某船復(fù)雜雙曲面外板成形工藝探究

1、    某船復(fù)雜雙曲面外板成形工藝探究    董自虎摘 要 針對(duì)某船復(fù)雜雙曲面外板加工難度大的問(wèn)題，通過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)解決船舶復(fù)雜曲面外板加工難問(wèn)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(duì)船舶阻力、航速等性能指標(biāo)產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)空泡效應(yīng)產(chǎn)生影

2、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(jí)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(duì)上述線型曲率梯度較大區(qū)域，對(duì)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(guó)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(guò)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(duì)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(duì)局部

3、區(qū)域輔以水火加工以達(dá)到成形要求?？紤]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(huì)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(duì)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(guò)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(zhǎng)度625m

4、m、高度2207mm、艉部寬1890mm，如圖1所示。對(duì)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(duì)該外板線型曲率半徑變化趨勢(shì)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(duì)也較小，則板材需多次滾壓，效率較低;加工半徑較大，則相對(duì)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?？紤]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500的球面，如圖3所示。1.2 試驗(yàn)開(kāi)展及數(shù)據(jù)匯總首部中縱處外板下

5、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(hào)。如下圖4所示。用龍門(mén)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(hào)位的中點(diǎn)與模具中點(diǎn)重合，操作設(shè)備壓制，使1號(hào)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(mén)吊將板材吊平，然后回程。采用激光經(jīng)緯儀掃水平后測(cè)量回彈量，即壓制前用激光掃出水平并測(cè)量初始值l1，在壓制完成后測(cè)量變化值l2，則回彈量即為l1-l2，如下圖5所示，各測(cè)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(cè)量值計(jì)算其冷壓后的曲率半徑如下表2.2所示。除開(kāi)始的

6、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(duì)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(jiàn)表3。將壓制后縱向?qū)嶋H線型與外板理論線型對(duì)比，如下圖所示。將二者從上口端對(duì)齊對(duì)比，二者在上半部分線型偏差不大，其差值均在100mm以?xún)?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r600r980，下半部曲率半徑范圍為r1400r2200，實(shí)際線型在上半部分貼合較好，具

7、體見(jiàn)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r740r770，成形比超過(guò)85%;沿長(zhǎng)度方向，適于外板線型曲率不超過(guò)r1000的板材加工。2 實(shí)際應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)針對(duì)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：22.2 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(zhǎng)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(zhǎng)度定為2m，且沿長(zhǎng)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(yǔ)后經(jīng)實(shí)船建造效果來(lái)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