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(kāi)的空間曲面構(gòu)成，要求整體線(xiàn)型光順，不單是視覺(jué)感官需要，還會(huì)對(duì)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(méi)有成熟的加工成型工藝作為指導(dǎo)，會(huì)給船廠施工帶來(lái)一定困難。在船舶建造過(guò)程中需認(rèn)真考慮怎樣才能更好地將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)，因此必要的曲面板材加工工藝實(shí)踐對(duì)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(duì)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(lèi)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(xiàn)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(xiàn)型變化使船體首尾局部形成部分不可展開(kāi)的空間曲面外板，又考慮到該類(lèi)鋼板屈服強(qiáng)度較高，因此建造外板曲面均勻過(guò)渡、線(xiàn)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(xiàn)，用氧-乙炔烘炬對(duì)板材進(jìn)行局部線(xiàn)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(chēng)為線(xiàn)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(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)手工完成。

利用輥彎?rùn)C(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(tái)，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(duì)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的位置和長(zhǎng)度，以便正確掌握加熱位置和加熱面積；加熱時(shí)先確定較大彎曲部位，由中間向兩端過(guò)渡，采用深V型加熱方法，然后進(jìn)行水冷；左右形狀對(duì)稱(chēng)的鋼板兩邊加熱線(xiàn)的數(shù)量、位置和長(zhǎng)度應(yīng)完全一致，加熱溫度也應(yīng)基本一致，操作應(yīng)對(duì)稱(chēng)進(jìn)行；應(yīng)保持加熱嘴的移動(dòng)速度均勻一致；盡量避免在同一部位重復(fù)加熱過(guò)多，一般重復(fù)加熱次數(shù)不應(yīng)超過(guò)3次，否則不僅影響成型效果，還會(huì)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(jiàn)表1)，彎板成型后按樣板檢驗(yàn)驗(yàn)收[2](見(jiàn)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(duì)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(wú)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(duì)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(duì)較高，此時(shí)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(shí)，其強(qiáng)度、硬度不高，但塑性非常好，易于彎曲成型。對(duì)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(duì)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(jì)特殊胎具時(shí)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?chē)删W(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(guò)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(kāi)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(duì)連續(xù)，保證整體框架結(jié)構(gòu)的完整性和抗沖擊能力(見(jiàn)圖1)。雖然特殊胎具是依照船體曲面線(xiàn)型制作的，但是由于相互交錯(cuò)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(lái)沖壓，則會(huì)在沒(méi)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(shí)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(huì)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(duì)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(jiàn)圖2)。

圖1 雙曲度左右對(duì)稱(chēng)軸包板熱壓胎具設(shè)計(jì)

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(shì)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(guò)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(guò)熱彎加工獲得的船體外板的成型及表面質(zhì)量均令人滿(mǎn)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(jì)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(chǎng)地的壓鐵或船上某處的固定壓載來(lái)二次利用。

3 沖壓、輥彎冷彎板工藝

一般對(duì)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(duì)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?rùn)C(jī)對(duì)鋼板進(jìn)行縱向輥彎，使板材在縱向上產(chǎn)生不同的伸長(zhǎng)變形，從而實(shí)現(xiàn)船體曲面成型。

對(duì)于船體槽型板，可采用沖壓方法實(shí)現(xiàn)曲板壓型(見(jiàn)圖3和圖4)，沖壓后需注意外板本身的質(zhì)量缺陷，常見(jiàn)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(guò)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(chǎng)施工，保證外板的成型質(zhì)量。

圖3 槽型板沖壓現(xiàn)場(chǎng)

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(hào)料時(shí)，應(yīng)劃出肋位線(xiàn)、法線(xiàn)、余料線(xiàn)并寫(xiě)明零件名、左右舷號(hào)、肋位號(hào)、上下位置；彎板加工前應(yīng)檢查鋼板材質(zhì)牌號(hào)、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(shí)，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(yǔ)

針對(duì)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(jì)及工藝要求、冷彎加工工藝要求等，通過(guò)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(xiàn)型過(guò)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(lèi)型船船體建造加工的參考。