基于SolidWorks陶瓷工廠多節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭滾彎板材的展開設(shè)計(jì)

蔡祖光

摘 要：介紹陶瓷工廠多節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭工程圖的作圖方法，詳細(xì)地?cái)⑹隼肧olidWorks三維軟件的鈑金特征功能（放樣折彎）設(shè)計(jì)制造多節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭板料滾彎（折彎）成型中性面薄壁筒體（俗稱殼體）的三維曲面實(shí)體及其展開圖的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：多節(jié)漸縮圓錐管;90°彎頭;工程圖;SolidWorks三維軟件;設(shè)計(jì)

1 前 言

多節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭是多節(jié)漸縮正圓錐管組成90°彎頭的簡(jiǎn)稱（俗稱90°“牛角”彎頭），它是陶瓷工廠燃油輸送、窯爐助燃空氣、冷卻空氣的輸送及含煙含塵氣體的排放、墻地磚干壓成型工序及日用陶瓷制品、衛(wèi)生陶瓷制品修坯工序通風(fēng)除塵、干壓成型用陶瓷粉料制備用噴霧干燥器熱風(fēng)管道及排濕排煙等管道工程中廣泛應(yīng)用的變徑轉(zhuǎn)彎構(gòu)件。如：陶瓷工廠窯爐助燃空氣、冷卻空氣的輸送及含煙含塵氣體的排放管道等常用的變徑90°轉(zhuǎn)彎構(gòu)件，就是由多節(jié)圓錐度角相同的圓錐管通過(guò)咬邊連接（薄板）或焊接（中厚板）后制成的管道附件，其接口處的結(jié)合線為橢圓，在其軸向投影面內(nèi)重合為一直線。盡管一些書籍[1]上介紹了多節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）板料的展開設(shè)計(jì)，但因其設(shè)計(jì)計(jì)算煩雜，展開作圖精確度低，而且設(shè)計(jì)計(jì)算及展開作圖等勞動(dòng)強(qiáng)度較大，工作效率又較低。在此，介紹多節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）板料的展開設(shè)計(jì)新方法——利用SolidWorks三維軟件的鈑金特征功能設(shè)計(jì)制造多節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭板料滾彎（折彎）成型中性面薄壁筒體（俗稱“殼體”）的三維曲面實(shí)體及其展開圖的設(shè)計(jì)方法，供同行們批評(píng)指正。

2 多節(jié)（5節(jié)）漸縮圓錐管90°彎頭工程圖的作圖方法

假設(shè)某陶瓷工廠通風(fēng)除塵管路中采用的多節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭是由5節(jié)圓錐管組成（其三維實(shí)體示意圖如圖1所示），其主要參數(shù)如下：名義彎曲半徑R=800mm，圓錐管的最大外徑（大端外徑）D=600mm，圓錐管的最小外徑（小端外徑）d=350mm及壁厚δ=4mm。端節(jié)（兩端部圓錐管段）的角度β（圓錐管段兩端面與“牛角”彎頭彎曲中心C連線所成的夾角）為：β=11.25°，中間部分圓錐管段的角度均為2β=22. 5°;端節(jié)（兩端部圓錐管段）中心線的長(zhǎng)度h為：h=R·tanβ=800·tan11.25°=159.13（mm），中間部分圓錐管段中心線的長(zhǎng)度均為2h =318.26mm。

如圖2所示，我們可以作出大端外徑D=600mm、小端外徑d=350mm及壁厚δ=4mm的圓錐管的軸向投影圖，該圓錐管的軸向長(zhǎng)度（高度）H為：H=2（n-1）·h=2（5-1）·119.13=1273.04（mm）。由圓錐管底部中心點(diǎn)A0處沿其軸心線向上依次截取長(zhǎng)度為A0A1=h、A0A2=3h、A0A3=5h及A0A4=7h（其中h=159.13mm）與圓錐管的軸心線相交于點(diǎn)A1、點(diǎn)A2、點(diǎn)A3及點(diǎn)A4，然后過(guò)點(diǎn)A1及點(diǎn)A3向“牛角”彎頭的彎曲中心點(diǎn)C側(cè)作斜度角為β（β=11.25°）的直線，同時(shí)過(guò)點(diǎn)A2及點(diǎn)A4向“牛角”彎頭的彎曲中心點(diǎn)C側(cè)的反方向作斜度角為負(fù)β（β=11. 25°）的直線，此四條直線將圓錐管分割成5節(jié)。

如圖2所示，若以第1節(jié)（奇數(shù)節(jié)）圓錐管段（從圓錐管底部中心點(diǎn)A0處往上算起，點(diǎn)A0至點(diǎn)A1之間的圖形）為基礎(chǔ)，將第2節(jié)（偶數(shù)節(jié)）圓錐管段（點(diǎn)A1至點(diǎn)A2之間的圖形）繞其軸心線旋轉(zhuǎn)180°后，再以其左側(cè)的最低點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，將整個(gè)圖形逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)2β=22.5°（β=11.25°）后，疊加在第1節(jié)圓錐管段的上端部;再以第3節(jié)（奇數(shù)節(jié)）圓錐管段（點(diǎn)A2至點(diǎn)A3之間的圖形）左側(cè)的最低點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，將整個(gè)圖形逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)4β=45°（β=11.25°）后，再疊加在第2節(jié)圓錐管段的上端部;同樣將第4節(jié)（偶數(shù)節(jié)）圓錐管（點(diǎn)A3至點(diǎn)A4之間的圖形）繞其軸心線旋轉(zhuǎn)180°后，再以其左側(cè)的最低點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，將整個(gè)圖形逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)6β=67.5°（β=11.25°）后，再疊加在第3節(jié)圓錐管段的上端部;最后以第5節(jié)（奇數(shù)節(jié)）圓錐管段（點(diǎn)A4至點(diǎn)A5之間的圖形）左側(cè)的最低點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，將整個(gè)圖形逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)8β=90°（β=11.25°）后，再疊加在第4節(jié)圓錐管的段上端部后，就獲得了5節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭的工程圖，如圖3所示。并且其錐度角如下：γρ=2tan-1=2tan-1=11.22°。所以說(shuō)，對(duì)于多節(jié)（n節(jié)，n為大于2的整數(shù)，因?yàn)閚=2時(shí)變成90°直角彎頭，不屬于多節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭的范疇）漸縮圓錐管90°彎頭工程圖的作圖方法可歸納如下：

（1） 作出圓錐管分成n節(jié)的等分示意圖（如圖2所示，n=5）

（2） 以第1節(jié)圓錐管段為基礎(chǔ)，即作為n節(jié)漸縮圓錐管90°彎管工程圖的底端部。

（3）然后依次將偶數(shù)節(jié)圓錐管圍繞軸心線旋轉(zhuǎn)180°后，奇數(shù)節(jié)圓錐管不需旋轉(zhuǎn)。再沿各自圖形低端的最高點(diǎn)沿“牛角”彎頭的彎曲中心側(cè)旋轉(zhuǎn)2（n-1）·β后，疊加在上一節(jié)圓錐管段的上端部，直至完成第n節(jié)圓錐管的疊加后，就獲得多節(jié)（n節(jié)）漸縮圓錐管90°彎頭的工程圖（如圖3所示，n=5）。

3 多節(jié)（5節(jié)）漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）成型中性面

在金屬板材滾彎（折彎）成型的過(guò)程中，靠近上模（也稱壓模）的金屬材料層逐漸縮短，而靠近下模（也稱托模）的金屬材料層則逐漸伸長(zhǎng)。顯然，在金屬材料層由逐漸縮短連續(xù)地轉(zhuǎn)變成逐漸伸長(zhǎng)的過(guò)程中，必定有一個(gè)金屬材料層的尺寸保持既不縮短也不伸長(zhǎng)（尺寸不變）的狀態(tài)，這一金屬材料層就稱為金屬板材滾彎（折彎）成型的中性層。金屬板材滾彎（折彎）成型中性層的位置通常與金屬材料的化學(xué)成分、冶煉方式、材料的塑性變形能力的大小、板材的厚度、滾彎（折彎）模具的結(jié)構(gòu)及其滾彎（折彎）成型生產(chǎn)工藝等許多因素相關(guān)。但實(shí)踐生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)中制造精度要求較低的金屬板材滾彎（折彎）成型，通常認(rèn)為金屬板材厚度的二分之一處就是其滾彎（折彎）成型的中性層位置。顯然，由各中性層所構(gòu)成的面，則稱為金屬板材滾彎（折彎）成型中性面。

如圖2所示，如：某陶瓷工廠通風(fēng)除塵管路中采用的多節(jié)（5節(jié)）漸縮圓錐管90°彎頭組成圓錐管的名義彎曲半徑R=800mm，圓錐管的最大外徑D=600mm，圓錐管的最小外徑d=350mm，是由4mm厚的Q235A碳素結(jié)構(gòu)鋼板經(jīng)等離子弧切割或氧氣乙炔火焰（簡(jiǎn)稱氧炔焰）切割下料后，打磨切割邊殘?jiān)叭コ毯螅?jīng)卷板機(jī)滾彎（折彎）成型及整型后獲得圓錐管。由于采用板材滾彎（折彎）成型，應(yīng)按大、小端圓的中徑（2R+δ）、（2r+δ）作為中性層的尺寸，其中R和r是分別是大、小端圓的內(nèi)腔半徑，δ為滾彎（折彎）板材之厚度，高度H為大、小端圓中徑之中心線之間的距離。

大端中徑D0=D-δ=600-4=596（mm），小端中徑d0=d-δ=350-4=34（mm）及H=8h=8×159.13=1273.04（mm），由此獲得多節(jié)（5節(jié)）漸縮圓錐管90°彎頭組成的圓錐管的滾彎（折彎）成型中性面的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

4 多節(jié)（5節(jié)）漸縮圓錐管90°彎頭板材滾彎（折彎）成型中性面殼體三維曲面實(shí)體設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化作圖，首先考慮二分之一（剖分式）圓錐管（5節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭）滾彎（折彎）成型中性面之曲面實(shí)體的生成。因?yàn)槎种唬ㄆ史质剑﹫A錐管（5節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭）滾彎（折彎）成型中性面之曲面實(shí)體就是一端為較大尺寸半圓形另一端為較小尺寸半圓形及適宜厚度（如：ε=0.1mm）的線段所組成的曲面實(shí)體。因此我們可分別作出較大尺寸及較小尺寸半圓形的 “草圖”后，再通過(guò)SolidWorks三維軟件鈑金的“放樣折彎”設(shè)計(jì)功能即可作出二分之一（剖分式）圓錐管滾彎（折彎）成型中性面之曲面實(shí)體的三維圖。剖分式圓錐管滾彎（折彎）成型中性面所組成的曲面實(shí)體三維構(gòu)造圖及其各節(jié)圓錐管滾彎（折彎）成型中性面曲面實(shí)體三維構(gòu)造圖的繪制步驟如下：

4. 1 二分之一（剖分式）圓錐管滾彎（折彎）成型中性面曲面實(shí)體

4. 1.1 繪制大端半圓形“草圖1”

接通電源，啟動(dòng)電腦，進(jìn)入SolidWorks三維軟件的繪圖界面。

（1）選擇菜單欄中“文件”|“新建”命令，彈出“新建SolidWorks文件”對(duì)話框，雙擊“零件”按鈕后，生成“二分之一（剖分式）圓錐管滾彎（折彎）成型中性面殼體”的三維零件文件。

（2）任選一繪圖基準(zhǔn)面（如：前視基準(zhǔn)面），再選擇工具欄中“草圖繪制”按鈕，則彈出 “草圖1” 繪制界面，單擊“草圖工具欄”里的“圓形”繪制按鈕;或者選擇菜單欄中的“工具”|“草圖繪制實(shí)體”|“圓形形”命令，以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心繪制直徑為φ596mm的圓。

（3）通過(guò)直徑為φ596mm圓的圓心做水平輔助線，交該圓于兩點(diǎn)，然后通過(guò)單擊“草圖”工具欄“剪裁實(shí)體”按鈕下的“強(qiáng)勁剪裁”選項(xiàng)，剪裁刪除該圓的下半部分，保留上半部分，最后退出 “草圖1” 繪制界面及存盤（如圖5所示）。

4.1.2 “基準(zhǔn)面1”的建立

（1）單擊“參考幾何體”工具欄中的“基準(zhǔn)面”按鈕，或選擇菜單欄中的“插入”|“參考幾何體”|“基準(zhǔn)面”命令，則彈出“用于選擇一個(gè)平面和一個(gè)不在該平面上的點(diǎn)，從而生成一個(gè)通過(guò)該點(diǎn)并平行于被選擇面的基準(zhǔn)面”的“基準(zhǔn)面參數(shù)”時(shí)，選擇“前視基準(zhǔn)面”;同時(shí)，也彈出“用于選擇一個(gè)平面，并在指定距離內(nèi)生成一個(gè)與被選擇面等距離的基準(zhǔn)面”的“距離參數(shù)”后，選擇H=1273.04mm即可。

（2）確定上述參數(shù)選擇后，就會(huì)生成“基準(zhǔn)面1”（如圖6所示）。

4.1.3 繪制小端半圓形“草圖2”

（1） 選擇“基準(zhǔn)面1”作為“草圖2”繪制平面，再選擇工具欄中“草圖繪制”按鈕，則彈出 “草圖2” 繪制界面，同樣，單擊“草圖工具欄”里的“圓形”繪制按鈕;或者選擇菜單欄中的“工具”|“草圖繪制實(shí)體”|“圓形形”命令，繪制圓心位于“基準(zhǔn)面1”上的坐標(biāo)原點(diǎn)，直徑為346mm的圓。

（2） 通過(guò)直徑為φ346mm圓的圓心做水平輔助線，交該圓于兩點(diǎn)，然后通過(guò)單擊“草圖”工具欄“剪裁實(shí)體”按鈕下的“強(qiáng)勁剪裁”選項(xiàng)，剪裁刪除該圓的下半部分，保留上半部分，最后退出 “草圖2” 繪制界面及存盤（如圖7所示）。

4.1.4 滾彎（折彎）成型中性面曲面實(shí)體

單擊“鈑金特征”工具欄“放樣折彎”按鈕，則彈出“放樣折彎”參數(shù)編輯對(duì)話框，在“輪轂（P）”處：選取“草圖1”及“草圖2”，在“厚度”處（選擇向外或向內(nèi)均可）選取0.1mm，確定后，則形成二分之一（剖分式）圓錐管滾彎（折彎）成型中性面之曲面實(shí)體，并存盤，如圖8所示。

4.2 二分之一（剖分式）多節(jié)（5節(jié)）漸縮圓錐管90°彎頭各節(jié)圓錐管滾彎（折彎）折彎成型中性面曲面實(shí)體

4.2.1 第1節(jié)剖分式漸縮圓錐管90°彎頭

（1）如圖8所示，選擇上視基準(zhǔn)面作為“草圖3”繪圖平面，進(jìn)入 “草圖”繪制界面，將其另存為第1節(jié)剖分式漸縮圓錐管90°彎頭。隨后，通過(guò)二分之一（剖分式）圓錐管大端之中心點(diǎn)——坐標(biāo)原點(diǎn)A0為起點(diǎn)，作二分之一（剖分式）圓錐管之軸心線A0A5交圓錐管之小端中心點(diǎn)A5，在軸心線A0A5上截取A0A1=h=159.13mm后獲得點(diǎn)A1，然后過(guò)點(diǎn)A1作一直線，使其與過(guò)圓錐管之大端中心點(diǎn)A0的水平輔助線之夾角為11.25°（如圖9所示），最后退出“草圖”繪制界面并存盤。

（2） 單擊“板金特征”工具欄“拉伸切除”按鈕，在切除拉伸終止條件下拉列表中選擇“完全貫通”，同時(shí)選擇“正側(cè)切除（N）”后，獲得第1節(jié)剖分式漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）成型中性面之曲面實(shí)體，如圖10所示，并存盤。

4.2.2 第2節(jié)剖分式漸縮圓錐管90°彎頭

（1）如圖9所示，將其另存為第2節(jié)剖分式漸縮圓錐管90°彎頭，退出草圖繪制界面。然后單擊“板金特征”工具欄“拉伸切除”按鈕，在切除拉伸終止條件下拉列表中選擇“完全貫通”，并選擇“反側(cè)切除（N）”并存盤。

（2）同樣，選擇上視基準(zhǔn)面作為“草圖4”繪圖平面，進(jìn)入“草圖”繪制界面，隨后，通過(guò)二分之一（剖分式）圓錐管大端之中心點(diǎn)——坐標(biāo)原點(diǎn)A0，作二分之一（剖分式）圓錐管之軸心線A0A5交圓錐管之小端中心點(diǎn)A5，并在軸心線A0A5上截取A1A2=2h=318.26mm后獲得點(diǎn)A2。然后過(guò)點(diǎn)A2作一直線，使其與過(guò)圓錐管之小端中心點(diǎn)A5的水平輔助線之夾角為11.25°（如圖11所示），退出“草圖”繪制界面并存盤。

（3）單擊“板金特征”工具欄“拉伸切除”按鈕，在切除拉伸終止條件下拉列表中選擇“完全貫通”，同時(shí)選擇“正側(cè)切除（N）”后，獲得第2節(jié)剖分式漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）成型中性面之曲面實(shí)體，如圖12所示，并存盤。

4.2.3 第3節(jié)剖分式漸縮圓錐管

（1）如圖11所示，將其另存為第3節(jié)剖分式漸縮圓錐管90°彎頭，退出草圖繪制界面。然后單擊“板金特征”工具欄“拉伸切除”按鈕，在切除拉伸終止條件下拉列表中選擇“完全貫通”，并選擇“反側(cè)切除（N）”并存盤。

（2）同樣，選擇上視基準(zhǔn)面作為“草圖5”作圖平面，進(jìn)入“草圖”繪制界面，過(guò)二分之一（剖分式）圓錐管大端之中心點(diǎn)——坐標(biāo)原點(diǎn)點(diǎn)A0，作二分之一（剖分式）圓錐管之軸心線A0A5交圓錐管之小端中心點(diǎn)A5，并在軸心線A0A5上截取A2A3=2h=318.26mm后獲得點(diǎn)A3。然后過(guò)點(diǎn)A3作一直線，使其與過(guò)圓錐管之小端中心點(diǎn)A5的水平輔助線之夾角為11.25°（如圖13所示），然后退出“草圖”繪制界面并存盤。

（3）單擊“板金特征”工具欄“拉伸切除”按鈕，在切除拉伸終止條件下拉列表中選擇“完全貫通”，同時(shí)選擇“正側(cè)切除（N）”后，獲得第3節(jié)剖分式漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）成型中性面之曲面實(shí)體，如圖14所示，并存盤。

4.2.4 第4節(jié)剖分式漸縮圓錐管90°彎頭

（1）如圖13所示，將其另存為第4節(jié)剖分式漸縮圓錐管90°彎頭，退出草圖繪制界面。然后單擊“板金特征”工具欄“拉伸切除”按鈕，在切除拉伸終止條件下拉列表中選擇“完全貫通”，并選擇“反側(cè)切除（N）”并存盤。

（2）同樣，選擇上視基準(zhǔn)面作為“草圖6”作圖平面，進(jìn)入“草圖”繪制界面，過(guò)二分之一（剖分式）圓錐管大端之中心點(diǎn)——坐標(biāo)原點(diǎn)A0，作二分之一（剖分式）圓錐管之軸心線A0A5交圓錐管之小端中心點(diǎn)A5，并在軸心線A0A5上截取A3A4=2h=318.26mm后獲得點(diǎn)A4。然后過(guò)點(diǎn)A4 作一直線，使其與過(guò)圓錐管之小端中心點(diǎn)A5的水平輔助線之夾角為11.25°（如圖15所示），然后退出“草圖”繪制界面并存盤。

（3）單擊“板金特征”工具欄“拉伸切除”按鈕，在切除拉伸終止條件下拉列表中選擇“完全貫通”，同時(shí)選擇“正側(cè)切除（N）”后，獲得第4節(jié)剖分式漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）成型中性面之曲面實(shí)體，如圖16所示，并存盤。

4.2.4 第5節(jié)剖分式漸縮圓錐管

（1）如圖15所示，將其另存為第5節(jié)剖分式漸縮圓錐管90°彎頭，退出草圖繪制界面。然后單擊“板金特征”工具欄“拉伸切除”按鈕，在切除拉伸終止條件下拉列表中選擇“完全貫通”，并選擇“反側(cè)切除（N）”獲得第5節(jié)剖分式漸縮圓錐管滾彎（折彎）成型中性面之曲面實(shí)體，如圖17所示，并存盤。

5 多節(jié)（5節(jié)）漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）板材的展開設(shè)計(jì)

進(jìn)入SolidWorks三維軟件的繪圖界面，選擇菜單欄中“文件”/“從零件/裝配體制作工程圖”命令，彈出“圖紙格式|大小”對(duì)話框，選擇適宜的“圖紙”并確定后（獲得如圖18所示的界面），將右下方系列投影圖中，下方標(biāo)有“平板型式”的投影圖拖入“工程圖紙”內(nèi)（如圖19所示），將它另存為DWG文件。然后利用AutoCAD軟件對(duì)圖19進(jìn)行編輯處理（如：圖形旋轉(zhuǎn)及圖形軸對(duì)稱）及存盤后，獲得第1節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）板材的展開圖如圖20所示。

同理，我們可以獲得第2節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭、第3節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭、第4節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭及第5節(jié)漸縮圓錐管90°彎頭的展開圖如圖13所示。從下至上，依次為第1節(jié)圓錐管段（A0至A1之間的區(qū)域）、第2節(jié)圓錐管（A1至A2之間的區(qū)域）、第3節(jié)圓錐管段（A2至A3之間的區(qū)域）、第4節(jié)圓錐管段（A3至A4之間的區(qū)域）及第5節(jié)圓錐管段（A4至A5之間的區(qū)域）。再在各節(jié)圓錐管的展開料設(shè)計(jì)留放咬邊余量，然后滾彎（折彎）成型為圓錐筒段，最后通過(guò)咬邊連接（薄板）或焊接（中厚板）后制成多節(jié)（5節(jié)）漸縮圓錐管90°彎頭。

參考文獻(xiàn)

[1] 翟洪緒.板金展開計(jì)算法[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2002.