基于NX 的某鑄錠爐冷卻腔體焊接工裝的虛擬設計

撰文/江陰職業技術學院 許洪龍

南京依維柯汽車有限公司 何降哲

江蘇學信工業科技有限公司 鄭維明

通過用NX 軟件對某多晶硅鑄錠爐冷卻腔體的整體焊接進行工裝設計，闡述了NX 在夾具設計中的合理應用可以減少設計周期，并用NX 軟件強大的工程制圖功能，實現工裝工程圖的生成，提高了圖樣的正確性，縮短了圖樣的繪制時間，為其他夾具設計和機械設計提供了參考。

一、引言

隨著全球可用資源的日益減少，社會對能源的重視程度也越來越高，環保、節能和可重復利用成了全球共同關注的話題。太陽能作為清潔能源之一，其相關技術已經越來越廣地應用到了生活中，據相關報道，到2040 年，可再生能源將占總能耗的50%以上，其中太陽能光伏發電將占總電力的20%以上。鑄錠爐是生產太陽能發電用的硅片的主要生產設備，該設備工作時內部溫度高達1500℃，而外部殼體的溫度接近常溫，內外溫差相差非常大，考慮到材料的耐溫特性和伸縮性，一般鑄錠爐冷卻腔體都是由不銹鋼材料組成，常用SUS304L 和SUS316L 通過焊接方法得到。由于SUS304L 和SUS316L 材料在焊接后變形量大，所以必須通過焊接工裝來保證焊接精度。

NX 是一個高度集成的CAD/CAE/CAM 軟件系統，可用于產品的整個開發過程。該軟件具有三維建模、裝配、工程圖、運動分析、高級仿真和輔助制造等強大功能，可以提高設計的可靠性，縮短設計周期。在工裝設計中，充分利用NX 的裝配和工程圖，直觀的對工裝進行三維建模和干涉檢查，生成工程圖樣供生產應用。本文就多晶硅鑄錠爐的冷卻上腔體（以下簡稱上腔體）的整體焊接工裝設計用NX 進行輔助設計進行簡單闡述。

二、上腔體焊接問題描述

1.上腔體結構介紹

某多晶硅鑄錠爐的上腔體模型如圖1 所示。由底部大法蘭、內筒體、內封頭、導流圈、頂部的小法蘭和電極孔、進料口、外筒體、外封頭、側連接板、側面法蘭、把手、吊裝螺母和快裝接口及部分襯板組成。焊接前對底部大法蘭和頂部小法蘭預先進行一次加工，直徑和厚度均留5mm 加工余量，內外筒體、封頭及快裝接口、吊裝螺母和側法蘭按照圖樣要求直接加工到位，電極孔和進料口處的法蘭不加工（焊接完畢后加工），側連接板焊后加工。中間導流圈待內筒體和內封頭與底部大法蘭拼接好后進行點焊，導流圈位置示意圖如圖2 所示。

2.焊接工藝過程安排

圖1 多晶硅鑄錠爐上腔體模型圖

圖2 導流圈示意圖

對上腔體進行結構分析，可以發現整個上腔體可以分為內外兩層，中間是導流圈，焊接時，應該先對內筒體和內封頭進行焊接，焊接后將電極孔等焊接到內封頭上，再焊接導流圈，再將外筒體和外封頭進行焊接。總體焊接過程規劃如圖3 所示。

圖3 焊接工藝過程圖

三、用NX 設計工裝

由于大法蘭的內孔和底面已經加工，在設計時以底部大法蘭內孔和底面為定位基準進行整體工裝設計。

首先用NX 對上腔體進行參數化三維建模，利用該軟件的裝配模塊對該整體工裝進行設計。設計時采用自頂向下的方法進行設計。過程中，充分利用NX 軟件裝配模塊中的WAVE鏈接技術，將上腔體中的已有對象（包括點線面）信息進行提取，生成工裝設計時所需的參考點、線段和面信息。這樣可以輕松實現各個需要焊接零部件工裝的準確定位。如果在設計時發現繪制的模型或工裝尺寸有誤，可以通過直接修改參數來實現更改，相比平面設計軟件有著很大的優勢。設計完畢后，可以直觀地看到整個模型的工裝全貌，如圖4 所示。用裝配模塊中的干涉檢查功能來對工裝和工件進行干涉檢查，查找出裝配后會出現的干涉問題。

圖4 上腔體整體工裝

這樣的設計方法，省去了在平面設計中找對應關系的麻煩，也略去了萬一尺寸錯誤，修改不方便的問題，大大提高了設計效率。對總體工裝設計后，根據焊接對象不同將之分為多個小工裝如圖5 所示，方便在后續出圖中使用。

工裝設計完畢后，對工裝的具體使用方法和整個焊接過程用NX 軟件的裝配序列和運動仿真進行焊接模擬，對指導工人和技術人員時非常有益，實現了虛擬制造，可以極大地減少工人在焊接過程中遇到的問題，強化工人對該產品焊接過程的理解。

導流圈的焊接也是上腔體加工中常常出現錯誤的地方，用NX 軟件對導流圈進行模擬，繪制出如圖6 所示的三維實體，并幫助標出關鍵點的坐標信息，這樣可以讓工人一目了然，不易出錯。

四、用NX 生成二維工程圖

圖5 焊接工裝部件圖

圖6 導流圈分布圖

上腔體整體工裝的實體模型設計完成后，用NX 中的工程制圖模塊，將該工裝的各個零部件和整體工裝裝配圖輸出成二維工程圖樣的形式，用于打印輸出，或供其它CAD 系統讀取。在圖樣中，所有的圖形視圖都是相關聯的，即基于統一的數據基礎，修改其中某個視圖的尺寸后，系統就會自動更新其他的相關零件視圖及裝配圖。

鑒于常用AutoCAD 軟件進行平面出圖，需將NX 文件轉換為DWG（或者DXF）格式的文檔。在轉換為DWG（或者DXF）文件時，一般先將圖樣導出為CGM 格式的文件，再利用NX 新建一個模型文件，將剛剛生成的CGM 重新導入到NX 中，進行保存后再將該PRT 文件中的內容進行導出，這樣可以實現NX 工程圖與DWG（或者DXF）文件之間數據的無縫連接，以整體工裝的工程圖（圖7）為例簡要展示，生成工程圖樣符合生產需要，這樣可以大大縮減設計周期，提高設計效率。各輔助工裝的工程圖同樣都可以按照此法生成，如快裝接口焊接工裝工程圖導出后加以標注，可以生成工程圖如圖8 所示。

圖7 整體工裝平面圖

圖8 側快裝接口工裝工程圖

五、結語

綜上所述，用NX 軟件對上腔體的整體工裝進行設計，可以非常直觀地看到設計者的意圖，巧妙地應用裝配中自頂向下的設計理念和裝配序列、運動仿真等虛擬技術，可以將工裝的使用和焊接工藝展現在焊接工人和技術人員面前，在制造成本和設計標準符合企業現狀的情況下，解決了傳統焊接工裝設計存在的缺點和不足，也解決了平面設計時找對應關系的麻煩，減少了設計錯誤的出現，大大縮減設計周期，提高了生產效率，對各行業的工裝設計和機械設計都有參考價值。