船舶外板加工技术现状与发展方向

摘要：外板片体指的是船体首尾、机舱等曲面分段的重要组成部分，在一定程度上，船体外板的精度对分段精度起决定性作用。长久以来，船体双曲度外板的加工，国内外的造船厂通常采用传统的人工操作压力机和水火弯板工艺相结合的手工作业完成，这种生产方式不但生产效率低下，产品质量差，而且生产环境不好。因此，这些问题成为了制约船舶生产周期和质量的瓶颈。随着现代造船技术的发展和造船模式的转变，传统的制船模式无论在速度上还是在质量上都已远远无法满足现代造船生产的需要，因此，传统外板加工工艺的革新已是船舶制造业迫在眉睫的大事。如何将计算机技术和数控技术同传统的加工工艺相结合彻底改变手工经验操作的落后面貌，实现船体外板成型曲面加工的机械化、自动化已经成为了当代船体外板加工的重要研究趋势。同时，这对提高生产效率，降低成本，提高加工精确度等都有十分重大的经济意义。本文就目前国内外船体外板加工技术的研究现状进行系统的概述。

关键词：船体外板；船体曲板；水火加工工艺；船体加工

中图分类号：u671

1.国内外船体外板加工技术的概况

随着船厂大型门式油压机、辊板机等设备的添置，三维曲面（即双曲度）船体外板的成形加工条件得到很大的改善。其常用的加工技术主要是水火弯板方法、冲压与碾压结合的弯板方法和船板多压头式成形方法。

1.1 水火弯板技术

船体外板成形分为冷成型和热成型，冷成型包括辊压成形、模压成型、无模成形和多压头成形等几种加工方式；热成形又分为大火成形与小火成形。在水火弯板工艺出现以前，双向曲板加工主要采用大火热弯工艺，大火热弯工艺比较简单，先将板材放在炉灶内加热，达到一定温度后取出，放在压模中用压机或锤击使板材弯曲成形。 而小火成形，也就是一般称为的水火弯板或线加热成型，是指依靠局部加热后产生的永久塑性变形的加工方式。

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。水火弯板工艺大约起源于二十世纪五六十年代的日本。由于其加工设备简单、操作灵活、不需要其他设备、适应于复杂形状曲板的成形加工等优点，被迅速而广泛地应用于世界各地船厂。目前，几乎所有的双向曲板都能采用水火弯板工艺进行加工。其水火弯板加工一般分为冷弯成形、线加热成形、形状检测三个阶段。但是随着科技的快速发展以及现代造船模式的普遍应用，水火弯板工艺过多的依赖经验，难以实现机械化自动化，生产效率低下等问题日益彰显，国内外众多相关的大学、研究院及船舶制造企业对水火弯板加工技术进行了大量的研究。几十年来，世界各主要造船国家都在不断开展“数控水火弯板机”的研究，并已取得一定的进展。作为水火弯板发源地的日本，早在二十世纪70年代就开展了水火弯板自动加工设备的研究。美国、西班牙、意大利、丹麦等国家也试制过自动水火弯板设备。韩国也研制了自动水火弯板自动加工系统。 近20年以来我国，也进行了“数控水火弯板机”的研发。 但是，由于水火弯板属热塑性弯曲加工成形影响因素复杂，致使自动控制难度极大，以上研制的“数控水火弯板机”样机至今也未见获得推广使用。

1.2冲压与碾压结合的弯板方法

对于三维曲面船体外板，先使用油压机进行横向曲度的弯曲加工成形，再使用滚压设备的上、下滚轮对钢板进行纵向滚动碾压，使板材在纵向上产生不同的伸长变形，达到实现三维曲面成形，这种手工操作的方法在欧洲的船厂中有使用，但要实现自动控制也很困难。

1.3船板多压头式成型方法

为解决三维曲面船体外板的自动加工，较早时原东德曾进行过“多压头式数控弯板机”的研制，其主要思想是通过上、下圆形压头阵列排列形成三维曲面，将整张外板放入其中，并对其施加压力而弯曲成形。日本造船界也研制了一种通用“多压头式数控弯板机”。但是，由于这种设备庞大，投资费用较高，受技术困扰，研究未取得成功

2.船体外板加工技术研究方向

随着科学技术的发展，船厂使用的船体外板的加工技术与设备，已极其不适应造船生产的自动化、数字化和绿色环保生产的发展要求，彻底改变手工经验操作的落后面貌，实现水火弯板加工的机械化、自动化已经成为水火弯板工艺研究的方向和最终目标。目前，船体外板加工技术研究主要集中在三个方面，即水火弯板机理研究、工艺参数确定研究和计算机软件及自动化加工装置研究，以实现三维曲面船体外板加工的机械化与自动化。

2.1水火弯板机理研究

对水火弯板机理研究的目的是为了建立各加工工艺参数和最终变形之间的关系。人们的研究思路一般是确定最终变形的主要影响参数，确定最终变形的描述参数，然后研究它们间的关系，其研究方法主要分为两种：实验法和数值模拟法。

实验法主要是通过实验确定加工工艺参数和最终形状间的关系。随着计算机技术和数值计算方法的快速发展，人们越来越倾向于用数值模拟的方法来研究船体外板的问题及线加热条件下结构的变形问题。数值模拟法是指由数值确定加工工艺参数和变形间的关系。如，根据热弹塑性理论建立的水火弯板过程的数据模型；通过将角变形和平面内的收缩变形分开考

虑的方法研究了水火弯板的板条模型；水火弯板的三维有限元数值模拟模型；水火弯板的数值模拟模；在有限元方法水火弯板过程数值模拟的基础上，建立的水火弯板的人工神经网络模型等等。

2.2工艺参数确定研究

确定加工工艺参数的关键是确定火路的布置，一旦火路布置确定后，其余各加工工艺参数就相对较容易确定。根据确定火路布置方法的不同，各种确定加工工艺参数的方法可分为三类：经验法、几何法和变形法。

2.3计算机软件及自动化加工装置研究

国内，上海交通大学与广船国际合作已开发了cai-t计算机火焰成形加工参数确定软件。该软件具有确定辊轧形状、检测成形、判断外板类别、板段划分、确定给定固定参数下的加工参数等功能。大连理工大学和大连造船新厂合作已开发成功水火弯板加热信息及各种工艺参数的计算机专家系统。目前，这两种软件都已用于实际生产，发挥了很好的作用。

中国首创自动化船体外板加工技术，解决世界难题。“skwb-800型船舶三维数控弯板机”的设备，革命性地解决了世界造船业的一项难题，首次将“自动化”引入整个船体外板加工环节，使用专门的计算和控制软件自动进行船板成型加工，在抛弃了传统人工经验操作的同时，使整个造船效率提高了数倍。

国外，早在二十世纪70年代就开始了水火弯板自动加工设备的研究。美国研制r用激光作为热源的简易自动水火弯板设备；欧洲如西班牙、意大利、丹麦等试制过自动水火弯板设备，韩国汉城大学研制了自动水火弯板加工系统。日本，作为水火弯板工艺的发源地，在水火弯板加工计算机软件和自动化加工装置的研究方面同样取得了很大成功。

3.结语

船舶外板的加工工艺一直都是广泛研究的问题，它决定着船舶制造发展水平。随着科技的进步及计算机软件的飞速发展，社会需求的进一步扩大，高效率、低污染、高精度、机械化自动化的生产流程成为了各个行业必然的发展趋势，船体外板加工当然也不例外。目前船厂使用的船体外板的加工技术与设备，已不适应造船生产的自动化、数字化和绿色环保生产的发展要求.为此，三维曲面船体外板加工的机械化与自动化被提上了议程，越来越得到人们的重视，同时它将决定着船舶外板制造技术的未来发展方向。

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