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，對于雙端面平行的直圓筒來說，展開后是一塊長方形的鋼板，只要計(jì)算好展開長度，卷圓并回圓后焊接相對比較簡單，這在安豐華的研究文章《單層厚壁圓筒體展開長度的計(jì)算》中有詳細(xì)的說明，但對于有斜切口的圓筒并開坡口時，斜切口端展開后是一根曲線，如展開曲線不準(zhǔn)，卷圓后焊接時會出現(xiàn)兩個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特點(diǎn)：第一，鈑金適用于薄板，對于厚板其實(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，制作成為鈑金件時厚度便會相同，這樣就會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)動曲面時圓筒的內(nèi)外徑不會發(fā)生變化。

繪制如圖1 所示的兩個零件。先分別畫出上面的三角形零件（這個零件只是為了剖切圓筒及干涉檢查，因此畫了一個簡單的形狀）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)動曲面相垂直。

圖2 實(shí)體模型與轉(zhuǎn)換為鈑金件的對比

在裝配的情況下分析全局干涉，如圖3 所示，顯示出兩個零件干涉體積為745645mm3，并可看出干涉主要在斜切口的高側(cè)。

圖3 驅(qū)動曲面為外側(cè)圓時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)動面為外圓或內(nèi)圓時，干涉體積變化不大，區(qū)別僅在于在哪個部位出現(xiàn)干涉。對于干涉量，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)動曲面為內(nèi)側(cè)圓時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（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)動曲面分析得到：選擇外圓為驅(qū)動曲面時干涉體積為279442mm3，選擇內(nèi)圓為驅(qū)動曲面時干涉體積為5416.60mm3，前者大約是后者的51 倍，可見外側(cè)開坡口時應(yīng)選擇內(nèi)圓為驅(qū)動曲面，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)動曲面分析得到：選擇外圓為驅(qū)動曲面時干涉體積為5915.95mm3，選擇內(nèi)圓為驅(qū)動曲面時干涉體積為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)開坡口時應(yīng)選擇外圓為驅(qū)動曲面，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。選擇不同的驅(qū)動曲面分析得到：選擇外圓為驅(qū)動曲面時干涉體積為343437mm3，選擇內(nèi)圓為驅(qū)動曲面時干涉體積為163161mm3，選內(nèi)圓為驅(qū)動曲面時干涉量小，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)，兩個零件實(shí)際接觸處其實(shí)就在3mm 的平臺處，那么可不可以就以3mm 平臺處的圓柱面作為驅(qū)動曲面呢？Pro/E 只能選擇零件的內(nèi)圓或外圓為驅(qū)動曲面，經(jīng)過反復(fù)考慮，決定在畫圖時變通一下，試著以3mm 平臺處的圓柱面與三角形零件30°斜面相交（此處選3mm 平臺的內(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)動曲面的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的值，這樣在圓筒斜切口時就不選擇上面三角形零件30°斜面作為切面，而是在驅(qū)動曲面（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)的值重新畫一個切面來作為圓筒的切口，如圖5 所示。新切面的夾角經(jīng)測量為30.84°，可以看出兩個切面之間有個較小的夾角，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，間隙會不會變大呢？

圖6 變通驅(qū)動曲面時的圓筒與三角形零件干涉分析圖

轉(zhuǎn)動裝配圖，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，其余三個剖面在3mm 平臺處始終保持有一個角尖與斜面相接觸，另一個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)動曲面時，低處出現(xiàn)干涉，如果畫剖切面時將驅(qū)動曲面低點(diǎn)的高度值1255.10mm 稍微調(diào)低點(diǎn)，干涉體積會變得更小，但間隙會稍微增大，這樣將更有利于焊接。

圖7 變通驅(qū)動曲面時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 里展開相對比較簡單。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，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)中可以參照圖8 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，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)算展開長度時，雖然受到鋼材的材質(zhì)、卷圓時的受力情況、鋼材是否加熱以及各個生產(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)然要考慮的情況會變得更加復(fù)雜。