Pro/ENGINEER在铁水罐罐嘴建模与制造中的应用

　　在钢铁企业的日常生产过程中，铁水罐扮演着非常重要的角色，其主要用于铁水的盛装和输送。铁水罐为球缺底圆锥体罐，罐外壳由钢板与吊架焊接而成，内衬砌筑耐火砖。在铁水罐的两端沿垂直两边耳轴的方向有一大一小两个罐嘴。这两个罐嘴主要负责罐中铁水的盛接和倾倒。在铁水罐的制造过程中，罐嘴的制造最为困难。

　　由于两个罐嘴的曲面不规则，受传统手工放样法展开曲面的制约，以往生产制造的曲面都不光滑，罐嘴中间存在着明显“凸起”，给炼铁厂在盛接与倾倒铁水带来很大的不便。针对上述情况，我们决定改变以往的制造工艺，采用Pro/ENGINEER三维设计软件来对罐嘴的曲面进行建模和展开放样。事实证明，这种方法可以很好地解决上述技术难题。下面笔者结合本单位生产制造的210T铁水罐来说明罐嘴的建模和制造方法。

　　一、曲面的建模和展开

　　1.曲面的建模

　　图1和图2是生产中所用到的罐嘴施工图样，图1是大罐嘴，图2是小罐嘴。从该图上我们很难准确地绘制出罐嘴的曲面展开图用于钢板下料切割，即使能够绘出，也很难满足生产制造的需要。为此，我们采用Pro/ENGINEER Wildfire3.0(下面简称Pro/ENGINEER)来进行三维建模，进行曲面的构建。该软件是目前机械设计领域普遍使用的三维实体建模软件，相比传统的二维平面设计软件，其具有强大的3D功能。在软件的建模过程中，我们可以实时把握曲面的形成过程，做到边创建模型边利用软件提供的修改工具进行修改，以期达到车间的生产制造水平。下面是具体的建模步骤。

　　首先我们需要绘制出铁水罐的罐体，接着绘制出两个罐嘴上面的法兰盘(即俯视图中的圆弧和直线部分)，然后在与罐体主视图平行的平面上绘制出在罐体曲面上进行“曲面扫描”所需要的投影曲线。

　　这里需要说明的是，在进行法兰盘的绘制时用到了投影曲线，因为只有这样才能保证设计出来的罐嘴法兰符合施工图中的三视图的对应关系，确保建模准确。在罐嘴法兰下表面和罐体上的投影曲线都建立好后，开始罐嘴曲面的构建，图3就是我们构建的三维模型。

　　在构建罐嘴曲面的过程中，有以下几个细节需要特别注意。

　　(1)大罐嘴中间的曲面过渡(图3中的蓝绿分界线)在曲面建模过程中很重要，必须有此一步。这是因为软件的“曲面扫描”功能不能在跨度如此大的两条投影线段之间进行自动扫描，强行扫描会得到曲面交叉，造成建模失败，因此要借助中间的绿色部分过渡。将这个过渡区选在罐体的边缘，即图4 中大罐嘴尺寸线处，是笔者在多个建模方案中得到的经验。

　　(2)在进行扫描曲线的绘制时，必须用到投影曲线，因为在罐体曲面上不能绘制平面曲线。

　　(3)在曲面扫描的过程中，必须实时调整扫描曲线上构造点的位置，以期得到光滑的曲面。

　　(4)图4中的小罐嘴曲面扫描不需要过渡，可以直接扫描得到。

　　2.曲面的展开

　　在曲面构建好后，需要借助软件“插入”工具栏中“高级”选项里的“展开面组”功能，对构建好的曲面进行展开。在进行“展开面组”的过程中，首先对要展开的曲面进行曲面复制，而后合并相邻曲面，并选定展开基准点，之后再进行曲面的展开。

　　这里有一点需要注意：展开的曲面要选定在钢板厚度方向所在的中心线上，这样得到的才是钢板折弯回去的真实曲面。图5所示为小罐嘴曲面展开的式样，大罐嘴类似。

　　二、曲面的弯制和组装

　　在把不规则的罐嘴曲面展开成平直的板材后，我们需要把平直的板材弯制成立体图中的弯曲曲面，进而与罐体进行焊接组装。

　　1. 罐体的弯制

　　通过计算机建模，我们发现通过一块整板要弯制出如图3所示的大罐嘴比较困难——这一点可以通过旋转立体图看出来。因为从罐嘴的中心到罐嘴的两边，大罐嘴上部和下部之间的连接不全是直线，越往罐嘴方向，边缘两部分之间的连接弯曲越明显(如图6所示的黄色和绿色相交部位)。当然，两块板之间的过渡是光滑的，弯曲角度也不大，对将来在罐嘴内部放置耐火材料并没有影响。但是如果为了下料简单，把制作大罐嘴的钢板通过数控火焰切割机割成一整块进行制作，那样会很难制作(已在实践中尝试)。基于此，为了制造的方便，通过分析，笔者把大罐嘴分成4部分制作：2块边缘部分(如图6中的黄色部分所示)，1块中间部分(如图6中蓝色部分所示)，1块下部(如图6中绿色部分所示)，这样制作起来会比较方便，也便于弯制。对小罐嘴，经过分析，我们采用一块板整体下料，不分割(考虑到焊缝越少越好)，如图7。

　　在罐嘴钢板切割机下好料后，用卷板机和压力机相结合的方式进行曲面的弯制。在弯制过程中遇到的问题及采取的解决方法主要有以下几点。

　　(1)由于罐嘴所涉及的材料比较厚(δ=32mm)，小压力机的压力达不到，因而必须用大压力机进行压制。但由于大压力机的辊子直径太大，曲面较弯曲的地方不容易压出实际的曲面，加工出来的效果是曲线压成了直线。对于这种情况我们采用卷板机和压力机联合压制的方法，即：先由卷板机压出大概外形，而后再用压力机配合模具进行局部压弯。这里我们可以从Pro/ENGINEER钢板曲面展开图里得到钢板曲面的压制线，如图8中所示的亮条线段部分，并测得相应压制线在整个展开曲面上的位置，便于钢板在压力机的V形槽模具中进行压制。

　　(2)由于罐嘴板比较厚，尺寸比较大，使得操作者在卷板机弯制的过程中不能及时调整板的位置，无法卷制出合适的曲面，也不便于批量化生产(我公司共需压制7套大小罐嘴)。针对这种情况，我们根据第一套罐嘴曲面的弯制轨迹， 设计出板材沿着卷板机边轮的滑动轨迹。而后，在一块辅助板上割出滑动轨迹，把有滑动轨迹的板和罐嘴曲面所在的板焊接在一起，放到卷板机上，使滑动轨迹和卷板机边轮贴合，这样在卷板的过程中就能使得罐嘴曲面板沿着辅助板上的滑动轨迹滚动，从而卷制出罐嘴曲面的大体样式，然后再利用压力机进行压制。

　　(3)在压制过程中，考虑到有扭曲的地方，如图7中箭头所示部位，我们通过加H型梁支撑焊接固定未扭曲部位，在图7中蓝绿箭头指示的部位，对扭曲部位进行火焰加热，而后用千斤顶和手动葫芦等工具进行适度调节，以其达到扭曲的程度。

　　在把罐嘴曲面弯制好后，我们主要通过以下几个原则对弯制的曲面进行检查，以期达到图样要求。

　　(1)通过Pro/ENGINEER建模，我们制作出测量罐嘴边缘圆弧的样板，如图9所示。通过在罐体图中与基准面建立适当角度的平行辅助方板，而后利用软件的“切除”功能，得到圆弧所在部位的样板。在弯制过程中，我们可以用样板实时测量圆弧是否弯制过度。

　　(2)通过利用Pro/ENGINEER软件所提供的“测量”功能，对罐嘴曲面边缘两端距离进行测量，检查曲面是否弯曲到了规定的形状。

　　(3)把弯制好的罐嘴上下两个面放在地面上，目测上下两个面是否水平。如水平，且与地面间间隙较小，则说明曲面已弯制到位，否则，则需继续弯制。这是因为在罐体三视图中，罐嘴曲面与罐体相接处以及和法兰结合处在投影图上都是水平的，如图3中所示。因而可以通过这一点检查曲面的弯曲程度。

　　通过上述原则，我们可以较准确地把曲面弯制出来。

　　2. 罐体的组装

　　在罐嘴弯制好后，我们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。这里我们可以利用AutoCAD在计算机上把切割线段(相贯线)的长度通过三视图的原理绘制出来，以指导实际的切割，如图10所示。

　　考虑到实际的操作过程(主要是罐身和罐嘴的卷制存在误差)，我们在切割时要在罐身上留50mm~70mm的切割余量，在安装罐嘴的同时，把多余的余量一点点切除。罐嘴和罐身的焊接顺序为，沿罐嘴中心部位向两端焊接，焊接的过程中要加支撑，以控制焊接变形。在安装的时候，要特别注意大小罐嘴的中心线要与罐体两端耳轴的中心轴线保持垂直，这样在倾倒铁水时，铁水才不易从罐嘴一侧倾翻出来(注：在上述视图中耳轴未绘出，耳轴的方向在罐体的另两端，与罐嘴中心线垂直，用于倾倒铁水时的支撑)。

　　三、结语

　　上述借助Pro/ENGINEER软件对罐嘴曲面建模与制造的方法，是我们在生产实践过程中总结出来的。运用此法制造出来的铁水罐罐嘴，不论是外形还是焊缝质量，都较以前手工放样后焊接时有了很大的提高，而且此铁水罐罐嘴的制作方法对其他吨位的铁水罐罐嘴的制造也有着较强的指导意义。