鋼板數控切割效率及材料利用率研究

張中明，楊杰，王道強

鋼板數控切割效率及材料利用率研究

Resea rch o f NC Cutting Effic ienc y fo r Stee lPla te and Ma te ria lUtiliza tion

張中明，楊杰，王道強

2011年，我國用于切割焊接產業用鋼材近3億噸，但在使用過程中浪費鋼材總量比發達國家多10%，即浪費鋼材總量3000萬噸。因此提高材料利用率和提高切割效率，是企業降本增效、提高競爭力的重要手段。

徐州中材裝備重型機械有限公司是中材裝備集團有限公司旗下以生產水泥機械為主的專業化機械制造企業，年產量3萬噸，其中每年鋼板消耗將近2.3萬噸，材料利用率低，造成企業成本居高不下，同時，下料效率對工期的影響，大大降低了公司的市場競爭力。在公司現有設備基礎上如何提高材料利用率和下料效率是公司需要解決的難題。

1　改進措施

根據實際下料特點，我公司對數控切割程序進行了改造，使之能夠實現共邊下料。通過改造，鋼材利用率、工作效率得到大幅提升，能耗降低。現結合我公司改造經驗，對改造過程中遇到的問題進行探討。

1.1傳統數控下料過程中材料過度浪費

傳統數控下料切割方式是在鋼板初始點上直接預熱穿孔，再按照圖形進行切割（見圖1）。當切割第二件料時，在二次起始點進行二次預熱穿孔，然后切割，如此往復循環。按照傳統方式切割的缺點在于，矩形件，尤其是批量件，材料沒有得到充分利用，造成了不必要的浪費。為更好地解決上述問題，我公司結合現有設備HC4200/4300火焰/等離子切割機控制系統，購買了FastCAM共邊套料軟件，將傳統切割方式改進為共邊切割方式（見圖2），即矩形零件由原來切割多條邊到現在只需切割三條邊甚至是兩條邊，并同時使用邊緣預熱切割的方式減少預熱穿孔（見圖3）。

1.2數控切割批量矩形有孔件

在軟件編程中，命令M07（預熱穿孔固定循環）為編程軟件默認的穿孔命令，此命令在編程軟件中無法進行修改、拆解。對于火焰切割來說，鋼板預熱穿孔的時間與鋼板的厚度成正比，而編程軟件中命令M07無法控制不同厚度鋼板預熱穿孔的時間。但對于一般數控機床來說，命令M07均可以單獨設置預熱時間，預熱時間一旦被設定，同時也隨之被固定，直至再次設置命令M07時預熱時間才可以被調整。此種方式增加了操作者的工作量，同時阻斷了工作的連續性。

圖1　傳統切割方式

圖2　公共邊氣割方式

圖3　一次預熱穿孔后多次邊緣預熱

以火焰切割20mm厚的鋼板為例（見圖3）：圖3中（3件工件），第一處穿孔命令為M07，機床上預熱時間設定為80s；第二處及以后的穿孔命令仍為M07，但公共邊的切割方式使邊緣預熱代替預熱穿孔，且邊緣預熱的時間僅為5s。此時便可以更改機床上M07的預熱時間為5s，此種方式在批量矩形切割時只需兩次更改機床的命令。

對于圖4（3件工件），每件零件需要兩次穿孔，從第二件零件至以后零件的穿孔形式完全相同，即：除第一件零件的外框需要預熱穿孔，其余外框均改為邊緣預熱。因預熱穿孔與邊緣預熱同為命令M07，若均在機床上修改M07預熱時間，則需要對每次的預熱時間進行修改。此種方式大大制約了工作效率，且隨著邊緣預熱時間的不同，批量矩形切割的質量及其外觀也會存在差異，勢必促使取消公共邊切割。

針對命令M07存在的缺陷，為最大限度地降低操作者的工作量及提升工作的連貫性，我公司利用相對坐標編程環境，對第二件圖形命令進行了單獨提出、編輯，將其中邊緣預熱命令M07進行分解、替換為：

（1）M71割槍降固定循環（受“控制”界面的時間控制）

（2）M24開預熱氧閥開關

G04 L5程序延時5s

（3）M70割槍上升固定循環（受“控制”界面的時間控制）

（4）M12開切割氧閥開關

（5）M71割槍降固定循環（受“控制”界面的時間控制）

經過上述調整后，邊緣切割時間受程序命令控制，命令M07預熱穿孔時間則受機床時間控制，并以第二件零件程序為集合循環，用于后續件程序的承接。如此分解、替換之后，編程得到優化，大大降低了工作量，也極大地提升了工作的連貫性，同時也解決了批量矩形有孔的公共邊下料問題（見圖5、6）。

1.3批量大孔件中被切割丟棄孔處鋼板的再利用

圖7（2件工件）為我公司生產的批量大孔零件，鋼板厚度為20mm。如圖7左側零件所示，每件均有5個148mm×188mm矩形孔。換言之，每個零件將有5個此種大小的鋼板被丟棄，對于生產批量件的企業來說無疑是一項巨大浪費。

為此，我公司根據實際生產需要，將設備中所需筋板、端板等批量小件進行匯總，在不影響質量的前提下進行篩選、靠攏，將選出小件在此孔中一并切割出來。圖7左側矩形孔鋼板大小為148mm×188mm，除去預熱穿孔空間，理論上可切割成2件145mm×56mm的端板。經過深思熟慮，為最大限度地利用被切割下來的矩形孔鋼板，我們將小件中較長的直邊進行共邊處理，實行捆綁式切割（見圖7右側），這樣在此孔內即可以切割2件端板，又可減少1次預熱穿孔，同時省去一條長邊的切割，使原本被浪費的矩形孔鋼板得到充分利用。

在如圖7右側的切割方式中，軟件編程默認先依次切割孔1至孔5中端板，而后依次切割孔1至孔5余下鋼板，最后將大工件切割下來。按照軟件編程，切割機將從孔1至孔5往返2次，每個孔內預熱穿孔兩次。我公司從減少空程和預熱穿孔等方向出發，將孔1作為一個循環小體，圖7右側工件作為一個循環大體。小體的程序修改為預熱穿孔后切割捆綁式端板，而后直接切割掉孔1。即將5個小體應用于相應位置，最后將大工件切下。將大體串聯成整個鋼板程序，這樣就可以固定使用此程序。按照此種程序切割，使空程減少40%以上，預熱穿孔減少一半。

圖4　預熱穿孔與邊緣預熱交錯出現

圖5　改進前切割圖

圖6　改進后切割圖

圖7　批量大孔零件

2　結語

實踐表明，實施共邊切割方式后，公司鋼材利用率提高4%～6%，切割路徑減少15%～30%，預熱穿孔減少50%～70%，有效提高切割效率20%～30%，節省切割氧、電力、割嘴電極等耗材30%～40%。對于個別批量件進行程序簡化、固化，同時減少空程40%～70%。尤其是公司在組織SCLW4型和SCLW 6型步進式冷卻機批量化生產過程中，效果非常明顯。

TG483文獻標識碼：A

1001-6171（2015）03-0043-02

通訊地址：徐州中材裝備重型有限公司，江蘇徐州221131；2014-09-26；編輯：孫娟