在鋼鐵企業(yè)的日常生產(chǎn)過程中，鐵水罐扮演著非常重要的角色，其主要用于鐵水的盛裝和輸送。鐵水罐為球缺底圓錐體罐，罐外殼由鋼板與吊架焊接而成，內(nèi)襯砌筑耐火磚。在鐵水罐的兩端沿垂直兩邊耳軸的方向有一大一小兩個(gè)罐嘴。這兩個(gè)罐嘴主要負(fù)責(zé)罐中鐵水的盛接和傾倒。在鐵水罐的制造過程中，罐嘴的制造最為困難。

　　由于兩個(gè)罐嘴的曲面不規(guī)則，受傳統(tǒng)手工放樣法展開曲面的制約，以往生產(chǎn)制造的曲面都不光滑，罐嘴中間存在著明顯“凸起”，給煉鐵廠在盛接與傾倒鐵水帶來很大的不便。針對(duì)上述情況，我們決定改變以往的制造工藝，采用Pro/ENGINEER三維設(shè)計(jì)軟件來對(duì)罐嘴的曲面進(jìn)行建模和展開放樣。事實(shí)證明，這種方法可以很好地解決上述技術(shù)難題。下面筆者結(jié)合本單位生產(chǎn)制造的210T鐵水罐來說明罐嘴的建模和制造方法。

　　一、曲面的建模和展開

　　1.曲面的建模

　　圖1和圖2是生產(chǎn)中所用到的罐嘴施工圖樣，圖1是大罐嘴，圖2是小罐嘴。從該圖上我們很難準(zhǔn)確地繪制出罐嘴的曲面展開圖用于鋼板下料切割，即使能夠繪出，也很難滿足生產(chǎn)制造的需要。為此，我們采用Pro/ENGINEER Wildfire3.0(下面簡(jiǎn)稱Pro/ENGINEER)來進(jìn)行三維建模，進(jìn)行曲面的構(gòu)建。該軟件是目前機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域普遍使用的三維實(shí)體建模軟件，相比傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)軟件，其具有強(qiáng)大的3D功能。在軟件的建模過程中，我們可以實(shí)時(shí)把握曲面的形成過程，做到邊創(chuàng)建模型邊利用軟件提供的修改工具進(jìn)行修改，以期達(dá)到車間的生產(chǎn)制造水平。下面是具體的建模步驟。

　　首先我們需要繪制出鐵水罐的罐體，接著繪制出兩個(gè)罐嘴上面的法蘭盤(即俯視圖中的圓弧和直線部分)，然后在與罐體主視圖平行的平面上繪制出在罐體曲面上進(jìn)行“曲面掃描”所需要的投影曲線。

　　這里需要說明的是，在進(jìn)行法蘭盤的繪制時(shí)用到了投影曲線，因?yàn)橹挥羞@樣才能保證設(shè)計(jì)出來的罐嘴法蘭符合施工圖中的三視圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確保建模準(zhǔn)確。在罐嘴法蘭下表面和罐體上的投影曲線都建立好后，開始罐嘴曲面的構(gòu)建，圖3就是我們構(gòu)建的三維模型。

　　在構(gòu)建罐嘴曲面的過程中，有以下幾個(gè)細(xì)節(jié)需要特別注意。

　　(1)大罐嘴中間的曲面過渡(圖3中的藍(lán)綠分界線)在曲面建模過程中很重要，必須有此一步。這是因?yàn)檐浖摹扒鎾呙琛惫δ懿荒茉诳缍热绱舜蟮膬蓷l投影線段之間進(jìn)行自動(dòng)掃描，強(qiáng)行掃描會(huì)得到曲面交叉，造成建模失敗，因此要借助中間的綠色部分過渡。將這個(gè)過渡區(qū)選在罐體的邊緣，即圖4 中大罐嘴尺寸線處，是筆者在多個(gè)建模方案中得到的經(jīng)驗(yàn)。

　　(2)在進(jìn)行掃描曲線的繪制時(shí)，必須用到投影曲線，因?yàn)樵诠摅w曲面上不能繪制平面曲線。

　　(3)在曲面掃描的過程中，必須實(shí)時(shí)調(diào)整掃描曲線上構(gòu)造點(diǎn)的位置，以期得到光滑的曲面。

　　(4)圖4中的小罐嘴曲面掃描不需要過渡，可以直接掃描得到。

　　2.曲面的展開

　　在曲面構(gòu)建好后，需要借助軟件“插入”工具欄中“高級(jí)”選項(xiàng)里的“展開面組”功能，對(duì)構(gòu)建好的曲面進(jìn)行展開。在進(jìn)行“展開面組”的過程中，首先對(duì)要展開的曲面進(jìn)行曲面復(fù)制，而后合并相鄰曲面，并選定展開基準(zhǔn)點(diǎn)，之后再進(jìn)行曲面的展開。

　　這里有一點(diǎn)需要注意：展開的曲面要選定在鋼板厚度方向所在的中心線上，這樣得到的才是鋼板折彎回去的真實(shí)曲面。圖5所示為小罐嘴曲面展開的式樣，大罐嘴類似。

　　二、曲面的彎制和組裝

　　在把不規(guī)則的罐嘴曲面展開成平直的板材后，我們需要把平直的板材彎制成立體圖中的彎曲曲面，進(jìn)而與罐體進(jìn)行焊接組裝。

　　1. 罐體的彎制

　　通過計(jì)算機(jī)建模，我們發(fā)現(xiàn)通過一塊整板要彎制出如圖3所示的大罐嘴比較困難——這一點(diǎn)可以通過旋轉(zhuǎn)立體圖看出來。因?yàn)閺墓拮斓闹行牡焦拮斓膬蛇叄蠊拮焐喜亢拖虏恐g的連接不全是直線，越往罐嘴方向，邊緣兩部分之間的連接彎曲越明顯(如圖6所示的黃色和綠色相交部位)。當(dāng)然，兩塊板之間的過渡是光滑的，彎曲角度也不大，對(duì)將來在罐嘴內(nèi)部放置耐火材料并沒有影響。但是如果為了下料簡(jiǎn)單，把制作大罐嘴的鋼板通過數(shù)控火焰切割機(jī)割成一整塊進(jìn)行制作，那樣會(huì)很難制作(已在實(shí)踐中嘗試)。基于此，為了制造的方便，通過分析，筆者把大罐嘴分成4部分制作：2塊邊緣部分(如圖6中的黃色部分所示)，1塊中間部分(如圖6中藍(lán)色部分所示)，1塊下部(如圖6中綠色部分所示)，這樣制作起來會(huì)比較方便，也便于彎制。對(duì)小罐嘴，經(jīng)過分析，我們采用一塊板整體下料，不分割(考慮到焊縫越少越好)，如圖7。

　　在罐嘴鋼板切割機(jī)下好料后，用卷板機(jī)和壓力機(jī)相結(jié)合的方式進(jìn)行曲面的彎制。在彎制過程中遇到的問題及采取的解決方法主要有以下幾點(diǎn)。

　　(1)由于罐嘴所涉及的材料比較厚(δ=32mm)，小壓力機(jī)的壓力達(dá)不到，因而必須用大壓力機(jī)進(jìn)行壓制。但由于大壓力機(jī)的輥?zhàn)又睆教螅孑^彎曲的地方不容易壓出實(shí)際的曲面，加工出來的效果是曲線壓成了直線。對(duì)于這種情況我們采用卷板機(jī)和壓力機(jī)聯(lián)合壓制的方法，即：先由卷板機(jī)壓出大概外形，而后再用壓力機(jī)配合模具進(jìn)行局部壓彎。這里我們可以從Pro/ENGINEER鋼板曲面展開圖里得到鋼板曲面的壓制線，如圖8中所示的亮條線段部分，并測(cè)得相應(yīng)壓制線在整個(gè)展開曲面上的位置，便于鋼板在壓力機(jī)的V形槽模具中進(jìn)行壓制。

　　(2)由于罐嘴板比較厚，尺寸比較大，使得操作者在卷板機(jī)彎制的過程中不能及時(shí)調(diào)整板的位置，無法卷制出合適的曲面，也不便于批量化生產(chǎn)(我公司共需壓制7套大小罐嘴)。針對(duì)這種情況，我們根據(jù)第一套罐嘴曲面的彎制軌跡， 設(shè)計(jì)出板材沿著卷板機(jī)邊輪的滑動(dòng)軌跡。而后，在一塊輔助板上割出滑動(dòng)軌跡，把有滑動(dòng)軌跡的板和罐嘴曲面所在的板焊接在一起，放到卷板機(jī)上，使滑動(dòng)軌跡和卷板機(jī)邊輪貼合，這樣在卷板的過程中就能使得罐嘴曲面板沿著輔助板上的滑動(dòng)軌跡滾動(dòng)，從而卷制出罐嘴曲面的大體樣式，然后再利用壓力機(jī)進(jìn)行壓制。

　　(3)在壓制過程中，考慮到有扭曲的地方，如圖7中箭頭所示部位，我們通過加H型梁支撐焊接固定未扭曲部位，在圖7中藍(lán)綠箭頭指示的部位，對(duì)扭曲部位進(jìn)行火焰加熱，而后用千斤頂和手動(dòng)葫蘆等工具進(jìn)行適度調(diào)節(jié)，以其達(dá)到扭曲的程度。

　　在把罐嘴曲面彎制好后，我們主要通過以下幾個(gè)原則對(duì)彎制的曲面進(jìn)行檢查，以期達(dá)到圖樣要求。

　　(1)通過Pro/ENGINEER建模，我們制作出測(cè)量罐嘴邊緣圓弧的樣板，如圖9所示。通過在罐體圖中與基準(zhǔn)面建立適當(dāng)角度的平行輔助方板，而后利用軟件的“切除”功能，得到圓弧所在部位的樣板。在彎制過程中，我們可以用樣板實(shí)時(shí)測(cè)量圓弧是否彎制過度。

　　(2)通過利用Pro/ENGINEER軟件所提供的“測(cè)量”功能，對(duì)罐嘴曲面邊緣兩端距離進(jìn)行測(cè)量，檢查曲面是否彎曲到了規(guī)定的形狀。

　　(3)把彎制好的罐嘴上下兩個(gè)面放在地面上，目測(cè)上下兩個(gè)面是否水平。如水平，且與地面間間隙較小，則說明曲面已彎制到位，否則，則需繼續(xù)彎制。這是因?yàn)樵诠摅w三視圖中，罐嘴曲面與罐體相接處以及和法蘭結(jié)合處在投影圖上都是水平的，如圖3中所示。因而可以通過這一點(diǎn)檢查曲面的彎曲程度。

　　通過上述原則，我們可以較準(zhǔn)確地把曲面彎制出來。

　　2. 罐體的組裝

　　在罐嘴彎制好后，我們需要把罐嘴和罐身相交的部分切除，而后把罐嘴和罐身焊接在一起。這里我們可以利用AutoCAD在計(jì)算機(jī)上把切割線段(相貫線)的長(zhǎng)度通過三視圖的原理繪制出來，以指導(dǎo)實(shí)際的切割，如圖10所示。

　　考慮到實(shí)際的操作過程(主要是罐身和罐嘴的卷制存在誤差)，我們?cè)谇懈顣r(shí)要在罐身上留50mm~70mm的切割余量，在安裝罐嘴的同時(shí)，把多余的余量一點(diǎn)點(diǎn)切除。罐嘴和罐身的焊接順序?yàn)椋毓拮熘行牟课幌騼啥撕附樱附拥倪^程中要加支撐，以控制焊接變形。在安裝的時(shí)候，要特別注意大小罐嘴的中心線要與罐體兩端耳軸的中心軸線保持垂直，這樣在傾倒鐵水時(shí)，鐵水才不易從罐嘴一側(cè)傾翻出來(注：在上述視圖中耳軸未繪出，耳軸的方向在罐體的另兩端，與罐嘴中心線垂直，用于傾倒鐵水時(shí)的支撐)。

　　三、結(jié)語

　　上述借助Pro/ENGINEER軟件對(duì)罐嘴曲面建模與制造的方法，是我們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐過程中總結(jié)出來的。運(yùn)用此法制造出來的鐵水罐罐嘴，不論是外形還是焊縫質(zhì)量，都較以前手工放樣后焊接時(shí)有了很大的提高，而且此鐵水罐罐嘴的制作方法對(duì)其他噸位的鐵水罐罐嘴的制造也有著較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。