基于NX 的某鑄錠爐冷卻腔體焊接工裝的虛擬設(shè)計(jì)

撰文/江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 許洪龍

南京依維柯汽車有限公司 何降哲

江蘇學(xué)信工業(yè)科技有限公司 鄭維明

通過用NX 軟件對(duì)某多晶硅鑄錠爐冷卻腔體的整體焊接進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)，闡述了NX 在夾具設(shè)計(jì)中的合理應(yīng)用可以減少設(shè)計(jì)周期，并用NX 軟件強(qiáng)大的工程制圖功能，實(shí)現(xiàn)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(shí)間，為其他夾具設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)提供了參考。

一、引言

隨著全球可用資源的日益減少，社會(huì)對(duì)能源的重視程度也越來越高，環(huán)保、節(jié)能和可重復(fù)利用成了全球共同關(guān)注的話題。太陽(yáng)能作為清潔能源之一，其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)越來越廣地應(yīng)用到了生活中，據(jù)相關(guān)報(bào)道，到2040 年，可再生能源將占總能耗的50%以上，其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上。鑄錠爐是生產(chǎn)太陽(yáng)能發(fā)電用的硅片的主要生產(chǎn)設(shè)備，該設(shè)備工作時(shí)內(nèi)部溫度高達(dá)1500℃，而外部殼體的溫度接近常溫，內(nèi)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(gè)高度集成的CAD/CAE/CAM 軟件系統(tǒng)，可用于產(chǎn)品的整個(gè)開發(fā)過程。該軟件具有三維建模、裝配、工程圖、運(yùn)動(dòng)分析、高級(jí)仿真和輔助制造等強(qiáng)大功能，可以提高設(shè)計(jì)的可靠性，縮短設(shè)計(jì)周期。在工裝設(shè)計(jì)中，充分利用NX 的裝配和工程圖，直觀的對(duì)工裝進(jìn)行三維建模和干涉檢查，生成工程圖樣供生產(chǎn)應(yīng)用。本文就多晶硅鑄錠爐的冷卻上腔體（以下簡(jiǎn)稱上腔體）的整體焊接工裝設(shè)計(jì)用NX 進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。

二、上腔體焊接問題描述

1.上腔體結(jié)構(gòu)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(nèi)筒體、內(nèi)封頭、導(dǎo)流圈、頂部的小法蘭和電極孔、進(jìn)料口、外筒體、外封頭、側(cè)連接板、側(cè)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(duì)底部大法蘭和頂部小法蘭預(yù)先進(jìn)行一次加工，直徑和厚度均留5mm 加工余量，內(nèi)外筒體、封頭及快裝接口、吊裝螺母和側(cè)法蘭按照?qǐng)D樣要求直接加工到位，電極孔和進(jìn)料口處的法蘭不加工（焊接完畢后加工），側(cè)連接板焊后加工。中間導(dǎo)流圈待內(nèi)筒體和內(nèi)封頭與底部大法蘭拼接好后進(jìn)行點(diǎn)焊，導(dǎo)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(dǎo)流圈示意圖

對(duì)上腔體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)上腔體可以分為內(nèi)外兩層，中間是導(dǎo)流圈，焊接時(shí)，應(yīng)該先對(duì)內(nèi)筒體和內(nèi)封頭進(jìn)行焊接，焊接后將電極孔等焊接到內(nèi)封頭上，再焊接導(dǎo)流圈，再將外筒體和外封頭進(jìn)行焊接。總體焊接過程規(guī)劃如圖3 所示。

圖3 焊接工藝過程圖

三、用NX 設(shè)計(jì)工裝

由于大法蘭的內(nèi)孔和底面已經(jīng)加工，在設(shè)計(jì)時(shí)以底部大法蘭內(nèi)孔和底面為定位基準(zhǔn)進(jìn)行整體工裝設(shè)計(jì)。

首先用NX 對(duì)上腔體進(jìn)行參數(shù)化三維建模，利用該軟件的裝配模塊對(duì)該整體工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)采用自頂向下的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。過程中，充分利用NX 軟件裝配模塊中的WAVE鏈接技術(shù)，將上腔體中的已有對(duì)象（包括點(diǎn)線面）信息進(jìn)行提取，生成工裝設(shè)計(jì)時(shí)所需的參考點(diǎn)、線段和面信息。這樣可以輕松實(shí)現(xiàn)各個(gè)需要焊接零部件工裝的準(zhǔn)確定位。如果在設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)繪制的模型或工裝尺寸有誤，可以通過直接修改參數(shù)來實(shí)現(xiàn)更改，相比平面設(shè)計(jì)軟件有著很大的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)完畢后，可以直觀地看到整個(gè)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(duì)工裝和工件進(jìn)行干涉檢查，查找出裝配后會(huì)出現(xiàn)的干涉問題。

圖4 上腔體整體工裝

這樣的設(shè)計(jì)方法，省去了在平面設(shè)計(jì)中找對(duì)應(yīng)關(guān)系的麻煩，也略去了萬一尺寸錯(cuò)誤，修改不方便的問題，大大提高了設(shè)計(jì)效率。對(duì)總體工裝設(shè)計(jì)后，根據(jù)焊接對(duì)象不同將之分為多個(gè)小工裝如圖5 所示，方便在后續(xù)出圖中使用。

工裝設(shè)計(jì)完畢后，對(duì)工裝的具體使用方法和整個(gè)焊接過程用NX 軟件的裝配序列和運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行焊接模擬，對(duì)指導(dǎo)工人和技術(shù)人員時(shí)非常有益，實(shí)現(xiàn)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(qiáng)化工人對(duì)該產(chǎn)品焊接過程的理解。

導(dǎo)流圈的焊接也是上腔體加工中常常出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方，用NX 軟件對(duì)導(dǎo)流圈進(jìn)行模擬，繪制出如圖6 所示的三維實(shí)體，并幫助標(biāo)出關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)信息，這樣可以讓工人一目了然，不易出錯(cuò)。

四、用NX 生成二維工程圖

圖5 焊接工裝部件圖

圖6 導(dǎo)流圈分布圖

上腔體整體工裝的實(shí)體模型設(shè)計(jì)完成后，用NX 中的工程制圖模塊，將該工裝的各個(gè)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(tǒng)讀取。在圖樣中，所有的圖形視圖都是相關(guān)聯(lián)的，即基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，修改其中某個(gè)視圖的尺寸后，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)更新其他的相關(guān)零件視圖及裝配圖。

鑒于常用AutoCAD 軟件進(jìn)行平面出圖，需將NX 文件轉(zhuǎn)換為DWG（或者DXF）格式的文檔。在轉(zhuǎn)換為DWG（或者DXF）文件時(shí)，一般先將圖樣導(dǎo)出為CGM 格式的文件，再利用NX 新建一個(gè)模型文件，將剛剛生成的CGM 重新導(dǎo)入到NX 中，進(jìn)行保存后再將該P(yáng)RT 文件中的內(nèi)容進(jìn)行導(dǎo)出，這樣可以實(shí)現(xiàn)NX 工程圖與DWG（或者DXF）文件之間數(shù)據(jù)的無縫連接，以整體工裝的工程圖（圖7）為例簡(jiǎn)要展示，生成工程圖樣符合生產(chǎn)需要，這樣可以大大縮減設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)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(dǎo)出后加以標(biāo)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(cè)快裝接口工裝工程圖

五、結(jié)語

綜上所述，用NX 軟件對(duì)上腔體的整體工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以非常直觀地看到設(shè)計(jì)者的意圖，巧妙地應(yīng)用裝配中自頂向下的設(shè)計(jì)理念和裝配序列、運(yùn)動(dòng)仿真等虛擬技術(shù)，可以將工裝的使用和焊接工藝展現(xiàn)在焊接工人和技術(shù)人員面前，在制造成本和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)符合企業(yè)現(xiàn)狀的情況下，解決了傳統(tǒng)焊接工裝設(shè)計(jì)存在的缺點(diǎn)和不足，也解決了平面設(shè)計(jì)時(shí)找對(duì)應(yīng)關(guān)系的麻煩，減少了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的出現(xiàn)，大大縮減設(shè)計(jì)周期，提高了生產(chǎn)效率，對(duì)各行業(yè)的工裝設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)都有參考價(jià)值。