基于先进制造技术的板材替代型材技术应用与展望

贾军利，陈大伟

（南水北调中线干线工程建设管理局河北分局，河北 石家庄050000）

随着中国制造业的快速发展和进步，中国制造业同世界发达国家的技术差距已从“望其项背”到“同台竞技”，很多行业和领域技术已逐步领跑世界。按照“中国制造2025”国家制造业发展战略和中国创造、创新驱动发展理念，很多传统制造业面临产品转型和技术升级，适应“以顾客为焦点、以市场为龙头”的企业管理理念，立足核心技术突破，追求高质量发展，为提高市场竞争力和最大限度顾客满意，对更新设计理念，实现设计、制造协同创新和基于全流程优化的“精益生产”提出迫切需求，实现由产品设计为主导的创新设计，带动原材料、加工工艺、产品外观质量的整体提升，推动“中国智造”和“中国创造”，体现核心制造能力并提高企业市场竞争力。

1 材料特点及适用性分析

传统的轻工业产品中存在大量支架、横梁、横撑、骨架等组成件，其原材料常选用各种型材，如槽钢、角钢、工字钢、H型钢、方管、矩形管等，优点是型材强度、刚度等力学性能好，市场上可以直接采购，通过定长下料切割，一般通过带锯、火焰切割、无齿锯等方式下料，后续通过与其他零件焊接、机加工等工序成为装配件；缺点是型材规格少、表面质量较差、下料后切口处理量大，可加工性一般，一般需要机械加工后和其他零件通过焊接组合后成为装配件，材料利用率偏低，美观性及适用性差，一般用于骨架类、支撑类非主要可视面及大型钢结构。

板材（钢板）作为标准化原材料，具有来源丰富、厚度规格齐全、力学性能一致性好，标准板幅尺寸一致，可加工性及成形性能优秀、表面质量好的优点，是创新设计的理想材料，同时运输保存方便、成本低廉，通用性好，材料利用率高。

2 宏观产业政策现状

目前，钢铁行业企业迫切需要提高环保水平、推进节能减排。产品生产适应市场需求变化，向市场需求大的标准产品和高附加值产品转移。常规板材货源充足、采购方便、综合质量高。特殊规格、产品订货批量小、低端产品市场采购会越来越困难，质量、价格、货期等选择空间小，成本压力增大。

3 设计理念和手段变化

三维设计、数字化样机、3D打印等现代设计手段和产品“新炫酷”设计理念为产品设计工作带来革命性改变，客户对产品的个性化、定制化要求越来越多，从以功能为关注焦点向关注功能、几何、外观的结合体转变。再有，制造企业内在的精益管理、引领市场的潜在需求也需要持续推进产品设计的技术迭代与更新。数字技术和有限元分析及仿真软件的应用，使结构和强度校核计算变得快捷准确。随着Solidworks、Pro-e等三维设计软件应用，使钣金件三维设计和展开变得快捷准确，突破传统钣金件下料放样及钣金展开专业性强、计算量大、效率低的瓶颈，为钣金件的大幅应用推广开辟了道路，“钣金化设计思维及理念”可快速实现产品优化设计和轻量化设计，助推产品技术创新。

4 先进制造技术的普及和应用

当前，数控化设备应用普及迅速，性价比和价格门槛越来越低。激光切割、数控冲剪、板材柔性加工自动线、数控折弯机等高精度数控加工技术在制造企业应用越来越普遍，加工精度、加工质量和效率大幅提升，带来下料、加工技术的革命。传统板材下料采用火焰切割（曲线）、剪板机冲剪（直线）等下料方式，且后续均需通过折弯、金属切削精加工达到设计要求，切割边粗糙、后期加工及处理工作量大，材料浪费严重、效率低。采用数控下料后，尺寸精度及切割面粗糙度质量高、切割效率高，尤其适用于薄板类（≤8mm），可通过编程实现平板任意形状切割，在切割下料工序可直接将连接孔、豁口、槽孔、异形孔、周边倒圆角等一次性切出，经折制成型后成为完工零件，节省机械加工工序，简化生产流程，为扩大板材应用范围提供了装备和技术支持。同时，为提高数控设备利用率和促进成本回收，推动了设计优化以适应新的工艺要求。

5 数字化生产模式下的板材替代型材的设计及生产优势

（1）突破传统设计习惯，更新设计理念，与先进数控设备性能匹配，以板材替代型材，钣金结构可以实现构件轻量化、均衡等强度设计，保证构件整体结构强度。

（2）充分体现设计价值，通过技巧实现设计意图，以“量体裁衣”方式巧妙的实现板材由平面向立体转化，使设计工作更具创造性和艺术性，实现力与美的统一，设计者想象空间和自由度更大，结构特点更突出。

（3）通过使用较大范围内厚度标准化的板材，实现满足结构强度及功能要求的各种立体构件，将原材料采购、贮存、工艺和质量保证标准化，提高材料通用化和利用率，促进产品质量升级，从产品源头促进管理优化和成本优化。

（4）板材设计理念推广应用后，大幅降低传统钻铣刨机床加工工作量，减少焊接、打磨和型材表面处理工作量，不用焊接和打磨即可实现几何上的高精度和特殊连接（图1）。

图1 板材方案的高精度和特殊连接

（5）自动套料软件和物流分拣技术应用，配合标准化和通用化设计，实现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、降低人工频繁上料强度和料头料尾浪费。

（6）“共边切割”技术的应用，在套料组合切割过程中应用“公共边”，不仅减少了切割路径，还降低了切割过程中气体等耗材的消耗。节省材料，提高切割效率，节约能源。

6 板材设计理念及技巧应用

（1）基本应用：去除材料。型材采用板材替代后，在平板激光下料阶段，将连接孔、槽、工艺孔、倒圆角等曲线外形一并切出（去除材料），节省后续机床加工工序（见图2）。

图2 板材替代槽钢应用

（2）基本应用：增加材料。将原来需要在型材上焊接的吊耳、连接板、底板等连接件纳入整体考虑进行整合优化，设计为在板材下料时一并“增材”切出，必要时通过局部焊接予以加强，设计时可以兼顾美观、便于清理等辅助功能。

（3）基本应用：孔槽微连接。对折弯线上和孔、槽切割时通过增加微连接保证加工过程中结构的连续性，防止孔边缘出现不连续变形。

（4）基本应用：切割定位孔、槽。便于组装定位，提高定位精度和制作效率。

（5）基本应用：个性化应用。公司logo等、标志标识等个性化特征可以在切割下料过程中应用激光刻字、微切割等实现，突出产品特色。

（6）基本应用：有限元分析辅助设计。对于结构相对复杂的承载构件，借助有限元分析进行应力、应变分析，根据分析结果优化结构。

（7）基本应用：减重设计。通过减小材料厚度和切割系列孔减除构件重量，或满足观察、维修、调整要求。

（8）基本应用：系统考虑，合并整合。将相连板、柱、梁复合一体，通过板材替代实现复合结构一体化。

（9）应用技巧：组合卯榫结构。借鉴传统木工工艺连接技巧，应用“卯榫”结构加点焊提高强度实现结构优化（图3）。

图3 板材卯榫结构应用

（10）技巧应用：切割避应力槽口。应用工艺槽口消除折弯应力对折弯区附近开孔、开槽的影响。增加折弯应力释放槽口，避免因折弯拉伸影响靠近折弯线的轮廓（折弯线两侧，到折弯线距离小于折边最小值区域内的轮廓）产生变形，同时也可以为连接螺栓螺母提供平整安装空间（图4）。

图4 开孔位于折弯线附近时技巧应用

7 结论和展望

钣金替代型材，使用标准化原材料、引入高精度制造工艺，可以弥补日益增长的原材料和人力成本。紧跟设计和制造技术发展步伐，创新设计理念，推广应用钣金技术，不止于替代型材，在定位工装、特殊夹具、限位等有尺寸精度的零件均可通过钣金技术转化而成，为设计工作带来全新体验和无限可能，同时也为产品升级和技术创新提供技术思路。