橫梁折彎生產(chǎn)線工藝優(yōu)化與自動化控制技術(shù)研究

劉阿締

（佛山市諾創(chuàng)智能設(shè)備有限公司，廣東佛山 528000）

通過使用折彎生產(chǎn)線，可制作出各種不同的圓角和角度的零部件，并且這些零部件在鐵路貨運領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。佛山市諾創(chuàng)智能設(shè)備有限公司（以下簡稱“諾創(chuàng)智能設(shè)備公司”）專門生產(chǎn)一種特殊的鐵路貨車，其支撐結(jié)構(gòu)采用了一種U 字形的鋼梁，其材料為Q450NQR1，總長度達到了10 m，寬度達到了370 mm。該鋼梁在鐵路貨車的制造中至關(guān)重要，通常情況下，諾創(chuàng)智能設(shè)備公司會外購這種型鋼，但外購的橫梁存在一些缺陷，如扭曲、寬度尺寸不符合標準等，所以經(jīng)過對車間現(xiàn)有設(shè)備參數(shù)及制造能力的分析，建議采用板材折彎生產(chǎn)線的方式來制作這種零件，以此取代外購的型鋼，從而提高車輛組裝的質(zhì)量。這一改進將有助于提升諾創(chuàng)智能設(shè)備公司制件的制造質(zhì)量，確保鐵路貨車的可靠性和安全性，同時也有望降低成本和提高生產(chǎn)效率。這個決策有望對諾創(chuàng)智能設(shè)備公司的整體運營產(chǎn)生積極影響。

1 制件圖分析

中梁截面圖展示了中梁的結(jié)構(gòu)示意圖，為優(yōu)化其生產(chǎn)工藝，考慮兩種不同的方法：①切割下料、折彎生產(chǎn)線成形；②剪切下料、折彎生產(chǎn)線成形。方法①包括卷料開卷、精確調(diào)整、精細劃分、精確取直及精確折彎等工序，但由于切割下料，生產(chǎn)效率較低，可能引入熱輸入，導(dǎo)致切割后的板材直線度難以控制，不適合批量生產(chǎn)。方法②采用剪切下料、折彎生產(chǎn)線成形，包括卷料橫縱剪切開卷分條、條類板材取直和折彎生產(chǎn)線成形。相較于方法①，方法②在生產(chǎn)過程中更高效，避免了切割下料的低效率和質(zhì)量問題，有助于保持直線度和板材質(zhì)量。綜合比較后，選擇方法②作為制造工藝優(yōu)化方案更為合適，可提高生產(chǎn)效率，降低質(zhì)量問題，并更適合批量生產(chǎn)應(yīng)用。

2 制件的工藝優(yōu)化能力計算

為對制件的工藝優(yōu)化能力進行計算，需考慮以下關(guān)鍵因素：①制件的幾何形狀和尺寸；②材料的物理性質(zhì)，包括抗拉強度、彈性模量等；③制造工藝中的關(guān)鍵參數(shù)，如折彎力、溫度、成形速度等。在這個情況下，應(yīng)重點關(guān)注制件的折彎過程，并計算工藝優(yōu)化對折彎力的影響。折彎力計算如下。

（1）在折彎過程中，制件會受到折彎力的作用，這個力是影響工藝優(yōu)化的重要因素之一。折彎力的大小取決于以下因素：①制件的幾何形狀，包括長度、寬度和厚度；②材料的物理性質(zhì)，特別是抗拉強度；③折彎的角度。

（2）折彎工具的設(shè)計和狀態(tài)，包括上模和下模的形狀和表面狀態(tài)。通常，可使用以下公式計算折彎力：

式中，P為折彎力，N；K為安全系數(shù)，通常取1.3；B為制件的寬度，mm；δ為制件的厚度，mm；σb為材料的抗拉強度，N/mm2；V為折彎模具的開口寬度，mm。

通過輸入具體的制件尺寸、材料參數(shù)和工具設(shè)計信息，可計算出折彎力的大小。這個計算可用于工藝優(yōu)化的目的，以確保折彎過程中的力量在可控范圍內(nèi)，從而減少變形、損傷或制件質(zhì)量問題。

2.1 折彎生產(chǎn)線力計算

計算中梁的自由彎曲力，K取1.3，B取10 370，δ取7，σb取450，V取50，根據(jù)給定的參數(shù)和式（1），計算得到中梁的自由彎曲力為5 945 121 N。

這個自由彎曲力表示在中梁的折彎生產(chǎn)線過程中需施加的力量，以確保材料的彎曲成形。由于中梁的尺寸較大，自由彎曲力相應(yīng)較高，因此需確保折彎生產(chǎn)線設(shè)備足夠強大以承受這種力量。這樣可保證制件的成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2.2 折彎生產(chǎn)線設(shè)備能力校核

中梁的自由彎曲力計算結(jié)果為5 945.121 kN，而現(xiàn)有的2 500 t 折彎機的額定壓力為25 000 kN。可明顯看出，2 500 t 折彎機的最大壓力遠大于中梁的自由彎曲力。這表明現(xiàn)有的折彎機在壓力方面具有足夠的儲備，能夠輕松勝任制造中梁的成形工藝，無需擔心設(shè)備不足的問題。

上述計算說明現(xiàn)有的2 500 t 折彎機完全能夠勝任制造中梁的工藝要求。這確保了制件的成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率，使中梁的生產(chǎn)過程更加可靠和高效。這也證明了在制造過程中要充分考慮設(shè)備能力，以確保制造成功的重要性。

現(xiàn)有的2 500 t 折彎機的高額定壓力為中梁的生產(chǎn)提供了穩(wěn)定的保障。這意味著在制造過程中，無論是單個中梁還是批量生產(chǎn)，折彎機都能夠輕松地施加足夠的壓力，使板材成形符合要求。這種匹配程度不僅確保了制件的質(zhì)量，還提高了生產(chǎn)的效率，減少了生產(chǎn)周期。

在工藝優(yōu)化中充分考慮折彎生產(chǎn)線設(shè)備的能力至關(guān)重要。通過準確計算和校核，本研究可確定折彎機是否能夠滿足制造過程中所需的壓力，從而為生產(chǎn)的成功提供了保障。

彎曲上模的設(shè)計對于中梁的折彎生產(chǎn)線至關(guān)重要，要確保生產(chǎn)過程中沒有干涉，同時降低制造成本。以下是對彎曲上模結(jié)構(gòu)設(shè)計的詳細分析。

（1）鵝頸式上模設(shè)計。為減少折彎生產(chǎn)線中的干涉現(xiàn)象，鵝頸式上模的設(shè)計可有效幫助上模與工件間的配合更加輕松，從而確保制件的成形質(zhì)量。

（2）分段制造。為提高生產(chǎn)效率，中梁需分段制造，以便在安裝和拆卸時更加方便。這種分段設(shè)計不僅提高了制造的靈活性，還降低了制造和維護的難度。

（3）組合式結(jié)構(gòu)。采用鵝頸轉(zhuǎn)換接頭和折彎生產(chǎn)線上模的組合方案，有助于大幅降低中梁的制造成本。這種結(jié)構(gòu)具有多重優(yōu)勢：①成本降低。鵝頸轉(zhuǎn)換接頭可采用成本較低的45鋼材質(zhì)制造，而無需淬火，從而大幅降低制造成本。此外，鵝頸轉(zhuǎn)換接頭的表面加工要求也可適當降低，進一步減少了制造成本。②耐用性。折彎生產(chǎn)線上模采用模具鋼制造，以確保模具的耐用性和質(zhì)量。這意味著即使在高強度的折彎生產(chǎn)過程中，模具也能夠保持穩(wěn)定的性能，不易損壞，從而延長了其使用壽命。③靈活性。這種組合式結(jié)構(gòu)使得模具的使用更加靈活，可根據(jù)需要選擇使用鵝頸模具還是直接使用折彎生產(chǎn)線上模。這種靈活性有助于適應(yīng)不同的生產(chǎn)需求，提高了生產(chǎn)線的多功能性。④質(zhì)量控制。采用模具鋼制造折彎生產(chǎn)線上模可以確保制件的質(zhì)量和尺寸精度。而鵝頸轉(zhuǎn)換接頭的設(shè)計也能夠提供穩(wěn)定的加工性能，從而保證了制件的一致性和質(zhì)量。

（4）設(shè)計的靈活性和適應(yīng)性。為使鵝頸轉(zhuǎn)換接頭能夠順利地與機床相連，應(yīng)將其設(shè)計為與機床的原有模具完全匹配，從而使其具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。這種設(shè)計考慮了以下靈活性和適應(yīng)性方面的需求：①快速切換。通過將鵝頸轉(zhuǎn)換接頭與機床的配合部位完美匹配，使得操作者能夠輕松地切換模具，無論是在折彎生產(chǎn)線上還是其他場景中，都能夠輕松完成。此外，在不使用鵝頸模具的情況下，只需將鵝頸轉(zhuǎn)換接頭與機床相連接，就能夠輕松完成折彎生產(chǎn)線的工序。這種靈活性可在不同的加工情況下輕松應(yīng)對需求變化。②適應(yīng)性。將鵝頸轉(zhuǎn)換接頭的底部開口部位設(shè)計成與機床原有折彎生產(chǎn)線模一致，確保了連接的適應(yīng)性。這意味著無需修改機床的結(jié)構(gòu)或進行額外的改裝，就可實現(xiàn)鵝頸模具的使用。這種適應(yīng)性使得轉(zhuǎn)換和切換過程更加簡便和高效。

組合式結(jié)構(gòu)和設(shè)計的靈活性與適應(yīng)性使得中梁的制造過程更加高效、經(jīng)濟，并且具備了應(yīng)對不同需求和生產(chǎn)情況的能力。這對于提高生產(chǎn)線的多功能性和生產(chǎn)效率至關(guān)重要。

3 模擬分析成形過程

在折彎生產(chǎn)線的設(shè)計中，模擬分析成形過程是確保生產(chǎn)無干擾并確保上模與工件匹配的關(guān)鍵步驟。此外，為更好地滿足多種制品的生產(chǎn)需求，企業(yè)應(yīng)充分利用現(xiàn)有相關(guān)材料，以減少后續(xù)模具采購費用。鵝頸式上模的設(shè)計采用了分段制造和組合式結(jié)構(gòu)，具備較高的靈活性和適應(yīng)性，是確保中梁折彎生產(chǎn)線運行順利且降低制造成本的關(guān)鍵因素。這些設(shè)計特點有助于提高制件質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在折彎生產(chǎn)線上，上模的強度經(jīng)過分析已確定能夠承受折彎過程中的壓力載荷，因此無需進行額外的強度校核。

鵝頸轉(zhuǎn)換接頭采用45鋼材質(zhì)，通過分段拼接設(shè)計，以有效抵抗折彎生產(chǎn)過程中的巨大壓力，確保接頭的穩(wěn)定性和可靠性。通過仿真分析，檢驗和評估了鵝頸轉(zhuǎn)換接頭的強度。當施加50 t 的外力時，鵝頸部位的屈服強度高達448 MPa，遠高于45鋼的最低屈服強度355 MPa，表明該接頭具有較高的斷裂危險。根據(jù)校核結(jié)果，決定將鵝頸轉(zhuǎn)換接頭的每段長度增加到600 mm，以有效防止鵝頸轉(zhuǎn)換接頭在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)斷裂的情況。

整體模擬分析顯示，鵝頸轉(zhuǎn)換接頭的每段長度達到600 mm，能夠承受2 100 t 的壓力，滿足各種大型板件的彎曲要求。此外，該設(shè)計不僅保證了強度，還充分考慮了模具的制造和使用，可更好地適應(yīng)實際的生產(chǎn)環(huán)境。

4 模具試驗與批量生產(chǎn)驗證

4.1 模具試驗

模具制造完成后，采用了兩臺500 t 折彎生產(chǎn)線機進行了嚴格測試，以驗證其可靠性。在測試期間，根據(jù)中梁制件圖，進行理論計算和分析，并調(diào)整關(guān)鍵工藝參數(shù)，以確保制件質(zhì)量。經(jīng)過試驗，對工件的尺寸和圓角進行了精確測量，并總結(jié)了結(jié)果。

通過R 規(guī)測量，發(fā)現(xiàn)工件的彎曲圓角符合要求，為R8 mm。工件的寬度尺寸為200 mm，與設(shè)計一致。在料長度方向的中間部位，工件的高度尺寸為280 mm，兩側(cè)的高度差在公差范圍內(nèi)，一側(cè)為281 mm，另一側(cè)為279 mm。

在表面質(zhì)量檢測方面，工件表面沒有任何壓痕或錯牙，表明模具的設(shè)計和制造質(zhì)量良好。經(jīng)過目視外觀檢查和拉線測量，確認工件整體沒有任何扭曲現(xiàn)象，符合要求。

針對上模安裝存在的困難，采取了改進措施：①在折彎前對工件進行調(diào)直，確保其直線度；②通過調(diào)整撓度補償參數(shù)，使280 mm 尺寸在料長度方向的中間部位，兩側(cè)實測高度值相差在1 mm 以內(nèi)。通過設(shè)計和制造專用的上模吊具，可提高上模安裝效率，減輕操作者的負擔。

模具試驗結(jié)果表明，經(jīng)過合理的工藝優(yōu)化和調(diào)整，制件的尺寸、圓角、表面質(zhì)量和整體形狀都符合要求。通過解決安裝過程中的問題，可提高生產(chǎn)效率和操作便捷性。這確保了模具的有效性和制件的質(zhì)量，為批量生產(chǎn)提供了可行的基礎(chǔ)。

4.2 批量生產(chǎn)應(yīng)用情況

通過多次實踐，成功利用試驗中優(yōu)化的關(guān)鍵工藝參數(shù)，批量生產(chǎn)了134輛某型煤炭漏斗車橫梁，并將其出口至澳大利亞。為確保批量生產(chǎn)的順利實施，采取了一系列總結(jié)和培訓(xùn)措施。

制件質(zhì)量提升方面，成功應(yīng)用了優(yōu)化的展開尺寸、折彎生產(chǎn)線對擋線、撓度補償?shù)汝P(guān)鍵工藝參數(shù)，顯著提高了制件的外觀成形尺寸穩(wěn)定性和一致性，質(zhì)量也明顯優(yōu)于外購型鋼。為進一步提升諾創(chuàng)智能設(shè)備公司聲譽和產(chǎn)品質(zhì)量，進行了模具使用培訓(xùn)。培訓(xùn)內(nèi)容包括：①確保鵝頸拼接式結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，按照模具上的拼接標記序號1、2、3等順序進行操作，以避免錯牙現(xiàn)象。這一步驟對于模具使用和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。②上模拆卸時應(yīng)由多人共同完成，確保協(xié)作配合，以防止模具脫落、損壞或造成人員傷害等安全事故。正確處理模具不僅延長了使用壽命，還提高了安全性。

批量生產(chǎn)的成功是模具設(shè)計和工藝優(yōu)化的肯定，也提升了諾創(chuàng)智能設(shè)備公司產(chǎn)品質(zhì)量。通過培訓(xùn)操作者，確保了模具的正確使用和安全操作，保障了生產(chǎn)的連續(xù)性和工作人員的安全。

5 結(jié)束語

試驗結(jié)果表明，現(xiàn)有折彎設(shè)備具備足夠的能力，無需擔心設(shè)備不足問題，保證了制件的成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率。同時，還強調(diào)了在工藝優(yōu)化和設(shè)備選擇中充分考慮設(shè)備能力的重要性，以確保生產(chǎn)的成功。通過工藝優(yōu)化，成功生產(chǎn)了134輛特定型號的煤炭漏斗車橫梁，其外觀、尺寸、一致性和質(zhì)量均達到高標準，甚至勝過外購型鋼，為諾創(chuàng)智能設(shè)備公司的發(fā)展提供了有力支持。文章還強調(diào)了操作者培訓(xùn)的重要性，確保模具的正確保養(yǎng)和使用，包括按照拼接標記序號正確安裝鵝頸轉(zhuǎn)換接頭及多人協(xié)作的上模拆卸，以確保安全。通過工藝優(yōu)化、設(shè)備校核和操作者培訓(xùn)，中梁的制造過程得以優(yōu)化，確保了制件質(zhì)量、生產(chǎn)效率和安全性，為今后類似制件的生產(chǎn)提供了寶貴經(jīng)驗。