現(xiàn)代化船模制作車間工藝設(shè)計(jì)

唐 勇， 茅寶章， 居惠紅

(1.中船第九設(shè)計(jì)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(shù)研究中心， 上海 200063)

現(xiàn)代化船模制作車間工藝設(shè)計(jì)

唐 勇1,2， 茅寶章1， 居惠紅1,2

(1.中船第九設(shè)計(jì)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(shù)研究中心， 上海 200063)

船模制作車間是船舶水動(dòng)力試驗(yàn)基地的重要組成部分，也是船模水池試驗(yàn)工作順利開展的重要保障。以國內(nèi)某船舶研究所新建大型水動(dòng)力試驗(yàn)基地建設(shè)項(xiàng)目為背景，探討現(xiàn)代化船模制作車間工藝設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提出“集成材”的生產(chǎn)工藝，同時(shí)較大規(guī)模運(yùn)用數(shù)控木工機(jī)械。

船模；集成材；流水生產(chǎn)線；自動(dòng)化；數(shù)控

0 引言

船舶與海洋結(jié)構(gòu)物在水池中進(jìn)行模型水動(dòng)力性能試驗(yàn)的第一道工序是模型制作。模型不僅在外形上要和實(shí)體幾何相似，而且與性能有關(guān)的參數(shù)如質(zhì)量、重心位置以及慣量等也都要滿足相似要求[1]。用于試驗(yàn)的船模通常選用木模，目前國內(nèi)船舶研究所普遍選用東北紅松，其材質(zhì)輕軟、便于加工且不易變形、耐腐能力強(qiáng)。根據(jù)船舶實(shí)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(yù)處理、船模和槳模的制作、舊船模改裝等功能，是船舶水動(dòng)力試驗(yàn)基地的重要組成部分，也是船模水池試驗(yàn)工作順利開展的重要保障。

1 船模車間生產(chǎn)現(xiàn)狀

以國內(nèi)某船舶研究所船模制作車間為例，該車間始建于20世紀(jì)80年代初，時(shí)至今日設(shè)備已陳舊、生產(chǎn)工藝流程較為傳統(tǒng)，主要體現(xiàn)為“單機(jī)生產(chǎn)線”的特點(diǎn)(見圖1)。所謂單機(jī)生產(chǎn)線，是指按產(chǎn)品對象專業(yè)化原則組織起來的多品種的生產(chǎn)組織形式。一條生產(chǎn)線擁有為完成一種或幾種產(chǎn)品的加工任務(wù)所必需的機(jī)器設(shè)備，這些設(shè)備的排列和工作地的布置由生產(chǎn)線上主要產(chǎn)品或多數(shù)產(chǎn)品的工藝路線和工序勞動(dòng)量比例所決定。生產(chǎn)線可組織多種產(chǎn)品的生產(chǎn)，不要求生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行，但生產(chǎn)線靈活性較大，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，特別適用于品種、規(guī)格復(fù)雜多樣，產(chǎn)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(dá)到生產(chǎn)的最大負(fù)荷。

制作船模時(shí)，首先按照下料圖在木板上下料，下料圖上應(yīng)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(jī)上加工，獲得船模的外形輪廓圖。再經(jīng)過手工加工，并用船模的外形卡板進(jìn)行必要的檢驗(yàn)，就可得到所需的船模體。再經(jīng)過涂漆或噴漆工序，就做成了木模[2]。

2 新建船模車間生產(chǎn)規(guī)模

根據(jù)該船舶研究所大型水動(dòng)力試驗(yàn)基地的建設(shè)規(guī)劃，同時(shí)為適應(yīng)未來國內(nèi)外水池試驗(yàn)市場以及科研業(yè)務(wù)量的大幅增長，船模年制作量較目前將有大規(guī)模的增加，且船模主尺度也將有質(zhì)的提高。具體年生產(chǎn)規(guī)模如表1所示。

圖1 傳統(tǒng)船模制作車間

船模序號(hào)總長L/m型寬B/m型深D/m凈重M/t年試驗(yàn)艘數(shù)和比例比例/%數(shù)量/艘1≤4.00.720.360.303.1924.014.0>2.52>1.254.003.19合計(jì)300

3 生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)

新建船模制作車間首先運(yùn)用了“集成材”的生產(chǎn)工藝[3]，即將原材加工成一定厚度規(guī)格的小板條，再經(jīng)縱向指形榫接長，然后橫向膠拼而成的一種新型鋸材產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)是將小塊木材膠合、拼接在一起，可拼成寬13 m，長達(dá)8 m的大幅面板材，這樣就大幅減小了板材的內(nèi)應(yīng)力，較好地解決了實(shí)木板材在使用過程中出現(xiàn)的開裂和翹曲變形問題。板面無節(jié)、無腐朽、無變色。板材具有尺寸穩(wěn)定性好、產(chǎn)品規(guī)格多、使用方便等特點(diǎn)。同時(shí)，為適應(yīng)未來生產(chǎn)能力與效率的提高，擬運(yùn)用技術(shù)先進(jìn)、生產(chǎn)高效、組織有序的生產(chǎn)組織形式，即“流水生產(chǎn)線+單機(jī)自動(dòng)化”的生產(chǎn)線。

流水生產(chǎn)線是指勞動(dòng)對象按照一定的工藝流程，順序地經(jīng)過各個(gè)工序的加工，并按統(tǒng)一的節(jié)拍完成工序的一種生產(chǎn)組織方式。流水線是比單機(jī)生產(chǎn)線更為先進(jìn)的一種生產(chǎn)組織形式。由于流水線具有作業(yè)專業(yè)化程度高、生產(chǎn)過程節(jié)奏性強(qiáng)、生產(chǎn)過程的連續(xù)性好等特點(diǎn)，在進(jìn)行大批量的生產(chǎn)時(shí)，流水線是一種相對較好的生產(chǎn)組織形式。

單機(jī)自動(dòng)化即數(shù)控木工機(jī)床，是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對木材進(jìn)行加工及對運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。這不僅提高了加工效率，而且保證了質(zhì)量。由于程序隨時(shí)可以修改，這樣就縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期[4]。

船模制作的基本工藝流程(見圖2)如下。

(1) 干燥。進(jìn)場濕材在原材倉庫一般都要求進(jìn)行自然干燥并達(dá)到一定的含水率，同時(shí)需經(jīng)預(yù)處理后才能運(yùn)進(jìn)成材倉庫，否則嚴(yán)重影響船模膠合質(zhì)量。

(2) 規(guī)格板制備。制成尺寸、大小相同的結(jié)構(gòu)單元，其含水率要求相近，從而有利于提高加工質(zhì)量。

(3) 預(yù)制大板。根據(jù)船模主尺度，對規(guī)格板膠拼成一批相同尺寸的大板。

(4) 曲板下料。根據(jù)船模線型并運(yùn)用電腦裁板鋸進(jìn)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(jìn)行冷壓成型工序，以形成船模粗胚。

(7) 數(shù)控切削。主要利用五軸數(shù)控切削機(jī)對船模粗胚進(jìn)行銑削作業(yè)，達(dá)到較高的精度要求。

(8) 打磨。將船模推進(jìn)打磨間進(jìn)行精細(xì)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(dá)到加工精度要求。

(10) 船模校準(zhǔn)。主要工作在船模校準(zhǔn)臺(tái)上完成，為船模水池試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

4 生產(chǎn)工藝計(jì)算

4.1 原材需求量計(jì)算

原材需求量計(jì)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(yàn)數(shù)量/艘松木密度/(t·m-3)船模體積/m3加工系數(shù)原材實(shí)際體積E/m3≤4.090.505.402.010.804.014.0120.5096.002.0192.00合計(jì)3002556.25

4.2 木材堆垛容積充實(shí)系數(shù)計(jì)算

木材倉庫的容積充實(shí)系數(shù)βE表示材堆的實(shí)際體積與材堆的外形體積之比，并按下式計(jì)算[5]：

式中：βl為材堆長度充實(shí)系數(shù)，當(dāng)材長等于材堆長度時(shí)，等于1.0；βb為材堆寬度充實(shí)系數(shù)，其數(shù)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(shí)系數(shù)，成材倉庫取0.8，原材倉庫當(dāng)板材厚度為S mm、隔條厚度為24 mm時(shí)，按下式計(jì)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(jì)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(jì)算[5]：

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

根據(jù)原材需求量和生產(chǎn)要求，木材成材倉庫需滿足1 000 m3存儲(chǔ)量，原材倉庫需滿足2 000 m3存儲(chǔ)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(jì)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(jì)算

木材碎料主要產(chǎn)生在原材預(yù)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(chǎn)生。結(jié)合目前生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，即木材年使用量為300 m3，經(jīng)預(yù)處理過程后，剩余量約為250 m3。根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，估算木材原材碎料、木屑和粉塵生產(chǎn)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(jìn)場濕材倉儲(chǔ)，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(qū)上部都安裝有2臺(tái)5 t電動(dòng)單梁起重機(jī)，滿足木材堆垛的吊裝作業(yè)要求。此外，建筑四周通風(fēng)，便于濕材自然干燥。

原材倉庫單側(cè)布置原材預(yù)處理間，輔房長40 m，寬10 m，層高10 m，上部安裝有1臺(tái)5 t電動(dòng)單梁起重機(jī)。原材預(yù)處理間將原材鋸切成相同規(guī)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(yù)制大板，之后運(yùn)進(jìn)船模制作車間的成材倉庫。這是基于現(xiàn)代船模集成制作的先進(jìn)理念，也是區(qū)別于傳統(tǒng)船模加工車間的一個(gè)重要設(shè)計(jì)亮點(diǎn)，極大提高了生產(chǎn)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(zhuǎn)效率(見圖3)。

圖3 原材倉庫平面圖

主要工藝設(shè)備有：托輥輸送機(jī)、自動(dòng)雙面刨木機(jī)、自動(dòng)縱鋸修邊機(jī)、自動(dòng)多片縱鋸機(jī)、四面油壓旋轉(zhuǎn)拼板機(jī)等，如圖4所示。

圖4 原材倉庫主要工藝設(shè)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(yùn)輸通道，通道兩側(cè)布置木工機(jī)械設(shè)備、成材倉庫區(qū)、舊船模改裝區(qū)等，上部安裝3臺(tái)10 t電動(dòng)單梁起重機(jī)，以滿足生產(chǎn)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(yōu)、效率最快的現(xiàn)代船模生產(chǎn)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(shè)備有：電腦裁板鋸(見圖6)、船模龍門壓機(jī)、托輥輸送機(jī)、五軸數(shù)控切削機(jī)(見圖7)、船模校準(zhǔn)臺(tái)、電動(dòng)平車等。

圖6 電腦裁板鋸

圖7 五軸數(shù)控切削機(jī)

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(jié)論

本船模制作車間運(yùn)用了“集成材”的生產(chǎn)工藝將原材預(yù)處理工藝前置，從傳統(tǒng)船模加工車間中脫離，從而形成一個(gè)獨(dú)立的生產(chǎn)車間，避免了兩者在時(shí)間、空間上的互相干擾，大幅提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，大規(guī)模運(yùn)用數(shù)控木工機(jī)械設(shè)備，極大地提高了船模制作的自動(dòng)化水平和加工精度，為實(shí)現(xiàn)船模大規(guī)模生產(chǎn)奠定了可靠的基礎(chǔ)。

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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?yàn)楣こ坦に囋O(shè)計(jì)。

U661

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