横梁折弯生产线工艺优化与自动化控制技术研究

刘阿缔

（佛山市诺创智能设备有限公司，广东佛山 528000）

通过使用折弯生产线，可制作出各种不同的圆角和角度的零部件，并且这些零部件在铁路货运领域得到了广泛的应用。佛山市诺创智能设备有限公司（以下简称“诺创智能设备公司”）专门生产一种特殊的铁路货车，其支撑结构采用了一种U 字形的钢梁，其材料为Q450NQR1，总长度达到了10 m，宽度达到了370 mm。该钢梁在铁路货车的制造中至关重要，通常情况下，诺创智能设备公司会外购这种型钢，但外购的横梁存在一些缺陷，如扭曲、宽度尺寸不符合标准等，所以经过对车间现有设备参数及制造能力的分析，建议采用板材折弯生产线的方式来制作这种零件，以此取代外购的型钢，从而提高车辆组装的质量。这一改进将有助于提升诺创智能设备公司制件的制造质量，确保铁路货车的可靠性和安全性，同时也有望降低成本和提高生产效率。这个决策有望对诺创智能设备公司的整体运营产生积极影响。

1 制件图分析

中梁截面图展示了中梁的结构示意图，为优化其生产工艺，考虑两种不同的方法：①切割下料、折弯生产线成形；②剪切下料、折弯生产线成形。方法①包括卷料开卷、精确调整、精细划分、精确取直及精确折弯等工序，但由于切割下料，生产效率较低，可能引入热输入，导致切割后的板材直线度难以控制，不适合批量生产。方法②采用剪切下料、折弯生产线成形，包括卷料横纵剪切开卷分条、条类板材取直和折弯生产线成形。相较于方法①，方法②在生产过程中更高效，避免了切割下料的低效率和质量问题，有助于保持直线度和板材质量。综合比较后，选择方法②作为制造工艺优化方案更为合适，可提高生产效率，降低质量问题，并更适合批量生产应用。

2 制件的工艺优化能力计算

为对制件的工艺优化能力进行计算，需考虑以下关键因素：①制件的几何形状和尺寸；②材料的物理性质，包括抗拉强度、弹性模量等；③制造工艺中的关键参数，如折弯力、温度、成形速度等。在这个情况下，应重点关注制件的折弯过程，并计算工艺优化对折弯力的影响。折弯力计算如下。

（1）在折弯过程中，制件会受到折弯力的作用，这个力是影响工艺优化的重要因素之一。折弯力的大小取决于以下因素：①制件的几何形状，包括长度、宽度和厚度；②材料的物理性质，特别是抗拉强度；③折弯的角度。

（2）折弯工具的设计和状态，包括上模和下模的形状和表面状态。通常，可使用以下公式计算折弯力：

式中，P为折弯力，N；K为安全系数，通常取1.3；B为制件的宽度，mm；δ为制件的厚度，mm；σb为材料的抗拉强度，N/mm2；V为折弯模具的开口宽度，mm。

通过输入具体的制件尺寸、材料参数和工具设计信息，可计算出折弯力的大小。这个计算可用于工艺优化的目的，以确保折弯过程中的力量在可控范围内，从而减少变形、损伤或制件质量问题。

2.1 折弯生产线力计算

计算中梁的自由弯曲力，K取1.3，B取10 370，δ取7，σb取450，V取50，根据给定的参数和式（1），计算得到中梁的自由弯曲力为5 945 121 N。

这个自由弯曲力表示在中梁的折弯生产线过程中需施加的力量，以确保材料的弯曲成形。由于中梁的尺寸较大，自由弯曲力相应较高，因此需确保折弯生产线设备足够强大以承受这种力量。这样可保证制件的成形质量和生产效率。

2.2 折弯生产线设备能力校核

中梁的自由弯曲力计算结果为5 945.121 kN，而现有的2 500 t 折弯机的额定压力为25 000 kN。可明显看出，2 500 t 折弯机的最大压力远大于中梁的自由弯曲力。这表明现有的折弯机在压力方面具有足够的储备，能够轻松胜任制造中梁的成形工艺，无需担心设备不足的问题。

上述计算说明现有的2 500 t 折弯机完全能够胜任制造中梁的工艺要求。这确保了制件的成形质量和生产效率，使中梁的生产过程更加可靠和高效。这也证明了在制造过程中要充分考虑设备能力，以确保制造成功的重要性。

现有的2 500 t 折弯机的高额定压力为中梁的生产提供了稳定的保障。这意味着在制造过程中，无论是单个中梁还是批量生产，折弯机都能够轻松地施加足够的压力，使板材成形符合要求。这种匹配程度不仅确保了制件的质量，还提高了生产的效率，减少了生产周期。

在工艺优化中充分考虑折弯生产线设备的能力至关重要。通过准确计算和校核，本研究可确定折弯机是否能够满足制造过程中所需的压力，从而为生产的成功提供了保障。

弯曲上模的设计对于中梁的折弯生产线至关重要，要确保生产过程中没有干涉，同时降低制造成本。以下是对弯曲上模结构设计的详细分析。

（1）鹅颈式上模设计。为减少折弯生产线中的干涉现象，鹅颈式上模的设计可有效帮助上模与工件间的配合更加轻松，从而确保制件的成形质量。

（2）分段制造。为提高生产效率，中梁需分段制造，以便在安装和拆卸时更加方便。这种分段设计不仅提高了制造的灵活性，还降低了制造和维护的难度。

（3）组合式结构。采用鹅颈转换接头和折弯生产线上模的组合方案，有助于大幅降低中梁的制造成本。这种结构具有多重优势：①成本降低。鹅颈转换接头可采用成本较低的45钢材质制造，而无需淬火，从而大幅降低制造成本。此外，鹅颈转换接头的表面加工要求也可适当降低，进一步减少了制造成本。②耐用性。折弯生产线上模采用模具钢制造，以确保模具的耐用性和质量。这意味着即使在高强度的折弯生产过程中，模具也能够保持稳定的性能，不易损坏，从而延长了其使用寿命。③灵活性。这种组合式结构使得模具的使用更加灵活，可根据需要选择使用鹅颈模具还是直接使用折弯生产线上模。这种灵活性有助于适应不同的生产需求，提高了生产线的多功能性。④质量控制。采用模具钢制造折弯生产线上模可以确保制件的质量和尺寸精度。而鹅颈转换接头的设计也能够提供稳定的加工性能，从而保证了制件的一致性和质量。

（4）设计的灵活性和适应性。为使鹅颈转换接头能够顺利地与机床相连，应将其设计为与机床的原有模具完全匹配，从而使其具有良好的可靠性和稳定性。这种设计考虑了以下灵活性和适应性方面的需求：①快速切换。通过将鹅颈转换接头与机床的配合部位完美匹配，使得操作者能够轻松地切换模具，无论是在折弯生产线上还是其他场景中，都能够轻松完成。此外，在不使用鹅颈模具的情况下，只需将鹅颈转换接头与机床相连接，就能够轻松完成折弯生产线的工序。这种灵活性可在不同的加工情况下轻松应对需求变化。②适应性。将鹅颈转换接头的底部开口部位设计成与机床原有折弯生产线模一致，确保了连接的适应性。这意味着无需修改机床的结构或进行额外的改装，就可实现鹅颈模具的使用。这种适应性使得转换和切换过程更加简便和高效。

组合式结构和设计的灵活性与适应性使得中梁的制造过程更加高效、经济，并且具备了应对不同需求和生产情况的能力。这对于提高生产线的多功能性和生产效率至关重要。

3 模拟分析成形过程

在折弯生产线的设计中，模拟分析成形过程是确保生产无干扰并确保上模与工件匹配的关键步骤。此外，为更好地满足多种制品的生产需求，企业应充分利用现有相关材料，以减少后续模具采购费用。鹅颈式上模的设计采用了分段制造和组合式结构，具备较高的灵活性和适应性，是确保中梁折弯生产线运行顺利且降低制造成本的关键因素。这些设计特点有助于提高制件质量和生产效率。在折弯生产线上，上模的强度经过分析已确定能够承受折弯过程中的压力载荷，因此无需进行额外的强度校核。

鹅颈转换接头采用45钢材质，通过分段拼接设计，以有效抵抗折弯生产过程中的巨大压力，确保接头的稳定性和可靠性。通过仿真分析，检验和评估了鹅颈转换接头的强度。当施加50 t 的外力时，鹅颈部位的屈服强度高达448 MPa，远高于45钢的最低屈服强度355 MPa，表明该接头具有较高的断裂危险。根据校核结果，决定将鹅颈转换接头的每段长度增加到600 mm，以有效防止鹅颈转换接头在实际生产中出现断裂的情况。

整体模拟分析显示，鹅颈转换接头的每段长度达到600 mm，能够承受2 100 t 的压力，满足各种大型板件的弯曲要求。此外，该设计不仅保证了强度，还充分考虑了模具的制造和使用，可更好地适应实际的生产环境。

4 模具试验与批量生产验证

4.1 模具试验

模具制造完成后，采用了两台500 t 折弯生产线机进行了严格测试，以验证其可靠性。在测试期间，根据中梁制件图，进行理论计算和分析，并调整关键工艺参数，以确保制件质量。经过试验，对工件的尺寸和圆角进行了精确测量，并总结了结果。

通过R 规测量，发现工件的弯曲圆角符合要求，为R8 mm。工件的宽度尺寸为200 mm，与设计一致。在料长度方向的中间部位，工件的高度尺寸为280 mm，两侧的高度差在公差范围内，一侧为281 mm，另一侧为279 mm。

在表面质量检测方面，工件表面没有任何压痕或错牙，表明模具的设计和制造质量良好。经过目视外观检查和拉线测量，确认工件整体没有任何扭曲现象，符合要求。

针对上模安装存在的困难，采取了改进措施：①在折弯前对工件进行调直，确保其直线度；②通过调整挠度补偿参数，使280 mm 尺寸在料长度方向的中间部位，两侧实测高度值相差在1 mm 以内。通过设计和制造专用的上模吊具，可提高上模安装效率，减轻操作者的负担。

模具试验结果表明，经过合理的工艺优化和调整，制件的尺寸、圆角、表面质量和整体形状都符合要求。通过解决安装过程中的问题，可提高生产效率和操作便捷性。这确保了模具的有效性和制件的质量，为批量生产提供了可行的基础。

4.2 批量生产应用情况

通过多次实践，成功利用试验中优化的关键工艺参数，批量生产了134辆某型煤炭漏斗车横梁，并将其出口至澳大利亚。为确保批量生产的顺利实施，采取了一系列总结和培训措施。

制件质量提升方面，成功应用了优化的展开尺寸、折弯生产线对挡线、挠度补偿等关键工艺参数，显著提高了制件的外观成形尺寸稳定性和一致性，质量也明显优于外购型钢。为进一步提升诺创智能设备公司声誉和产品质量，进行了模具使用培训。培训内容包括：①确保鹅颈拼接式结构的质量，按照模具上的拼接标记序号1、2、3等顺序进行操作，以避免错牙现象。这一步骤对于模具使用和产品质量至关重要。②上模拆卸时应由多人共同完成，确保协作配合，以防止模具脱落、损坏或造成人员伤害等安全事故。正确处理模具不仅延长了使用寿命，还提高了安全性。

批量生产的成功是模具设计和工艺优化的肯定，也提升了诺创智能设备公司产品质量。通过培训操作者，确保了模具的正确使用和安全操作，保障了生产的连续性和工作人员的安全。

5 结束语

试验结果表明，现有折弯设备具备足够的能力，无需担心设备不足问题，保证了制件的成形质量和生产效率。同时，还强调了在工艺优化和设备选择中充分考虑设备能力的重要性，以确保生产的成功。通过工艺优化，成功生产了134辆特定型号的煤炭漏斗车横梁，其外观、尺寸、一致性和质量均达到高标准，甚至胜过外购型钢，为诺创智能设备公司的发展提供了有力支持。文章还强调了操作者培训的重要性，确保模具的正确保养和使用，包括按照拼接标记序号正确安装鹅颈转换接头及多人协作的上模拆卸，以确保安全。通过工艺优化、设备校核和操作者培训，中梁的制造过程得以优化，确保了制件质量、生产效率和安全性，为今后类似制件的生产提供了宝贵经验。