基于先進制造技術的板材替代型材技術應用與展望

賈軍利，陳大偉

（南水北調中線干線工程建設管理局河北分局，河北 石家莊050000）

隨著中國制造業的快速發展和進步，中國制造業同世界發達國家的技術差距已從“望其項背”到“同臺競技”，很多行業和領域技術已逐步領跑世界。按照“中國制造2025”國家制造業發展戰略和中國創造、創新驅動發展理念，很多傳統制造業面臨產品轉型和技術升級，適應“以顧客為焦點、以市場為龍頭”的企業管理理念，立足核心技術突破，追求高質量發展，為提高市場競爭力和最大限度顧客滿意，對更新設計理念，實現設計、制造協同創新和基于全流程優化的“精益生產”提出迫切需求，實現由產品設計為主導的創新設計，帶動原材料、加工工藝、產品外觀質量的整體提升，推動“中國智造”和“中國創造”，體現核心制造能力并提高企業市場競爭力。

1 材料特點及適用性分析

傳統的輕工業產品中存在大量支架、橫梁、橫撐、骨架等組成件，其原材料常選用各種型材，如槽鋼、角鋼、工字鋼、H型鋼、方管、矩形管等，優點是型材強度、剛度等力學性能好，市場上可以直接采購，通過定長下料切割，一般通過帶鋸、火焰切割、無齒鋸等方式下料，后續通過與其他零件焊接、機加工等工序成為裝配件；缺點是型材規格少、表面質量較差、下料后切口處理量大，可加工性一般，一般需要機械加工后和其他零件通過焊接組合后成為裝配件，材料利用率偏低，美觀性及適用性差，一般用于骨架類、支撐類非主要可視面及大型鋼結構。

板材（鋼板）作為標準化原材料，具有來源豐富、厚度規格齊全、力學性能一致性好，標準板幅尺寸一致，可加工性及成形性能優秀、表面質量好的優點，是創新設計的理想材料，同時運輸保存方便、成本低廉，通用性好，材料利用率高。

2 宏觀產業政策現狀

目前，鋼鐵行業企業迫切需要提高環保水平、推進節能減排。產品生產適應市場需求變化，向市場需求大的標準產品和高附加值產品轉移。常規板材貨源充足、采購方便、綜合質量高。特殊規格、產品訂貨批量小、低端產品市場采購會越來越困難，質量、價格、貨期等選擇空間小，成本壓力增大。

3 設計理念和手段變化

三維設計、數字化樣機、3D打印等現代設計手段和產品“新炫酷”設計理念為產品設計工作帶來革命性改變，客戶對產品的個性化、定制化要求越來越多，從以功能為關注焦點向關注功能、幾何、外觀的結合體轉變。再有，制造企業內在的精益管理、引領市場的潛在需求也需要持續推進產品設計的技術迭代與更新。數字技術和有限元分析及仿真軟件的應用，使結構和強度校核計算變得快捷準確。隨著Solidworks、Pro-e等三維設計軟件應用，使鈑金件三維設計和展開變得快捷準確，突破傳統鈑金件下料放樣及鈑金展開專業性強、計算量大、效率低的瓶頸，為鈑金件的大幅應用推廣開辟了道路，“鈑金化設計思維及理念”可快速實現產品優化設計和輕量化設計，助推產品技術創新。

4 先進制造技術的普及和應用

當前，數控化設備應用普及迅速，性價比和價格門檻越來越低。激光切割、數控沖剪、板材柔性加工自動線、數控折彎機等高精度數控加工技術在制造企業應用越來越普遍，加工精度、加工質量和效率大幅提升，帶來下料、加工技術的革命。傳統板材下料采用火焰切割（曲線）、剪板機沖剪（直線）等下料方式，且后續均需通過折彎、金屬切削精加工達到設計要求，切割邊粗糙、后期加工及處理工作量大，材料浪費嚴重、效率低。采用數控下料后，尺寸精度及切割面粗糙度質量高、切割效率高，尤其適用于薄板類（≤8mm），可通過編程實現平板任意形狀切割，在切割下料工序可直接將連接孔、豁口、槽孔、異形孔、周邊倒圓角等一次性切出，經折制成型后成為完工零件，節省機械加工工序，簡化生產流程，為擴大板材應用范圍提供了裝備和技術支持。同時，為提高數控設備利用率和促進成本回收，推動了設計優化以適應新的工藝要求。

5 數字化生產模式下的板材替代型材的設計及生產優勢

（1）突破傳統設計習慣，更新設計理念，與先進數控設備性能匹配，以板材替代型材，鈑金結構可以實現構件輕量化、均衡等強度設計，保證構件整體結構強度。

（2）充分體現設計價值，通過技巧實現設計意圖，以“量體裁衣”方式巧妙的實現板材由平面向立體轉化，使設計工作更具創造性和藝術性，實現力與美的統一，設計者想象空間和自由度更大，結構特點更突出。

（3）通過使用較大范圍內厚度標準化的板材，實現滿足結構強度及功能要求的各種立體構件，將原材料采購、貯存、工藝和質量保證標準化，提高材料通用化和利用率，促進產品質量升級，從產品源頭促進管理優化和成本優化。

（4）板材設計理念推廣應用后，大幅降低傳統鉆銑刨機床加工工作量，減少焊接、打磨和型材表面處理工作量，不用焊接和打磨即可實現幾何上的高精度和特殊連接（圖1）。

圖1 板材方案的高精度和特殊連接

（5）自動套料軟件和物流分揀技術應用，配合標準化和通用化設計，實現高效率整板切割和接近于100%材料利用率，可大幅提高加工效率、降低人工頻繁上料強度和料頭料尾浪費。

（6）“共邊切割”技術的應用，在套料組合切割過程中應用“公共邊”，不僅減少了切割路徑，還降低了切割過程中氣體等耗材的消耗。節省材料，提高切割效率，節約能源。

6 板材設計理念及技巧應用

（1）基本應用：去除材料。型材采用板材替代后，在平板激光下料階段，將連接孔、槽、工藝孔、倒圓角等曲線外形一并切出（去除材料），節省后續機床加工工序（見圖2）。

圖2 板材替代槽鋼應用

（2）基本應用：增加材料。將原來需要在型材上焊接的吊耳、連接板、底板等連接件納入整體考慮進行整合優化，設計為在板材下料時一并“增材”切出，必要時通過局部焊接予以加強，設計時可以兼顧美觀、便于清理等輔助功能。

（3）基本應用：孔槽微連接。對折彎線上和孔、槽切割時通過增加微連接保證加工過程中結構的連續性，防止孔邊緣出現不連續變形。

（4）基本應用：切割定位孔、槽。便于組裝定位，提高定位精度和制作效率。

（5）基本應用：個性化應用。公司logo等、標志標識等個性化特征可以在切割下料過程中應用激光刻字、微切割等實現，突出產品特色。

（6）基本應用：有限元分析輔助設計。對于結構相對復雜的承載構件，借助有限元分析進行應力、應變分析，根據分析結果優化結構。

（7）基本應用：減重設計。通過減小材料厚度和切割系列孔減除構件重量，或滿足觀察、維修、調整要求。

（8）基本應用：系統考慮，合并整合。將相連板、柱、梁復合一體，通過板材替代實現復合結構一體化。

（9）應用技巧：組合卯榫結構。借鑒傳統木工工藝連接技巧，應用“卯榫”結構加點焊提高強度實現結構優化（圖3）。

圖3 板材卯榫結構應用

（10）技巧應用：切割避應力槽口。應用工藝槽口消除折彎應力對折彎區附近開孔、開槽的影響。增加折彎應力釋放槽口，避免因折彎拉伸影響靠近折彎線的輪廓（折彎線兩側，到折彎線距離小于折邊最小值區域內的輪廓）產生變形，同時也可以為連接螺栓螺母提供平整安裝空間（圖4）。

圖4 開孔位于折彎線附近時技巧應用

7 結論和展望

鈑金替代型材，使用標準化原材料、引入高精度制造工藝，可以彌補日益增長的原材料和人力成本。緊跟設計和制造技術發展步伐，創新設計理念，推廣應用鈑金技術，不止于替代型材，在定位工裝、特殊夾具、限位等有尺寸精度的零件均可通過鈑金技術轉化而成，為設計工作帶來全新體驗和無限可能，同時也為產品升級和技術創新提供技術思路。