某型船船體曲面外板加工成型工藝實(shí)踐

趙 鵬

(大連遼南船廠， 遼寧 大連 116041)

0 引 言

船舶發(fā)展進(jìn)程中衍生出多種多樣的船型，船體外板通常由復(fù)雜不可展開的空間曲面構(gòu)成，要求整體線型光順，不單是視覺感官需要，還會對船舶建造質(zhì)量及總體性能產(chǎn)生影響。某些特殊用途的船舶往往采用較高力學(xué)性能且較厚的船用板材組成船體外板，如果沒有成熟的加工成型工藝作為指導(dǎo)，會給船廠施工帶來一定困難。在船舶建造過程中需認(rèn)真考慮怎樣才能更好地將設(shè)計轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)，因此必要的曲面板材加工工藝實(shí)踐對于船舶建造具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

將切實(shí)有效的船舶外板加工工藝方法應(yīng)用于生產(chǎn)不僅能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量，還能提升生產(chǎn)效率。對船用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼船體曲面外板加工成型工藝研究得到的經(jīng)驗(yàn)成果，既可為同類產(chǎn)品船體外板加工成型提供參考，也可為其他船舶新材料加工難題提供解決思路。

本船船體外板采用中、厚度船用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼EH36鋼板(屈服極限σs= 355 MPa)，外板最大板厚為30 mm。根據(jù)船型及型線曲度變化的特點(diǎn)，將船體外板加工成型列為本船建造技術(shù)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。由于船體線型變化使船體首尾局部形成部分不可展開的空間曲面外板，又考慮到該類鋼板屈服強(qiáng)度較高，因此建造外板曲面均勻過渡、線型光順的一艘船，需根據(jù)外板的不同情況采用不同的加工工藝。

1 水火彎板工藝

水火彎板是指沿著預(yù)定的加熱線，用氧-乙炔烘炬對板材進(jìn)行局部線狀加熱，并用水進(jìn)行跟蹤冷卻，使板產(chǎn)生局部塑性變形，從而將板彎成所要求的曲面形狀的一種彎板方法，也稱為線狀加熱法[1]。絕大多數(shù)具有復(fù)雜曲度的船體外板都可采用水火彎板工藝，在一般情況下水火彎板由熟練的技術(shù)工人憑借長期積累的經(jīng)驗(yàn)手工完成。

利用輥彎機(jī)或油壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)雙曲外板橫向曲度加工成型，當(dāng)三角形外形樣板與外板橫向曲度吻合后再將其送到水火平臺，然后利用水火彎板法加工出縱向曲度。在水火彎板的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，不同的加工方法對曲面外板的成型效果有不同的影響。比如在雙曲外板加工中經(jīng)常遇到帆形板和鞍形板在水火彎板階段的加熱線位置有很大不同：帆形板縱向曲度方向與橫向曲度方向一致，加熱線位于外板橫剖面的兩側(cè)區(qū)域；鞍形板縱向曲度方向與橫向曲度方向相反，加熱線位于外板橫剖面的中間部位。再比如水火彎板的冷卻方式一般分為水冷和空冷兩種，水冷又分為正面跟蹤水冷和背面跟蹤水冷。一系列試驗(yàn)證明，背面水冷可獲得最大的角變形和橫向收縮，但實(shí)際操作較麻煩；正面水冷可獲得較大的橫向收縮，角變形較小，但橫向收縮變形比空冷大，總的成型效果優(yōu)于空冷，是目前較常用的方法。

本船EH36鋼板水火彎板工藝實(shí)踐得出如下結(jié)論：在鋼板上預(yù)先劃好加熱線的位置和長度，以便正確掌握加熱位置和加熱面積；加熱時先確定較大彎曲部位，由中間向兩端過渡，采用深V型加熱方法，然后進(jìn)行水冷；左右形狀對稱的鋼板兩邊加熱線的數(shù)量、位置和長度應(yīng)完全一致，加熱溫度也應(yīng)基本一致，操作應(yīng)對稱進(jìn)行；應(yīng)保持加熱嘴的移動速度均勻一致；盡量避免在同一部位重復(fù)加熱過多，一般重復(fù)加熱次數(shù)不應(yīng)超過3次，否則不僅影響成型效果，還會降低鋼材機(jī)械性能；需根據(jù)外板的不同規(guī)格選擇合理的水火彎板工藝參數(shù)(見表1)，彎板成型后按樣板檢驗(yàn)驗(yàn)收[2](見表2)，合格后轉(zhuǎn)入下道工序。

表1 水火彎板工藝參數(shù)

表2 外板彎曲偏差

2 特殊胎具熱彎板工藝

在船舶建造中，對于某些雙曲度較大的船體外板，如艏柱外板、帆形板和球形板等，采用水火彎板工藝無法達(dá)到成型效果，需要采用熱彎加工。熱彎加工是將平直的鋼板加熱到一定溫度后，運(yùn)用油壓機(jī)等設(shè)備對其進(jìn)行壓彎成型，需制作特殊的胎具以備熱壓使用。在常溫狀態(tài)下鋼板強(qiáng)度和硬度相對較高，此時進(jìn)行彎板加工不僅需要較大外力而且容易產(chǎn)生裂紋。當(dāng)鋼板被加熱到奧氏體狀態(tài)時，其強(qiáng)度、硬度不高，但塑性非常好，易于彎曲成型。對于某些復(fù)雜、難以加工的雙曲度板，船廠根據(jù)自身加工能力和工藝水平，通常使用特殊胎具熱壓的方式對這種不可展的三維曲板進(jìn)行熱壓成型。特殊胎具的制作需考慮船體外板的形狀特點(diǎn)、板材厚度及材質(zhì)等因素。

考慮本船船體外板的形狀特點(diǎn)，在設(shè)計特殊胎具時將其分為上胎模和下胎模兩部分，一般將下胎模制成凹形，上胎模制成凸型，均采用相互垂直的鋼制框架圍成網(wǎng)格，縱、橫構(gòu)件與胎模底板盡量垂直，在外板零件形狀突變處應(yīng)作局部適當(dāng)加強(qiáng)?？紤]壓制過程需承受強(qiáng)大的沖擊作用力，分別在相互垂直的橫、縱鋼制結(jié)構(gòu)的腹板上、下位置開出腹板高度一半的穿越孔，并留有一定裝配間隙，使橫、縱結(jié)構(gòu)裝配方便且相對連續(xù)，保證整體框架結(jié)構(gòu)的完整性和抗沖擊能力(見圖1)。雖然特殊胎具是依照船體曲面線型制作的，但是由于相互交錯的結(jié)構(gòu)之間存在天然的空格區(qū)域，若船體外板加熱后直接放到胎具上來沖壓，則會在沒有設(shè)置結(jié)構(gòu)以及不受作用力的區(qū)域邊緣產(chǎn)生壓痕。因此，在實(shí)踐中向該特殊胎具內(nèi)灌注水泥，并且保養(yǎng)一段時間，待水泥干透后使用。雖然熱彎板工藝的特殊胎具是為該船體外板量身制作的胎具，但壓制后的鋼板會出現(xiàn)一定程度的回彈現(xiàn)象，因此按照外板成型公差的要求，利用樣板或樣箱對其進(jìn)行成型檢驗(yàn)是極為必要的，這也減少了分段建造階段調(diào)整船體外板曲型的麻煩(見圖2)。

圖1 雙曲度左右對稱軸包板熱壓胎具設(shè)計

圖2 帆形板熱彎成型

本船EH36鋼板特殊胎具熱彎板工藝實(shí)踐得出如下結(jié)論：采用由上、下胎模組成的特殊胎具，熱彎加工的雙曲外板四周各加放100 mm裕量；上、下胎模面實(shí)形應(yīng)包含被加工外板(外板帶裕量)，上、下胎模面外形尺寸在此基礎(chǔ)上每邊加放50～100 mm，使上、下胎模面的邊緣走勢隨外板的實(shí)形變化；在保證上、下胎?；嫫叫械那疤嵯?，盡量使胎模表面與作用力方向垂直，避免在壓型過程中產(chǎn)生橫向推力造成胎膜變形或損壞；在胎具壓型前先將鋼板零件均勻加熱至900～1 000 ℃，在胎具壓型結(jié)束后鋼板零件采用自然冷卻方式。通過熱彎加工獲得的船體外板的成型及表面質(zhì)量均令人滿意，考慮胎具的制作成本與周期，在保證胎具整體強(qiáng)度的前提下，其設(shè)計應(yīng)盡量輕巧，適當(dāng)減少金屬材料用量。此胎具的獨(dú)一性造成其重復(fù)利用率較低，使用后可當(dāng)作建造場地的壓鐵或船上某處的固定壓載來二次利用。

3 沖壓、輥彎冷彎板工藝

一般對于單曲度的外板，如船體中部平行中體的舭列板，可用普通三輥彎板機(jī)加工成型，而雙向或多向曲度的冷彎成型設(shè)備主要是油壓機(jī)。

對于某些船體曲面外板，如上層建筑舷側(cè)外板等，可使用油壓機(jī)進(jìn)行橫向曲度的局部彎板加工，再使用輥彎機(jī)對鋼板進(jìn)行縱向輥彎，使板材在縱向上產(chǎn)生不同的伸長變形，從而實(shí)現(xiàn)船體曲面成型。

對于船體槽型板，可采用沖壓方法實(shí)現(xiàn)曲板壓型(見圖3和圖4)，沖壓后需注意外板本身的質(zhì)量缺陷，常見的缺陷有：形狀與尺寸不符、彎曲裂紋、表面擦傷、扭曲等。彎曲裂紋的影響因素很多，在沖壓前應(yīng)先考慮彎曲半徑是否過小，外板材質(zhì)自身的屈服強(qiáng)度及回彈性等因素。在工藝實(shí)踐中，需著重分析影響曲板成型質(zhì)量的原因，選擇合適的沖擊壓頭、沖壓速度和沖壓深度，綜合考慮后制定可行的工藝方案指導(dǎo)現(xiàn)場施工，保證外板的成型質(zhì)量。

圖3 槽型板沖壓現(xiàn)場

圖4 槽型板沖壓成型產(chǎn)品

本船EH36鋼板冷彎加工工藝實(shí)踐得出如下結(jié)論： 冷彎彎板一般應(yīng)在不低于-20 ℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行；彎板號料時，應(yīng)劃出肋位線、法線、余料線并寫明零件名、左右舷號、肋位號、上下位置；彎板加工前應(yīng)檢查鋼板材質(zhì)牌號、厚度和表面質(zhì)量，并消除表面油污，特別是鋼板邊緣和兩端的割渣和毛刺；在鋼板彎曲成型時，鋼板的彎芯直徑應(yīng)不小于4倍鋼板厚度；在鋼板彎曲成型前，其彎曲處側(cè)邊的棱角應(yīng)進(jìn)行倒圓，圓角半徑為2～3 mm。

4 結(jié) 語

針對某型船船用EH36高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼船體曲面外板加工成型工藝實(shí)踐情況，介紹了幾種典型的外板加工工藝方法，總結(jié)歸納EH36高強(qiáng)鋼曲面外板的水火彎板加工工藝要求及工藝參數(shù)、熱彎特殊胎具的設(shè)計及工藝要求、冷彎加工工藝要求等，通過幾種不同加工工藝方法的實(shí)際研究，克服了船體曲面外板加工成型的技術(shù)難點(diǎn)，完工后實(shí)船船體外板線型過渡光滑、整體成型美觀。文章可為中、厚度高強(qiáng)鋼船體雙曲板加工成型提供借鑒，并可作為同類型船船體建造加工的參考。