金属管材自由弯曲成形是一项基于模具运动轨迹控制的柔性成形技术,在制造具有复杂三维轴线、无直段连续弯曲等特征构件方面具有较大的技术优势,在航空航天、汽车、核电复杂弯曲构件设计与制造领域具有广泛的应用前景。然而,自由弯曲成形技术在成形极限方面尚落后于主流数控绕弯成形技术,导致其工艺适用范围受到限制。因此,本文开展金属管材无芯自由弯曲成形极限研究,揭示影响成形极限的关键因素及其作用机理,获得提高管材成形极限的方法,对推动自由弯曲成形技术在我国先进制造领域的实际应用具有重要意义。本文基于塑性力学理论、ABAQUS有限元仿真平台及三轴自由弯曲试验装置,对金属管材无芯自由弯曲的基本成形机理、变形规律以及管材参数、工艺参数对成形极限的影响规律开展了系统的研究工作,主要包括:（1）基于建立的金属管材无芯自由弯曲的力学分析模型及有限元仿真分析模型,研究了金属管材自由弯曲基本变形规律;基于最小能量法,建立了成形极限的失稳起皱判据,提出了成形极限的解析方法、主要影响因素等。（2）提出了一种新型的弯曲模与导向模的球面连接形式,并通过弯曲模的尺寸与结构优化,提高了理论最大行程距离,并通过数值模拟进行运动仿真及成形仿真验证了该球面连接结构的可靠性。（3）以6061-T6铝合金管材（Φ15 mm*1 mm）基本研究对象,采用有限元方法对影响自由弯曲成形极限的几何参数、材料参数及工艺参数进行了系统研究,分析了在不同偏心距条件下系列参数对U-R关系曲线以及起皱因子的影响,获得了最优条件下的自由弯曲成形极限（R/D₀=2.5）。（4）基于球面连接机构及优化后的工艺参数,开展了6061-T6铝合金管材自由弯曲成形的工艺参数及模具结构优化的试验验证研究。研究结果表明,采用球面连接结构及优化后的工艺参数组合,实际成形试验中6061-T6铝合金管材成形极限由R/D₀=4.32提高至R/D₀=2.7,同时壁厚减薄率不超过6%,截面畸变率不超过11%,具有较好的成形质量。同时,开展了不同壁厚管材的成形试验研究,验证了壁厚因素对管材成形极限具有较大影响。最后,开展6061-T6铝合金、H2紫铜及H62黄铜管材的成形试验研究,验证了屈服强度是影响金属管材成形极限的核心材料参数。