基于SolidWorks陶瓷工廠多節漸縮圓錐管90°彎頭滾彎板材的展開設計

蔡祖光

摘 要：介紹陶瓷工廠多節漸縮圓錐管90°彎頭工程圖的作圖方法，詳細地敘述利用SolidWorks三維軟件的鈑金特征功能（放樣折彎）設計制造多節漸縮圓錐管90°彎頭板料滾彎（折彎）成型中性面薄壁筒體（俗稱殼體）的三維曲面實體及其展開圖的設計。

關鍵詞：多節漸縮圓錐管;90°彎頭;工程圖;SolidWorks三維軟件;設計

1 前 言

多節漸縮圓錐管90°彎頭是多節漸縮正圓錐管組成90°彎頭的簡稱（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、衛生陶瓷制品修坯工序通風除塵、干壓成型用陶瓷粉料制備用噴霧干燥器熱風管道及排濕排煙等管道工程中廣泛應用的變徑轉彎構件。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°轉彎構件，就是由多節圓錐度角相同的圓錐管通過咬邊連接（薄板）或焊接（中厚板）后制成的管道附件，其接口處的結合線為橢圓，在其軸向投影面內重合為一直線。盡管一些書籍[1]上介紹了多節漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）板料的展開設計，但因其設計計算煩雜，展開作圖精確度低，而且設計計算及展開作圖等勞動強度較大，工作效率又較低。在此，介紹多節漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）板料的展開設計新方法——利用SolidWorks三維軟件的鈑金特征功能設計制造多節漸縮圓錐管90°彎頭板料滾彎（折彎）成型中性面薄壁筒體（俗稱“殼體”）的三維曲面實體及其展開圖的設計方法，供同行們批評指正。

2 多節（5節）漸縮圓錐管90°彎頭工程圖的作圖方法

假設某陶瓷工廠通風除塵管路中采用的多節漸縮圓錐管90°彎頭是由5節圓錐管組成（其三維實體示意圖如圖1所示），其主要參數如下：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（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（兩端部圓錐管段）中心線的長度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A0處沿其軸心線向上依次截取長度為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A1、點A2、點A3及點A4，然后過點A1及點A3向“牛角”彎頭的彎曲中心點C側作斜度角為β（β=11.25°）的直線，同時過點A2及點A4向“牛角”彎頭的彎曲中心點C側的反方向作斜度角為負β（β=11. 25°）的直線，此四條直線將圓錐管分割成5節。

如圖2所示，若以第1節（奇數節）圓錐管段（從圓錐管底部中心點A0處往上算起，點A0至點A1之間的圖形）為基礎，將第2節（偶數節）圓錐管段（點A1至點A2之間的圖形）繞其軸心線旋轉180°后，再以其左側的最低點為旋轉中心，將整個圖形逆時針方向旋轉2β=22.5°（β=11.25°）后，疊加在第1節圓錐管段的上端部;再以第3節（奇數節）圓錐管段（點A2至點A3之間的圖形）左側的最低點為旋轉中心，將整個圖形逆時針旋轉4β=45°（β=11.25°）后，再疊加在第2節圓錐管段的上端部;同樣將第4節（偶數節）圓錐管（點A3至點A4之間的圖形）繞其軸心線旋轉180°后，再以其左側的最低點為旋轉中心，將整個圖形逆時針旋轉6β=67.5°（β=11.25°）后，再疊加在第3節圓錐管段的上端部;最后以第5節（奇數節）圓錐管段（點A4至點A5之間的圖形）左側的最低點為旋轉中心，將整個圖形逆時針旋轉8β=90°（β=11.25°）后，再疊加在第4節圓錐管的段上端部后，就獲得了5節漸縮圓錐管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，對于多節（n節，n為大于2的整數，因為n=2時變成90°直角彎頭，不屬于多節漸縮圓錐管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節的等分示意圖（如圖2所示，n=5）

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

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

3 多節（5節）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。顯然，在金屬材料層由逐漸縮短連續地轉變成逐漸伸長的過程中，必定有一個金屬材料層的尺寸保持既不縮短也不伸長（尺寸不變）的狀態，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）模具的結構及其滾彎（折彎）成型生產工藝等許多因素相關。但實踐生產過程中，對于工業生產中制造精度要求較低的金屬板材滾彎（折彎）成型，通常認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：某陶瓷工廠通風除塵管路中采用的多節（5節）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碳素結構鋼板經等離子弧切割或氧氣乙炔火焰（簡稱氧炔焰）切割下料后，打磨切割邊殘渣及去除毛刺后，經卷板機滾彎（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（5節）漸縮圓錐管90°彎頭組成的圓錐管的滾彎（折彎）成型中性面的結構示意圖如圖4所示。

4 多節（5節）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體設計

為了簡化作圖，首先考慮二分之一（剖分式）圓錐管（5節漸縮圓錐管90°彎頭）滾彎（折彎）成型中性面之曲面實體的生成。因為二分之一（剖分式）圓錐管（5節漸縮圓錐管90°彎頭）滾彎（折彎）成型中性面之曲面實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SolidWorks三維軟件鈑金的“放樣折彎”設計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體三維構造圖及其各節圓錐管滾彎（折彎）成型中性面曲面實體三維構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）成型中性面曲面實體

4. 1.1 繪制大端半圓形“草圖1”

接通電源，啟動電腦，進入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）任選一繪圖基準面（如：前視基準面），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”|“草圖繪制實體”|“圓形形”命令，以坐標原點為圓心繪制直徑為φ596mm的圓。

（3）通過直徑為φ596mm圓的圓心做水平輔助線，交該圓于兩點，然后通過單擊“草圖”工具欄“剪裁實體”按鈕下的“強勁剪裁”選項，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 “基準面1”的建立

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

（2）確定上述參數選擇后，就會生成“基準面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”|“草圖繪制實體”|“圓形形”命令，繪制圓心位于“基準面1”上的坐標原點，直徑為346mm的圓。

（2） 通過直徑為φ346mm圓的圓心做水平輔助線，交該圓于兩點，然后通過單擊“草圖”工具欄“剪裁實體”按鈕下的“強勁剪裁”選項，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”參數編輯對話框，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體，并存盤，如圖8所示。

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

4.2.1 第1節剖分式漸縮圓錐管90°彎頭

（1）如圖8所示，選擇上視基準面作為“草圖3”繪圖平面，進入 “草圖”繪制界面，將其另存為第1節剖分式漸縮圓錐管90°彎頭。隨后，通過二分之一（剖分式）圓錐管大端之中心點——坐標原點A0為起點，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A5，在軸心線A0A5上截取A0A1=h=159.13mm后獲得點A1，然后過點A1作一直線，使其與過圓錐管之大端中心點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”，同時選擇“正側切除（N）”后，獲得第1節剖分式漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）成型中性面之曲面實體，如圖10所示，并存盤。

4.2.2 第2節剖分式漸縮圓錐管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“反側切除（N）”并存盤。

（2）同樣，選擇上視基準面作為“草圖4”繪圖平面，進入“草圖”繪制界面，隨后，通過二分之一（剖分式）圓錐管大端之中心點——坐標原點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A5，并在軸心線A0A5上截取A1A2=2h=318.26mm后獲得點A2。然后過點A2作一直線，使其與過圓錐管之小端中心點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”，同時選擇“正側切除（N）”后，獲得第2節剖分式漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）成型中性面之曲面實體，如圖12所示，并存盤。

4.2.3 第3節剖分式漸縮圓錐管

（1）如圖11所示，將其另存為第3節剖分式漸縮圓錐管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“反側切除（N）”并存盤。

（2）同樣，選擇上視基準面作為“草圖5”作圖平面，進入“草圖”繪制界面，過二分之一（剖分式）圓錐管大端之中心點——坐標原點點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A5，并在軸心線A0A5上截取A2A3=2h=318.26mm后獲得點A3。然后過點A3作一直線，使其與過圓錐管之小端中心點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”，同時選擇“正側切除（N）”后，獲得第3節剖分式漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）成型中性面之曲面實體，如圖14所示，并存盤。

4.2.4 第4節剖分式漸縮圓錐管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“反側切除（N）”并存盤。

（2）同樣，選擇上視基準面作為“草圖6”作圖平面，進入“草圖”繪制界面，過二分之一（剖分式）圓錐管大端之中心點——坐標原點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A5，并在軸心線A0A5上截取A3A4=2h=318.26mm后獲得點A4。然后過點A4 作一直線，使其與過圓錐管之小端中心點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”，同時選擇“正側切除（N）”后，獲得第4節剖分式漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）成型中性面之曲面實體，如圖16所示，并存盤。

4.2.4 第5節剖分式漸縮圓錐管

（1）如圖15所示，將其另存為第5節剖分式漸縮圓錐管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“反側切除（N）”獲得第5節剖分式漸縮圓錐管滾彎（折彎）成型中性面之曲面實體，如圖17所示，并存盤。

5 多節（5節）漸縮圓錐管90°彎頭滾彎（折彎）板材的展開設計

進入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，下方標有“平板型式”的投影圖拖入“工程圖紙”內（如圖19所示），將它另存為DWG文件。然后利用AutoCAD軟件對圖19進行編輯處理（如：圖形旋轉及圖形軸對稱）及存盤后，獲得第1節漸縮圓錐管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節漸縮圓錐管90°彎頭、第3節漸縮圓錐管90°彎頭、第4節漸縮圓錐管90°彎頭及第5節漸縮圓錐管90°彎頭的展開圖如圖13所示。從下至上，依次為第1節圓錐管段（A0至A1之間的區域）、第2節圓錐管（A1至A2之間的區域）、第3節圓錐管段（A2至A3之間的區域）、第4節圓錐管段（A3至A4之間的區域）及第5節圓錐管段（A4至A5之間的區域）。再在各節圓錐管的展開料設計留放咬邊余量，然后滾彎（折彎）成型為圓錐筒段，最后通過咬邊連接（薄板）或焊接（中厚板）后制成多節（5節）漸縮圓錐管90°彎頭。

參考文獻

[1] 翟洪緒.板金展開計算法[M].機械工業出版社.2002.