切割、成形新工藝在工程機(jī)械中的應(yīng)用

■ 李 勇，徐宗磊，李新華，閆章建，王國帥，王 慶

工程機(jī)械行業(yè)金屬板材件是指通過對金屬板材的切割加工、機(jī)械加工、成形加工等工藝生產(chǎn)應(yīng)用于工程機(jī)械行業(yè)整機(jī)產(chǎn)品中的工件。通過創(chuàng)新性的排料、切割及成形工藝可實(shí)現(xiàn)：①通過優(yōu)化套排料技術(shù)集中下料，利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化排樣技術(shù)對零件進(jìn)行混合套排，提高材料利用率，降低產(chǎn)品的材料消耗。②對下料零件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助工藝優(yōu)化，創(chuàng)新切割工藝方式，如防變形切割、共邊切割、多零件連割、多割炬切割，以及工藝補(bǔ)償?shù)忍岣弋a(chǎn)品質(zhì)量。③對成形工藝進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)新，提高設(shè)備產(chǎn)品范圍，降低員工勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

一、解決方案思路

1. 材料利用率提升

采用交互與自動相結(jié)合的優(yōu)化套排料技術(shù)對整個(gè)車間板類零件進(jìn)行集中排料，利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行各零件混合套排。排樣方法采用真實(shí)形狀自動排樣、樣矩形包絡(luò)自動排樣、矩形件通裁通剪自動排同種零件、陣列式自動排樣在內(nèi)的多種自動排樣方法，同時(shí)該模塊具有單張鋼板逐一排樣、多張鋼板自動批量排樣、多割炬自動排樣、大批量零件可復(fù)制式排樣、余料鋼板排樣等多種方式。

2. 創(chuàng)新性切割工藝

對原有切割方式進(jìn)行優(yōu)化，采用防變形切割、共邊切割、多零件連割、多割炬切割等新型切割方式。

對切割過程中出現(xiàn)問題進(jìn)行探討，主要對切割缺陷、切割參數(shù)及切割補(bǔ)償?shù)冗M(jìn)行試驗(yàn)分析研究，通過試驗(yàn)及分析結(jié)果探索新的切割工藝，并進(jìn)行試驗(yàn)、小批量試制，最終進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

3. 創(chuàng)新成形工藝

由于板材成形件各種各樣，類型多達(dá)成千上萬種，因此，在成形過程中不可避免會遇到很多問題，通過對成形件進(jìn)行分類，對各類特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，找出此類工件的特點(diǎn)及生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題，對這些問題進(jìn)行工藝制訂時(shí)補(bǔ)償或者采用與傳統(tǒng)工藝不同的方法，滿足生產(chǎn)需要。同時(shí)在日常生產(chǎn)過程中注意觀察、總結(jié)生產(chǎn)現(xiàn)場效率低、勞動強(qiáng)度大的產(chǎn)品成形過程，改善其成形工藝以提高效率。

二、關(guān)鍵技術(shù)

1. 多品種大批量不規(guī)則零件智能自動排樣

針對工程機(jī)械金屬板材件成組加工、零部件集配管理和板材利用率等方面的需求，利用類聚算法，將待下料的零件按其特征（材質(zhì)、板厚、加工工藝、成套性）歸類分組。通過分組下料，實(shí)現(xiàn)成組加工，解決零部件集配管理的難題。建立二維排料問題數(shù)學(xué)模型，綜合應(yīng)用廣義最小矩形包絡(luò)、臨界多邊形（NFP）、遺傳/模擬退火（GA/SA）等算法求解二維不規(guī)則零件圖形自動排樣問題。其中利用基于NFP的幾何計(jì)算實(shí)現(xiàn)零件快速定位，利用遺傳/模擬退火算法實(shí)現(xiàn)解空間的高效搜索。通過自動排樣技術(shù)加快排樣時(shí)間和提高板材利用率。排料效果如圖1所示。

二維排料問題數(shù)學(xué)模型信息化管理和下料優(yōu)化，并且采用自動與交互相結(jié)合的優(yōu)化套排料技術(shù)對整個(gè)車間甚至全廠的板類零件進(jìn)行集中下料，利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化排樣技術(shù)進(jìn)行多種下料零件的混合套排，大幅提高了金屬板材的利用率，降低產(chǎn)品的材料消耗，從而降低產(chǎn)品成本。如圖2所示，采用了自動分類，形成套料分組和套料任務(wù)，套料中包含了推土機(jī)、山重建機(jī)、道機(jī)等多種零件。

圖1 排料效果

圖2 混合套排

圖3 新型零件橋接切割

圖4 原始套排切割

式中 n——零件種類數(shù)；

n1——零件i的數(shù)量；

Si——零件i的面積；

S——鋼板的面積 。

2. 基于幾何/物理混合建模的切割工藝優(yōu)化

建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，提出采用基于歐拉圖論的“一筆畫”共邊切割算法和基于矩形陣列的“階梯形”共邊切割算法對切割工藝進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)共邊切割。與其他常規(guī)共邊切割方法相比，該法在打孔點(diǎn)數(shù)和空行程方面得到很大優(yōu)化。另根據(jù)板材受熱特點(diǎn)建立板材的物理模型，分析該模型得出板材的溫度分布情況，提出防變形微連接切割工藝。通過基于幾何/物理混合建模，從割嘴加工路徑、空行程等幾個(gè)方面和零件變形、溫度場變化和切割速度等方面對切割工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高了切割效率和質(zhì)量。

三、實(shí)際應(yīng)用

1. 材料利用率提升

金屬板材件生產(chǎn)全過程進(jìn)行

2. 創(chuàng)新性切割方式

（1）優(yōu)化切割工藝 對原有切割工藝進(jìn)行優(yōu)化，采用防變形切割、共邊切割、多零件連割、多割炬切割等新型切割方式，如圖3、圖4所示。

（2）制作專用校槍儀對設(shè)備進(jìn)行校正調(diào)節(jié) 目前，切割鋼板方向由割槍方向決定，當(dāng)割槍與鋼板表面不垂直時(shí)，會導(dǎo)致切割方向與鋼板表面不垂直，就會出現(xiàn)切割斜口，嚴(yán)重時(shí)垂直度會超差，產(chǎn)品無法使用。新設(shè)備一般都會有自行校直設(shè)備，通過磁感應(yīng)或者設(shè)計(jì)上的改進(jìn)避免割槍傾斜，但舊設(shè)備割槍構(gòu)造簡單，一般沒有自行校直的設(shè)備，出現(xiàn)割槍傾斜時(shí)，一般通過肉眼觀察或使用很簡單的自制設(shè)備校直。肉眼觀察校直準(zhǔn)確率太低，每個(gè)人校直標(biāo)準(zhǔn)都不一致，生產(chǎn)產(chǎn)品也不一致；自制校直設(shè)備沒有統(tǒng)一的校直標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)校直設(shè)備的誤差也不同。自制簡易切割機(jī)割槍校直儀，能夠方便、快速、準(zhǔn)確地解決舊切割機(jī)割槍校直的問題，如圖5所示。

（3）對激光、等離子、火焰等切割進(jìn)行研究 針對歸類的工件反復(fù)試驗(yàn)，總結(jié)和歸納規(guī)律，確定切割參數(shù)及補(bǔ)償參數(shù)（見表1），同時(shí)對板材切割過程中的各種熱變形選擇相應(yīng)的切割順序，可以有效防止變形。

在激光切割尖角時(shí)，會出現(xiàn)缺材現(xiàn)象，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且在后續(xù)的加工過程中增加了工作量，如圖6所示。不同板厚、角度缺材程度不盡相同，而如果在尖角處添加適當(dāng)?shù)膱A角，就會避免這種缺陷的出現(xiàn)。

通過對不同板厚、尖角角度切割后的垂直度和缺材尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，后續(xù)加工時(shí)，就可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行添加圓角，避免缺材的缺陷發(fā)生，降低了生產(chǎn)成本和加工效率。

確定可切割孔最小直徑與板厚的關(guān)系，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出切割孔徑與板厚的關(guān)系，如表2所示。

3. 創(chuàng)新成形工藝

工程機(jī)械板材成形一般采用折彎機(jī)、卷板機(jī)及壓力機(jī)模具成形三種方式，其中應(yīng)用比較廣泛的為折彎機(jī)成形，折彎機(jī)在冷態(tài)下可利用所配備的通用模具（或?qū)Ｓ媚＞撸⒔饘侔宀恼蹚澇筛鞣N所需要的幾何截面形狀的工件，如圖7所示。

圖5 自制簡易切割機(jī)割槍校直儀

圖6 尖角缺陷

圖7 折彎機(jī)成形

表1 等離子弧切割參數(shù)

對于一般成形件按照通用成形工藝方式即可，但是對于有些產(chǎn)品按照原有方式無法滿足要求，需要探尋新工藝方法。

（1）產(chǎn)品尺寸超出設(shè)備生產(chǎn)范圍。工件長度8m，折彎機(jī)長度僅為5m，無法滿足一次成

形，因此，可以將工件在合適位置開槽，分兩次成形，然后在開槽處焊接，開槽位置根據(jù)工件實(shí)際情況確定，如圖8所示。

表2

（2）成形模具無法滿足工件一次成形，可以自制簡易上模具。對折彎弧長較大，但不適宜用卷板機(jī)卷板的工件可以考慮采用折彎機(jī)成形圓弧。有些工件對折彎成形痕有限制，現(xiàn)有刀具無法滿足設(shè)計(jì)要求，可考慮自制壓型模具，提高生產(chǎn)效率，如圖9所示。

（3）設(shè)備模具無法滿足產(chǎn)品成形能力，可以通過三維模擬，后進(jìn)行簡易模具更改，在不增加成本投入下，完成產(chǎn)品生產(chǎn)，如圖10所示。

（4）全面考慮生產(chǎn)其他問題，如工件存放，工件轉(zhuǎn)運(yùn)等，在工件存放時(shí)圓環(huán)類工件存放轉(zhuǎn)運(yùn)較為困難，因此設(shè)計(jì)一種圓環(huán)類零件的存放轉(zhuǎn)運(yùn)裝置，如圖11所示。

圖9 自制簡易上模具

圖10

圖11 圓環(huán)類零件存放轉(zhuǎn)運(yùn)裝置

四、創(chuàng)新點(diǎn)

采用高效實(shí)用、操作簡單的優(yōu)化排料和NC編程工具SmartNest，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化下料。建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)及工藝管理系統(tǒng)，自制切割機(jī)割槍校直儀，研究激光、等離子弧、火焰切割技術(shù)和工藝方法，對切板件根據(jù)板厚、材質(zhì)及設(shè)備量化各種切割參數(shù)，解決切割中容易產(chǎn)生的各種質(zhì)量問題，提高切板件的切割質(zhì)量。