U×Pu的大小，并与管材所能承受的最大弯矩80000N·mm对比，当U＝8mm时，两者相等，此时固定弯曲模的偏心距为8mm不变，测量得到此时管材的弯曲半径为3D；
第六步，将V的数值大小在7.5mm-22.5mm的取值范围内，以0.1mm的增幅逐渐增加，并且对于每一个V均重复步骤(2),得到对应每一个V时的弯曲半径大小；
第七步，对比所有弯曲半径的大小，所得到的最小值为2D，即为该管材的最小弯曲半径为管材直径的2倍。
实施例2
第一步，确定目标为获得采用三维自由弯曲成形的外径为20mm的铜管的最小弯曲半径；
第二步，选取内径为20mm的弯曲模，以及相应的导向机构以及球面轴承，其中弯曲模与导向机构不存在接触关系；
第三步，选择长度为300mm，壁厚4mm，外径为20-20.3mm范围内的铝合金管，此管材所能承受的最大弯矩为150000N·mm；
第四步，设置偏心距U取值范围为10-12mm,弯曲模中心与导向机构前端之间距离为20mm-30mm；
第五步，首先设置V的大小为20mm，启动管材弯曲成形过程，管材被连续从导向机构中送入弯曲模中。在这个过程中，调整U的数值从10mm缓慢增加到12mm，并且实时读取弯曲模受到的来自管材的反作用力PL和送料机构受到的来自管材的反作用力PU。实时计算V×PL+U×Pu的大小，并与管材所能承受的最大弯矩150000N·mm对比，当U＝11mm时，两者相等，此时固定弯曲模的偏心距为11mm不变，测量得到此时管材的弯曲半径为2D；
第六步，将V的数值大小在20mm-30mm的取值范围内，以0.1mm的增幅逐渐增加，并且对于每一个V均重复步骤(2),得到对应每一个V时的弯曲半径大小；
第七步，对比所有弯曲半径的大小，所得到的最小值为1.7D，即为该管材的最小弯曲半径为管材直径的1.7倍。
实施例3
第一步，确定目标为获得采用三维自由弯曲成形的外径为10mm的不锈钢管的最小弯曲半径；
第二步，选取内径为10mm的弯曲模，以及相应的导向机构、球面轴承，其中弯曲模与导向机构不存在接触关系；
第三步，选择长度为250mm，壁厚2mm，外径为10-10.3mm范围内的不锈钢管,所能承受的最大弯矩为200000N·mm；
第四步，设置偏心距U取值范围为5-6mm,弯曲模中心与导向机构前端之间距离为10mm-15mm；
第五步，首先设置V的大小为10mm，启动管材弯曲成形过程，管材被连续从导向机构中送入弯曲模中。在这个过程中，调整U的数值从5mm缓慢增加到6mm，并且实时读取弯曲模受到的来自管材的反作用力PL和送料机构受到的来自管材的反作用力PU。实时计算V×PL+U×Pu的大小，并与管材所能承受的最大弯矩200000N·mm对比，当U＝6mm时，两者相等，此时固定弯曲模的偏心距为6mm不变，测量得到此时管材的弯曲半径为1.9D；
第六步，将V的数值大小在10mm-15mm的取值范围内，以0.1mm的增幅逐渐增加，并且对于每一个V均重复步骤(2),得到对应每一个V时的弯曲半径大小；
第七步，对比所有弯曲半径的大小，所得到的最小值为1.9D，即为该管材的最小弯曲半径为管材直径的1.9倍。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。