船體外板多點數(shù)字化成形技術(shù)研究

李 寧，鮑海閣，彭 杉

●（1．海軍駐葫蘆島渤海造船廠軍代表室，遼寧葫蘆島 125004；2．駐長春地區(qū)航空軍代表，長春 130000；3．海軍駐704研究所軍代表室，上海 200031）

船體外板多點數(shù)字化成形技術(shù)研究

李 寧1，鮑海閣2，彭 杉3

●（1．海軍駐葫蘆島渤海造船廠軍代表室，遼寧葫蘆島 125004；2．駐長春地區(qū)航空軍代表，長春 130000；3．海軍駐704研究所軍代表室，上海 200031）

船體外板曲面大都是由復(fù)雜的不可展空間曲面構(gòu)成的，其彎曲成形目前仍靠手工完成，成為了船體建造數(shù)字化的瓶頸之一。為了實現(xiàn)船體外板的數(shù)字化加工，根據(jù)船體外板成形的技術(shù)要求，提出了將目前迅速發(fā)展的多點數(shù)字化成形技術(shù)應(yīng)用于船體外板成形的技術(shù)方案，通過實驗證明：多點成形技術(shù)可較好地完成船體外板的數(shù)字化成形，經(jīng)過精度檢驗可以用于船體外板的成形加工。

船體外板；數(shù)字化加工；多點成形

0 引言

在船舶制造中，船體建造的數(shù)字化是技術(shù)發(fā)展趨勢，其中彎曲加工之前的船體設(shè)計、放樣、展開、號料、切割均實現(xiàn)了數(shù)字化，其后的裝配、焊接也實現(xiàn)了機(jī)械化和流水作業(yè)，只有船體外板曲面件加工這一環(huán)節(jié)仍靠手工完成，成為船體建造數(shù)字化的難點之一[1]。其次，如何將不同厚度的鋼板加工成所需要的三維曲面零件，打造合格的流線型外體是船體外板制造的難題。長期以來，對于柱面等二維形狀采用卷板或壓彎的方式成形；而對于船首、船尾等船體部位的多向曲度板要么采用水火彎板的手工方式，成形效率低、精度無法保證，要么采用模具成型方式，一件一模，成本很高。多年來國內(nèi)外的學(xué)者及工程人員一直在探討船體外板新的加工方法。

多點成形技術(shù)是金屬板材三維曲面成形的一種新方法，近年來在國內(nèi)外得到快速發(fā)展，特別在中厚板材柔性成形方面已經(jīng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)。多點成形技術(shù)已成為船體外板數(shù)字化成形的重要前景方向之一，本文設(shè)計了一套船體外板多點數(shù)字化成形方案，并通過實驗進(jìn)行了驗證。

1 船體外板加工的概況

傳統(tǒng)的船體外板彎板方法主要有機(jī)械冷彎法和水火彎板法，目前迅速發(fā)展的多點成形法將是船體外板彎板具有重要前景的方法。

1.1 機(jī)械冷彎法

對于三維曲面船體外板，先使用油壓機(jī)進(jìn)行橫向曲度的彎曲加工成形，再使用滾壓設(shè)備的上、下滾輪對鋼板進(jìn)行縱向滾動碾壓，使板材在縱向上產(chǎn)生不同的伸長變形，達(dá)到實現(xiàn)三維曲面成形，這種手工操作的方法在歐洲的船廠中有使用，但要實現(xiàn)自動控制也很困難[2]。

1.2 水火彎板法

水火彎板，是指沿預(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彎板方法。目前絕大多數(shù)雙曲度船體外板都是采用有經(jīng)驗的人工操作、壓力機(jī)與水火彎曲結(jié)合的方式完成的，已成為縮短造船周期、提高造船質(zhì)量，實施自動化和數(shù)字化造船的重大障礙之一。雖然清華大學(xué)等單位研制成功水火彎板智能機(jī)器人，但目前由于加工精度和成型質(zhì)量問題還不能用于船體外板成形，即便在造船業(yè)發(fā)達(dá)的國家，研制的“數(shù)控水火彎板機(jī)”也還沒有獲得推廣應(yīng)用[3]。

1.3 多點成形法

為解決三維曲面船體外板的自動加工，較早時原東德曾進(jìn)行過多壓頭式數(shù)控彎板機(jī)的研制。其主要思想是通過上、下圓形壓頭陣列排列形成三維曲面將整張外板放入其中，并對其施加壓力而彎曲成形。日本造船協(xié)會設(shè)計過船體外板自動成形裝置，核心部分由15×15個間隔排列的沖頭組成，因未能解決好關(guān)鍵技術(shù)問題不能實現(xiàn)實用化。國內(nèi)的多點成形研究工作主要集中在吉林大學(xué)[4]。吉林大學(xué)李明哲開發(fā)了多點成形實用化技術(shù)，研制了集CAD/CAM/CAT于一體的無模多點成形樣機(jī)，目前正在船體外板成形上展開應(yīng)用研究。

2 多點成形技術(shù)原理

多點成形技術(shù)是用于板料成形的新技術(shù)，它將傳統(tǒng)的整體沖壓模具離散成規(guī)則排列的基本體（或稱沖頭）矩陣，形成多點式、數(shù)字化控制的模具，如圖1所示?；倔w高度方向的位置坐標(biāo)由計算機(jī)自動控制，調(diào)整基本體的高度，構(gòu)造出具有不同成形面的模具，與壓力機(jī)配套，進(jìn)行各種形狀零件的快速、數(shù)字化塑性冷成形。該技術(shù)已經(jīng)在高速列車流線型車頭覆蓋件成形、新一代艦艇鈦合金整流罩成形、新型戰(zhàn)車送彈器螺旋導(dǎo)引零件成形、衛(wèi)星天線成形以及建筑鋼構(gòu)件、裝飾件成形等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

圖1 多點式數(shù)字化成形

3 船體外板多點成形技術(shù)方案

3.1 多點化數(shù)字成形系統(tǒng)

根據(jù)船廠的技術(shù)需求及成形質(zhì)量要求，研究船體建造數(shù)字化成形技術(shù)，研制船板多點數(shù)字化成形設(shè)備。

如圖2所示，多點數(shù)字化成形設(shè)備由CAD/CAM軟件、計算機(jī)控制系統(tǒng)以及上下多點可變模具三大部分組成。CAD軟件是用于多點成形的專用軟件，它可以通過手動輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行不同幾何型面的造型，也可以通過數(shù)據(jù)接口接收CATIA、UG等不同商業(yè)CAD軟件的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型（根據(jù)需求可開發(fā)與CADDS5，TRIBON軟件的接口），經(jīng)過工藝計算后產(chǎn)生數(shù)控代碼，傳輸給計算機(jī)控制系統(tǒng)；計算機(jī)控制系統(tǒng)通過工業(yè)現(xiàn)場總線，在主控計算機(jī)的指揮下，與分布于每個沖頭后端的數(shù)控模塊進(jìn)行通訊，同時調(diào)整所有沖頭到所需要的高度，從而得到所設(shè)計的上、下模面形狀，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的上下模具，在油壓機(jī)的作用下，進(jìn)行船板三維曲面成形。

圖2 多點數(shù)字化成形系統(tǒng)組成

3.2 船體外板成形技術(shù)要求

在船體建造中船體外板成形有其明確的技術(shù)要求，相對于高速列車車頭覆蓋件、衛(wèi)星天線等多點成形技術(shù)已應(yīng)用的板材，船體外板采用的板料屈服強(qiáng)度較高、厚度和零件尺寸較大，而且變形量也有嚴(yán)格的控制要求。船體外板加工中既有較薄的板材（例如潛艇的非耐壓殼體板），也有較厚的板材（例如潛艇的耐壓殼體板），它們的成形技術(shù)要求如表1所示。

表1 船體建造中薄板和厚板成形技術(shù)要求

3.3 技術(shù)方案

根據(jù)船廠的技術(shù)需求，綜合考慮設(shè)備成本及多點成形質(zhì)量要求，制定兩個技術(shù)方案。一個方案用于解決船體薄板的成形要求，另一個用于船體厚板的數(shù)字化成形。技術(shù)方案1如圖3所示，每面多點可變模具由40×30個沖頭組成，一次成形面積為2m×1.5m，經(jīng)過分段成形，可以得到1.8m×6m，甚至更大尺寸的零件。多點模具可以安裝于船廠現(xiàn)有的油壓機(jī)上，也可以設(shè)計制造專用油壓機(jī)。在計算機(jī)的控制下，其模面形狀可以任意調(diào)整，從而可以用于加工不同幾何形狀的船板零件。技術(shù)方案2中每面可變模具由14×10個沖頭組成，一次成形面積2.1m×1.5m，經(jīng)過分段成形，可以得到2m×6m，甚至更大尺寸的零件。

圖3 多點式數(shù)字化控制模具

3.4 基本體群坐標(biāo)與型面

設(shè)計曲面形狀是一個空間三維曲面，而基本體群型面由基本體端部球頭組成的包絡(luò)面，因此要根據(jù)目標(biāo)曲面的坐標(biāo)和形狀分別計算出上下基本體群的型面。首先求出基本體球頭與外板曲面的共切點，從而得到各基本體的高度[5]。設(shè)目標(biāo)曲面的上表面方程為p=p(u, v)，板材的厚度為t，基本體的球頭半徑為r。

其中，pu(u, v)和pv(u, v)分別是目標(biāo)曲面方程p(u,v)對u和v的一階導(dǎo)數(shù)。

盡管式（1）和（2）是基于解析方程描述的規(guī)則曲面推導(dǎo)出的，對于由分片樣條曲面表示的復(fù)雜船體外板表面其原理相同。由于基本體的水平位置固定，因此基本體球心的x，y坐標(biāo)已知，由式（1）可以求得基本體球心z坐標(biāo)和上下共切點與，從而將一個需要成形的三維曲面轉(zhuǎn)化為上下基本體群中所有基本體球心高度值構(gòu)成的高度值矩陣。經(jīng)過進(jìn)一步成形工藝計算、檢驗之后，該高度值矩陣由CAD軟件傳輸?shù)接嬎銠C(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)每一個基本體的高度值。

根據(jù)上述原理采用多點化數(shù)字成形系統(tǒng)對技術(shù)方案1和技術(shù)方案2進(jìn)行實驗驗證，以技術(shù)方案2為例，即船體外板中的厚板成形方案，根據(jù)某一船體外板的曲面型值，得到基本體群的高度值矩陣，其中上側(cè)高度值矩陣如表2所示，并經(jīng)過工藝計算和檢驗后輸入到CAD/CAM多點成形系統(tǒng)中，基本體群經(jīng)過調(diào)整后如圖4所示，該外板成形的結(jié)果如圖5所示。

表2 上側(cè)基體群的高度值矩陣

從圖 5可以看出多點數(shù)字化成形系統(tǒng)較好地完成了船體外板的成形加工，實現(xiàn)了加工的數(shù)字化操作，并且經(jīng)過船廠精度檢驗可以用于船體外板的成形加工。

續(xù)表2

圖4 基本體群的設(shè)置和調(diào)整

圖5 船體外板成形的結(jié)果

4 結(jié)束語

本文根據(jù)船體外板成形的技術(shù)要求，提出了將多點數(shù)字化成形技術(shù)應(yīng)用于船體外板成形的方案，分別對船體外板的薄板和厚板進(jìn)行了實驗驗證分析，實驗結(jié)果表明多點數(shù)字化技術(shù)可較好地實現(xiàn)船體外板加工的數(shù)字化，經(jīng)過船廠精度檢驗成型的板材能夠滿足生產(chǎn)精度要求。

[1]紀(jì)卓尚, 劉玉君. 船體曲面鋼板加工技術(shù)研究和展望[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報, 2001, 41(5): 505-510.

[2]王呈方, 勇胡, 李繼先, 等. 三維曲面船體外板成形加工的新方法[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報: 交通科學(xué)與工程版, 2010, 34(3): 431-434.

[3]蘇紹娟, 胡勇, 王呈方. 船體三維曲面外板成形工藝方法研究進(jìn)展[J]. 中國造船, 2012, 53(2): 211-216.

[4]張慶芳, 李明哲, 蔡中義. 多點數(shù)字化成形技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2010(7): 42-44.

[5]劉純國, 蔡中義, 李明哲. 三維曲面鋼板多點數(shù)字化成形技術(shù)[J]. 造船技術(shù), 2009(4): 17-19, 33.

Research on Ship Hull Multi-Point Digital Forming Technology

LI Ning1, BAO Hai-ge2, PENG Shan3
(1. Naval Representative Office in Bohai Shipyard, Liaoning Huludao 125004, China; 2. Air Force Representative in Changchun, Changchun 130000, China; 3. Naval Representative Office in No. 704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

Ship hull surface is mostly composed of complicated undevelopable surfaces. The bending of the hull is still done by hand, which becomes the bottle neck of digital ship hull forming. According to the technical requirements of ship hull forming, the multi-point digital forming technology is used in order to digitalize the ship hull forming process. The test results show that multi-point digital forming technology can meet most of the requirements in digital ship hull forming. It can be applied to the ship hull forming process after the accuracy tests.

ship hull; digital forming process; multi-point forming

U671.3

A

李寧（1977-），男，工程師。研究方向：艦船制造。