基于SolidWorks“天方地圓”與圓錐斜交異形鈑金件下料方法的研究

肖獻國，李 珍，李大磊

XIAO Xian-guo, LI Zhen, LI Da-lei

（鄭州大學 機械工程學院，鄭州 450001）

0 引言

鈑金件在化工、石油、航天、航空和機械設備等行業中應用廣泛。在市場上的金屬制品中，鈑金零件占90%以上，在軍事和國民經濟等方面占據著十分重要的的地位。因鈑金具有質量輕、生產率高、材料利用率高等優點，所以在輕工業產品中，金屬件幾乎全部都是鈑金產品。在傳統鈑金展開施工過程中一般有圖解法和計算法兩種。而隨著CAD技術的快速發展，涌現了許多3D設計軟件，它們幾乎都提供了強大的鈑金設計功能。SolidWorks就是其中典型的一款三維軟件，利用其提供的鈑金建模工具，不僅可以直觀地創建和修改復雜鈑金，還能直接生成鈑金件的展開圖，十分方便快捷而且精確度高。

1 “天方地圓”與圓錐斜交異形鈑金件結構特點

“天方地圓”與圓錐斜交異形鈑金件，如圖1所示，是制藥設備中一種分料裝置，材料牌號為為1Cr18Ni9Ti。物料從鈑金件上部進口進入，一部分從“天方地圓”的左下部出口流出，另一部分則從與“天方地圓”斜交的圓錐支管分料口流出。該裝置中的天方地圓具有獨特的形狀結構：1）上部進口呈120mm×90mm的矩形，而左下部出口是直徑為的45mm圓且上下進出口所在兩平面不平行；2）矩形中心與圓的兩條端面軸線前后、左右均不重合；3）另一部分的斜交圓錐分料支管與“天方地圓”復雜相貫且其軸線與豎直方向之間的夾角為45°，底部直徑為25mm，錐度為7°。

圖1 天方地圓與圓錐斜交異形鈑金件

2 傳統展開圖的方法

圖解法造成的誤差大，而計算法的精確度雖有所提高，但因其被輪廓線上的等分點數所限制而使計算量增加。故采用圖解法對其進行展開。首先對“天方地圓”的展開。延長“天方地圓”上下兩端面的正視投影線并交于一點，求出兩端面交線的位置，過交線的兩端點分別作圓的切線，求出圓弧的分段點，再將出口圓周8等分，過各等分點和分段點作入口矩形對應頂點的連線，即得各橢圓錐面素線的投影線，利用直角三角形法求出各素線的實長，如圖2所示，用各實長線依次拼畫出各個橢圓錐面和三角形平面的三角形實形圖，即得到“天方地圓”的展開圖，如圖3(a)所示。由于“天方地圓”與圓錐斜交后生成了復雜的空間相貫線，用傳統圖解法進行展開十分困難，因此在圖解法展開圖（圖3(a)）中無法作出復雜r 相貫線。其次對圓錐分料支管的展開。將圓錐分料支管8等分，過每等分點沿著母線方向作直線并與天方地圓相交，求出各條直線的實長并依次將對應的實長截取到展開圖中，由此得到圓錐分料支管的展開圖，如圖3(b)所示。

圖2 圖解法“天方地圓”的展開過程

圖3 圖解法展開圖

3 基于SolidWorks展開圖的方法

使用SolidWorks建立鈑金零件的方法分為兩種：一種方法是直接將其作為鈑金件來進行建模，使用鈑金特征建立鈑金零件。另一種方法是用常規的建模方法先進行3D模型的建立，再進行鈑金件的轉換。該異形鈑金件是由“天方地圓”與圓錐斜交產生的。其中，“天方地圓”的建模一般都是利用 【放樣折彎】直接生成鈑金件，然后進行展開，故使用鈑金特征直接生成。而圓錐支管不能用此方法，故對其先進行實體建模，然后將其與“天方地圓”分割后再轉化為鈑金件。展開時，二者分別進行。

3.1 3D建模過程

3.1.1 建立天方地圓模型

選擇“上視基準面”并在其上繪制開環矩形并添加圓角，以“右視基準面”上一條的水平直線為一基準創建與“上視基準面”夾角為45°的“基準面1”并在其上繪制開環圓,如圖4(a)所示。最后，選取上述的兩個開環輪廓進行【放樣折彎】，如圖4(b)所示。

圖4 建立天方地圓模型

3.1.2 建立圓錐支管模型

創建與“上視基準面”反轉夾角為45°并以上述水平直線為另一基準的“基準面2”并在其上繪制圓，進行拔模斜度為7°的【拉伸】，到“天方地圓”實體終止，如圖5(a)所示。在圓錐支管下底面上繪制小圓，進行拔模斜度為7°的【拉伸切除】，到下一面終止，完成3D模型的建立，如圖5(b)所示。

圖5 天方地圓與圓錐斜交異形鈑金件

3.2 分割

將“天方地圓”的外表面選為剪裁曲面，選擇圓錐支管為要產生的實體，完成【分割】后保存實體，如圖5(a)所示，然后利用【移動/復制】分離圓錐支管，如圖5(b)所示。

圖6

3.3 展開圖的生成

“天方地圓”是使用鈑金特征直接生成的鈑金件，故可直接利用【展開】得到其展開圖，如圖6(a)所示。利用【拉伸切除】將圓錐支管切開一條縫隙，以其中的線性邊線為固定邊【插入折彎】將其轉換為鈑金件，【展開】即可得到圓錐支管的展開圖，如圖6(b)所示。

圖7 基于SolidWorks展開圖

比較圖解法展開圖（如圖3 所示），基于SolidWorks方法不但可以快速得到鈑金件展開圖，尤其是使“天方地圓”與圓錐斜交復雜空間相貫線非常方便地得到了展開，解決了傳統展開方法存在的各種問題，突破了傳統展開方法的局限。

4 結論

利用SolidWorks的鈑金設計功能不僅可以快速生成鈑金件的三維模型，而且不需要經過繁瑣的繪圖過程就能夠得到相應零件的展開圖來進行下料，還可以根據鈑金件的生產批量來選擇最佳的下料生產方式。當單件小批量生產時，利用SolidWorks將鈑金件的二維展開圖以dwf或dxf格式保存輸出來作為下料的樣板進行手工放樣和切割；當大量成批生產時，利用SolidWorks將展開圖的尺寸數據直接傳輸給數控編程系統，生成數控切割機的加工代碼以進行自動切割下料。故SolidWorks的鈑金設計功能可為具有空間復雜相貫線的異形鈑金件的生產提供了一種具有高效率和高精度方法。

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