三维曲面船体外板成形加工的新方法

王呈方1 胡 勇1 李继先1 张灿勇2 范正勇2 马军伟2

（武汉理工大学交通学院1） 430063） （山东硕力机械制造有限公司2） 210007）

A Novel Forming Method for 3D Ship Hull Forming

Wang Chengfang Hu Yong Li Jixian Zhang Canyong Fang Zhengyong Ma Junwei

School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063 1)Shandong Shuoli Machinery Manufacturing Co. Ltd, Shandong 210007 2)

Abstract: Different from traditional line-heating forming and rolling forming for ship hull plate in shipyard, a novel forming process for 3D ship hull plate is proposed in the paper. It is multi-point forming mechanism with square press heads, which is reconfigurable die. By adjusting the height of each press head, the upper die and lower die can form. The plate can stamped by the dies. The paper presented the composite and working principle, and experiments for the sail-shaped plate and saddle-shaped plate forming were carried out. The results show it is practical. Keywords: ship hull plate; forming; doubly curvature; reconfigurable die；shipbuilding

摘 要：国内外船厂通常采用人工操作压力机与水火弯曲相结合的方式进行双曲度船体外板加工，这种方式生产效率低、质量差、环境差，成为造船过程中的瓶颈。本文提出了基于“方形压头可调活络模具板材曲面成形装置”的板材成形新方法。它通过一组方形压头组成的可调活络模具代替传统的整体模具，实现对板材冲压时压痕及皱折的有效控制。介绍了其组成及工作原理，并通过帆形板、鞍形板成形试验验证了其可行性。

关键词：船体外板；成形加工；双曲度；可调活络模具；造船

多年来，国内外船厂对曲面分段中的三维曲面（双曲度）船体外板加工，一直是采用人工操作，即使用压力机与水火弯曲结合方式进行的。由于主要依赖操

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作人员的技术和经验，技术复杂，工作条件差，熟练工人日渐缺乏。这种生产方式效率低、弯板质量不能保证、环境污染严重、成为造船过程中的瓶颈。

鉴于国内外曾投入了大量人力和财力研制的“数控水火弯板机”，进展并不理想，离实际应用仍有较大的距离，因此，为解决船体外板加工的自动化和数字化，需另辟蹊径。本文提出了使用“方形压头可调活络模具板材曲面成形装置”，的三维曲面船体外板自动成形加工的新方法。

1 国内外船体外板加工技术的概况

随着船厂大型门式油压机、辊板机等设备的添置，三维曲面（即双曲度）船体外板的成形加工条件得到很大的改善。其常用的方法介绍如下： 1.1 水火弯板方法

水火弯板，通常是先使用辊板机或油压机对板材进行横向曲度的弯曲加工成形，然后再在纵向上使用水火弯板技术进行水火线加热，实现纵向曲度弯曲成形。加工过程要靠样板或样箱进行对比和检验。目前绝大多数双曲度船体外板都是采用有经验的人工操作、压力机与水火弯曲结合的方式完成的。其生产效率低、劳动强度大、成形精度难以控制，对工人的技术水平要求高，这已成为缩短造船周期、提高造船质量，实施自动化和数字化造船的重大障碍之一。

几十年来，世界各主要造船国家都在不断开展“数控水火弯板机”的研究，并已取得一定的进展。作为水火弯板发源地的日本，早在二十世纪70年代就开展了水火弯板自动加工设备的研究，如东京大学、大阪大学、日本钢管公司、石川岛播磨重工等，均开展过水火弯板理论及设备方面的研究。美国、西班牙、意大利、丹麦等国家也试制过自动水火弯板设备。现在的造船强国韩国也研制了自动水火弯板自动加工系统［1］。

我国近20年以来，也进行了“数控水火弯板机”的研发，例如大连理工大学、上海交通大学分别与有关船厂联合进行了研究开发［2］。

但是，由于水火弯板属热塑性弯曲加工，其成形影响因素非常复杂、致使自动控制困难、难度极大，在造船工业发达的国家中，以上研制的“数控水火弯板机”样机至今也未见获得推广使用。

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1.2 冲压与碾压结合的弯板方法

对于三维曲面船体外板，先使用油压机进行横向曲度的弯曲加工成形，再使用滚压设备的上、下滚轮对钢板进行纵向滚动碾压，使板材在纵向上产生不同的伸长变形，达到实现三维曲面成形，这种手工操作的方法在欧洲的船厂中有使用，但要实现自动控制也很困难。 1.3 船板多压头式成形方法［3］

为解决三维曲面船体外板的自动加工，较早时原东德曾进行过“多压头式数控弯板机”的研制，其主要思想是通过上、下圆形压头阵列排列形成三维曲面，将整张外板放入其中，并对其施加压力而弯曲成形。日本造船界也研制了一种通用“多压头式数控弯板机”。但是，由于这种设备庞大，投资费用较高，受技术困扰，研究未取得成功。

2 三维曲面船体外板成形加工的新方法

综上所述，目前船厂使用的船体外板的加工技术与设备，已极其不适应造船生产的自动化、数字化和绿色环保生产的发展要求，为此，经过长期的研究、在总结机械式弯板的基础上，考虑绿色环保生产，提出了基于“方形压头可调活络模具板材曲面成形装置” ［4］的船体外板新的加工方法，并在此基础上开展了“船舶三维曲面数控弯板机”的研究，以实现三维曲面船体外板加工的机械化与自动化。

2.1方形压头可调活络模具板材曲面成形装置

为解决大型船舶三维曲面船体外板的自动成形加工问题，改水火加工为自动机械冷弯加工，消除板材在冲压过程中产生的皱折变形和减少压痕，提高加工质

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量和效率，提出了“方形压头可调活络模具板材曲面成形”的新方法，并申请了中国专利（专利申请号：200910014794.6）。

如图1所示，方形压头可调活络模具板材曲面成形装置主要由上、下两组带有可摆动的方形压头1、高度能够进行调节的可调模4和加载机构6组成。上端可调模4能在加载机构6的驱动下可上下移动。

一组M×N个可摆动的方形压头1 安装在固定框架3内的支撑体2上，组成下可调模4；由一组（M－1）×（N－1）个可摆动的方形压头1安装在固定框架3内的支撑体2上，组成上可调模4；上、下可调模4中的每个方形压头1的高度均可进行调节，且上、下可调模4的方形压头1在纵横两个方向均相互错位排列；方形压头1的一面为施压面、另一面为半球面1（b）；半球b部分坐落在支撑体2的带有凹形球面的内端面上、并通过弹簧8与方形压头1柔性联结。

图1 “方形压头可调活络模具板材曲面成形装置”与加工示意图 1-方形压头；2-支撑体；3-固定框架；4-上、下两组可调模； 5-设定曲面；

6-加载机构；7-板材；8-弹簧；9-螺杆；10-电机

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支撑体2的另一端通过螺杆9与电机10连接，这样，方形压头1、支撑体2、弹簧8、螺杆9与电机形成一个压头单元体。通过数控方法控制电机，便可调控压头单元体的高度，即方形压头1的高度。

对板材7施压时，方形压头1对板材为面接触。方形压头1之间的间隙小，与板材的接触面积大，压强减小；同时，方形压头1对板材的覆盖面大，且上、下可调模的方形压头1为错位排列，当上、下可调模夹紧板材时，上、下可调模4中的各方形压头1能互相支撑，即上模的每个压头由下模相应的四个压头支持，反之下模的每个压头由上模相应的四个压头支持，导致压头只能按照曲面要求的方向进行倾斜排列。

使用方形压头可调活络模具的板材曲面成形方法，可迅速构筑成一个密集的、方形压头之间间隙非常小的、压合面积最大的可调活络模具的曲面，该方形压头1的尺寸越小、方形压头1之间间隙越小，曲面造型的光顺性和成形质量越好，能较好的替代昂贵的整体式模具；由方形压头形成的可调活络模具与其它多压头或多点板材成形方式的压头相比，压头与被加工件的接触面积最大，几乎能全部压住被加工的板材，由于压强减小，能减少压痕缺陷；同时由于上、下可调活络模具中的方形压头，在纵向和横向均是交错对称排列，夹紧板材时能互相支撑，活络模具的夹头不会因板材变形导致产生倾斜摆动，因而能强制板材在限定的上、下可调活络模具形成的曲面间隙中进行塑性成形，如同整体式模具一样，能防止板材皱折缺陷的产生，显著的提高了板材的成形质量。

完成一段板材的成形之后，使上基本体群的各活络半球压头升起，将上、下基本体群的各活络半球压头再次调节构造成需要的新的曲面形状，之后进料一段，再压制弯曲成形。逐段构造曲面，逐段进料，逐段弯曲，直至完成整张板材的成形加工。

船舶是超大型结构物，造船中的船体外板相同构件的批量极少、形状复杂、尺度大，曲率较小，不可能采用整体式的大型模具进行冲压成形。这里提出的“方形压头可调活络模具板材曲面成形装置”，也是将传统的整体模具离散化，变成形状可变的“可重构模具（reconfigurable die）”［5］，则可用于多种形状的板件成形。

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3 板材成形实验与分析

3.1 板材成形实验设备

实验设备由上、下模具、压力机等组成。下模有10×10个方形压头，上模为9×9个方形压头，方形压头的尺寸为58×58mm。 3.2 板材成形实验结果

在实验设备上进行了大量的板材成形实验。其中，选用60×60mm的、厚度为6～10mm的若干钢板试件，按模拟船体外板的曲度大小，进行了“帆形”与“鞍形”等典型的三维曲面的成形试验。弯板实验情况举例如下：

“帆形”板的成形实验见图2；“鞍形”板的成形实验见图3。

从图2、图3中可以看到，使用“方形压头可调活络模具”可构筑成一个密集的、间隙非常小的、压合面积最大的的三维曲面，可代替整体模具；其加工成形的“帆形”与“鞍形”工件，其曲面基本光顺，压痕小，无皱折变形。

（a）压头构造的三维曲面

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（b）压制后情况

（c）帆形工件

图2 “帆形”板（10mm）的成形实验照片

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（a）压头构造的三维曲面

（b）压制后情况

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（c）鞍形工件

图3“鞍形”板（6mm）的成形实验照片

3.3 板材成形实验结果分析

经过研究之后，由“方形压头可调活络模具”成形的工件，均能达到：成形曲面基本光顺、压痕小和无皱折变形的效果。究其原因具体分析如下：

（1）成形曲面基本光顺的原因

“方形压头可调活络模具”能较好的进行任意曲面造型，由许多小的平面去构造一个曲面，造型曲面比较光顺。如果方形压头的尺寸越小，曲面造型的光顺性就会越好，成形的质量也就会更好。但是，压头的数量增多，会造成设备费用增加。因此需要根据实际情况，在保证工件满足光顺性的前提下，尽量选取大尺寸的压头，以减少数量，从而降低设备造价。

（2）压痕小的原因

“方形压头可调活络模具”与其它形式的多压头或“多点”成形装置的压头相比，压头与被加工件的接触面积最大，几乎能全部压住被加工的板材，在相同的压力下，由于接触面大，挤压应力变小，是获得压痕小的主要原因。

（3）能防止皱折变形的原因

不同于“多点成形装置”［6］，“方形压头可调活络模具” 之所以能防止产生皱折变形的原因是：由于上模压头方阵与下模压头方阵在平面上的X、Y方向上是错位排列的。压弯时，上模的每个压头由下模相应的四个压头支持，反之下模的

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每个压头由上模相应的四个压头支持，导致压头只能按照曲面要求的方向进行倾斜排列，不可能再随意产生新的倾斜摆动。

对板材施压夹紧过程中，开始板材会产生翘曲；由于压头与被加工件的接触面积最大，相邻夹头之间的间隙很小，随后由于上、下模夹紧逐渐合拢时，就能够逐渐强制板材仅在限定的上、下可调活络模具形成的曲面间隙中，被进行拉伸或压缩的塑性变形，最终迫使板材的翘曲得以展平。

其实，这时的可调活络模具与传统的整体模具极为相似，如同整体式模具，只要夹紧力足够大，就能使板材充分的在上、下活络模形成的压合曲面的间隙中，进行拉伸或压缩变形，基本消除了板材产生皱折的可能性。另外，三维曲面船体外板的曲度一般比较平缓，也无需采取传统的压边等防止皱折的措施。

4 研制新型 “船舶三维曲面数控弯板机”的可行性分析

使用新提出的“方形压头可调活络模具板材曲面成型装置”的成形方法，与现代的计算机技术、信息技术、现代测控技术的渗透、交叉融合与支撑，将会比较容易的推出“船舶三维曲面数控弯板机”，这或许是取代或大部分取代水火弯板加工的一个有效途径。

在板材加工原理、弯曲加工装置设计、自动调形、自动检测、数学建模研究和大量弯板试验的基础上， “船舶三维曲面数控弯板机”样机正在试制中，它由方形压头可调活络模具冷压弯板机、自动控制系统、激光三维测量机和进料装置等组成。它将根据数学放样获得的船板加工数据，使用专门的计算和控制软件，自动进行活络模的调形，自动进行三维曲面船板成形加工，实时进行回弹后形状测量和进行回弹补偿等。

若开发成功，将使三维曲面船体外板的加工实现机械化、自动化和数字化，对提高船体外板成形质量、提高生产效率，改善劳动条件、实现绿色生产，产生有益影响。

5 结论

以上弯板实验结果证明，“方形压头可调活络模具板材曲面成形装置”，可进行任意曲面造型，压合面最大，压痕小，能较好地防止板材因受压失稳而产生有害的皱折变形。该装置能解决大型船体外板成形时产生皱折的难题，能做到绿色环保生产，也为实现大型船体外板自动加工提供了新的途径。

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参考文献：

1. Jong Gye Shin, Cheol Ho Ryu, Jang Hyun Lee, and Won Don Kim. User-Friendly, Advanced Line Heating Automation for Accurate Plate Forming[J]. Journal of Ship Production, Vol. 19, No. 1, February 2003, pp. 8–15

2. 汪骥，刘玉军，纪卓尚，邓燕萍. 鞍形板水火加工工艺参数预报方法研究[J]. 中国造船，2005, 46（4）：52-57

3. 王勇毅，高万盈. 船体建造工艺学[M]，人民交通出版社，1980年12月，第141页

4. 王呈方，焦和桐，胡勇等. 方形压头可调活络模具板材曲面成形装置[P]. 中国专利（专利申请号：200910014794.6）

5. 陈婷, 宋爱平，王树峰，王召磊. 模具可重构技术与杆系柔性成形模具[J]. 模具技术，2007（5）：5-11

6. 李明哲, 陈建军. 板材三维曲面多点成形技术[J]. 新技术新工艺，2000（10）：27-29

转载自：武汉理工大学学报（交通工程版2010第3期）

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