基于Pro/E的斜切口厚壁圆筒的钣金造型与展开

文/韩益建·江苏海力风电设备科技股份有限公司

海上风电设备制造领域中经常遇到用厚钢板卷成圆筒并焊接的情况，对于双端面平行的直圆筒来说，展开后是一块长方形的钢板，只要计算好展开长度，卷圆并回圆后焊接相对比较简单，这在安丰华的研究文章《单层厚壁圆筒体展开长度的计算》中有详细的说明，但对于有斜切口的圆筒并开坡口时，斜切口端展开后是一根曲线，如展开曲线不准，卷圆后焊接时会出现两个零件干涉或间隙过大的情况，使得焊接工作量增加很多，严重影响质量及交货时间。斜切厚壁圆筒不开坡口不便于焊接，这种情况在实际运用中很少，本文为了让大家了解钣金的特点，从不开坡口的斜切圆筒开始讲起。

不开坡口斜切圆筒的钣金造型

钣金是针对金属薄板（通常在6mm 以下）的一种综合冷加工工艺，其显著的特征就是同一零件厚度一致。由上述定义可以看出钣金有两个特点：第一，钣金适用于薄板，对于厚板其实是不适用的，厚壁圆筒钣金件的绘制可以给加工提供参考，再结合各公司的具体情况适当调整，具有一定的参考价值。第二，同一钣金零件厚度是一致的，并且定义中强调了显著两字，对于斜切口圆筒，斜切口处的厚度是渐变的，制作成为钣金件时厚度便会相同，这样就会比原来的零件增加或减少了部分实体，与原来斜切口的形状不一致了。

钣金件一般是在Pro/E 零件下的钣金件子类型内建模，为了看清转换后钣金件切口的变化，需要先在实体子类型内建模，再转换为钣金件，这样在更换驱动曲面时圆筒的内外径不会发生变化。

绘制如图1 所示的两个零件。先分别画出上面的三角形零件（这个零件只是为了剖切圆筒及干涉检查，因此画了一个简单的形状）及内径为1000mm、高度为1900mm、厚度为50mm 的直圆筒，画圆筒时开口处留1mm 间隙便于后面展开，当然也可在钣金子类型下开口，然后再装配成一个整体，利用三角形的斜面切开圆筒；打开圆筒零件，在菜单上选择应用程序下的钣金件，右侧弹出钣金件转换菜单管理器，选择圆筒的外侧圆为驱动曲面。

图1 厚壁圆筒与三角形干涉检查件

实体模型与转换为钣金件的对比如图2 所示，可以明显地看出切口发生了变化，这是因为钣金的特征是同一零件厚度一致，它会将斜切口缺少的材料补上，多余的材料去掉，使得沿板厚方向的面与驱动曲面相垂直。

图2 实体模型与转换为钣金件的对比

在装配的情况下分析全局干涉，如图3 所示，显示出两个零件干涉体积为745645mm3，并可看出干涉主要在斜切口的高侧。

图3 驱动曲面为外侧圆时的圆筒与三角形零件干涉分析图

重新选择圆筒的内侧圆为驱动曲面，如图4 所示，显示干涉体积为768867mm3，干涉主要在斜切口的低侧。从上面的数据可以得出，选择驱动面为外圆或内圆时，干涉体积变化不大，区别仅在于在哪个部位出现干涉。对于干涉量，为了直观起见，转化为重量大约有6kg，可见焊接时需要去除很大一部分材料，而且不是在同一处去除，加工难度比较大。

图4 驱动曲面为内侧圆时的圆筒与三角形零件干涉分析图

单边开坡口的斜切圆筒的钣金造型

在前面已绘制好的图形基础上，在钣金子类型内将圆筒外侧倒角C47 且只留3mm 的平台（不能在实体子类型内倒角，实体子类型内倒角是不可能出现干涉的，但零件不是钣金件，不好转换为钣金）。选择不同的驱动曲面分析得到：选择外圆为驱动曲面时干涉体积为279442mm3，选择内圆为驱动曲面时干涉体积为5416.60mm3，前者大约是后者的51 倍，可见外侧开坡口时应选择内圆为驱动曲面，外侧开坡口后，外侧的材料被去除，只在内侧处接触。

如果改为圆筒内侧倒角C47。选择不同的驱动曲面分析得到：选择外圆为驱动曲面时干涉体积为5915.95mm3，选择内圆为驱动曲面时干涉体积为302049mm3，再看三维装配图，可以明显地看出高处的间隙也很大。由此得出内侧开坡口时应选择外圆为驱动曲面，这与直观的想法同样也是一致的。

双边开坡口的斜切圆筒的钣金造型

现在设置圆筒外侧倒角C30，内侧倒角C17，同样中间留3mm 的平台。选择不同的驱动曲面分析得到：选择外圆为驱动曲面时干涉体积为343437mm3，选择内圆为驱动曲面时干涉体积为163161mm3，选内圆为驱动曲面时干涉量小，但干涉体积是单侧坡口的30（163161/5416.60）倍。仔细观察可以发现，两个零件实际接触处其实就在3mm 的平台处，那么可不可以就以3mm 平台处的圆柱面作为驱动曲面呢？Pro/E 只能选择零件的内圆或外圆为驱动曲面，经过反复考虑，决定在画图时变通一下，试着以3mm 平台处的圆柱面与三角形零件30°斜面相交（此处选3mm 平台的内侧圆柱面，即半径R=500+17=517mm 的圆柱面）的最高点的高度值1852.08mm 与最低点的高度值1255.10mm 作为驱动曲面的最高点与最低点的值，这样在圆筒斜切口时就不选择上面三角形零件30°斜面作为切面，而是在驱动曲面（此倒角情况下选内圆）按刚刚确定的最高点与最低点的值重新画一个切面来作为圆筒的切口，如图5 所示。新切面的夹角经测量为30.84°，可以看出两个切面之间有个较小的夹角，但与圆筒中心线相交处的高度是一样的。

图5 驱动曲面变通图

用这种方法画出的双边开坡口的斜切圆筒去分析干涉体积，如图6 所示，显示为5253.81mm3，约为0.04kg，看上去应该比较理想了，但这种画法干涉体积变小了，间隙会不会变大呢？

图6 变通驱动曲面时的圆筒与三角形零件干涉分析图

转动装配图，发现比较难观察到，再将装配图在圆筒每隔30°剖开进行观察，如图7 所示，可以看出0°剖面处圆筒的3mm 平台与三角形零件的斜面紧密贴合，基本上没有干涉与间隙，其余三个剖面在3mm 平台处始终保持有一个角尖与斜面相接触，另一个角与三角形零件有间隙或干涉，这是钣金厚度一致的特征造成的。从干涉图可以看出，一般选内圆为驱动曲面时，低处出现干涉，如果画剖切面时将驱动曲面低点的高度值1255.10mm 稍微调低点，干涉体积会变得更小，但间隙会稍微增大，这样将更有利于焊接。

图7 变通驱动曲面时的圆筒与三角形零件剖切图

图8 展开图

双边开坡口的斜切圆筒的展开

有了双边开坡口的斜切圆筒的钣金三维图后，在Pro/E 里展开相对比较简单。通常情况下，零件的展开是按中性层展开的，Pro/E 钣金内的K 因子体现了中性层的位置，当K=0.5 时，中性层在板厚的一半处。根据参考文献《单层厚壁圆筒体展开长度的计算》中所述：中性层的位移量可用材料力学的方法计算得到，但计算较为复杂，通常借用试验的方法。这里借用参考文献，根据R/S（圆筒内半径/筒体壁厚）=500/50=10，按表查得位移系数X=0.47，见表1。这里的位移系数X 相当于Pro/E 里的K 因子，在Pro/E 编辑菜单下选取设置，选择折弯许可，输入K=0.47，展开后的图形如图8 所示。生产中可以参照图8 下料并倒坡口后卷圆。

表1 中性层位移系数

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结束语

厚壁圆筒是比较厚的钢板卷制的，按照钣金的定义，不属于钣金件的范围。通常生产厂家的做法是放样展开，但在放样时，没有比较直观的感觉，通过Pro/E 画出三维钣金零件图，再辅助绘出剖面的二维工程图，可以清晰地看出干涉或间隙位置，并可分析出干涉体积的大小。在计算展开长度时，虽然受到钢材的材质、卷圆时的受力情况、钢材是否加热以及各个生产厂家设备及工艺的不同等多种因素的不利影响，但这些因素可以通过实践经验来调整K 因子的值得以解决。因此，利用Pro/E 画出斜切圆筒的3D 钣金零件图及展开图对加工双边开坡口的斜切圆筒具有很大的参考价值。按本文思路去做，也可以画出切口为圆弧面的圆筒，当然要考虑的情况会变得更加复杂。