周科偉，胡 月，翟偉國

(1.江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913；2.中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023)

0 引 言

1 建立研究模型

1.1 大曲率船體球面零件特點(diǎn)

船體艙室結(jié)構(gòu)綜合考慮規(guī)范、布置、艙容和貨物類型等因素，一般由平面艙壁之間互相角接形成多面體艙室結(jié)構(gòu)。在具有承壓要求的艙室結(jié)構(gòu)中，若角接無法滿足耐壓要求，則平面艙壁之間一般通過圓弧過渡，相鄰的3條圓弧過渡棱圍成的隅角即形成標(biāo)準(zhǔn)球面零件。由于艙壁之間呈鈍角或直角，因此隅角形狀一般不超過1/8標(biāo)準(zhǔn)球面，此類零件一般曲率較大，大部分球面半徑不超過800 mm，如某液化氣船液貨艙隅角與某船方艙結(jié)構(gòu)隅角。大曲率船體球面零件如圖1所示。

圖1 大曲率船體球面零件示例

1.2 研究模型

為研究大曲率船體球面零件的減薄規(guī)律，以1/8標(biāo)準(zhǔn)球面零件(見圖2)為對(duì)象，闡述目前船舶建造的鋼板零件加工成為大曲率船體結(jié)構(gòu)球面零件的方法，根據(jù)現(xiàn)有模具條件及試驗(yàn)時(shí)的余料鋼板情況進(jìn)行球面零件壓制試驗(yàn)。通過分析試驗(yàn)零件在不同壓制方案中加工前后的板厚數(shù)據(jù)變化情況，總結(jié)大曲率船體球面零件壓制后的減薄規(guī)律及實(shí)際應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)，并提出針對(duì)船體球面零件壓制減薄現(xiàn)象造成船舶建造潛在風(fēng)險(xiǎn)的控制流程。

圖2 1/8標(biāo)準(zhǔn)球面零件

2 工藝方法

球面是典型的不可展曲面，無法得到其精確展開面，只可通過分割法進(jìn)行近似展開。按照現(xiàn)代造船工藝，一般采用模具壓制成型。球面零件壓制模具如圖3所示。

圖3 球面零件壓制模具示例

壓制成型是通過模具對(duì)板料施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形，得到需要的曲面形狀。對(duì)于球面零件的模具壓制，按照零件球面大小和設(shè)備加工能力，可采用將同曲率零件合并為較大零件加工或單塊零件加工的方式。為防止鋼板在加工時(shí)開裂和提高延展性，可在加熱后壓制，但需要避開鋼板藍(lán)脆區(qū)溫度(一般為250～350 ℃)。考慮脫模過程，模具壓制工藝可加工的最大零件為半球面零件。對(duì)于研究模型中的1/8標(biāo)準(zhǔn)球面零件，可采用如下2種方案實(shí)現(xiàn)：

(1)半球面零件加工方案

加工1個(gè)半球面零件，通過鋸床和線切割等低損耗方式切割為4塊所需要的零件，如圖4所示?？紤]設(shè)備能力及避免鋼板開裂，該方案在將鋼板整體加熱至較高溫度后壓制。半球面零件的近似展開形狀為圓形，其加工零件形心為所需要的零件頂點(diǎn)。由于半球面零件端部為封閉圓形，且在加熱條件下鋼的可塑性明顯提高，因此成型的半球面零件不會(huì)回彈，可壓制與上模具相同半徑的球面零件。

圖4 半球面零件加工方案示例

(2)單塊1/8球面零件加工方案

在通過分割法近似展開后，各邊加上修割裕量下料，在壓制成型后修割多余部分，得到所需要的1/8球面零件。該方案對(duì)設(shè)備能力要求低，并可控制壓制點(diǎn)及每次的壓制量，在常溫條件下實(shí)施。單塊1/8球面零件的近似展開形狀為曲邊三角形，其加工零件的形心與所需要的零件中心基本一致，如圖5所示。成型的零件邊緣處于自由狀態(tài)，需要基于回彈補(bǔ)償[4]采用過量加工和漸進(jìn)成型的工藝進(jìn)行加工，要求模具球面半徑小于零件半徑。

牟澤雄：這主要的原因還是因?yàn)榇髮W(xué)的文學(xué)教育偏重于研究。當(dāng)時(shí)西南聯(lián)大教作文的實(shí)際上也只有沈從文，因?yàn)闂钫衤暤牧λ]，沈從文獲得西南聯(lián)大的副教授教職。不過聘他的不是西南聯(lián)大中文系，而是師范學(xué)院的國文系。他開設(shè)過“各體文習(xí)作”課，在西南聯(lián)大的文學(xué)教學(xué)中不占主流，跟今天的狀況也有點(diǎn)相似。

圖5 1/8球面零件加工方案示例

3 壓制減薄

3.1 半球面零件加工方案

試驗(yàn)所用上模具球面半徑為500 mm，試驗(yàn)材料為35 mm厚的低合金鋼板，在壓制前加熱至950 ℃，一次壓制成型，最終零件成型半徑為500 mm。將成型的零件從半球面中心向端部間隔相同弧長依次取12個(gè)點(diǎn)作為厚度測量點(diǎn)，如圖6所示，其中：ti(i=1～12)為第i測量點(diǎn)的球面法向厚度。采用超聲波測厚儀對(duì)成型零件各測量點(diǎn)進(jìn)行板厚測量。探頭應(yīng)盡可能沿該處球面的法向布置，為降低主觀測量誤差，在對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行測量時(shí)微調(diào)探頭指向，取最小值作為該測量點(diǎn)最終成型厚度。

圖6 半球面零件厚度測量點(diǎn)

壓制成型的各測量點(diǎn)厚度數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)比加工前后的數(shù)據(jù)，零件加工形心減薄量為1.50 mm，最大減薄量為3.41 mm，最大增厚量為5.27 mm，從加工零件中心向邊緣的變化依次為出現(xiàn)較大減薄量、減薄量逐漸變小、在接近零件邊緣時(shí)開始加厚。

以加工零件中心向邊緣的測量點(diǎn)為橫軸、加工前后厚度數(shù)據(jù)為縱軸，將表1數(shù)據(jù)繪制半球面零件壓制成型厚度變化曲線，如圖7所示。

表1 半球面零件壓制成型厚度數(shù)據(jù) mm

圖7 半球面零件壓制成型厚度變化曲線

3.2 單塊1/8球面零件加工方案

試驗(yàn)所用上模具球面半徑為550 mm，試驗(yàn)材料為30 mm厚的低合金鋼板，在室溫條件下多點(diǎn)多次壓制，由于加工回彈較大，最終成型半徑為600 mm。對(duì)成型的零件添加輔助線，厚度測量點(diǎn)如圖8所示，其中：A1～A6為零件中心分別與零件頂點(diǎn)及各邊緣中線之間的連線；B1～B3為零件邊緣；C1～C4為距零件中心每隔100 mm弧長所作的圓形輔助線。在測量時(shí)選取輔助線的部分交點(diǎn)作為測量點(diǎn)，按第3.1節(jié)中的方法進(jìn)行厚度測量。

圖8 1/8球面零件厚度測量點(diǎn)

壓制成型的各測量點(diǎn)厚度數(shù)據(jù)如表2所示。對(duì)比加工前后的數(shù)據(jù)，零件加工形心減薄量為0.85 mm，最大減薄量為1.53 mm，最大增厚量為1.91 mm，從加工零件中心向邊緣的變化依次為出現(xiàn)較大減薄量、減薄量逐漸變小、在接近零件邊緣時(shí)開始加厚。

表2 單塊1/8球面零件壓制成型厚度數(shù)據(jù) mm

在近似展開零件中，將A1～A6輔助線作為鋼板原始厚度參考線，將表2數(shù)據(jù)繪制單塊1/8球面零件壓制成型厚度變化曲線，如圖9所示，其中：參考線⊕側(cè)表示該側(cè)存在增厚情況，參考線?側(cè)表示該側(cè)存在減薄情況。為嘗試改善零件減薄率，重新下料1/8球面零件，將零件邊緣區(qū)域加熱至200 ℃采用該方案再次進(jìn)行加工，減薄規(guī)律與不加熱的變化規(guī)律一致，最終隅角零件中間區(qū)域最大減薄量為0.78 mm，邊緣區(qū)域最大增厚量為4.48 mm，與常溫直接壓制相比成型零件中間區(qū)域減薄情況有所改善，但邊緣區(qū)域增厚更明顯。

圖9 單塊1/8球面零件壓制成型厚度變化曲線

3.3 壓制減薄總結(jié)

由上述試驗(yàn)可知：在球面鋼板零件采用壓制工藝加工時(shí)，無論采用熱加工還是冷加工均同時(shí)存在增厚和減薄情況，零件形心位置存在一定的減薄，但不是最大減薄量的位置，球面零件邊緣處增厚明顯。在這種加工條件下，鋼板零件加工前后的體積變化可忽略不計(jì)。2種加工方案的零件自由端均為開放形式，零件在受到擠壓加工后，形心周圍的減薄量向自由邊緣附近堆積，發(fā)生起皺現(xiàn)象導(dǎo)致增厚，越靠近零件自由邊緣增厚現(xiàn)象越明顯。

在加熱條件下，鋼的延展性得到改善，更易于加工，從直觀角度考慮其減薄和加厚情況均應(yīng)得到相應(yīng)改善，但從1/8球面零件加工結(jié)果看，加熱可改善鋼板零件壓制工藝的減薄情況，但會(huì)加劇邊緣增厚情況。在實(shí)際加工時(shí)，應(yīng)注意如下情況：

(1)在設(shè)計(jì)含有該類零件的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)綜合考慮加工設(shè)備和加工場地等因素，盡可能增大球面半徑，并在設(shè)計(jì)圖或技術(shù)文件中可參考?jí)毫θ萜鞣忸^，明確球面零件的名義厚度和最小成型厚度要求[5]。

(2)由于明顯增厚區(qū)域集中在零件自由端，因此對(duì)下料零件加以合適的裕量，加工完成進(jìn)行修割，可減輕成型零件由于壓制工藝產(chǎn)生的明顯增厚情況。

(3)通過邊緣加熱和增加下料鋼板零件厚度的方式，可對(duì)零件板厚減薄情況進(jìn)行一定程度的優(yōu)化。

(4)在采用多點(diǎn)冷壓成型時(shí)，應(yīng)盡可能多選取加工點(diǎn)，對(duì)零件中心區(qū)域和邊緣區(qū)域探索壓制順序和壓制量，在必要時(shí)進(jìn)行零件試制以固化操作流程。

(5)對(duì)于要求較高的鋼板球面零件，可采用增加厚度裕量并在壓制后進(jìn)行車床機(jī)加工修正的方式得到均勻度較高的零件。

4 壓制減薄風(fēng)險(xiǎn)控制流程

船體球面零件的壓制減薄現(xiàn)象是船體結(jié)構(gòu)建造的潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，特別是涉及新材料或采用某種鋼板極限厚度進(jìn)行的設(shè)計(jì)。在船舶設(shè)計(jì)建造可行性研究階段或船廠施工設(shè)計(jì)階段，應(yīng)避免球面零件壓制減薄導(dǎo)致成型零件不滿足技術(shù)條件的建造風(fēng)險(xiǎn)，可通過風(fēng)險(xiǎn)控制流程進(jìn)行有效管控。球面零件壓制減薄風(fēng)險(xiǎn)控制流程如圖10所示。

圖10 球面零件壓制減薄風(fēng)險(xiǎn)控制流程

5 結(jié) 語

船體結(jié)構(gòu)建造需要考慮的因素較多，曲形零件的加工除形位尺寸和厚度指標(biāo)外，應(yīng)考慮加工過程對(duì)材料本身性能的影響，因此應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求、工藝方案和實(shí)際使用工況等進(jìn)行相應(yīng)工藝評(píng)定。通過試驗(yàn)對(duì)大曲率船體球面零件加工工藝進(jìn)行介紹，對(duì)比分析其壓制前后的減薄數(shù)據(jù)，總結(jié)大曲率船體球面零件壓制減薄規(guī)律，并提出球面零件壓制減薄風(fēng)險(xiǎn)控制流程，為船舶的設(shè)計(jì)建造提供參考。