大曲率船體球面零件壓制減薄規律

周科偉，胡 月，翟偉國

(1.江南造船(集團)有限責任公司，上海 201913；2.中國船舶重工集團有限公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023)

0 引 言

1 建立研究模型

1.1 大曲率船體球面零件特點

船體艙室結構綜合考慮規范、布置、艙容和貨物類型等因素，一般由平面艙壁之間互相角接形成多面體艙室結構。在具有承壓要求的艙室結構中，若角接無法滿足耐壓要求，則平面艙壁之間一般通過圓弧過渡，相鄰的3條圓弧過渡棱圍成的隅角即形成標準球面零件。由于艙壁之間呈鈍角或直角，因此隅角形狀一般不超過1/8標準球面，此類零件一般曲率較大，大部分球面半徑不超過800 mm，如某液化氣船液貨艙隅角與某船方艙結構隅角。大曲率船體球面零件如圖1所示。

圖1 大曲率船體球面零件示例

1.2 研究模型

為研究大曲率船體球面零件的減薄規律，以1/8標準球面零件(見圖2)為對象，闡述目前船舶建造的鋼板零件加工成為大曲率船體結構球面零件的方法，根據現有模具條件及試驗時的余料鋼板情況進行球面零件壓制試驗。通過分析試驗零件在不同壓制方案中加工前后的板厚數據變化情況，總結大曲率船體球面零件壓制后的減薄規律及實際應用時的注意事項，并提出針對船體球面零件壓制減薄現象造成船舶建造潛在風險的控制流程。

圖2 1/8標準球面零件

2 工藝方法

球面是典型的不可展曲面，無法得到其精確展開面，只可通過分割法進行近似展開。按照現代造船工藝，一般采用模具壓制成型。球面零件壓制模具如圖3所示。

圖3 球面零件壓制模具示例

壓制成型是通過模具對板料施加外力，使其產生塑性變形，得到需要的曲面形狀。對于球面零件的模具壓制，按照零件球面大小和設備加工能力，可采用將同曲率零件合并為較大零件加工或單塊零件加工的方式。為防止鋼板在加工時開裂和提高延展性，可在加熱后壓制，但需要避開鋼板藍脆區溫度(一般為250～350 ℃)。考慮脫模過程，模具壓制工藝可加工的最大零件為半球面零件。對于研究模型中的1/8標準球面零件，可采用如下2種方案實現：

(1)半球面零件加工方案

加工1個半球面零件，通過鋸床和線切割等低損耗方式切割為4塊所需要的零件，如圖4所示。考慮設備能力及避免鋼板開裂，該方案在將鋼板整體加熱至較高溫度后壓制。半球面零件的近似展開形狀為圓形，其加工零件形心為所需要的零件頂點。由于半球面零件端部為封閉圓形，且在加熱條件下鋼的可塑性明顯提高，因此成型的半球面零件不會回彈，可壓制與上模具相同半徑的球面零件。

圖4 半球面零件加工方案示例

(2)單塊1/8球面零件加工方案

在通過分割法近似展開后，各邊加上修割裕量下料，在壓制成型后修割多余部分，得到所需要的1/8球面零件。該方案對設備能力要求低，并可控制壓制點及每次的壓制量，在常溫條件下實施。單塊1/8球面零件的近似展開形狀為曲邊三角形，其加工零件的形心與所需要的零件中心基本一致，如圖5所示。成型的零件邊緣處于自由狀態，需要基于回彈補償[4]采用過量加工和漸進成型的工藝進行加工，要求模具球面半徑小于零件半徑。

牟澤雄：這主要的原因還是因為大學的文學教育偏重于研究。當時西南聯大教作文的實際上也只有沈從文，因為楊振聲的力薦，沈從文獲得西南聯大的副教授教職。不過聘他的不是西南聯大中文系，而是師范學院的國文系。他開設過“各體文習作”課，在西南聯大的文學教學中不占主流，跟今天的狀況也有點相似。

圖5 1/8球面零件加工方案示例

3 壓制減薄

3.1 半球面零件加工方案

試驗所用上模具球面半徑為500 mm，試驗材料為35 mm厚的低合金鋼板，在壓制前加熱至950 ℃，一次壓制成型，最終零件成型半徑為500 mm。將成型的零件從半球面中心向端部間隔相同弧長依次取12個點作為厚度測量點，如圖6所示，其中：ti(i=1～12)為第i測量點的球面法向厚度。采用超聲波測厚儀對成型零件各測量點進行板厚測量。探頭應盡可能沿該處球面的法向布置，為降低主觀測量誤差，在對各點進行測量時微調探頭指向，取最小值作為該測量點最終成型厚度。

圖6 半球面零件厚度測量點

壓制成型的各測量點厚度數據如表1所示。對比加工前后的數據，零件加工形心減薄量為1.50 mm，最大減薄量為3.41 mm，最大增厚量為5.27 mm，從加工零件中心向邊緣的變化依次為出現較大減薄量、減薄量逐漸變小、在接近零件邊緣時開始加厚。

以加工零件中心向邊緣的測量點為橫軸、加工前后厚度數據為縱軸，將表1數據繪制半球面零件壓制成型厚度變化曲線，如圖7所示。

表1 半球面零件壓制成型厚度數據 mm

圖7 半球面零件壓制成型厚度變化曲線

3.2 單塊1/8球面零件加工方案

試驗所用上模具球面半徑為550 mm，試驗材料為30 mm厚的低合金鋼板，在室溫條件下多點多次壓制，由于加工回彈較大，最終成型半徑為600 mm。對成型的零件添加輔助線，厚度測量點如圖8所示，其中：A1～A6為零件中心分別與零件頂點及各邊緣中線之間的連線；B1～B3為零件邊緣；C1～C4為距零件中心每隔100 mm弧長所作的圓形輔助線。在測量時選取輔助線的部分交點作為測量點，按第3.1節中的方法進行厚度測量。

圖8 1/8球面零件厚度測量點

壓制成型的各測量點厚度數據如表2所示。對比加工前后的數據，零件加工形心減薄量為0.85 mm，最大減薄量為1.53 mm，最大增厚量為1.91 mm，從加工零件中心向邊緣的變化依次為出現較大減薄量、減薄量逐漸變小、在接近零件邊緣時開始加厚。

表2 單塊1/8球面零件壓制成型厚度數據 mm

在近似展開零件中，將A1～A6輔助線作為鋼板原始厚度參考線，將表2數據繪制單塊1/8球面零件壓制成型厚度變化曲線，如圖9所示，其中：參考線⊕側表示該側存在增厚情況，參考線?側表示該側存在減薄情況。為嘗試改善零件減薄率，重新下料1/8球面零件，將零件邊緣區域加熱至200 ℃采用該方案再次進行加工，減薄規律與不加熱的變化規律一致，最終隅角零件中間區域最大減薄量為0.78 mm，邊緣區域最大增厚量為4.48 mm，與常溫直接壓制相比成型零件中間區域減薄情況有所改善，但邊緣區域增厚更明顯。

圖9 單塊1/8球面零件壓制成型厚度變化曲線

3.3 壓制減薄總結

由上述試驗可知：在球面鋼板零件采用壓制工藝加工時，無論采用熱加工還是冷加工均同時存在增厚和減薄情況，零件形心位置存在一定的減薄，但不是最大減薄量的位置，球面零件邊緣處增厚明顯。在這種加工條件下，鋼板零件加工前后的體積變化可忽略不計。2種加工方案的零件自由端均為開放形式，零件在受到擠壓加工后，形心周圍的減薄量向自由邊緣附近堆積，發生起皺現象導致增厚，越靠近零件自由邊緣增厚現象越明顯。

在加熱條件下，鋼的延展性得到改善，更易于加工，從直觀角度考慮其減薄和加厚情況均應得到相應改善，但從1/8球面零件加工結果看，加熱可改善鋼板零件壓制工藝的減薄情況，但會加劇邊緣增厚情況。在實際加工時，應注意如下情況：

(1)在設計含有該類零件的結構時，應綜合考慮加工設備和加工場地等因素，盡可能增大球面半徑，并在設計圖或技術文件中可參考壓力容器封頭，明確球面零件的名義厚度和最小成型厚度要求[5]。

(2)由于明顯增厚區域集中在零件自由端，因此對下料零件加以合適的裕量，加工完成進行修割，可減輕成型零件由于壓制工藝產生的明顯增厚情況。

(3)通過邊緣加熱和增加下料鋼板零件厚度的方式，可對零件板厚減薄情況進行一定程度的優化。

(4)在采用多點冷壓成型時，應盡可能多選取加工點，對零件中心區域和邊緣區域探索壓制順序和壓制量，在必要時進行零件試制以固化操作流程。

(5)對于要求較高的鋼板球面零件，可采用增加厚度裕量并在壓制后進行車床機加工修正的方式得到均勻度較高的零件。

4 壓制減薄風險控制流程

船體球面零件的壓制減薄現象是船體結構建造的潛在風險點，特別是涉及新材料或采用某種鋼板極限厚度進行的設計。在船舶設計建造可行性研究階段或船廠施工設計階段，應避免球面零件壓制減薄導致成型零件不滿足技術條件的建造風險，可通過風險控制流程進行有效管控。球面零件壓制減薄風險控制流程如圖10所示。

圖10 球面零件壓制減薄風險控制流程

5 結 語

船體結構建造需要考慮的因素較多，曲形零件的加工除形位尺寸和厚度指標外，應考慮加工過程對材料本身性能的影響，因此應根據設計要求、工藝方案和實際使用工況等進行相應工藝評定。通過試驗對大曲率船體球面零件加工工藝進行介紹，對比分析其壓制前后的減薄數據，總結大曲率船體球面零件壓制減薄規律，并提出球面零件壓制減薄風險控制流程，為船舶的設計建造提供參考。