某船復(fù)雜雙曲面外板成形工藝探究

董自虎

摘 要 針對某船復(fù)雜雙曲面外板加工難度大的問題，通過選取典型部位進(jìn)行試驗(yàn)，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)結(jié)果與理論值進(jìn)行比對分析，根據(jù)試驗(yàn)情況制定了復(fù)雜雙曲面外板加工工藝方案。通過實(shí)船的推廣應(yīng)用取得了較好的效果，驗(yàn)證了工藝方案的可行性，對解決船舶復(fù)雜曲面外板加工難問題具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞 雙曲面;外板;成形;工藝

前言

船舶是外形復(fù)雜多變的大型水上建筑物，船體外板曲面大都是由復(fù)雜的不可展空間曲面構(gòu)成的。特別是艏部和艉部區(qū)域的外板一般呈現(xiàn)復(fù)雜的曲面形狀，對船舶阻力、航速等性能指標(biāo)產(chǎn)生影響，同時(shí)也會對空泡效應(yīng)產(chǎn)生影響。因此，外板線型的加工及安裝精度是船體建造中控制的重點(diǎn)，而三維曲面外板加工一直是生產(chǎn)中的難點(diǎn)[1]。

某船主船體結(jié)構(gòu)為DH32/DH36級高強(qiáng)鋼，從船艏至船艉選取18個(gè)點(diǎn)位，綜合線型情況，0點(diǎn)至4點(diǎn)劃分為首部區(qū)域，15點(diǎn)至20點(diǎn)劃分為尾部區(qū)域，4點(diǎn)至15點(diǎn)為中部區(qū)域。針對上述線型曲率梯度較大區(qū)域，對各點(diǎn)位橫向線型和首部縱向線型采用雙圓率函數(shù)進(jìn)行擬合并計(jì)算其曲率半徑，如下表1所示。

綜合國內(nèi)外在三維線型板上的研究可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際生產(chǎn)加工過程中，采用冷加工和火工相配合的方法，仍是解決船體外板線型加工的主流工藝方法。因此針對該船復(fù)雜的空間雙曲度外板擬采取模壓加工成形技術(shù)，采用壓模冷壓初步成形，然后針對局部區(qū)域輔以水火加工以達(dá)到成形要求。考慮到板材在模具中冷壓加工時(shí)，由于彎曲帶存在彈性變形，當(dāng)板材經(jīng)冷壓從模目中取出后，板材會發(fā)生彈性回跳，即“回彈”。由于影響回彈量的因素很多，且各因素間相互影響，從理論上分析計(jì)算很不準(zhǔn)確，目前一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算后在實(shí)踐中再加以修正。故針對該船外板加工先選取艏部分段首部近似中縱處球面外板進(jìn)行加工試驗(yàn)，試驗(yàn)所用材料與產(chǎn)品同材料、同板厚，通過模壓試驗(yàn)摸索其回彈量數(shù)據(jù)，同時(shí)為制定整船雙曲外板加工方案積累經(jīng)驗(yàn)。

1 艏部分段首部外板冷壓試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

艏部分段首部外板板縫布置及擬采用模壓加工外板如下圖所示。該空間雙曲外板厚度13mm，采用DH32鋼，區(qū)域長度625mm、高度2207mm、艉部寬1890mm，如圖1所示。對該雙曲外板線型進(jìn)行擬合計(jì)算其曲率半徑，中縱剖線、3500WL、3000WL擬合曲率如下圖2所示。

針對該外板線型曲率半徑變化趨勢分析，其曲率半徑從R370變化至R2000，模具加工半徑不可能也依照該線型變化，加工半徑較小，則模具寬度相對也較小，則板材需多次滾壓，效率較低;加工半徑較大，則相對較小曲率半徑的區(qū)域其加工成形時(shí)的偏差也較大，增加后期水火加工難度。考慮到首部外板為雙曲率線型，模具需設(shè)計(jì)為雙向曲度。為便于模具制造，并與線型曲率相適應(yīng)，選取模具加工面為半徑R650、直徑Φ500的球面，如圖3所示。

1.2 試驗(yàn)開展及數(shù)據(jù)匯總

首部中縱處外板下料后，劃出板材中心線，兩端各留75mm，中間部分按每檔250mm等分劃出加工線，然后按順序標(biāo)注1至9號。如下圖4所示。

用龍門吊將板材轉(zhuǎn)運(yùn)至上下模具之間，調(diào)整板材位置，使1號位的中點(diǎn)與模具中點(diǎn)重合，操作設(shè)備壓制，使1號位的中點(diǎn)與模具中點(diǎn)重合，操作設(shè)備壓制，加壓到500T，使板材上、下模相互貼合，保壓3S，用龍門吊將板材吊平，然后回程。采用激光經(jīng)緯儀掃水平后測量回彈量，即壓制前用激光掃出水平并測量初始值L1，在壓制完成后測量變化值L2，則回彈量即為L1-L2，如下圖5所示，各測點(diǎn)處回彈量匯總?cè)缦卤?所示。

1.3 數(shù)據(jù)分析及試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)橫向回彈量測量值計(jì)算其冷壓后的曲率半徑如下表2.2所示。除開始的第一點(diǎn)回彈量較大外，后續(xù)點(diǎn)的回彈量趨于穩(wěn)定，這主要是由于第一點(diǎn)冷壓時(shí)板材為平面板，其回彈量較大，后續(xù)點(diǎn)是前面點(diǎn)已變形的基礎(chǔ)上再冷壓，故回彈量較小并穩(wěn)定。對數(shù)據(jù)取平均值，回彈量約7.6mm，冷壓后的曲率半徑為R759，成形比為86%，具體見表3。

將壓制后縱向?qū)嶋H線型與外板理論線型對比，如下圖所示。將二者從上口端對齊對比，二者在上半部分線型偏差不大，其差值均在100mm以內(nèi)，到接近下口端線型偏差非常明顯。這主要是由于各點(diǎn)處外板理論線型曲率半徑不一致、而模具加工半徑為固定值造成的。該外板上半部線型曲率半徑范圍為R600～R980，下半部曲率半徑范圍為R1400～R2200，實(shí)際線型在上半部分貼合較好，具體見圖7。

綜上，模具加工半徑為R650時(shí)，板厚13mm的DH32板冷壓加工后的單向（寬度）曲率半徑為R740～R770，成形比超過85%;沿長度方向，適于外板線型曲率不超過R1000的板材加工。

2 實(shí)際應(yīng)用及效果評價(jià)

針對該船外板中雙曲率線型較多的特點(diǎn)，結(jié)合上述試驗(yàn)情況，制定了該船其他復(fù)雜雙曲面區(qū)域外板模壓加工方案。

2.1 冷擠壓模具加工半徑確定

教材中提供的冷壓模具曲率半徑計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下：[2]

2.2 模具設(shè)計(jì)

（1）模具采用板材（板厚t=20，材料Q235A）數(shù)控下料切割出線型，然后裝焊成形。

（2）考慮到外板長度一般為8m左右，除首部外其他位置縱向線型均不大，故將模具長度定為2m，且沿長度方向?yàn)橹本€型，外板上壓模沿橫向采用旋壓方式加工、沿縱向采用分段加工成形。模具結(jié)構(gòu)形式如圖8所示：

3 結(jié)束語

后經(jīng)實(shí)船建造效果來看，依據(jù)該方案確定的相關(guān)方法及參數(shù)，按照先冷壓成型后輔以局部的水火施工工藝，該船較好地控制了復(fù)雜曲面外板線型，驗(yàn)證了該方法的可行，對其他類似船型具有較強(qiáng)的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁愛東，李健.冷加工與火工結(jié)合船舶外板成型加工[J].中外船舶科技，2019，25（2）：9-14.

[2] 黃浩.船體工藝手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.