船舶三維數(shù)控彎板的研究現(xiàn)狀及實際應(yīng)用

劉平革，胡懷建，程利民，朱書峰，夏文婷，燕 彬

（金海重工股份有限責任公司，浙江岱山 316200）

船舶三維數(shù)控彎板的研究現(xiàn)狀及實際應(yīng)用

劉平革，胡懷建，程利民，朱書峰，夏文婷，燕 彬

（金海重工股份有限責任公司，浙江岱山 316200）

以數(shù)控彎板發(fā)展的現(xiàn)狀為例，分析發(fā)展的過程所帶來的利弊，闡述改進的意義，引出投入生產(chǎn)應(yīng)用的重要性。

改進意義；研究方向；生產(chǎn)應(yīng)用

0 引言

船體外板的曲面加工是船舶制造的重要環(huán)節(jié)之一。船廠目前主要還是利用水火彎板工藝來達到加工成形的目的。水火彎板是通過用氧—乙炔烘炬對板材進行局部線狀加熱，再用水進行冷卻（或讓其自然冷卻），使鋼板產(chǎn)生局部塑性變形，以達到板材要求的曲面形狀的一種彎板工藝方法。水火彎板冷卻的方法有自然冷卻法、正面跟蹤水冷法和背面跟蹤水冷法。

而這種方法還依賴于有豐富經(jīng)驗的火工工人手工操作，工人技術(shù)要求高，目前有經(jīng)驗的工人缺乏，勞動強度大，一塊外板往往要經(jīng)過兩三遍的火工加工過程才能完成。效率低，質(zhì)量不高，容易產(chǎn)生波動，精度難以控制，耗時耗力，浪費也很嚴重，而且不環(huán)保。如圖1所示。

所以手工經(jīng)驗型的水火彎板的工藝模式無論在速度上和質(zhì)量上都很難滿足現(xiàn)代造船的需要，這已經(jīng)成為制約船舶建造周期和質(zhì)量的一個瓶頸問題。

圖1 水火彎板現(xiàn)場操作圖片

所以，水火加工自動化是造船生產(chǎn)的發(fā)展方向，也是世界造船大國正在研究的課題。為滿足現(xiàn)代造船的發(fā)展，緊跟時代革新的步伐。這種落后工藝的改進就顯得迫在眉睫。因此各船廠對此項自動化工藝的需求十分強烈。

1 數(shù)控彎板國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

日本作為水火彎板的發(fā)源地，早在上世紀五六十年代就對此工藝有探索研究，七八十年代研究了加工自動化設(shè)備，1999年日本石川島播磨重工業(yè)珠式會社研制了一臺曲板成形的自動化裝置HFA［1］。HFA軟件自動計算加工方案后進行加熱，在加熱時除了鋼板人工需要干預(yù)翻身外，其余全部實現(xiàn)了自動化。它的成形速度遠快于工人手工操作，大大減少了加工時間。例如，一塊復(fù)雜的曲面板原來需要2天～3天手工成形，現(xiàn)在只需要5 h～6 h就可成形，而且還包括2 h～3 h的計算方案時間，所以說在精細造船方面日本走在了世界前沿。

中國第一臺水火彎板機是由大連理工大學、大連新船重工、清華大學和北京航空航天大學聯(lián)合研制的，該設(shè)備于2001年初通過國家863計劃智能機器人驗收專家小組的驗收，領(lǐng)先于國際水平，其控制機器人是激光測量的高精度仿形測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了用三維曲面測量和水火加工測量作引導，從而解決了鋼板隨機變形引起誤差的難題［1］。

圖2 感應(yīng)加熱曲板成形機彎板實體圖

該機采用了高頻感應(yīng)加熱與計算機數(shù)字控制，替代了水火加工，具備自動加熱、均載支撐、自動測量、畫線及手動操作等功能［1］。但以上這些設(shè)備均是采用龍門架結(jié)構(gòu)。所謂龍門架結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、剛性強、穩(wěn)性好；缺點是體積大、占用較大空間，不能隨機靈活作業(yè)工況。為此，2007年大連理工大學研制了適合大擾度曲面板自動化加工的懸臂式水火加工機器人和適用于現(xiàn)場施工的小曲面板水火加工裝置［2］。但是以上這些設(shè)備都是通過熱源加工，易產(chǎn)生鋼板熱變形，精度也難以達到船體質(zhì)量標準要求。

鑒于加工還不能完全達到自動化，適合于人性化特點。2010年由武漢理工大學與山東碩力機械制造有限公司共同推出的最新船體外板加工裝備——船舶三維數(shù)控彎板機，研發(fā)包括冷壓彎板機、自動控制系統(tǒng)、激光三維測量機和進料裝置等，如圖3所示。

圖3 船舶數(shù)控彎板機（SKWB-2500）外觀圖

該機是采用上下點對點多頭模具對鋼板實行多點冷壓成形而成。與上述設(shè)備比較，避免了對鋼板熱加工產(chǎn)生的變形。它利用快速逐步逼近的彎曲成形方法，近乎完美的消除了彎板沖壓成形后帶來的壓痕和折皺，從進料、調(diào)形、進模、下壓、退模、測量、再調(diào)形等一系列動作。除了上下料外，板材彎曲加工的全部過程均達到了自動化控制。它具有三維激光及“磁致”［3］實時測量板材成形的功能，實行了智能化控制，可與PC工作站人機交互，例如依據(jù)現(xiàn)場加工情況反饋，再通過計算實時修正和控制。

該機器主要有四柱式壓力機、下壓頭群（由伺服電機驅(qū)動）、上壓頭群（由液壓油缸驅(qū)動）、進退料構(gòu)件、推拉模構(gòu)件、三維激光及“磁極”測量機構(gòu)、自動調(diào)形系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成；它可與TRIBON、HD-SHM2000等主流造船系統(tǒng)提供的船板數(shù)據(jù)實現(xiàn)無縫對接。該設(shè)備的外觀和具體加工的外板形式如圖4～圖7所示。

它涵蓋了所有船體外板的加工。包括復(fù)雜曲度的外板?？梢蕴娲鷤鹘y(tǒng)的手工水火彎板加工，具有綠色環(huán)保效果。同時也解決了某些不允許使用水火彎板加工的高強度特種鋼材質(zhì)船板成形的難題。標志著中國船體外板加工已經(jīng)邁進了世界先進造船國家的行列。其主要技術(shù)參數(shù)［3］如表1所示。

圖4 外觀圖

圖5 加工外板形式1

圖6 加工外板形式2

圖7 加工外板形式3

表1 SKWB-2500 船舶三維數(shù)控彎板機技術(shù)規(guī)格表

SKWB-2500設(shè)備的研制得到了江南和武昌重工等船廠的支持。經(jīng)試機和試生產(chǎn)運行后證明壓后板無折皺，成行光順，加工后的鋼板測量兩次逼近彎曲后各個控制點的最大誤差為1.5 mm，遠小于《船體建造精度標準》（CB/T3136-1995）的規(guī)定：雙向彎曲板成形后曲面，每檔肋距內(nèi)在肋位方向與樣箱空隙的標準是，不超過4 mm，允許極限不超過5 mm；在長度方向與樣箱的空隙標準是，不超過3 mm，允許極限不超過5 mm的誤差范圍。完全能適應(yīng)造船生產(chǎn)實際需要，與傳統(tǒng)的加工工藝比較，速度提高了5倍～10倍。具體比較［3］如表2所示。

表2 三維曲面船板各類成形加工方法的比較

可以預(yù)見，投入生產(chǎn)后，在數(shù)字和綠色造船方面將發(fā)揮重要作用，同時也必將提高船廠的競爭能力。隨著船體外板加工自動化的逐漸成熟應(yīng)用，可以大大減輕人工作業(yè)強度，提高作業(yè)效率和質(zhì)量，為繪制標準化和綠色造船藍圖更添一筆墨彩。

2 結(jié)論

造船是一個復(fù)雜密集性的工程，船體結(jié)構(gòu)首當其沖是造船的第一道工序，船體結(jié)構(gòu)雖不像船裝、管系那樣復(fù)雜，也沒其他專業(yè)那么精細，但是船體曲面外板的加工，例如，雙向彎曲的外板（俗稱：西瓜皮）還是有相當?shù)碾y度，所以它的加工是一項比較重要的工作。一條船的外板大約有1/3處是帶曲度有線型需要加工的外板。如果這個曲度外板也能像數(shù)控切割板材零件一樣編一個程序，然后輸入機器識別就能實現(xiàn)全自動化加工成型，這就是造船研發(fā)人員一直探索的目標。相信外板加工全自動化的實際生產(chǎn)應(yīng)用必將給造船企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。首先減少了樣板的制作，其次減少了豐富經(jīng)驗人員短缺的需求，最后也節(jié)約了木工制作樣板和火工加工外板的場地，同時也對環(huán)境無污染，有利于環(huán)保。從外板加工的質(zhì)量和速度上看也進一步促進了船舶行業(yè)的發(fā)展。所以說外板加工自動化是滿足現(xiàn)代化精細造船和綠色造船的必然趨勢，將會淘汰落后傳統(tǒng)的手工水火彎板工藝，但能不能迅速投入生產(chǎn)給船廠取得經(jīng)濟效益，還有待依靠各造船廠的實際需求。如果再能提高板厚，使其不限制在30 mm范圍內(nèi)，以及設(shè)備價格實行大眾化，中小型船廠都能購買得起，相信對中國的船舶制造業(yè)必將帶來更大的進步發(fā)展。

［1］上海船舶工藝研究所.一種鋼板曲面成形的支撐方法［P］.中國，發(fā)明專利200710041900.0.2008.

［2］唐偉，楊澍，許江淳.數(shù)控水火彎板機及其發(fā)展的工藝現(xiàn)狀［J］.材料開發(fā)和應(yīng)用，2010.6 （3）: 75-78.

［3］袁萍，王呈方，胡勇，等.大型船舶三維數(shù)控彎板機的研制［J］.中國造船，2014.6 （2）: 122-131.

Research Status and Practical Application of Ship 3D Numerical Control Bending Plate

Liu Ping-ge，Hu Huai-jian，Cheng Li-min，Zhu Shu-feng，Xia Wen-ting，Yan Bin
（Jinhai Heavy Industry Co.，Ltd.，Zhejiang Daishan 316200，China）

Taking the development of numerical control bending plate as an example，the paper analyzes the advantages and disadvantages of the development process and expounds the significance of the improvement，which leads to the importance of the application of production.

improving significance； research direction； production application

U671.3

A

10.14141/j.31-1981.2016.04.004

劉平革（1975—），男，工程師，研究方向：船舶船體建造研究。