切割、成形新工藝在工程機械中的應用

■ 李 勇，徐宗磊，李新華，閆章建，王國帥，王 慶

工程機械行業金屬板材件是指通過對金屬板材的切割加工、機械加工、成形加工等工藝生產應用于工程機械行業整機產品中的工件。通過創新性的排料、切割及成形工藝可實現：①通過優化套排料技術集中下料，利用計算機優化排樣技術對零件進行混合套排，提高材料利用率，降低產品的材料消耗。②對下料零件進行計算機輔助工藝優化，創新切割工藝方式，如防變形切割、共邊切割、多零件連割、多割炬切割，以及工藝補償等提高產品質量。③對成形工藝進行改進、創新，提高設備產品范圍，降低員工勞動強度，提高生產效率。

一、解決方案思路

1. 材料利用率提升

采用交互與自動相結合的優化套排料技術對整個車間板類零件進行集中排料，利用計算機優化技術進行各零件混合套排。排樣方法采用真實形狀自動排樣、樣矩形包絡自動排樣、矩形件通裁通剪自動排同種零件、陣列式自動排樣在內的多種自動排樣方法，同時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、大批量零件可復制式排樣、余料鋼板排樣等多種方式。

2. 創新性切割工藝

對原有切割方式進行優化，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。

對切割過程中出現問題進行探討，主要對切割缺陷、切割參數及切割補償等進行試驗分析研究，通過試驗及分析結果探索新的切割工藝，并進行試驗、小批量試制，最終進行標準化。

3. 創新成形工藝

由于板材成形件各種各樣，類型多達成千上萬種，因此，在成形過程中不可避免會遇到很多問題，通過對成形件進行分類，對各類特點進行分析研究，找出此類工件的特點及生產過程中可能出現的問題，對這些問題進行工藝制訂時補償或者采用與傳統工藝不同的方法，滿足生產需要。同時在日常生產過程中注意觀察、總結生產現場效率低、勞動強度大的產品成形過程，改善其成形工藝以提高效率。

二、關鍵技術

1. 多品種大批量不規則零件智能自動排樣

針對工程機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、板厚、加工工藝、成套性）歸類分組。通過分組下料，實現成組加工，解決零部件集配管理的難題。建立二維排料問題數學模型，綜合應用廣義最小矩形包絡、臨界多邊形（NFP）、遺傳/模擬退火（GA/SA）等算法求解二維不規則零件圖形自動排樣問題。其中利用基于NFP的幾何計算實現零件快速定位，利用遺傳/模擬退火算法實現解空間的高效搜索。通過自動排樣技術加快排樣時間和提高板材利用率。排料效果如圖1所示。

二維排料問題數學模型信息化管理和下料優化，并且采用自動與交互相結合的優化套排料技術對整個車間甚至全廠的板類零件進行集中下料，利用計算機優化排樣技術進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，降低產品的材料消耗，從而降低產品成本。如圖2所示，采用了自動分類，形成套料分組和套料任務，套料中包含了推土機、山重建機、道機等多種零件。

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；

n1——零件i的數量；

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化

建立多目標優化模型，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行優化，實現共邊切割。與其他常規共邊切割方法相比，該法在打孔點數和空行程方面得到很大優化。另根據板材受熱特點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行優化，提高了切割效率和質量。

三、實際應用

1. 材料利用率提升

金屬板材件生產全過程進行

2. 創新性切割方式

（1）優化切割工藝 對原有切割工藝進行優化，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備進行校正調節 目前，切割鋼板方向由割槍方向決定，當割槍與鋼板表面不垂直時，會導致切割方向與鋼板表面不垂直，就會出現切割斜口，嚴重時垂直度會超差，產品無法使用。新設備一般都會有自行校直設備，通過磁感應或者設計上的改進避免割槍傾斜，但舊設備割槍構造簡單，一般沒有自行校直的設備，出現割槍傾斜時，一般通過肉眼觀察或使用很簡單的自制設備校直。肉眼觀察校直準確率太低，每個人校直標準都不一致，生產產品也不一致；自制校直設備沒有統一的校直標準，每個校直設備的誤差也不同。自制簡易切割機割槍校直儀，能夠方便、快速、準確地解決舊切割機割槍校直的問題，如圖5所示。

（3）對激光、等離子、火焰等切割進行研究 針對歸類的工件反復試驗，總結和歸納規律，確定切割參數及補償參數（見表1），同時對板材切割過程中的各種熱變形選擇相應的切割順序，可以有效防止變形。

在激光切割尖角時，會出現缺材現象，不僅影響產品質量，而且在后續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的圓角，就會避免這種缺陷的出現。

通過對不同板厚、尖角角度切割后的垂直度和缺材尺寸進行統計，后續加工時，就可以根據試驗結果進行添加圓角，避免缺材的缺陷發生，降低了生產成本和加工效率。

確定可切割孔最小直徑與板厚的關系，優化工藝設計，根據試驗結果得出切割孔徑與板厚的關系，如表2所示。

3. 創新成形工藝

工程機械板材成形一般采用折彎機、卷板機及壓力機模具成形三種方式，其中應用比較廣泛的為折彎機成形，折彎機在冷態下可利用所配備的通用模具（或專用模具）將金屬板材折彎成各種所需要的幾何截面形狀的工件，如圖7所示。

圖5 自制簡易切割機割槍校直儀

圖6 尖角缺陷

圖7 折彎機成形

表1 等離子弧切割參數

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

（1）產品尺寸超出設備生產范圍。工件長度8m，折彎機長度僅為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，開槽位置根據工件實際情況確定，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，但不適宜用卷板機卷板的工件可以考慮采用折彎機成形圓弧。有些工件對折彎成形痕有限制，現有刀具無法滿足設計要求，可考慮自制壓型模具，提高生產效率，如圖9所示。

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

（4）全面考慮生產其他問題，如工件存放，工件轉運等，在工件存放時圓環類工件存放轉運較為困難，因此設計一種圓環類零件的存放轉運裝置，如圖11所示。

圖9 自制簡易上模具

圖10

圖11 圓環類零件存放轉運裝置

四、創新點

采用高效實用、操作簡單的優化排料和NC編程工具SmartNest，實現優化下料。建立產品數據及工藝管理系統，自制切割機割槍校直儀，研究激光、等離子弧、火焰切割技術和工藝方法，對切板件根據板厚、材質及設備量化各種切割參數，解決切割中容易產生的各種質量問題，提高切板件的切割質量。