特種鋼材雙曲板焊接壓模設(shè)計與制造方法

伍朝暉，吳一忠，俞 峰，尹 群，錢春俊

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

工藝與材料

特種鋼材雙曲板焊接壓模設(shè)計與制造方法

伍朝暉，吳一忠，俞 峰，尹 群，錢春俊

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

使用焊接壓模進行冷彎不僅是解決船體特殊區(qū)域雙曲板成形問題的有效途徑，而且是保證曲板成形質(zhì)量、實現(xiàn)批量化和節(jié)拍化制造的有效手段。主要針對特種材料中厚板及薄板焊接壓模的結(jié)構(gòu)特點和焊接要素，提出模具設(shè)計的優(yōu)化方法及制造要求，并列舉常規(guī)鞍形及帆形雙曲板焊接壓模的制作方法。通過有限元計算并結(jié)合生產(chǎn)實踐，證明其實用性和可靠性。通過歸納和總結(jié)焊接壓模設(shè)計制造的關(guān)鍵技術(shù)，達到降低制造成本、縮短模具制作周期的目的，為大型高新產(chǎn)品的快速建造提供技術(shù)支撐和技術(shù)儲備。

雙曲板；冷壓成形；焊接壓模；制造方法

0 引 言

目前高性能船舶的軸殼板、艏部龍筋板和導(dǎo)流罩等特殊部位的外板都是由較多雙向曲面組成的，制造難度較大。隨著船舶設(shè)計和建造水平不斷提高，雙曲板的產(chǎn)能及精度要求越發(fā)受到造船企業(yè)的重視，如何設(shè)計和制造合理的焊接壓模，降低制造成本，是迫切需要解決的難題。

傳統(tǒng)的雙曲板加工方式通常是先使用油壓機進行橫向輥壓，再使用水火彎板技術(shù)進行逐步矯正成形[1]。由于水火彎板的加工精度難以控制，且水火彎板過程會大幅降低板件的物理性能，因此雙向曲度較大或?qū)κ褂脡勖筝^高的船體外板不適用采用。

當前在建的大型水面高新產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)大量使用高強度特種鋼材，在工藝上不允許采用火工加工方式，必須采用冷加工方式，且材料回彈較大（見表1），會給雙曲板的加工帶來較大難度。針對高新船舶特殊位置的雙曲板冷加工，使用通用的焊接壓模進行冷彎成形是比較簡單、實用的途徑[2-4]。

通過制作與雙曲板形狀相符的上下壓模，并采用油壓機壓制成形，可避免水火彎板對鋼板的加工精度和使用壽命產(chǎn)生影響。本文主要對焊接壓模的優(yōu)化設(shè)計方法和制作流程進行闡述，為以后特種材料的冷壓成形和應(yīng)用提供借鑒。

1 壓模設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

由于復(fù)雜曲面的種類較多，用于鋼板冷壓的壓模無法通過常規(guī)的鑄造方式得到，一般采用焊接后的壓模進行施工作業(yè)。由于壓模需要承受較大的壓強，因此底板與加強筋板的焊接連接形式、焊接壓模的基面與壓力中心及上下模外形尺寸的正確選擇是設(shè)計的關(guān)鍵。一般復(fù)雜船體的曲面形狀主要有帆型和鞍型2種，因此按需制訂合理的壓?；媸抢谑┕さ年P(guān)鍵。

1.1 壓?；婕皦毫χ行牡倪x擇

以帆型板為例，為使被壓工件能平穩(wěn)地擱置在下模上，在設(shè)計模具時將下模設(shè)計為凹形，將上模設(shè)計為凸形，比較適合進行現(xiàn)場作業(yè)。壓模的壓力中心是指模具工作時被沖壓工件對沖模反力的合力作用點，壓模面板在設(shè)計時與作用力的方向垂直，避免在壓制時產(chǎn)生橫向推力，影響模具的結(jié)構(gòu)強度（見圖1）。盡量避免由于基面與壓力中心選擇不當而使工件在壓制時產(chǎn)生滑移，影響工件定位、成形的正確性及導(dǎo)致事故發(fā)生。

同時，為保證模具的強度，基面距模具面板的高度一般控制在 250～350mm。對于特殊規(guī)格壓模模具的強度，需進行相應(yīng)的加強。

1.2 壓模外形尺寸的選擇

焊接壓模的尺寸需結(jié)合加工工件成形要求及沖壓設(shè)備的形式進行確定。

1 ) 上模和下模的高度同時滿足

式(1)和式(2)中：H1為上?？偢叨?；H2為下模總高度；S為上模與下模壓制前的空隙，一般＞200mm；A為壓頭上死點與工作平臺面的最大距離；C為壓頭上死點與工作平臺面的最小距離；B為油壓機的最大工作行程。

2 ) 上模和下模的寬度應(yīng)滿足

式(3)中：b為上模和下模的寬度；d為喉深（虎口式油壓機）或為最大工作寬度（門式油壓機）。

3) 上模和下模的長度一般不超過油壓機下工作平臺的長度，在特殊情況下如需超出，應(yīng)采取加強措施。

4 ) 上模和下模面板的各邊應(yīng)加放余量，余量值與零件所放余量相一致，以確保外形尺寸正確。

1.3 焊接壓模的結(jié)構(gòu)設(shè)計

以某高新產(chǎn)品中曲面為鞍型的船體外板為例，在焊接壓模設(shè)計中應(yīng)將下模設(shè)計為凸形，將上模設(shè)計為凹形，這樣更適合在現(xiàn)場進行加工作業(yè)[5]。該壓模主要由上模和下模面板、橫向與縱向焊接加強板及上模和下模底板組成。鋼板焊接壓模的結(jié)構(gòu)形式見圖2。

焊接壓模主要構(gòu)件的厚度根據(jù)壓模材料和加工件的要求具體確定，材料級別盡量大于被壓工件?？紤]到質(zhì)量因素，通常將板厚δ限制在以下范圍內(nèi)：

1 ) 上模和下模底板的板厚δ在20～30mm。

2 ) 當加工件板厚δ≤5mm時，面板板厚=δ×(1.5- 2.0)；當加工件板厚δ＞5mm時，面板板厚=δ×(2.5- 3.0)。

3 ) 縱向構(gòu)件板厚δ在15～25mm。

4 ) 橫向構(gòu)件板厚δ在12～20mm。

焊接壓模構(gòu)件的布置原則為：縱橫向構(gòu)件應(yīng)與壓模底板垂直；上模和下模的縱橫向構(gòu)件應(yīng)相互對準并保持在同一水平面內(nèi)；零件形狀突變處應(yīng)進行局部加強；縱向構(gòu)件應(yīng)連續(xù)，橫向構(gòu)件可間斷；縱向構(gòu)件間距約取300mm，橫向構(gòu)件間距取200～250mm。

1.4 壓模仿真計算及分析

綜合上述設(shè)計要求，針對焊接模具設(shè)計的可行性，進行不同壓力的有限元計算及論證。

1 ) 在上模具面板加載多種載荷進行形變分析。

2 ) 通過計算分析可得到模具形變圖及應(yīng)力分布圖（見圖3）等。選取大載荷工況模具面板形變的過程見圖4。

模具的形變?yōu)槭┘?960～19600kN的力的變化趨勢，即：若繼續(xù)加大壓力，則模具會形成圖4所示的形狀并產(chǎn)生形變。主要應(yīng)力點集中在縱向支撐構(gòu)件及橫向支撐構(gòu)件與模具面板的交接處。通過計算分析發(fā)現(xiàn)：在加載1960～19600kN壓力的情況下，在200～1000t載荷范圍內(nèi)，面板在壓力方向上產(chǎn)生的最大形變量為0～0.59mm。即，在實際生產(chǎn)加工過程中（載荷＜1000t），模具幾乎不會發(fā)生塑性形變。

2 焊接壓模的制造工藝及焊接要求

2.1 焊接模具的制造工藝

2.1.1 制作工藝流程及要求

1 ) 在安裝上模面板和下模面板時，要求面板盡量貼合、曲面光順，且曲率盡量小。

2 ) 在安裝下模時，首先考慮被壓件曲率的變化，選擇正確的著力點，且下模應(yīng)處于水平位置。

3 ) 在安裝上模時，需要在下模上填塞墊鐵，填塞的板厚與被壓工件一致，周邊需預(yù)留一定的空隙（工件厚度±2mm）。

4 ) 上模加強筋板應(yīng)與下?？v向和橫向加強筋板對準并垂直，上模上端與下模下端應(yīng)保持水平（對角線±2mm）。

5 ) 上模和下模需安裝對合線，便于加工時定位。

6 ) 上模和下模的周邊應(yīng)安裝卡馬，減少焊接后的變形。

7 ) 上模和下模焊接結(jié)束并冷卻后拆除卡馬，完成上模和下模的分離。上模和下模分離后應(yīng)打磨四周邊緣，磨光倒角，保持面板光潔。

2.1.2 焊接要求

考慮到焊接模具的結(jié)構(gòu)強度要求，應(yīng)采用CO2保護焊深熔焊的方式。

1 ) 焊接坡口：橫向構(gòu)件和縱向構(gòu)件焊接處均開單邊45°坡口，與面板及曲板裝配間隙0～3mm，留根0～3mm。

2 ) 焊接要求：在焊接前清除面板及構(gòu)件坡口兩側(cè) 80mm區(qū)域內(nèi)表面上的浮銹和污物，防止出現(xiàn)氣孔等焊接缺陷；在面板端部和橫向構(gòu)件與縱向構(gòu)件焊接端部安裝好引弧板及熄弧板，焊接完成后去除引弧板及熄弧板。

2.1.3 無損探傷檢測

焊接結(jié)束后，對焊縫表面的飛濺物和焊瘤等缺陷進行打磨修理，依據(jù)《CB/Z125—1998船體結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量檢驗規(guī)則》的規(guī)定對焊接構(gòu)件進行無損探傷，在焊接完成48h后進行超聲波探傷（UT），查看是否存在裂紋、未熔合及氣孔等缺陷，避免在后續(xù)生產(chǎn)加工過程中模具損壞而發(fā)生事故。

2.2 焊接模具的現(xiàn)場應(yīng)用

為驗證焊接模具的可行性，設(shè)計彎壓特種鋼材的焊接模具見圖5。實際彎壓結(jié)果證明，加工模具的主要應(yīng)力分布在其橫向構(gòu)件與面板的焊接處。由于采用的是優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)得以加強，沒有出現(xiàn)形變和開裂的現(xiàn)象。

2.3 某特殊規(guī)格的薄板壓模設(shè)計制造實例

被壓工件鋼板的厚度不同，焊接壓模的設(shè)計及制造過程也有所區(qū)別。對于極薄板的冷彎成形，需設(shè)計特殊規(guī)格的壓模進行加工。以某高新產(chǎn)品船為例，其羅經(jīng)甲板外側(cè)圍板與指揮艙相接處采用雙曲轉(zhuǎn)圓設(shè)計，線形較為復(fù)雜，曲率半徑為1000mm，曲板厚度僅為3mm（見圖6）。

由于材料較為特殊，為保證加工質(zhì)量，需采取特種壓模進行逐段冷彎成形。在設(shè)計壓模時，由于曲面呈現(xiàn)為帆型，因此將下模設(shè)計為凹形，將上模設(shè)計為凸形，這樣更便于現(xiàn)場加工作業(yè)。

冷彎加工設(shè)備以160t油壓機為主，該設(shè)備的主行程為1080mm，伸距為780mm，行程為300mm（見圖7）。根據(jù)設(shè)備的規(guī)格及特點，上模和下模的設(shè)計高度最好在780～800mm。由于需彎制1000mm的圓弧曲率，因此設(shè)計中模具選取樣箱的2/3長度，方便通過來回移動被壓工件進行分段彎壓。此外，在彎壓過程中還需設(shè)置合理的重疊區(qū)，保證加工曲板光順。

對于受壓鋼板的邊緣起皺的問題，通過對施加的壓力和速度進行完全控制即可逐漸將其消除，彎壓結(jié)束后對工件進行二次加熱，消除應(yīng)力。

制作工藝流程及要求如下：

1 ) 制作下模面板，被壓工件材料的厚度為3mm，無需考慮預(yù)留板厚差，直接以樣箱為基準進行制作；下模板基本成形之后進行回火，并進行整修，保證其曲率光順?？紤]到被壓板材回彈因素，模具彎曲部分的曲率宜小不宜大。

2 ) 裝配時應(yīng)根據(jù)曲率變化和垂直力點將下模置于水平位置。

3 ) 制作上模面板時，曲面形狀以下模為準，可不考慮厚度；上模面板與下模面板重疊之后，接觸以吻合為佳。

4 ) 根據(jù)設(shè)備與被壓工件的厚度決定是否裝配下模加強板，由于板厚為 3mm，加強筋板的板厚采用16～18mm即可。加強筋板的距離由模具的大小來決定，一般控制在200～250mm。

5 ) 上模安裝的加強結(jié)構(gòu)應(yīng)與下模相同，距離和厚度盡量對準，各筋板應(yīng)在同一垂直面上，上模端部與下模底端應(yīng)保持絕對水平（見圖8）。

6 ) 上模和下模應(yīng)標注安裝對合線，以便加工時定位。

7 ) 為減少焊接后變形，四周應(yīng)安裝卡馬固定。

8 ) 上模和下模的焊接要求根據(jù)上節(jié)描述。

9 ) 在焊接完成并冷卻之后拆除卡馬，將其分離，壓模面板應(yīng)磨光、無雜質(zhì)、曲率光順。

壓模精度需滿足的工藝要求為：上模面板與下模面板重疊吻合之后，誤差≤2mm；上模和下模高度保持水平，誤差≤2mm。

3 結(jié) 語

焊接壓模冷壓成形技術(shù)是保證特種高強度鋼雙曲板加工精度和成形質(zhì)量的有效手段。本文結(jié)合實際產(chǎn)品需求，分別對中厚板及薄板的加工進行分析和研究。在設(shè)計焊接壓模過程中，通過有限元計算分析及生產(chǎn)實踐驗證，歸納出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計標準，提高壓模的結(jié)構(gòu)強度，降低制造成本，節(jié)約模具制作周期，提升壓模的設(shè)計和制造效率。通過總結(jié)焊接壓模的設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)，可為今后相關(guān)大型高新產(chǎn)品的快速建造提供技術(shù)支撐并作技術(shù)儲備。

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Design and Manufacturing Method for Welding Pressing Die of Special Hyperbolic Plate

WU Zhao-hui，WU Yi-zhong，YU Feng，YIN Qun，QIAN Chun-jun

（Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China）

Cold-forming by welding compressing die is not only an effective way to shape the hyperbolic plates for special hull regions, but also an effective method to ensure plate forming quality and to realize batch manufacture and takt manufacture.This paper proposes the design optimization method and manufacturing requirements for the mould according to the structural characteristics and welding factors of thick and thin plates made of special material, and presents the manufacturing method of welding compressing die for conventional saddle shape and sail shape hyperbolic plates.The feasibility and reliability of the method is proved when the finite element calculations are combined with manufacturing practice, and the aim of reducing cost and shortening mould manufacturing period is achieved when the key technologies for the design and manufacturing of welding compressing die are summarized.This study provides technical support and technical preparation for the agile construction of high-tech large products.

hyperbolic plate; cold pressing forming; welding pressing die; manufacturing method

U671.83

A

2095-4069 (2017) 04-0063-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.013

2016-10-28

國防科工局基礎(chǔ)科研項目（A0720131002）

伍朝暉，男，研究員，1976年生。1989年畢業(yè)于上海交通大學船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶設(shè)計與生產(chǎn)管理工作。