船體曲形板加工用活絡(luò)樣箱的設(shè)計(jì)

魏莉潔，劉建明，孫 翔

（1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程系，江蘇 南通 226010；2.南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司 船體車間，江蘇 南通 226026）

0 引言

為了高效完成船舶的建造，在船體構(gòu)件加工和裝配等過(guò)程中要采用多種工藝裝備設(shè)施。由于船舶建造屬于單件建造或小批量生產(chǎn)，其工藝裝置所消耗的材料較多，從而增加了船舶建造的成本。隨著造船技術(shù)的發(fā)展，船舶建造的方式和設(shè)施發(fā)生了很大的變化，船舶建造的效率和精度要求越來(lái)越高，對(duì)造船用的工藝裝備也有了更高的要求。為了降低成本，增加船舶建造效益，提高船舶建造的機(jī)械化和自動(dòng)化程度，很多企業(yè)都在研究對(duì)現(xiàn)有的工藝裝備進(jìn)行改進(jìn)，探索新型的工裝形式。[1，2]

船舶建造過(guò)程中船體線型是否正確是保證建造質(zhì)量重要因素，船體外板的曲形板在加工過(guò)程中，其曲度的控制極其嚴(yán)格。對(duì)鋼板彎曲形狀的檢驗(yàn)所采用的工藝裝備主要有樣板和樣箱，其用于檢驗(yàn)加工的形狀是否符合船體線型要求。過(guò)去船廠一直采用木質(zhì)三角樣板和木質(zhì)樣箱。目前，國(guó)內(nèi)的三角樣板已逐漸采用活絡(luò)三角樣板，但樣箱還是采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)，這就使得在樣箱制作中必然要消耗大量的材料和花費(fèi)很多工時(shí)，而船舶建造基本是單船建造和小批量生產(chǎn)，這又無(wú)形中提高了造船的生產(chǎn)成本和延長(zhǎng)了造船周期。[3]對(duì)于可調(diào)樣箱，國(guó)內(nèi)船舶企業(yè)研究的較少，且都沒(méi)有應(yīng)用于實(shí)船建造。研究可調(diào)的通用性樣箱，是我國(guó)在船舶建造構(gòu)件加工中的一項(xiàng)重要工藝技術(shù)革新課題，也是保證船舶建造高效率的重要方面。

1 船體曲形板加工用工藝裝置

1.1 曲形板加工用樣板

過(guò)去曲度的鋼板彎曲加工時(shí)一般依據(jù)木質(zhì)三角樣板，而木制三角樣板的形狀要根據(jù)需加工曲形板的型值按肋位分別釘制成形，如圖1所示。每一個(gè)樣板都有一個(gè)直立的柄，柄上有一個(gè)刻度，鋼板經(jīng)過(guò)成形加工后，三角樣板直立其上進(jìn)行曲形檢驗(yàn)，每塊鋼板需要用若干個(gè)三角樣板對(duì)不同肋位處鋼板橫向彎曲形狀進(jìn)行檢驗(yàn)；而檢驗(yàn)鋼板的縱向曲度是否符合，要看各三角樣板直柄上的檢驗(yàn)刻度是否在一條線上。

由于木質(zhì)材料的樣板已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代化造船方式的要求，很多企業(yè)都已采用活絡(luò)樣板?；罱j(luò)三角樣板在使用時(shí)可以垂直外板放置，改變了以往由于肋骨彎度而形成樣板與外板呈夾角而傾斜放置的缺點(diǎn)。它通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算出肋骨的法向面，所以使用簡(jiǎn)便，在實(shí)際操作中更體現(xiàn)了良好的實(shí)用價(jià)值。一次性投資，可長(zhǎng)久反復(fù)地變換調(diào)節(jié)使用，因而節(jié)省了大量的木材和人工?；罱j(luò)三角樣板材料為鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)，重量輕，且有一定的剛度，在調(diào)節(jié)、使用、搬運(yùn)和堆放過(guò)程中不易變形?；罱j(luò)三角樣板主要用于滾壓成形加工外板以及水火彎曲板材構(gòu)件。主骨架為槽鋁，調(diào)節(jié)伸縮桿為薄鋁板，由立桿和橫桿組成“土”字形。以主立桿為中心，通過(guò)伸縮桿帶動(dòng)彈簧鋼帶形成光順的彎曲型線?；罱j(luò)三角樣板的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，均用元寶螺母緊固定位，通過(guò)粗調(diào)和微調(diào)形成任意內(nèi)外相切的連續(xù)弧形，如圖2所示。

圖1 木制三角樣板

圖2 二翼扇形梳狀式活絡(luò)三角樣板

1.2 曲形板加工用樣箱

如果說(shuō)三角樣板是臨時(shí)組合使用的曲面樣板，而樣箱則是制作成固定框架形式的曲面樣板，可以看作是將若干個(gè)三角樣板固定在一起形成的箱形結(jié)構(gòu)。對(duì)于縱、橫向彎曲度嚴(yán)重的外板、首尾柱板、軸殼包板等船體線型特別復(fù)雜而又不能近似展開(kāi)的外板，需要用樣箱供展開(kāi)、號(hào)料、加工、檢驗(yàn)使用。目前企業(yè)中使用最多的是人工釘制的木制樣箱。

樣箱相當(dāng)于從船體上切割下來(lái)的一個(gè)立體部分，樣箱的外表面就是船體外板的內(nèi)表面，即船體理論表面。樣箱釘制的主要工作是剖面選取與展開(kāi)，為了保證線型正確，必要時(shí)可以加中間輔助剖面，其次是要保證樣箱的結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。[4]圖3所示為某木制樣箱，樣箱是由基面板框，肋骨剖面樣板和側(cè)面板框組成。

圖3 木質(zhì)樣箱

復(fù)雜曲形板的加工要用樣箱檢驗(yàn)，樣箱的制作需要大量的人力和物力。一艘船需要用樣箱來(lái)加工的曲形鋼板有幾十張，一種形狀的樣箱只能用于一種曲度板加工，不具有通用性。木制樣箱的堆放也需要較大的場(chǎng)地，且受潮容易變形，不易保存。因此，有些企業(yè)著手開(kāi)始進(jìn)行活絡(luò)樣箱的研制，以降低樣箱的成本，提高樣箱的利用率，減少材料的浪費(fèi)。

2 活絡(luò)樣箱的設(shè)計(jì)

2.1 樣箱制作用型值的選取

某19 990DWT成品油船的尾部某一外板樣箱型值如圖4所示。該型值基于TRIBON系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)曲面建模生成各塊曲度板縱、橫向剖面加工數(shù)據(jù)，可供活絡(luò)樣箱調(diào)節(jié)使用，該系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)有一定的規(guī)律，其縱、橫向間距均取相等數(shù)據(jù)（圖4中為200）。由于外板形狀展開(kāi)后是不規(guī)則的，故邊緣間距不等。該船體尾部區(qū)域某一曲形板的型值可用于該曲形板加工活絡(luò)樣箱檢驗(yàn)型值的調(diào)整。

圖4 101-FR10A-D1003R樣箱型值

2.2 活絡(luò)樣箱設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)木質(zhì)樣箱制作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此設(shè)計(jì)一種可以節(jié)約成本，一次性投入又不是很高，同時(shí)又具有傳統(tǒng)樣箱全部功能的活絡(luò)裝置是很有意義的。根據(jù)TRIBON系統(tǒng)生成的加工數(shù)據(jù)的間距規(guī)律，可以設(shè)計(jì)橫向等間距的單向間距可調(diào)活絡(luò)樣箱，也可針對(duì)間距變化設(shè)計(jì)雙向間距可調(diào)的活絡(luò)樣箱。

（1）單向間距可調(diào)活絡(luò)樣箱。方案一為套管單向間距可調(diào)活絡(luò)樣箱，如圖5所示?；罱j(luò)樣箱由升降管、支柱套管和支撐結(jié)構(gòu)組成。升降管、支柱套管上相應(yīng)位置均有開(kāi)孔，通過(guò)螺栓透過(guò)圓孔固定升降管和支柱套管的相對(duì)位置來(lái)調(diào)節(jié)升降管高度，實(shí)現(xiàn)各點(diǎn)坐標(biāo)的粗調(diào)節(jié)。升降管頂部?jī)?nèi)孔有螺紋，配以長(zhǎng)螺絲，通過(guò)擰動(dòng)長(zhǎng)螺絲可以調(diào)節(jié)其頂部的螺絲高低位置，實(shí)現(xiàn)微調(diào)效果。支柱套管通過(guò)螺栓緊緊固定在支撐橫梁上，支撐橫梁通過(guò)螺栓緊緊固定在底座上。支柱套管有不同規(guī)格的尺寸，可根據(jù)樣箱型值來(lái)選擇，支柱套管長(zhǎng)度系列差為10cm，長(zhǎng)螺絲微調(diào)范圍最大值為10cm。支撐橫梁分為不同組，橫梁的高度根據(jù)樣箱型值最小值來(lái)定，它在底座上也是可以縱向移動(dòng)的，來(lái)適應(yīng)不同肋骨間距要求。支撐橫梁上的套管與支撐橫梁一起組建樣箱的橫向型線。為保證結(jié)構(gòu)的精度，將每根支柱縱向和橫向均用鋼絲線進(jìn)行加固。

圖5 套管單向間距可調(diào)活絡(luò)樣箱

方案二為螺紋桿單向可調(diào)活絡(luò)樣箱，如圖6所示，該活絡(luò)樣箱的最大特點(diǎn)是可拆卸和重復(fù)利用。樣箱的整體結(jié)構(gòu)類似于框架，主要的設(shè)計(jì)思想是在高度不同的框架上加上微調(diào)的桿件從而滿足整個(gè)曲面板檢驗(yàn)的要求。樣箱的主體構(gòu)造是由左右兩側(cè)的滑槽、立柱、橫梁、螺紋桿及一些緊固件和支撐組成。立柱是由不同直徑的大小兩根管組成的螺紋伸縮管及螺紋桿組成。橫梁是矩形的空心桿結(jié)構(gòu)，其上裝有可調(diào)的若干個(gè)細(xì)螺紋桿，上下用螺栓固定，用于橫向線型的微調(diào)。立柱下端、橫梁兩端均焊有開(kāi)孔墊片，在墊片處用螺母將立柱與橫梁及滑槽（上有開(kāi)孔）固定在一起。當(dāng)檢驗(yàn)一張曲形板時(shí)，先調(diào)整間距并固定立柱。在同一肋位或縱向取一個(gè)同一高度平面，利用伸縮管粗調(diào)節(jié)到所需的高度。根據(jù)要檢驗(yàn)曲形板的彎曲情況，將橫梁安裝在伸縮管上側(cè)一定高度處，用螺栓與立柱固定。旋轉(zhuǎn)調(diào)整每一橫梁上的螺紋桿到所需要的高度并固定，實(shí)現(xiàn)微調(diào)。此種樣箱可進(jìn)行縱向間距、高度調(diào)整，立柱和螺紋桿可以拆下來(lái)進(jìn)行保存。每個(gè)立柱、螺紋桿可設(shè)計(jì)成不同的規(guī)格，以滿足不同形狀曲形板檢驗(yàn)的要求。

圖6 螺紋桿單向可調(diào)活絡(luò)樣箱

（2）雙向間距可調(diào)的活絡(luò)樣箱。方案一為片狀雙向間距可調(diào)的活絡(luò)樣箱，如圖7所示，活絡(luò)樣箱由片狀支柱、橫梁、縱向軌道及加固結(jié)構(gòu)組成。X、Y、Z三個(gè)軸向均可調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)方法為：X向是兩根縱向空心圓管軌道，數(shù)根橫向滑動(dòng)槽的兩端用半圓弧鋼片固定其上，橫向滑動(dòng)槽可通過(guò)將半圓鋼片上的螺絲擰松從而沿X方向滑動(dòng)，滑動(dòng)到相應(yīng)位置后，擰緊螺絲，使其固定，實(shí)現(xiàn)縱向調(diào)節(jié)；Y向：橫向滑動(dòng)槽的作用是支撐整個(gè)上部支柱，支柱下端焊接固定在水平滑片上，滑片裝在沿著Y軸方向的滑槽上，滑槽內(nèi)部也有一個(gè)滑片，滑槽內(nèi)部與上部滑片通過(guò)螺栓使其緊固，Y軸方向移動(dòng)可以松開(kāi)滑槽上緊固滑片的螺栓，滑到相應(yīng)位置后擰緊螺栓使其固定；Z向：上部是由數(shù)根豎立的滑動(dòng)片組成，滑動(dòng)片有兩段，下面一段和底座滑槽上的滑動(dòng)片連接，其上開(kāi)有滑槽，上面一段滑片的Z向移動(dòng)是將豎立的滑動(dòng)片間的螺栓松開(kāi)，滑到相應(yīng)位置，再緊固螺栓使其固定，實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié)。

圖7 片狀雙向間距可調(diào)的活絡(luò)樣箱

圖8 套管間距可調(diào)的活絡(luò)樣箱

方案二為套管雙向間距可調(diào)活絡(luò)樣箱，如圖8所示?；罱j(luò)樣箱由可調(diào)節(jié)樣管、橫管、兩側(cè)縱管及緊固連接結(jié)構(gòu)組成?？烧{(diào)節(jié)樣管由升降管、支柱套管和長(zhǎng)螺絲組成，升降管和支柱套管都是圓形管，管上高度方向有均布的開(kāi)孔，由螺栓透過(guò)圓孔固定升降管和支柱套管的相對(duì)位置，由此可調(diào)節(jié)升降管高度，實(shí)現(xiàn)粗調(diào)效果。升降管頂部有螺孔，孔內(nèi)裝有長(zhǎng)螺絲，通過(guò)擰動(dòng)長(zhǎng)螺絲可以調(diào)節(jié)其頂部的螺絲高度位置，實(shí)現(xiàn)微調(diào)效果?？烧{(diào)節(jié)樣管與下部緊固連接件焊接，緊固連接件可在圓管上滑動(dòng)，并通過(guò)螺栓進(jìn)行固定，圓管上刻有尺寸標(biāo)記，方便操作。此樣箱的橫向和縱向均可調(diào)節(jié)。

3 幾種設(shè)計(jì)方案的分析和比較

活絡(luò)樣箱裝置設(shè)計(jì)時(shí)均對(duì)樣箱的通用性功能進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮選用的材料要具有較輕的重量，因樣箱只用于檢驗(yàn)，不需要支撐重量，對(duì)于強(qiáng)度沒(méi)有太高的要求，但要求剛性好。經(jīng)過(guò)分析，這幾種樣箱的共同特點(diǎn)主要有：對(duì)樣箱型值可粗調(diào)和微調(diào)節(jié)，以保證其型值的精確性，使鋼板加工檢驗(yàn)精度更高；雙向間距可調(diào)節(jié)活絡(luò)樣箱裝置既可在高度方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可對(duì)長(zhǎng)、寬方向的間距進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同加工數(shù)據(jù)的曲度板。另外，這幾種設(shè)計(jì)方案各有其優(yōu)點(diǎn)，但還有需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)之處，主要包括：

（1）要保證在橫向調(diào)節(jié)桿在同一垂直平面內(nèi)及確保橫向活絡(luò)框架的穩(wěn)固性?？刹捎迷黾訖M向牽條的方式來(lái)保證，其重點(diǎn)是橫向牽條的安裝位置及方式。

（2）保證樣箱型值端檢驗(yàn)時(shí)的精確性。在檢驗(yàn)端加裝與橫向線型一致的可調(diào)彈簧鋼條來(lái)保證橫向線型。

（3）活絡(luò)樣箱所用材料要使整體結(jié)構(gòu)重量輕，方便操作人員使用?？刹捎娩X制材料及配合部分鋼材做成，也可用合成材料做成，但在接觸鋼板部位可用金屬材料，以防水火加工檢驗(yàn)時(shí)發(fā)生變形。

4 結(jié)束語(yǔ)

曲度板加工用活絡(luò)樣箱是一種通用工藝裝備，可以根據(jù)加工數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)型值，重復(fù)使用，大大節(jié)省了材料，減少了堆放場(chǎng)所。目前，船體外板加工檢驗(yàn)用的活絡(luò)樣箱正處于開(kāi)發(fā)階段，在國(guó)內(nèi)船舶企業(yè)還沒(méi)有真正使用，其裝置的實(shí)用性和可行性要經(jīng)過(guò)一定的研究和試驗(yàn)。本設(shè)計(jì)方案還需完善，但對(duì)船舶復(fù)雜曲度板加工、檢驗(yàn)工裝的改進(jìn)將起到促進(jìn)作用。隨著各企業(yè)對(duì)造船成本的重視及不斷的技術(shù)革新，船體曲度板加工用活絡(luò)樣箱將會(huì)廣泛應(yīng)用于造船生產(chǎn)中，大大提高船舶建造的效率，降低造船成本。

[1]徐兆康.船舶建造工藝學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2000.

[2]魏莉潔.船舶建造工藝[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2010.

[3]肖子熙,霍潤(rùn)熾.船體放樣[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2008.

[4]顧文捷,周玉飛,顧彬彬.一種可調(diào)節(jié)的活絡(luò)樣箱設(shè)計(jì)[J].船海工程,2012(1):28-29.