現代化船模制作車間工藝設計

唐 勇， 茅寶章， 居惠紅

(1.中船第九設計研究院工程有限公司， 上海 200063； 2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術研究中心， 上海 200063)

現代化船模制作車間工藝設計

唐 勇1,2， 茅寶章1， 居惠紅1,2

(1.中船第九設計研究院工程有限公司， 上海 200063； 2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術研究中心， 上海 200063)

船模制作車間是船舶水動力試驗基地的重要組成部分，也是船模水池試驗工作順利開展的重要保障。以國內某船舶研究所新建大型水動力試驗基地建設項目為背景，探討現代化船模制作車間工藝設計的特點，提出“集成材”的生產工藝，同時較大規模運用數控木工機械。

船模；集成材；流水生產線；自動化；數控

0 引言

船舶與海洋結構物在水池中進行模型水動力性能試驗的第一道工序是模型制作。模型不僅在外形上要和實體幾何相似，而且與性能有關的參數如質量、重心位置以及慣量等也都要滿足相似要求[1]。用于試驗的船模通常選用木模，目前國內船舶研究所普遍選用東北紅松，其材質輕軟、便于加工且不易變形、耐腐能力強。根據船舶實體的型線圖和型值表按縮尺比繪制模型的型線圖供船模制作車間使用。

船模制作車間主要具備原材和成材的堆放及貯存、原材預處理、船模和槳模的制作、舊船模改裝等功能，是船舶水動力試驗基地的重要組成部分，也是船模水池試驗工作順利開展的重要保障。

1 船模車間生產現狀

以國內某船舶研究所船模制作車間為例，該車間始建于20世紀80年代初，時至今日設備已陳舊、生產工藝流程較為傳統，主要體現為“單機生產線”的特點(見圖1)。所謂單機生產線，是指按產品對象專業化原則組織起來的多品種的生產組織形式。一條生產線擁有為完成一種或幾種產品的加工任務所必需的機器設備，這些設備的排列和工作地的布置由生產線上主要產品或多數產品的工藝路線和工序勞動量比例所決定。生產線可組織多種產品的生產，不要求生產連續進行，但生產線靈活性較大，具有很強的實用價值，特別適用于品種、規格復雜多樣，產量又不大的木工車間。目前，該船模制作車間年船模制作量約60艘，已達到生產的最大負荷。

制作船模時，首先按照下料圖在木板上下料，下料圖上應留有切削余量。通常取船模半寬的余量為1 cm，半長的余量為3 cm。普遍采用脲醛樹脂或酚醛樹脂作為模板的膠合劑。木板上膠后，需用壓板螺絲將上好膠的半層壓緊，直到膠合劑干燥為止。然后按照船模的線型切削圖，在仿形切削機上加工，獲得船模的外形輪廓圖。再經過手工加工，并用船模的外形卡板進行必要的檢驗，就可得到所需的船模體。再經過涂漆或噴漆工序，就做成了木模[2]。

2 新建船模車間生產規模

根據該船舶研究所大型水動力試驗基地的建設規劃，同時為適應未來國內外水池試驗市場以及科研業務量的大幅增長，船模年制作量較目前將有大規模的增加，且船模主尺度也將有質的提高。具體年生產規模如表1所示。

圖1 傳統船模制作車間

船模序號總長L/m型寬B/m型深D/m凈重M/t年試驗艘數和比例比例/%數量/艘1≤4.00.720.360.303.1924.014.0>2.52>1.254.003.19合計300

3 生產工藝流程設計

新建船模制作車間首先運用了“集成材”的生產工藝[3]，即將原材加工成一定厚度規格的小板條，再經縱向指形榫接長，然后橫向膠拼而成的一種新型鋸材產品。其結構是將小塊木材膠合、拼接在一起，可拼成寬13 m，長達8 m的大幅面板材，這樣就大幅減小了板材的內應力，較好地解決了實木板材在使用過程中出現的開裂和翹曲變形問題。板面無節、無腐朽、無變色。板材具有尺寸穩定性好、產品規格多、使用方便等特點。同時，為適應未來生產能力與效率的提高，擬運用技術先進、生產高效、組織有序的生產組織形式，即“流水生產線+單機自動化”的生產線。

流水生產線是指勞動對象按照一定的工藝流程，順序地經過各個工序的加工，并按統一的節拍完成工序的一種生產組織方式。流水線是比單機生產線更為先進的一種生產組織形式。由于流水線具有作業專業化程度高、生產過程節奏性強、生產過程的連續性好等特點，在進行大批量的生產時，流水線是一種相對較好的生產組織形式。

單機自動化即數控木工機床，是指利用計算機技術對木材進行加工及對運動過程進行自動控制，從而實現自動化生產。這不僅提高了加工效率，而且保證了質量。由于程序隨時可以修改，這樣就縮短了產品的設計周期[4]。

船模制作的基本工藝流程(見圖2)如下。

(1) 干燥。進場濕材在原材倉庫一般都要求進行自然干燥并達到一定的含水率，同時需經預處理后才能運進成材倉庫，否則嚴重影響船模膠合質量。

(2) 規格板制備。制成尺寸、大小相同的結構單元，其含水率要求相近，從而有利于提高加工質量。

(3) 預制大板。根據船模主尺度，對規格板膠拼成一批相同尺寸的大板。

(4) 曲板下料。根據船模線型并運用電腦裁板鋸進行下料，將大板裁成符合精度要求的曲線板。

(5) 施膠。各曲線板之間需要施加膠黏劑，例如脲醛樹脂等固化樹脂。

(6) 冷壓。船模都需要進行冷壓成型工序，以形成船模粗胚。

(7) 數控切削。主要利用五軸數控切削機對船模粗胚進行銑削作業，達到較高的精度要求。

(8) 打磨。將船模推進打磨間進行精細化打磨。

(9) 噴漆。船模制作的最后一道工序，在船模表層按工藝要求噴上底漆和面漆，最終達到加工精度要求。

(10) 船模校準。主要工作在船模校準臺上完成，為船模水池試驗做準備。

4 生產工藝計算

4.1 原材需求量計算

原材需求量計算如表2所示。

圖2 船模制作工藝流程

船模長度L/m年試驗數量/艘松木密度/(t·m-3)船模體積/m3加工系數原材實際體積E/m3≤4.090.505.402.010.804.014.0120.5096.002.0192.00合計3002556.25

4.2 木材堆垛容積充實系數計算

木材倉庫的容積充實系數βE表示材堆的實際體積與材堆的外形體積之比，并按下式計算[5]：

式中：βl為材堆長度充實系數，當材長等于材堆長度時，等于1.0；βb為材堆寬度充實系數，其數值取決于木料的加工程度，成材倉庫取0.85，原材倉庫取0.7；βh為材堆高度充實系數，成材倉庫取0.8，原材倉庫當板材厚度為S mm、隔條厚度為24 mm時，按下式計算：

則成材倉庫βE=1.0×0.85×0.8=0.68；

原材倉庫βE′=1.0×0.7×0.67=0.47。

4.3 木材倉庫面積計算

木材倉庫面積A的大小包括倉庫占地面積、通道面積及道路面積等，其大小可按下式計算[5]：

式中：E為原材實際體積，m3； K為倉庫面積利用系數，取0.8； h為木材堆垛高度，取4.0 m。

根據原材需求量和生產要求，木材成材倉庫需滿足1 000 m3存儲量，原材倉庫需滿足2 000 m3存儲量，則成材倉庫占地面積A成材和原材倉庫占地面積A原材計算為

因此，成材倉庫擬占地面積為24 m×19.5 m，A成材=468>460 m3，滿足堆放需求；原材倉庫擬占地面積為34 m×20 m，擬建2層簡易倉庫，各層高10 m，A原材=1 360>1 333 m3，滿足堆放需求。

4.4 木材碎料、木屑和粉塵量計算

木材碎料主要產生在原材預處理及曲線裁板階段，即去皮、斷料、刨切等工序中，而木屑主要在鋸切、銑削過程中產生。結合目前生產經驗，即木材年使用量為300 m3，經預處理過程后，剩余量約為250 m3。根據工程設計經驗，估算木材原材碎料、木屑和粉塵生產率為：碎料生成量約690 m3/a；木屑生成量約330 m3/a；粉塵生成量約4.6 m3/a。

5 車間工藝平面布置

5.1 原材倉庫

原材倉庫長40 m，寬20 m，擬建地上2層，層高10 m。主體建筑用于進場濕材倉儲，堆垛高度4 m，滿足2 000 m3的原材堆放體積需求。每層木材堆放區上部都安裝有2臺5 t電動單梁起重機，滿足木材堆垛的吊裝作業要求。此外，建筑四周通風，便于濕材自然干燥。

原材倉庫單側布置原材預處理間，輔房長40 m，寬10 m，層高10 m，上部安裝有1臺5 t電動單梁起重機。原材預處理間將原材鋸切成相同規格的長條形板條，施膠并拼接成特定長度(8 m，6 m，4 m)的預制大板，之后運進船模制作車間的成材倉庫。這是基于現代船模集成制作的先進理念，也是區別于傳統船模加工車間的一個重要設計亮點，極大提高了生產效率，減少了船模加工車間的占地空間，加快了板材物流的周轉效率(見圖3)。

圖3 原材倉庫平面圖

主要工藝設備有：托輥輸送機、自動雙面刨木機、自動縱鋸修邊機、自動多片縱鋸機、四面油壓旋轉拼板機等，如圖4所示。

圖4 原材倉庫主要工藝設備

5.2 船模制作車間

船模制作車間長93 m，寬48 m，高12 m，包括金屬加工車間、打磨間、噴漆間、成材倉庫等。其中，車間中間布置一條L型的運輸通道，通道兩側布置木工機械設備、成材倉庫區、舊船模改裝區等，上部安裝3臺10 t電動單梁起重機，以滿足生產吊裝需求。船模加工車間整體布置緊湊，物流通暢，滿足路徑最優、效率最快的現代船模生產工藝流程，如圖5所示。

圖5 船模制作車間平面布置

主要工藝設備有：電腦裁板鋸(見圖6)、船模龍門壓機、托輥輸送機、五軸數控切削機(見圖7)、船模校準臺、電動平車等。

圖6 電腦裁板鋸

圖7 五軸數控切削機

6 新舊船模制作車間對比

新舊船模制作車間對比如表3所示。

表3 新舊船模制作車間對比

7 結論

本船模制作車間運用了“集成材”的生產工藝將原材預處理工藝前置，從傳統船模加工車間中脫離，從而形成一個獨立的生產車間，避免了兩者在時間、空間上的互相干擾，大幅提高了生產效率。同時，大規模運用數控木工機械設備，極大地提高了船模制作的自動化水平和加工精度，為實現船模大規模生產奠定了可靠的基礎。

[1] 楊建民，肖龍飛，盛振邦. 海洋工程水動力學試驗研究[M]. 上海：上海交通大學出版社，2008.

[2] 俞湘三，陳澤梁，樓連根，等. 船舶性能實驗技術[M]. 上海：上海交通大學出版社，1991.

[3] 時興洋，蔡家斌. 集成材的生產工藝[J]. 建筑人造板，2000(2)：23-24.

[4] 馬巖. 我國數控木工機械的發展現狀及自動化技術的研發方向[J]. 林業機械與木工設備，2012，40(1)：4-9.

[5] 唐忠榮，劉欣，張士成. 木材工業工廠設計[M]. 北京：中國林業出版社，2009.

Process Design of Modern Ship Model Workshop

TANG Yong1,2, MAO Baozhang1, JU Huihong1,2

(1. China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd., Shanghai 200063, China; 2. Shanghai Research Center of Ocean & Shipbuilding Engineering, Shanghai 200063, China)

Ship model workshop, an important part of Hydro-dynamic Testing Basins for Naval Architecture, is also an important support for model testing. The characteristics of modern ship model workshop were studied based on new-built large hydro-dynamic testing basins for a domestic ship research institute. The productive process of joint lumber and a large-scale application of CNC woodworking machinery are proposed which provides a reference for engineering designers.

ship model; joint lumber; flow production line; automation; CNC

唐 勇(1983-)，男，工程師,研究方向為工程工藝設計。

U661

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