徐施红 修艳君 王莹

摘 要：船舶生产过程中最重要的环节是三维曲面船板零件的加工成形。传统的三维曲面船板零件的加工方法有两种，分别是：水火弯板和冷弯加工。虽然目前在弯板的加工方法方面已取得了一些成果，但还存在一些技术瓶颈需要突破，例如，加工过程自动化水平较低、生产的成品与实际需要存在误差、弯板的回弹问题及弯板加工过程中产生的压痕无法修复等。

關键词：船用板材；水火弯板；方形多压头成形技术；圆形多压头成形技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.061

目前，三维曲面外板的打造一直依赖于纯手工打造方式，这种方式精度差、效率低且有严格的技术水平要求。对于现代化船舶制造业而言，这种加工模式相对落后，若能冲破相关的技术瓶颈，必将大幅提高三维曲面的质量，使船舶制造业步入新的台阶、带来巨大的经济效益。

1 水火弯板技术

水火弯板技术主要基于热弹塑性变形理论。这种技术主要利用火焰加热和水冷却的方法，使局部热胀冷缩，进而产生永塑性变形。

日本造船业较为发达，是水火弯板技术的发源地，对水火弯板技术做了大量研究与改进，并对其发展做出了巨大的贡献。造船界早在20世纪50年代末就开始研究水火弯板技术，但并未取得较大突破。直到80年代末，伴随着计算机技术的发展，水火弯板技术才开始取得突破性进展。日本九州工业大学T.Terasaki，M.Mizukami，M.Nakatani等利用了有限元分析（FEM）的方法分析了横向曲率半径、火加热时间长度和水冷却时间长度等不同因素对水火弯板的影响。T.Terasaki，K.Yamaguchi，T.Nomoto等利用激光成型试验，分别研究了不同厚度、横向半径、加热长度和宽度条件下的水火弯板横向收缩程度和角变形程度。M.Ishiymaa，Y.Tango，Y.Nakamura等开创了水火弯板加工系统自动化的先河，并在IHI所属的船厂进行试应用。

韩国汉城国立大学J.G.Shin，J.H.Lee，J.H.Nam等通过利用单曲率板模型对鞍形板的加工过程进行模拟，开发了一套具备钢板板壳建模、加热信息计算、曲面板近似模拟等功能的系统，该系统已被编程进软件系统并进入试应用阶段。

进行水火弯板技术研究工作的人员还有很多。Moshniov、Vorus、Kitamura等利用数值模型方法对水火弯板技术进行模拟；Letcher、J.S.Lee、Y.Ueda等利用逆向思维方法，通过将水火弯板过程当做外板展开的逆过程确定了水火弯板加工技术的所有工艺参数。

相对于国外对于水火弯板技术的研究，我国起步较晚。在我国首先对水火弯板技术进行研究的院校是上海交通大学、大连理工大学等。上海交通大学的汪建华通过回归分析、弹性有限元、三维热弹塑性有限元等方法计算出不同冷却状态下构件的变形程度并进行数值模拟，为水火弯板成形的影响因素研究提供了新的方法。大连理工大学纪卓尚、刘玉君等与当地造船行业公司合作研发了超音频感应加热的水火弯板机。

虽然目前在自动化水火弯板加工技术方面已投入了大量人力、物力和财力，但始终未有突破性进展，主要表现在研究进度缓慢、参数预报方法不能适用于各种形状的船体板。机器制造水平较低、智能化程度不够高，仍旧依赖于人工操作。由于细微的因素都会造成弯板形状的不同，给弯板成形控制带来许多困难。

2 多压头成形技术

多压头成形技术适合船体外板的成形加工，它的基本原理是将模具分散成若干个冲头，用冲头群进行板材的加工成形。上下冲头所形成的的包络面即为板材的弯曲程度，可以根据实际所需的弯曲程度调整冲头的高度。这种方法无需建模就可以制造出不同的形状曲面。多压头成形加工技术适用于多品种、小批量的大型板类零件的制造，尤其适合船体外板的加工成形。

2.1 圆形多压头成形技术

1973年，西冈富仁雄等为实现船体外板三维曲面的自动化成形试制出了圆形多压头式压力机，但最终由于经费问题未将技术应用于实际生产。1976年熊本等人研发了三列压力机以解决实现船体外板自动成形技术难题，但由于该压力机整体设计不合理，只能使板材发生较小的弯曲。1989年井关日出男深入研究了通用压力机原理，并制成了成形实验机，该实验机由100个冲头组成。但该实验机的实验结果显示，若板材所需的变形量较大，那么便会带来各种缺陷。1990年，野本等人通过在圆形多压头压力机的冲头上安装压力传感装置，实时测试板材成形时各部位压力值。由此可见，这一时期的圆形多压头成形技术还有待完善，存在费用较高、精度较差、成品合格率低等。

国内在多点成形方面的研究也并不顺利。吉林大学李明哲研制出了无模多点成形样机。其主要工作原理是将传统模具分解为多个基本体，各个基本体的排列规则且高度可调，通过对各个基本体的控制实现对曲面的构造。这种无模多点成形技术虽然实现了板材的无模成形，但也存在很多缺点，如加工过程中出现褶皱、边缘反翘等。

从上述分析可知，国内外在圆形多点成形技术的研究经历了工具开发、实验和理论形成三个阶段。但由于圆形多压头成形技术还存在一系列问题如：精度较差、成品合格率低等，使这项技术并未在造船业实际投入使用。

2.2 方形多压头成形技术

武汉理工大学王呈芳、胡勇等研制出了双曲度板材加工成形方法，这种方法基于“活络式方形压头曲面成形装置”，实现了三维曲面船体外板加工的自动化成形。该设备的特点表现在三个方面：一，成形后的曲面光滑。此种模具的每个基本体相当于一个平面，众多基本体构造一个曲面，可使曲面光滑；二，压痕较少。活络式方形压头与半球形压头的主要区别是方形压头可保持与板材表面的接触，避免半球形压头对板材的剪切作用；三，避免褶皱的出现。在板材加工过程中，该装置采取的是非对压方式，能够确保板材均匀受力，降低褶皱的出现概率，提升板材的成形质量。

参考文献：

[1]龚学鹏.三维曲面板类件的多点滚弯成形研究[D].吉林大学， 2010.

[2]郑贝佳.基于ANSYS/LS-DYNA的船体外板非对压多压头冲压成形数值模拟研究[D].武汉理工大学，2013.

作者简介：徐施红（1979-），女，上海人，本科，工程师，研究方向：船舶结构。