賈軍利，陳大偉

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北分局，河北 石家莊050000）

隨著中國制造業(yè)的快速發(fā)展和進(jìn)步，中國制造業(yè)同世界發(fā)達(dá)國家的技術(shù)差距已從“望其項背”到“同臺競技”，很多行業(yè)和領(lǐng)域技術(shù)已逐步領(lǐng)跑世界。按照“中國制造2025”國家制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和中國創(chuàng)造、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展理念，很多傳統(tǒng)制造業(yè)面臨產(chǎn)品轉(zhuǎn)型和技術(shù)升級，適應(yīng)“以顧客為焦點、以市場為龍頭”的企業(yè)管理理念，立足核心技術(shù)突破，追求高質(zhì)量發(fā)展，為提高市場競爭力和最大限度顧客滿意，對更新設(shè)計理念，實現(xiàn)設(shè)計、制造協(xié)同創(chuàng)新和基于全流程優(yōu)化的“精益生產(chǎn)”提出迫切需求，實現(xiàn)由產(chǎn)品設(shè)計為主導(dǎo)的創(chuàng)新設(shè)計，帶動原材料、加工工藝、產(chǎn)品外觀質(zhì)量的整體提升，推動“中國智造”和“中國創(chuàng)造”，體現(xiàn)核心制造能力并提高企業(yè)市場競爭力。

1 材料特點及適用性分析

傳統(tǒng)的輕工業(yè)產(chǎn)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(yōu)點是型材強度、剛度等力學(xué)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(xù)通過與其他零件焊接、機(jī)加工等工序成為裝配件；缺點是型材規(guī)格少、表面質(zhì)量較差、下料后切口處理量大，可加工性一般，一般需要機(jī)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(jié)構(gòu)。

板材（鋼板）作為標(biāo)準(zhǔn)化原材料，具有來源豐富、厚度規(guī)格齊全、力學(xué)性能一致性好，標(biāo)準(zhǔn)板幅尺寸一致，可加工性及成形性能優(yōu)秀、表面質(zhì)量好的優(yōu)點，是創(chuàng)新設(shè)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(chǎn)業(yè)政策現(xiàn)狀

目前，鋼鐵行業(yè)企業(yè)迫切需要提高環(huán)保水平、推進(jìn)節(jié)能減排。產(chǎn)品生產(chǎn)適應(yīng)市場需求變化，向市場需求大的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和高附加值產(chǎn)品轉(zhuǎn)移。常規(guī)板材貨源充足、采購方便、綜合質(zhì)量高。特殊規(guī)格、產(chǎn)品訂貨批量小、低端產(chǎn)品市場采購會越來越困難，質(zhì)量、價格、貨期等選擇空間小，成本壓力增大。

3 設(shè)計理念和手段變化

三維設(shè)計、數(shù)字化樣機(jī)、3D打印等現(xiàn)代設(shè)計手段和產(chǎn)品“新炫酷”設(shè)計理念為產(chǎn)品設(shè)計工作帶來革命性改變，客戶對產(chǎn)品的個性化、定制化要求越來越多，從以功能為關(guān)注焦點向關(guān)注功能、幾何、外觀的結(jié)合體轉(zhuǎn)變。再有，制造企業(yè)內(nèi)在的精益管理、引領(lǐng)市場的潛在需求也需要持續(xù)推進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)迭代與更新。數(shù)字技術(shù)和有限元分析及仿真軟件的應(yīng)用，使結(jié)構(gòu)和強度校核計算變得快捷準(zhǔn)確。隨著Solidworks、Pro-e等三維設(shè)計軟件應(yīng)用，使鈑金件三維設(shè)計和展開變得快捷準(zhǔn)確，突破傳統(tǒng)鈑金件下料放樣及鈑金展開專業(yè)性強、計算量大、效率低的瓶頸，為鈑金件的大幅應(yīng)用推廣開辟了道路，“鈑金化設(shè)計思維及理念”可快速實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計和輕量化設(shè)計，助推產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新。

4 先進(jìn)制造技術(shù)的普及和應(yīng)用

當(dāng)前，數(shù)控化設(shè)備應(yīng)用普及迅速，性價比和價格門檻越來越低。激光切割、數(shù)控沖剪、板材柔性加工自動線、數(shù)控折彎機(jī)等高精度數(shù)控加工技術(shù)在制造企業(yè)應(yīng)用越來越普遍，加工精度、加工質(zhì)量和效率大幅提升，帶來下料、加工技術(shù)的革命。傳統(tǒng)板材下料采用火焰切割（曲線）、剪板機(jī)沖剪（直線）等下料方式，且后續(xù)均需通過折彎、金屬切削精加工達(dá)到設(shè)計要求，切割邊粗糙、后期加工及處理工作量大，材料浪費嚴(yán)重、效率低。采用數(shù)控下料后，尺寸精度及切割面粗糙度質(zhì)量高、切割效率高，尤其適用于薄板類（≤8mm），可通過編程實現(xiàn)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(jīng)折制成型后成為完工零件，節(jié)省機(jī)械加工工序，簡化生產(chǎn)流程，為擴(kuò)大板材應(yīng)用范圍提供了裝備和技術(shù)支持。同時，為提高數(shù)控設(shè)備利用率和促進(jìn)成本回收，推動了設(shè)計優(yōu)化以適應(yīng)新的工藝要求。

5 數(shù)字化生產(chǎn)模式下的板材替代型材的設(shè)計及生產(chǎn)優(yōu)勢

（1）突破傳統(tǒng)設(shè)計習(xí)慣，更新設(shè)計理念，與先進(jìn)數(shù)控設(shè)備性能匹配，以板材替代型材，鈑金結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)構(gòu)件輕量化、均衡等強度設(shè)計，保證構(gòu)件整體結(jié)構(gòu)強度。

（2）充分體現(xiàn)設(shè)計價值，通過技巧實現(xiàn)設(shè)計意圖，以“量體裁衣”方式巧妙的實現(xiàn)板材由平面向立體轉(zhuǎn)化，使設(shè)計工作更具創(chuàng)造性和藝術(shù)性，實現(xiàn)力與美的統(tǒng)一，設(shè)計者想象空間和自由度更大，結(jié)構(gòu)特點更突出。

（3）通過使用較大范圍內(nèi)厚度標(biāo)準(zhǔn)化的板材，實現(xiàn)滿足結(jié)構(gòu)強度及功能要求的各種立體構(gòu)件，將原材料采購、貯存、工藝和質(zhì)量保證標(biāo)準(zhǔn)化，提高材料通用化和利用率，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量升級，從產(chǎn)品源頭促進(jìn)管理優(yōu)化和成本優(yōu)化。

（4）板材設(shè)計理念推廣應(yīng)用后，大幅降低傳統(tǒng)鉆銑刨機(jī)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(xiàn)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(shù)應(yīng)用，配合標(biāo)準(zhǔn)化和通用化設(shè)計，實現(xiàn)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(shù)的應(yīng)用，在套料組合切割過程中應(yīng)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(jié)省材料，提高切割效率，節(jié)約能源。

6 板材設(shè)計理念及技巧應(yīng)用

（1）基本應(yīng)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(jié)省后續(xù)機(jī)床加工工序（見圖2）。

圖2 板材替代槽鋼應(yīng)用

（2）基本應(yīng)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(jìn)行整合優(yōu)化，設(shè)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(shè)計時可以兼顧美觀、便于清理等輔助功能。

（3）基本應(yīng)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(jié)構(gòu)的連續(xù)性，防止孔邊緣出現(xiàn)不連續(xù)變形。

（4）基本應(yīng)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(yīng)用：個性化應(yīng)用。公司logo等、標(biāo)志標(biāo)識等個性化特征可以在切割下料過程中應(yīng)用激光刻字、微切割等實現(xiàn)，突出產(chǎn)品特色。

（6）基本應(yīng)用：有限元分析輔助設(shè)計。對于結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的承載構(gòu)件，借助有限元分析進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

（7）基本應(yīng)用：減重設(shè)計。通過減小材料厚度和切割系列孔減除構(gòu)件重量，或滿足觀察、維修、調(diào)整要求。

（8）基本應(yīng)用：系統(tǒng)考慮，合并整合。將相連板、柱、梁復(fù)合一體，通過板材替代實現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)一體化。

（9）應(yīng)用技巧：組合卯榫結(jié)構(gòu)。借鑒傳統(tǒng)木工工藝連接技巧，應(yīng)用“卯榫”結(jié)構(gòu)加點焊提高強度實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化（圖3）。

圖3 板材卯榫結(jié)構(gòu)應(yīng)用

（10）技巧應(yīng)用：切割避應(yīng)力槽口。應(yīng)用工藝槽口消除折彎應(yīng)力對折彎區(qū)附近開孔、開槽的影響。增加折彎應(yīng)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(cè)，到折彎線距離小于折邊最小值區(qū)域內(nèi)的輪廓）產(chǎn)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(yīng)用

7 結(jié)論和展望

鈑金替代型材，使用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計和制造技術(shù)發(fā)展步伐，創(chuàng)新設(shè)計理念，推廣應(yīng)用鈑金技術(shù)，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(shù)轉(zhuǎn)化而成，為設(shè)計工作帶來全新體驗和無限可能，同時也為產(chǎn)品升級和技術(shù)創(chuàng)新提供技術(shù)思路。