大曲率船体球面零件压制减薄规律

周科伟，胡 月，翟伟国

(1.江南造船(集团)有限责任公司，上海 201913；2.中国船舶重工集团有限公司第七二五研究所，河南 洛阳 471023)

0 引 言

1 建立研究模型

1.1 大曲率船体球面零件特点

船体舱室结构综合考虑规范、布置、舱容和货物类型等因素，一般由平面舱壁之间互相角接形成多面体舱室结构。在具有承压要求的舱室结构中，若角接无法满足耐压要求，则平面舱壁之间一般通过圆弧过渡，相邻的3条圆弧过渡棱围成的隅角即形成标准球面零件。由于舱壁之间呈钝角或直角，因此隅角形状一般不超过1/8标准球面，此类零件一般曲率较大，大部分球面半径不超过800 mm，如某液化气船液货舱隅角与某船方舱结构隅角。大曲率船体球面零件如图1所示。

图1 大曲率船体球面零件示例

1.2 研究模型

为研究大曲率船体球面零件的减薄规律，以1/8标准球面零件(见图2)为对象，阐述目前船舶建造的钢板零件加工成为大曲率船体结构球面零件的方法，根据现有模具条件及试验时的余料钢板情况进行球面零件压制试验。通过分析试验零件在不同压制方案中加工前后的板厚数据变化情况，总结大曲率船体球面零件压制后的减薄规律及实际应用时的注意事项，并提出针对船体球面零件压制减薄现象造成船舶建造潜在风险的控制流程。

图2 1/8标准球面零件

2 工艺方法

球面是典型的不可展曲面，无法得到其精确展开面，只可通过分割法进行近似展开。按照现代造船工艺，一般采用模具压制成型。球面零件压制模具如图3所示。

图3 球面零件压制模具示例

压制成型是通过模具对板料施加外力，使其产生塑性变形，得到需要的曲面形状。对于球面零件的模具压制，按照零件球面大小和设备加工能力，可采用将同曲率零件合并为较大零件加工或单块零件加工的方式。为防止钢板在加工时开裂和提高延展性，可在加热后压制，但需要避开钢板蓝脆区温度(一般为250～350 ℃)。考虑脱模过程，模具压制工艺可加工的最大零件为半球面零件。对于研究模型中的1/8标准球面零件，可采用如下2种方案实现：

(1)半球面零件加工方案

加工1个半球面零件，通过锯床和线切割等低损耗方式切割为4块所需要的零件，如图4所示。考虑设备能力及避免钢板开裂，该方案在将钢板整体加热至较高温度后压制。半球面零件的近似展开形状为圆形，其加工零件形心为所需要的零件顶点。由于半球面零件端部为封闭圆形，且在加热条件下钢的可塑性明显提高，因此成型的半球面零件不会回弹，可压制与上模具相同半径的球面零件。

图4 半球面零件加工方案示例

(2)单块1/8球面零件加工方案

在通过分割法近似展开后，各边加上修割裕量下料，在压制成型后修割多余部分，得到所需要的1/8球面零件。该方案对设备能力要求低，并可控制压制点及每次的压制量，在常温条件下实施。单块1/8球面零件的近似展开形状为曲边三角形，其加工零件的形心与所需要的零件中心基本一致，如图5所示。成型的零件边缘处于自由状态，需要基于回弹补偿[4]采用过量加工和渐进成型的工艺进行加工，要求模具球面半径小于零件半径。

牟泽雄：这主要的原因还是因为大学的文学教育偏重于研究。当时西南联大教作文的实际上也只有沈从文，因为杨振声的力荐，沈从文获得西南联大的副教授教职。不过聘他的不是西南联大中文系，而是师范学院的国文系。他开设过“各体文习作”课，在西南联大的文学教学中不占主流，跟今天的状况也有点相似。

图5 1/8球面零件加工方案示例

3 压制减薄

3.1 半球面零件加工方案

试验所用上模具球面半径为500 mm，试验材料为35 mm厚的低合金钢板，在压制前加热至950 ℃，一次压制成型，最终零件成型半径为500 mm。将成型的零件从半球面中心向端部间隔相同弧长依次取12个点作为厚度测量点，如图6所示，其中：ti(i=1～12)为第i测量点的球面法向厚度。采用超声波测厚仪对成型零件各测量点进行板厚测量。探头应尽可能沿该处球面的法向布置，为降低主观测量误差，在对各点进行测量时微调探头指向，取最小值作为该测量点最终成型厚度。

图6 半球面零件厚度测量点

压制成型的各测量点厚度数据如表1所示。对比加工前后的数据，零件加工形心减薄量为1.50 mm，最大减薄量为3.41 mm，最大增厚量为5.27 mm，从加工零件中心向边缘的变化依次为出现较大减薄量、减薄量逐渐变小、在接近零件边缘时开始加厚。

以加工零件中心向边缘的测量点为横轴、加工前后厚度数据为纵轴，将表1数据绘制半球面零件压制成型厚度变化曲线，如图7所示。

表1 半球面零件压制成型厚度数据 mm

图7 半球面零件压制成型厚度变化曲线

3.2 单块1/8球面零件加工方案

试验所用上模具球面半径为550 mm，试验材料为30 mm厚的低合金钢板，在室温条件下多点多次压制，由于加工回弹较大，最终成型半径为600 mm。对成型的零件添加辅助线，厚度测量点如图8所示，其中：A1～A6为零件中心分别与零件顶点及各边缘中线之间的连线；B1～B3为零件边缘；C1～C4为距零件中心每隔100 mm弧长所作的圆形辅助线。在测量时选取辅助线的部分交点作为测量点，按第3.1节中的方法进行厚度测量。

图8 1/8球面零件厚度测量点

压制成型的各测量点厚度数据如表2所示。对比加工前后的数据，零件加工形心减薄量为0.85 mm，最大减薄量为1.53 mm，最大增厚量为1.91 mm，从加工零件中心向边缘的变化依次为出现较大减薄量、减薄量逐渐变小、在接近零件边缘时开始加厚。

表2 单块1/8球面零件压制成型厚度数据 mm

在近似展开零件中，将A1～A6辅助线作为钢板原始厚度参考线，将表2数据绘制单块1/8球面零件压制成型厚度变化曲线，如图9所示，其中：参考线⊕侧表示该侧存在增厚情况，参考线⊖侧表示该侧存在减薄情况。为尝试改善零件减薄率，重新下料1/8球面零件，将零件边缘区域加热至200 ℃采用该方案再次进行加工，减薄规律与不加热的变化规律一致，最终隅角零件中间区域最大减薄量为0.78 mm，边缘区域最大增厚量为4.48 mm，与常温直接压制相比成型零件中间区域减薄情况有所改善，但边缘区域增厚更明显。

图9 单块1/8球面零件压制成型厚度变化曲线

3.3 压制减薄总结

由上述试验可知：在球面钢板零件采用压制工艺加工时，无论采用热加工还是冷加工均同时存在增厚和减薄情况，零件形心位置存在一定的减薄，但不是最大减薄量的位置，球面零件边缘处增厚明显。在这种加工条件下，钢板零件加工前后的体积变化可忽略不计。2种加工方案的零件自由端均为开放形式，零件在受到挤压加工后，形心周围的减薄量向自由边缘附近堆积，发生起皱现象导致增厚，越靠近零件自由边缘增厚现象越明显。

在加热条件下，钢的延展性得到改善，更易于加工，从直观角度考虑其减薄和加厚情况均应得到相应改善，但从1/8球面零件加工结果看，加热可改善钢板零件压制工艺的减薄情况，但会加剧边缘增厚情况。在实际加工时，应注意如下情况：

(1)在设计含有该类零件的结构时，应综合考虑加工设备和加工场地等因素，尽可能增大球面半径，并在设计图或技术文件中可参考压力容器封头，明确球面零件的名义厚度和最小成型厚度要求[5]。

(2)由于明显增厚区域集中在零件自由端，因此对下料零件加以合适的裕量，加工完成进行修割，可减轻成型零件由于压制工艺产生的明显增厚情况。

(3)通过边缘加热和增加下料钢板零件厚度的方式，可对零件板厚减薄情况进行一定程度的优化。

(4)在采用多点冷压成型时，应尽可能多选取加工点，对零件中心区域和边缘区域探索压制顺序和压制量，在必要时进行零件试制以固化操作流程。

(5)对于要求较高的钢板球面零件，可采用增加厚度裕量并在压制后进行车床机加工修正的方式得到均匀度较高的零件。

4 压制减薄风险控制流程

船体球面零件的压制减薄现象是船体结构建造的潜在风险点，特别是涉及新材料或采用某种钢板极限厚度进行的设计。在船舶设计建造可行性研究阶段或船厂施工设计阶段，应避免球面零件压制减薄导致成型零件不满足技术条件的建造风险，可通过风险控制流程进行有效管控。球面零件压制减薄风险控制流程如图10所示。

图10 球面零件压制减薄风险控制流程

5 结 语

船体结构建造需要考虑的因素较多，曲形零件的加工除形位尺寸和厚度指标外，应考虑加工过程对材料本身性能的影响，因此应根据设计要求、工艺方案和实际使用工况等进行相应工艺评定。通过试验对大曲率船体球面零件加工工艺进行介绍，对比分析其压制前后的减薄数据，总结大曲率船体球面零件压制减薄规律，并提出球面零件压制减薄风险控制流程，为船舶的设计建造提供参考。