伍朝暉，吳一忠，俞 峰，尹 群，錢(qián)春俊

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)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(jì)與制造方法

伍朝暉，吳一忠，俞 峰，尹 群，錢(qián)春俊

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

使用焊接壓模進(jìn)行冷彎不僅是解決船體特殊區(qū)域雙曲板成形問(wèn)題的有效途徑，而且是保證曲板成形質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)批量化和節(jié)拍化制造的有效手段。主要針對(duì)特種材料中厚板及薄板焊接壓模的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊接要素，提出模具設(shè)計(jì)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(guò)有限元計(jì)算并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，證明其實(shí)用性和可靠性。通過(guò)歸納和總結(jié)焊接壓模設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)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(chǔ)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(jì)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(jì)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(jī)進(jìn)行橫向輥壓，再使用水火彎板技術(shù)進(jìn)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(guò)程會(huì)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(dāng)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(qiáng)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(jiàn)表1），會(huì)給雙曲板的加工帶來(lái)較大難度。針對(duì)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(jìn)行冷彎成形是比較簡(jiǎn)單、實(shí)用的途徑[2-4]。

通過(guò)制作與雙曲板形狀相符的上下壓模，并采用油壓機(jī)壓制成形，可避免水火彎板對(duì)鋼板的加工精度和使用壽命產(chǎn)生影響。本文主要對(duì)焊接壓模的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和制作流程進(jìn)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(jì)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(wú)法通過(guò)常規(guī)的鑄造方式得到，一般采用焊接后的壓模進(jìn)行施工作業(yè)。由于壓模需要承受較大的壓強(qiáng)，因此底板與加強(qiáng)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(jì)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 壓模基面及壓力中心的選擇

以帆型板為例，為使被壓工件能平穩(wěn)地?cái)R置在下模上，在設(shè)計(jì)模具時(shí)將下模設(shè)計(jì)為凹形，將上模設(shè)計(jì)為凸形，比較適合進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。壓模的壓力中心是指模具工作時(shí)被沖壓工件對(duì)沖模反力的合力作用點(diǎn)，壓模面板在設(shè)計(jì)時(shí)與作用力的方向垂直，避免在壓制時(shí)產(chǎn)生橫向推力，影響模具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（見(jiàn)圖1）。盡量避免由于基面與壓力中心選擇不當(dāng)而使工件在壓制時(shí)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(shí)，為保證模具的強(qiáng)度，基面距模具面板的高度一般控制在 250～350mm。對(duì)于特殊規(guī)格壓模模具的強(qiáng)度，需進(jìn)行相應(yīng)的加強(qiáng)。

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(jìn)行確定。

1 ) 上模和下模的高度同時(shí)滿足

式(1)和式(2)中：H1為上模總高度；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(diǎn)與工作平臺(tái)面的最大距離；C為壓頭上死點(diǎn)與工作平臺(tái)面的最小距離；B為油壓機(jī)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(jī)）或?yàn)樽畲蠊ぷ鲗挾龋ㄩT(mén)式油壓機(jī)）。

3) 上模和下模的長(zhǎng)度一般不超過(guò)油壓機(jī)下工作平臺(tái)的長(zhǎng)度，在特殊情況下如需超出，應(yīng)采取加強(qiáng)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(jì)

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(jì)中應(yīng)將下模設(shè)計(jì)為凸形，將上模設(shè)計(jì)為凹形，這樣更適合在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(qiáng)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(jiàn)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(jí)別盡量大于被壓工件。考慮到質(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(dāng)加工件板厚δ≤5mm時(shí)，面板板厚=δ×(1.5- 2.0)；當(dāng)加工件板厚δ＞5mm時(shí)，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(duì)準(zhǔn)并保持在同一水平面內(nèi)；零件形狀突變處應(yīng)進(jìn)行局部加強(qiáng)；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(jì)算及分析

綜合上述設(shè)計(jì)要求，針對(duì)焊接模具設(shè)計(jì)的可行性，進(jìn)行不同壓力的有限元計(jì)算及論證。

1 ) 在上模具面板加載多種載荷進(jìn)行形變分析。

2 ) 通過(guò)計(jì)算分析可得到模具形變圖及應(yīng)力分布圖（見(jiàn)圖3）等。選取大載荷工況模具面板形變的過(guò)程見(jiàn)圖4。

模具的形變?yōu)槭┘?960～19600kN的力的變化趨勢(shì)，即：若繼續(xù)加大壓力，則模具會(huì)形成圖4所示的形狀并產(chǎn)生形變。主要應(yīng)力點(diǎn)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(guò)計(jì)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(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中（載荷＜1000t），模具幾乎不會(huì)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(shí)，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(shí)，首先考慮被壓件曲率的變化，選擇正確的著力點(diǎn)，且下模應(yīng)處于水平位置。

3 ) 在安裝上模時(shí)，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(qiáng)筋板應(yīng)與下?？v向和橫向加強(qiáng)筋板對(duì)準(zhǔn)并垂直，上模上端與下模下端應(yīng)保持水平（對(duì)角線±2mm）。

5 ) 上模和下模需安裝對(duì)合線，便于加工時(shí)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(qiáng)度要求，應(yīng)采用CO2保護(hù)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(kāi)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(wú)損探傷檢測(cè)

焊接結(jié)束后，對(duì)焊縫表面的飛濺物和焊瘤等缺陷進(jìn)行打磨修理，依據(jù)《CB/Z125—1998船體結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)則》的規(guī)定對(duì)焊接構(gòu)件進(jìn)行無(wú)損探傷，在焊接完成48h后進(jìn)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(guò)程中模具損壞而發(fā)生事故。

2.2 焊接模具的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為驗(yàn)證焊接模具的可行性，設(shè)計(jì)彎壓特種鋼材的焊接模具見(jiàn)圖5。實(shí)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(jì)，結(jié)構(gòu)得以加強(qiáng)，沒(méi)有出現(xiàn)形變和開(kāi)裂的現(xiàn)象。

2.3 某特殊規(guī)格的薄板壓模設(shè)計(jì)制造實(shí)例

被壓工件鋼板的厚度不同，焊接壓模的設(shè)計(jì)及制造過(guò)程也有所區(qū)別。對(duì)于極薄板的冷彎成形，需設(shè)計(jì)特殊規(guī)格的壓模進(jìn)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(jì)，線形較為復(fù)雜，曲率半徑為1000mm，曲板厚度僅為3mm（見(jiàn)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(jìn)行逐段冷彎成形。在設(shè)計(jì)壓模時(shí)，由于曲面呈現(xiàn)為帆型，因此將下模設(shè)計(jì)為凹形，將上模設(shè)計(jì)為凸形，這樣更便于現(xiàn)場(chǎng)加工作業(yè)。

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

對(duì)于受壓鋼板的邊緣起皺的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)施加的壓力和速度進(jìn)行完全控制即可逐漸將其消除，彎壓結(jié)束后對(duì)工件進(jìn)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(wú)需考慮預(yù)留板厚差，直接以樣箱為基準(zhǔn)進(jìn)行制作；下模板基本成形之后進(jìn)行回火，并進(jìn)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(shí)應(yīng)根據(jù)曲率變化和垂直力點(diǎn)將下模置于水平位置。

3 ) 制作上模面板時(shí)，曲面形狀以下模為準(zhǔn)，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(qiáng)板，由于板厚為 3mm，加強(qiáng)筋板的板厚采用16～18mm即可。加強(qiáng)筋板的距離由模具的大小來(lái)決定，一般控制在200～250mm。

5 ) 上模安裝的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)與下模相同，距離和厚度盡量對(duì)準(zhǔn)，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(duì)水平（見(jiàn)圖8）。

6 ) 上模和下模應(yīng)標(biāo)注安裝對(duì)合線，以便加工時(shí)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(wú)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(yǔ)

焊接壓模冷壓成形技術(shù)是保證特種高強(qiáng)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(shí)際產(chǎn)品需求，分別對(duì)中厚板及薄板的加工進(jìn)行分析和研究。在設(shè)計(jì)焊接壓模過(guò)程中，通過(guò)有限元計(jì)算分析及生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，歸納出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提高壓模的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低制造成本，節(jié)約模具制作周期，提升壓模的設(shè)計(jì)和制造效率。通過(guò)總結(jié)焊接壓模的設(shè)計(jì)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(chǔ)備。

[1] 紀(jì)卓尚，劉玉君，孫振烈，等.船體曲面鋼板水火加工成形工藝的理論與應(yīng)用研究[J].中國(guó)造船，1998 (10): 118-134.

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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(guó)防科工局基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（A0720131002）

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