船体曲面成形综述.doc

船体曲面成形工艺综述
【关键词】成形加工；双曲度；船体外板
船体外板的成形加工一直是船体制造中最为复杂的工序之一，随着船舶制造业的蓬勃发展，现在的加工技术以及加工设备已经不能满足造船行业的要求，需要在原有的板材成形技术基础上革新出一种新的成形技术。
1传统成形方法
多年来，国内外船厂对曲面分段中的双曲度船体外板加工，一直是采用人工操作，即水火弯板。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校验[1]。
作为水火弯板发源地日本，早在20世纪70年代就开展了水火弯板自动加工设备的研究，现在的造船强国韩国也研制了自动水火弯板机自动加工系统[2]。我国近20年也来，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[3]。但是，由于水火弯板属塑性弯曲加工，其成形影响因素非常复杂，导致自动控制困难、难度极大，在造船工业发达的国家中，研制的“数控水火弯板机”样机至今也未见获得推广使用。这种双曲度船体弯板加工还是依靠有经验的人工操作、压力机与水火弯曲结合的方式完成。
2成形新工艺
由于缩短造船周期、提高造船质量，实施自动化的和数字化造船的需要。国内外学者开始对非水火弯板的方法进行研究。其中一个主要方向就是用冲压工艺来代替传统的水火弯板方法，基于冲压理论的多点成形技术。
在整体模具中，三维曲面是由模具曲面来形成，但是整体模具适合于大批量生产而且制造成本高。而在多点成形中则是将整体模具离散成有限个高度可调的基本体，由冲头群代替整体模具来完成曲面成形。多点成形方法与传统的模具成形方法的一个主要区别就是具有“柔性”加工特点，即可时时控制基本体的位移和速度。在成形前和成形的过程中改变基本体的位置，从而改变被成形件的变形路径及受力状态，以达到不同的成形结果。多点成形设备这种柔性加工特点能为工件提供更多的变形路径，从而能实现多道次，多点压机成形及分段成形等特有的“柔性”加工方法[4]。
多点成形技术在实际生产中得到了应用，具有如下特点[5]：
实现快速成形；
改善及优化变形路径；
实现精确成形；
小设备成形大型件；
数字化快速成形。
但在这种工艺在成形过程中，由于这种点接触的实际接触面积小，载荷作用在较小的面积上，造成接触点附近的局部区域出现压力大、应力集中对板材易产生不良影响，会出现压痕和皱折缺陷[6,7]。
3.多点成形国内外发展状况
多点成形最早的尝试是在1959年。当时日本东京大学的中岛尚正制作一种新的实验装置。他运用该装置采用钢丝束对用金属丝束生成简易曲面模具进行研究；使用一捆钢丝，随着钢丝轴向位置的不同形成了不同形状的表面。石川岛播磨重工业株式会社的北野于1961年试制了万能调整式压力机来研究对船体外板的弯曲加工。他试制的压力机工作部分由61x16个压头排列组成，用于加工6x1.5钢板。他运用该压力机对板材成形时皱纹的发生及控制进行了探讨，对板材上载荷的分布、屈服条件及塑性失稳等方面也进行了实验研究。虽然该压力机使用的压头数高达976个，但成形精度仍然未能达到预期要求，成形缺陷也没能彻底解决。此外，由于该压力机的压头在调形时耗时较多，效率很低，所以最终未能用于实际生产。西冈富仁雄等人在船体外板的成型自动化方面进行研究时试制了多点式压力机，并针对船体外板无模成形时一些具体问题进行了探讨，如成形曲面的光滑度、回弹量大小与曲面形状的关系等。但终因关键技术以及其他原因，最终未能实现无模成形的实用化。东京工业大学的井关日出男对通用压力机进行了研究后研制出了具有100个压头的成形实验机，并且对基本体的结构进行了试探性研究，但是得出的实验结果一是变形量小，二是当变形量稍大时出现各种不良缺陷。后来，东京大学的野本等人在多点式压力机及成形实验方面进行了研究，在每个压头上都安装了压力传感器，随时监测成形过程中的压力变化，但该研究仅围绕船体外板中变形量较小的曲面件进行整体成形实验。
在美国，对多点成形技术也有许多研究。从1980年开始，美国麻省理工学院的David.E.Hardt[8]等对类似的成形方法进行了长期的研究，同样也制造了实验机。他们采用该设备进行了方筒拉深变形实验，并采用闭环控制原理对上下基本体进行测量以控制成形件的成形精度。1999年开发出的多点拉弯成形装置，但是只能用于拉弯成形形状比较简单的板类件[9]。
韩国的工程技术人员对多点成形也开展了一些研究。二十世纪九十年代中期，韩国科学技术研究院开始了有关多点成形的研究工作，试制了具有10x10排列压头的多点成形装置。但是研究还处于实验室阶段，所获得的试件只是二维成形件。
在我国，多点成形工艺也得到了深入的研究。主要集中在吉林大学