浅谈如何优化下料方法

张世磊,李贺威,邢超超,陈广力,陆八一

摘要：本文通过对车间下料调查研究后，分析了其生产现状，发现了诸多问题，故提出优化下料工序的生产管理，使数控下料能更加科学合理,从而提高生产效率和质量。

关键词：数控；切割；变形；设备

1.课题研究背景

现今，钢结构制造行业市场竞争格外激烈，而生产成本、生产效率则是企业是否具有市场竞争力的先决条件。通常而言，材料成本为整个生产体系的关键成本，能高达总体成本的60%-80%。现实中钢构件排料大多为人工排料，此法过于依赖员工的生产经验，工作量大，效率和材料利用率都不高，嵌套过程不仅消耗了企业技术人员的大量劳动，而且耗时较长，大大降低了原料的利用率以及生产效率，无形中加重了在建项目的成本负担。本文所提出的优化布局是指将不同数量和形状的零件布置在多张钢板上，巧妙利用计算机合理布局，不仅可以提高排料速度，还能进一步节省材料。相较于人工排料的方案来说，即便实际的利用率数据提升1%，最终效益也非常可观。

良好的开端是成功的一半，从原材料到最终钢结构产品，数控下料作为项目开工的首道工序，走好这第一步尤为重要。目前，钢结构制造项目中普遍存在的问题是材料种类多、构件数量多，现场工件的管理较为混乱，缺件多件情况时有发生，不仅浪费了原材料，而且耗费了大量人力，严重制约了生产。

2.优化下料方法简述

2.1有效利用排料APP精细布局排版

现国内钢结构制造行业广泛使用的钢材下料模式有如下两种:

（1）人工排料。对特定项目而言，依据设计图开展细节的结构拆分，捕捉相应的下料信息，依托人工方法开展排料，再结合排料方案进行板材切割的处理。若构件数量很少时，此法简单快捷。但若某一类型的构件数量较多，外形较为复杂时，单靠员工凭经验完成下料工作，原材料利用率和工作效率都很低。需求的材料以及工时，都很难精准把控，有碍材料的管理以及生产计划的调整。

（2）发展软件辅助排料。将最优化理论应用于实践场景，配合计算机的辅助方案，进而取代人工排料。

此外，钢板整体切割时，零件编程及切割的先后顺序对防止零件切割变形至关重要，合理科学的零件编程布局是影响数控火焰切割先后的主要因素。

2.1.1为了提高钢板利用率，达到节能减排的目的，通常先布置大部件后再布置小部件，将一些小零件放置在钢板边缘的角部。在切割过程中，一般先切割小零件再切割大零件。

实际排料中常出现对于生成的最小包络矩形仍有大块的剩余钢板可以加以利用，若仅对所有的单个零件作矩形包络来进行排料，会出现原材料的大量浪费。所以在实际的矩形排料单元还需根据零件的数量、大小、形状等进行优化处理。通常需将多个零件进行局部组合后计算其组合图的最小包络矩形构成排料单元。

（1）零件独排：对于特定零件计算最小包络矩形生成排样单元，重点运用到外观接近矩形的各类零件。

图1  零件独排

（2）零件单排：依据实际的几何外观，对于类似的零件开展并列摆放，减小实际的间隙。

图2  零件单排

参考图2展示的零件，在数目相对偏多的情况下，若是选择图示的方法，材料利用率极为可观。

(3)零件对排:对于两件零件相对旋转180°拼凑之后，确认对应的包络矩形。该方案重点运用到有显著大小头的零件，运用对排的排料方案，能够取得较为理想的排料效果，大幅提升最终的利用率。

图3  零件对排

（4）零件联排:若构件对排后形状接近矩形，则可直接加入到矩形件排样，若是为类似平行四边形，则可开展相应的单排处理，进而大幅度提升实际的利用率。

图4：零件联排

（5）零件填充:填充重点是大面积以及小多边形等开展相应聚合处理的具体进程，通常情况下是小面积部分在包络矩形的废域之中开展排列处理。若是聚合之后获得的矩形和外轮廓依旧有着显著的空白，选定适宜的零件对于空白区域开展填充的处理，其有助于提升整体的材料利用率。

图5：零件填充

2.1.2在切割构件内部有孔或小构件嵌套时，首先切割嵌入内部的小零件，然后切割外部大零件，如此便可有效防止外部大零件切割完后产生位移从而导致内部小构件无法有效切割。

2.2合理预留切割断点

数控下料经常遇到“细长条零件”，数控火焰切割机切割过程中会释放大量的热，并且由于热不均匀性导致切割边缘吸收大量的热后产生不规则变形，更有甚者会直接使构件报废。因此，在切割过程中，狭窄工件必须留下一些切割断点，这些结交点的保留可以使构件间相互牵扯，从而有效控制长部件的塑性变形。零件越长，所留断点的数量越多。因为断裂点的间隔越长，较长零件的变形量越大。反之，长度一定，宽度越宽所留断点便可适当减少。

2.3气体压力、割嘴型号及切割速度

切割速度：即割炬与割嘴的具体运行速度。合理的切割速度在钢板切割成型过程中极其重要，切割速度太快或者太慢都不利于下料精确度的控制，切割速度太慢，下料速率会大大降低，而且会使相邻构件切口融在一起，需进行二次切割；切割速度过快则会导致构件割不透或者切割边缘凹凸不平，需耗费大量人力物力进行打磨消缺。所以操作工应该根据钢板的材质、厚度选择合适的切割速度，同时调节好气体的压力。若切割氧气压力太高，会产生不必要的能源浪费，还会在切割件顶部产生沟槽，影响切割零件表面质量；若切割氧压力太低，切割零件表面会有较厚的鳞皮融入，难以清除。

2.4 切割方向、及切入点的选择

在生产实践中，数控火焰切割机切割方向都是从钢板边缘顺时针切入零件，这样可以保证最后一条割缝与母材大部分脱离。若采用逆时针切割，会使构件周边难以抵抗切割过程中的热变形，从而使构件位移造成尺寸超差。

当涉及带孔构件切割时，尽量选择在工件的角部进行穿孔，通常选择左下角为切入点。若在零件半腰部切入时，容易烧伤零件使其变形而导致零件无法闭合切割，降低其合格率。

3.设备管理优化

通过前文对当前运行模式的全面分析，对当前普遍存在的问题开展深入研究，结合相关解决措施与理论研究，得出对于现有的问题可采取下文所述的各项优化措施：

3.1建立设备病例档案

下料所用每台设备应建立一份设备档案，记录每一次设备的维修日期，维修原因，发生故障的时间,发生故障的详细原因,处理方式以及维修人员等信息。如此便可随时掌握设备的健康状态，高效的的找出设备故障，以及正确保养方式和使用过程中应注意的问题等。

3.2质量的保障

在数控下料效率提高的同时，更要注重下料工件的质量。故首件检验必不可少,并随机抽样检查,以免批量工件尺寸超差，这样便较好的保障了数控下料工件的精度，使生产的产品外观得到保障。

4.结语

经过了上述几点优化管理后，钢板下料切割工序将会有明显的改变。生产环节流程化，下料的数量、质量得到明显的控制，提高了生产效率，降低了下料成本,更有效的保障生产的顺利进行。