基于Pro/E的斜切口厚壁圓筒的鈑金造型與展開

文/韓益建·江蘇海力風(fēng)電設(shè)備科技股份有限公司

海上風(fēng)電設(shè)備制造領(lǐng)域中經(jīng)常遇到用厚鋼板卷成圓筒并焊接的情況，對(duì)于雙端面平行的直圓筒來說，展開后是一塊長(zhǎng)方形的鋼板，只要計(jì)算好展開長(zhǎng)度，卷圓并回圓后焊接相對(duì)比較簡(jiǎn)單，這在安豐華的研究文章《單層厚壁圓筒體展開長(zhǎng)度的計(jì)算》中有詳細(xì)的說明，但對(duì)于有斜切口的圓筒并開坡口時(shí)，斜切口端展開后是一根曲線，如展開曲線不準(zhǔn)，卷圓后焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)零件干涉或間隙過大的情況，使得焊接工作量增加很多，嚴(yán)重影響質(zhì)量及交貨時(shí)間。斜切厚壁圓筒不開坡口不便于焊接，這種情況在實(shí)際運(yùn)用中很少，本文為了讓大家了解鈑金的特點(diǎn)，從不開坡口的斜切圓筒開始講起。

不開坡口斜切圓筒的鈑金造型

鈑金是針對(duì)金屬薄板（通常在6mm 以下）的一種綜合冷加工工藝，其顯著的特征就是同一零件厚度一致。由上述定義可以看出鈑金有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，鈑金適用于薄板，對(duì)于厚板其實(shí)是不適用的，厚壁圓筒鈑金件的繪制可以給加工提供參考，再結(jié)合各公司的具體情況適當(dāng)調(diào)整，具有一定的參考價(jià)值。第二，同一鈑金零件厚度是一致的，并且定義中強(qiáng)調(diào)了顯著兩字，對(duì)于斜切口圓筒，斜切口處的厚度是漸變的，制作成為鈑金件時(shí)厚度便會(huì)相同，這樣就會(huì)比原來的零件增加或減少了部分實(shí)體，與原來斜切口的形狀不一致了。

鈑金件一般是在Pro/E 零件下的鈑金件子類型內(nèi)建模，為了看清轉(zhuǎn)換后鈑金件切口的變化，需要先在實(shí)體子類型內(nèi)建模，再轉(zhuǎn)換為鈑金件，這樣在更換驅(qū)動(dòng)曲面時(shí)圓筒的內(nèi)外徑不會(huì)發(fā)生變化。

繪制如圖1 所示的兩個(gè)零件。先分別畫出上面的三角形零件（這個(gè)零件只是為了剖切圓筒及干涉檢查，因此畫了一個(gè)簡(jiǎn)單的形狀）及內(nèi)徑為1000mm、高度為1900mm、厚度為50mm 的直圓筒，畫圓筒時(shí)開口處留1mm 間隙便于后面展開，當(dāng)然也可在鈑金子類型下開口，然后再裝配成一個(gè)整體，利用三角形的斜面切開圓筒；打開圓筒零件，在菜單上選擇應(yīng)用程序下的鈑金件，右側(cè)彈出鈑金件轉(zhuǎn)換菜單管理器，選擇圓筒的外側(cè)圓為驅(qū)動(dòng)曲面。

圖1 厚壁圓筒與三角形干涉檢查件

實(shí)體模型與轉(zhuǎn)換為鈑金件的對(duì)比如圖2 所示，可以明顯地看出切口發(fā)生了變化，這是因?yàn)殁k金的特征是同一零件厚度一致，它會(huì)將斜切口缺少的材料補(bǔ)上，多余的材料去掉，使得沿板厚方向的面與驅(qū)動(dòng)曲面相垂直。

圖2 實(shí)體模型與轉(zhuǎn)換為鈑金件的對(duì)比

在裝配的情況下分析全局干涉，如圖3 所示，顯示出兩個(gè)零件干涉體積為745645mm3，并可看出干涉主要在斜切口的高側(cè)。

圖3 驅(qū)動(dòng)曲面為外側(cè)圓時(shí)的圓筒與三角形零件干涉分析圖

重新選擇圓筒的內(nèi)側(cè)圓為驅(qū)動(dòng)曲面，如圖4 所示，顯示干涉體積為768867mm3，干涉主要在斜切口的低側(cè)。從上面的數(shù)據(jù)可以得出，選擇驅(qū)動(dòng)面為外圓或內(nèi)圓時(shí)，干涉體積變化不大，區(qū)別僅在于在哪個(gè)部位出現(xiàn)干涉。對(duì)于干涉量，為了直觀起見，轉(zhuǎn)化為重量大約有6kg，可見焊接時(shí)需要去除很大一部分材料，而且不是在同一處去除，加工難度比較大。

圖4 驅(qū)動(dòng)曲面為內(nèi)側(cè)圓時(shí)的圓筒與三角形零件干涉分析圖

單邊開坡口的斜切圓筒的鈑金造型

在前面已繪制好的圖形基礎(chǔ)上，在鈑金子類型內(nèi)將圓筒外側(cè)倒角C47 且只留3mm 的平臺(tái)（不能在實(shí)體子類型內(nèi)倒角，實(shí)體子類型內(nèi)倒角是不可能出現(xiàn)干涉的，但零件不是鈑金件，不好轉(zhuǎn)換為鈑金）。選擇不同的驅(qū)動(dòng)曲面分析得到：選擇外圓為驅(qū)動(dòng)曲面時(shí)干涉體積為279442mm3，選擇內(nèi)圓為驅(qū)動(dòng)曲面時(shí)干涉體積為5416.60mm3，前者大約是后者的51 倍，可見外側(cè)開坡口時(shí)應(yīng)選擇內(nèi)圓為驅(qū)動(dòng)曲面，外側(cè)開坡口后，外側(cè)的材料被去除，只在內(nèi)側(cè)處接觸。

如果改為圓筒內(nèi)側(cè)倒角C47。選擇不同的驅(qū)動(dòng)曲面分析得到：選擇外圓為驅(qū)動(dòng)曲面時(shí)干涉體積為5915.95mm3，選擇內(nèi)圓為驅(qū)動(dòng)曲面時(shí)干涉體積為302049mm3，再看三維裝配圖，可以明顯地看出高處的間隙也很大。由此得出內(nèi)側(cè)開坡口時(shí)應(yīng)選擇外圓為驅(qū)動(dòng)曲面，這與直觀的想法同樣也是一致的。

雙邊開坡口的斜切圓筒的鈑金造型

現(xiàn)在設(shè)置圓筒外側(cè)倒角C30，內(nèi)側(cè)倒角C17，同樣中間留3mm 的平臺(tái)。選擇不同的驅(qū)動(dòng)曲面分析得到：選擇外圓為驅(qū)動(dòng)曲面時(shí)干涉體積為343437mm3，選擇內(nèi)圓為驅(qū)動(dòng)曲面時(shí)干涉體積為163161mm3，選內(nèi)圓為驅(qū)動(dòng)曲面時(shí)干涉量小，但干涉體積是單側(cè)坡口的30（163161/5416.60）倍。仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)零件實(shí)際接觸處其實(shí)就在3mm 的平臺(tái)處，那么可不可以就以3mm 平臺(tái)處的圓柱面作為驅(qū)動(dòng)曲面呢？Pro/E 只能選擇零件的內(nèi)圓或外圓為驅(qū)動(dòng)曲面，經(jīng)過反復(fù)考慮，決定在畫圖時(shí)變通一下，試著以3mm 平臺(tái)處的圓柱面與三角形零件30°斜面相交（此處選3mm 平臺(tái)的內(nèi)側(cè)圓柱面，即半徑R=500+17=517mm 的圓柱面）的最高點(diǎn)的高度值1852.08mm 與最低點(diǎn)的高度值1255.10mm 作為驅(qū)動(dòng)曲面的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的值，這樣在圓筒斜切口時(shí)就不選擇上面三角形零件30°斜面作為切面，而是在驅(qū)動(dòng)曲面（此倒角情況下選內(nèi)圓）按剛剛確定的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的值重新畫一個(gè)切面來作為圓筒的切口，如圖5 所示。新切面的夾角經(jīng)測(cè)量為30.84°，可以看出兩個(gè)切面之間有個(gè)較小的夾角，但與圓筒中心線相交處的高度是一樣的。

圖5 驅(qū)動(dòng)曲面變通圖

用這種方法畫出的雙邊開坡口的斜切圓筒去分析干涉體積，如圖6 所示，顯示為5253.81mm3，約為0.04kg，看上去應(yīng)該比較理想了，但這種畫法干涉體積變小了，間隙會(huì)不會(huì)變大呢？

圖6 變通驅(qū)動(dòng)曲面時(shí)的圓筒與三角形零件干涉分析圖

轉(zhuǎn)動(dòng)裝配圖，發(fā)現(xiàn)比較難觀察到，再將裝配圖在圓筒每隔30°剖開進(jìn)行觀察，如圖7 所示，可以看出0°剖面處圓筒的3mm 平臺(tái)與三角形零件的斜面緊密貼合，基本上沒有干涉與間隙，其余三個(gè)剖面在3mm 平臺(tái)處始終保持有一個(gè)角尖與斜面相接觸，另一個(gè)角與三角形零件有間隙或干涉，這是鈑金厚度一致的特征造成的。從干涉圖可以看出，一般選內(nèi)圓為驅(qū)動(dòng)曲面時(shí)，低處出現(xiàn)干涉，如果畫剖切面時(shí)將驅(qū)動(dòng)曲面低點(diǎn)的高度值1255.10mm 稍微調(diào)低點(diǎn)，干涉體積會(huì)變得更小，但間隙會(huì)稍微增大，這樣將更有利于焊接。

圖7 變通驅(qū)動(dòng)曲面時(shí)的圓筒與三角形零件剖切圖

圖8 展開圖

雙邊開坡口的斜切圓筒的展開

有了雙邊開坡口的斜切圓筒的鈑金三維圖后，在Pro/E 里展開相對(duì)比較簡(jiǎn)單。通常情況下，零件的展開是按中性層展開的，Pro/E 鈑金內(nèi)的K 因子體現(xiàn)了中性層的位置，當(dāng)K=0.5 時(shí)，中性層在板厚的一半處。根據(jù)參考文獻(xiàn)《單層厚壁圓筒體展開長(zhǎng)度的計(jì)算》中所述：中性層的位移量可用材料力學(xué)的方法計(jì)算得到，但計(jì)算較為復(fù)雜，通常借用試驗(yàn)的方法。這里借用參考文獻(xiàn)，根據(jù)R/S（圓筒內(nèi)半徑/筒體壁厚）=500/50=10，按表查得位移系數(shù)X=0.47，見表1。這里的位移系數(shù)X 相當(dāng)于Pro/E 里的K 因子，在Pro/E 編輯菜單下選取設(shè)置，選擇折彎許可，輸入K=0.47，展開后的圖形如圖8 所示。生產(chǎn)中可以參照?qǐng)D8 下料并倒坡口后卷圓。

表1 中性層位移系數(shù)

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厚壁圓筒是比較厚的鋼板卷制的，按照鈑金的定義，不屬于鈑金件的范圍。通常生產(chǎn)廠家的做法是放樣展開，但在放樣時(shí)，沒有比較直觀的感覺，通過Pro/E 畫出三維鈑金零件圖，再輔助繪出剖面的二維工程圖，可以清晰地看出干涉或間隙位置，并可分析出干涉體積的大小。在計(jì)算展開長(zhǎng)度時(shí)，雖然受到鋼材的材質(zhì)、卷圓時(shí)的受力情況、鋼材是否加熱以及各個(gè)生產(chǎn)廠家設(shè)備及工藝的不同等多種因素的不利影響，但這些因素可以通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整K 因子的值得以解決。因此，利用Pro/E 畫出斜切圓筒的3D 鈑金零件圖及展開圖對(duì)加工雙邊開坡口的斜切圓筒具有很大的參考價(jià)值。按本文思路去做，也可以畫出切口為圓弧面的圓筒，當(dāng)然要考慮的情況會(huì)變得更加復(fù)雜。