■ 李 勇，徐宗磊，李新华，闫章建，王国帅，王 庆

工程机械行业金属板材件是指通过对金属板材的切割加工、机械加工、成形加工等工艺生产应用于工程机械行业整机产品中的工件。通过创新性的排料、切割及成形工艺可实现：①通过优化套排料技术集中下料，利用计算机优化排样技术对零件进行混合套排，提高材料利用率，降低产品的材料消耗。②对下料零件进行计算机辅助工艺优化，创新切割工艺方式，如防变形切割、共边切割、多零件连割、多割炬切割，以及工艺补偿等提高产品质量。③对成形工艺进行改进、创新，提高设备产品范围，降低员工劳动强度，提高生产效率。

一、解决方案思路

1. 材料利用率提升

采用交互与自动相结合的优化套排料技术对整个车间板类零件进行集中排料，利用计算机优化技术进行各零件混合套排。排样方法采用真实形状自动排样、样矩形包络自动排样、矩形件通裁通剪自动排同种零件、阵列式自动排样在内的多种自动排样方法，同时该模块具有单张钢板逐一排样、多张钢板自动批量排样、多割炬自动排样、大批量零件可复制式排样、余料钢板排样等多种方式。

2. 创新性切割工艺

对原有切割方式进行优化，采用防变形切割、共边切割、多零件连割、多割炬切割等新型切割方式。

对切割过程中出现问题进行探讨，主要对切割缺陷、切割参数及切割补偿等进行试验分析研究，通过试验及分析结果探索新的切割工艺，并进行试验、小批量试制，最终进行标准化。

3. 创新成形工艺

由于板材成形件各种各样，类型多达成千上万种，因此，在成形过程中不可避免会遇到很多问题，通过对成形件进行分类，对各类特点进行分析研究，找出此类工件的特点及生产过程中可能出现的问题，对这些问题进行工艺制订时补偿或者采用与传统工艺不同的方法，满足生产需要。同时在日常生产过程中注意观察、总结生产现场效率低、劳动强度大的产品成形过程，改善其成形工艺以提高效率。

二、关键技术

1. 多品种大批量不规则零件智能自动排样

针对工程机械金属板材件成组加工、零部件集配管理和板材利用率等方面的需求，利用类聚算法，将待下料的零件按其特征（材质、板厚、加工工艺、成套性）归类分组。通过分组下料，实现成组加工，解决零部件集配管理的难题。建立二维排料问题数学模型，综合应用广义最小矩形包络、临界多边形（NFP）、遗传/模拟退火（GA/SA）等算法求解二维不规则零件图形自动排样问题。其中利用基于NFP的几何计算实现零件快速定位，利用遗传/模拟退火算法实现解空间的高效搜索。通过自动排样技术加快排样时间和提高板材利用率。排料效果如图1所示。

二维排料问题数学模型信息化管理和下料优化，并且采用自动与交互相结合的优化套排料技术对整个车间甚至全厂的板类零件进行集中下料，利用计算机优化排样技术进行多种下料零件的混合套排，大幅提高了金属板材的利用率，降低产品的材料消耗，从而降低产品成本。如图2所示，采用了自动分类，形成套料分组和套料任务，套料中包含了推土机、山重建机、道机等多种零件。

图1 排料效果

图2 混合套排

图3 新型零件桥接切割

图4 原始套排切割

式中 n——零件种类数；

n1——零件i的数量；

Si——零件i的面积；

S——钢板的面积 。

2. 基于几何/物理混合建模的切割工艺优化

建立多目标优化模型，提出采用基于欧拉图论的“一笔画”共边切割算法和基于矩形阵列的“阶梯形”共边切割算法对切割工艺进行优化，实现共边切割。与其他常规共边切割方法相比，该法在打孔点数和空行程方面得到很大优化。另根据板材受热特点建立板材的物理模型，分析该模型得出板材的温度分布情况，提出防变形微连接切割工艺。通过基于几何/物理混合建模，从割嘴加工路径、空行程等几个方面和零件变形、温度场变化和切割速度等方面对切割工艺进行优化，提高了切割效率和质量。

三、实际应用

1. 材料利用率提升

金属板材件生产全过程进行

2. 创新性切割方式

（1）优化切割工艺 对原有切割工艺进行优化，采用防变形切割、共边切割、多零件连割、多割炬切割等新型切割方式，如图3、图4所示。

（2）制作专用校枪仪对设备进行校正调节 目前，切割钢板方向由割枪方向决定，当割枪与钢板表面不垂直时，会导致切割方向与钢板表面不垂直，就会出现切割斜口，严重时垂直度会超差，产品无法使用。新设备一般都会有自行校直设备，通过磁感应或者设计上的改进避免割枪倾斜，但旧设备割枪构造简单，一般没有自行校直的设备，出现割枪倾斜时，一般通过肉眼观察或使用很简单的自制设备校直。肉眼观察校直准确率太低，每个人校直标准都不一致，生产产品也不一致；自制校直设备没有统一的校直标准，每个校直设备的误差也不同。自制简易切割机割枪校直仪，能够方便、快速、准确地解决旧切割机割枪校直的问题，如图5所示。

（3）对激光、等离子、火焰等切割进行研究 针对归类的工件反复试验，总结和归纳规律，确定切割参数及补偿参数（见表1），同时对板材切割过程中的各种热变形选择相应的切割顺序，可以有效防止变形。

在激光切割尖角时，会出现缺材现象，不仅影响产品质量，而且在后续的加工过程中增加了工作量，如图6所示。不同板厚、角度缺材程度不尽相同，而如果在尖角处添加适当的圆角，就会避免这种缺陷的出现。

通过对不同板厚、尖角角度切割后的垂直度和缺材尺寸进行统计，后续加工时，就可以根据试验结果进行添加圆角，避免缺材的缺陷发生，降低了生产成本和加工效率。

确定可切割孔最小直径与板厚的关系，优化工艺设计，根据试验结果得出切割孔径与板厚的关系，如表2所示。

3. 创新成形工艺

工程机械板材成形一般采用折弯机、卷板机及压力机模具成形三种方式，其中应用比较广泛的为折弯机成形，折弯机在冷态下可利用所配备的通用模具（或专用模具）将金属板材折弯成各种所需要的几何截面形状的工件，如图7所示。

图5 自制简易切割机割枪校直仪

图6 尖角缺陷

图7 折弯机成形

表1 等离子弧切割参数

对于一般成形件按照通用成形工艺方式即可，但是对于有些产品按照原有方式无法满足要求，需要探寻新工艺方法。

（1）产品尺寸超出设备生产范围。工件长度8m，折弯机长度仅为5m，无法满足一次成

形，因此，可以将工件在合适位置开槽，分两次成形，然后在开槽处焊接，开槽位置根据工件实际情况确定，如图8所示。

表2

（2）成形模具无法满足工件一次成形，可以自制简易上模具。对折弯弧长较大，但不适宜用卷板机卷板的工件可以考虑采用折弯机成形圆弧。有些工件对折弯成形痕有限制，现有刀具无法满足设计要求，可考虑自制压型模具，提高生产效率，如图9所示。

（3）设备模具无法满足产品成形能力，可以通过三维模拟，后进行简易模具更改，在不增加成本投入下，完成产品生产，如图10所示。

（4）全面考虑生产其他问题，如工件存放，工件转运等，在工件存放时圆环类工件存放转运较为困难，因此设计一种圆环类零件的存放转运装置，如图11所示。

图9 自制简易上模具

图10

图11 圆环类零件存放转运装置

四、创新点

采用高效实用、操作简单的优化排料和NC编程工具SmartNest，实现优化下料。建立产品数据及工艺管理系统，自制切割机割枪校直仪，研究激光、等离子弧、火焰切割技术和工艺方法，对切板件根据板厚、材质及设备量化各种切割参数，解决切割中容易产生的各种质量问题，提高切板件的切割质量。