特种钢材双曲板焊接压模设计与制造方法

伍朝晖，吴一忠，俞 峰，尹 群，钱春俊

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

工艺与材料

特种钢材双曲板焊接压模设计与制造方法

伍朝晖，吴一忠，俞 峰，尹 群，钱春俊

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

使用焊接压模进行冷弯不仅是解决船体特殊区域双曲板成形问题的有效途径，而且是保证曲板成形质量、实现批量化和节拍化制造的有效手段。主要针对特种材料中厚板及薄板焊接压模的结构特点和焊接要素，提出模具设计的优化方法及制造要求，并列举常规鞍形及帆形双曲板焊接压模的制作方法。通过有限元计算并结合生产实践，证明其实用性和可靠性。通过归纳和总结焊接压模设计制造的关键技术，达到降低制造成本、缩短模具制作周期的目的，为大型高新产品的快速建造提供技术支撑和技术储备。

双曲板；冷压成形；焊接压模；制造方法

0 引 言

目前高性能船舶的轴壳板、艏部龙筋板和导流罩等特殊部位的外板都是由较多双向曲面组成的，制造难度较大。随着船舶设计和建造水平不断提高，双曲板的产能及精度要求越发受到造船企业的重视，如何设计和制造合理的焊接压模，降低制造成本，是迫切需要解决的难题。

传统的双曲板加工方式通常是先使用油压机进行横向辊压，再使用水火弯板技术进行逐步矫正成形[1]。由于水火弯板的加工精度难以控制，且水火弯板过程会大幅降低板件的物理性能，因此双向曲度较大或对使用寿命要求较高的船体外板不适用采用。

当前在建的大型水面高新产品的主体结构大量使用高强度特种钢材，在工艺上不允许采用火工加工方式，必须采用冷加工方式，且材料回弹较大（见表1），会给双曲板的加工带来较大难度。针对高新船舶特殊位置的双曲板冷加工，使用通用的焊接压模进行冷弯成形是比较简单、实用的途径[2-4]。

通过制作与双曲板形状相符的上下压模，并采用油压机压制成形，可避免水火弯板对钢板的加工精度和使用寿命产生影响。本文主要对焊接压模的优化设计方法和制作流程进行阐述，为以后特种材料的冷压成形和应用提供借鉴。

1 压模设计关键技术

由于复杂曲面的种类较多，用于钢板冷压的压模无法通过常规的铸造方式得到，一般采用焊接后的压模进行施工作业。由于压模需要承受较大的压强，因此底板与加强筋板的焊接连接形式、焊接压模的基面与压力中心及上下模外形尺寸的正确选择是设计的关键。一般复杂船体的曲面形状主要有帆型和鞍型2种，因此按需制订合理的压模基面是利于施工的关键。

1.1 压模基面及压力中心的选择

以帆型板为例，为使被压工件能平稳地搁置在下模上，在设计模具时将下模设计为凹形，将上模设计为凸形，比较适合进行现场作业。压模的压力中心是指模具工作时被冲压工件对冲模反力的合力作用点，压模面板在设计时与作用力的方向垂直，避免在压制时产生横向推力，影响模具的结构强度（见图1）。尽量避免由于基面与压力中心选择不当而使工件在压制时产生滑移，影响工件定位、成形的正确性及导致事故发生。

同时，为保证模具的强度，基面距模具面板的高度一般控制在 250～350mm。对于特殊规格压模模具的强度，需进行相应的加强。

1.2 压模外形尺寸的选择

焊接压模的尺寸需结合加工工件成形要求及冲压设备的形式进行确定。

1 ) 上模和下模的高度同时满足

式(1)和式(2)中：H1为上模总高度；H2为下模总高度；S为上模与下模压制前的空隙，一般＞200mm；A为压头上死点与工作平台面的最大距离；C为压头上死点与工作平台面的最小距离；B为油压机的最大工作行程。

2 ) 上模和下模的宽度应满足

式(3)中：b为上模和下模的宽度；d为喉深（虎口式油压机）或为最大工作宽度（门式油压机）。

3) 上模和下模的长度一般不超过油压机下工作平台的长度，在特殊情况下如需超出，应采取加强措施。

4 ) 上模和下模面板的各边应加放余量，余量值与零件所放余量相一致，以确保外形尺寸正确。

1.3 焊接压模的结构设计

以某高新产品中曲面为鞍型的船体外板为例，在焊接压模设计中应将下模设计为凸形，将上模设计为凹形，这样更适合在现场进行加工作业[5]。该压模主要由上模和下模面板、横向与纵向焊接加强板及上模和下模底板组成。钢板焊接压模的结构形式见图2。

焊接压模主要构件的厚度根据压模材料和加工件的要求具体确定，材料级别尽量大于被压工件。考虑到质量因素，通常将板厚δ限制在以下范围内：

1 ) 上模和下模底板的板厚δ在20～30mm。

2 ) 当加工件板厚δ≤5mm时，面板板厚=δ×(1.5- 2.0)；当加工件板厚δ＞5mm时，面板板厚=δ×(2.5- 3.0)。

3 ) 纵向构件板厚δ在15～25mm。

4 ) 横向构件板厚δ在12～20mm。

焊接压模构件的布置原则为：纵横向构件应与压模底板垂直；上模和下模的纵横向构件应相互对准并保持在同一水平面内；零件形状突变处应进行局部加强；纵向构件应连续，横向构件可间断；纵向构件间距约取300mm，横向构件间距取200～250mm。

1.4 压模仿真计算及分析

综合上述设计要求，针对焊接模具设计的可行性，进行不同压力的有限元计算及论证。

1 ) 在上模具面板加载多种载荷进行形变分析。

2 ) 通过计算分析可得到模具形变图及应力分布图（见图3）等。选取大载荷工况模具面板形变的过程见图4。

模具的形变为施加1960～19600kN的力的变化趋势，即：若继续加大压力，则模具会形成图4所示的形状并产生形变。主要应力点集中在纵向支撑构件及横向支撑构件与模具面板的交接处。通过计算分析发现：在加载1960～19600kN压力的情况下，在200～1000t载荷范围内，面板在压力方向上产生的最大形变量为0～0.59mm。即，在实际生产加工过程中（载荷＜1000t），模具几乎不会发生塑性形变。

2 焊接压模的制造工艺及焊接要求

2.1 焊接模具的制造工艺

2.1.1 制作工艺流程及要求

1 ) 在安装上模面板和下模面板时，要求面板尽量贴合、曲面光顺，且曲率尽量小。

2 ) 在安装下模时，首先考虑被压件曲率的变化，选择正确的着力点，且下模应处于水平位置。

3 ) 在安装上模时，需要在下模上填塞垫铁，填塞的板厚与被压工件一致，周边需预留一定的空隙（工件厚度±2mm）。

4 ) 上模加强筋板应与下模纵向和横向加强筋板对准并垂直，上模上端与下模下端应保持水平（对角线±2mm）。

5 ) 上模和下模需安装对合线，便于加工时定位。

6 ) 上模和下模的周边应安装卡马，减少焊接后的变形。

7 ) 上模和下模焊接结束并冷却后拆除卡马，完成上模和下模的分离。上模和下模分离后应打磨四周边缘，磨光倒角，保持面板光洁。

2.1.2 焊接要求

考虑到焊接模具的结构强度要求，应采用CO2保护焊深熔焊的方式。

1 ) 焊接坡口：横向构件和纵向构件焊接处均开单边45°坡口，与面板及曲板装配间隙0～3mm，留根0～3mm。

2 ) 焊接要求：在焊接前清除面板及构件坡口两侧 80mm区域内表面上的浮锈和污物，防止出现气孔等焊接缺陷；在面板端部和横向构件与纵向构件焊接端部安装好引弧板及熄弧板，焊接完成后去除引弧板及熄弧板。

2.1.3 无损探伤检测

焊接结束后，对焊缝表面的飞溅物和焊瘤等缺陷进行打磨修理，依据《CB/Z125—1998船体结构焊接质量检验规则》的规定对焊接构件进行无损探伤，在焊接完成48h后进行超声波探伤（UT），查看是否存在裂纹、未熔合及气孔等缺陷，避免在后续生产加工过程中模具损坏而发生事故。

2.2 焊接模具的现场应用

为验证焊接模具的可行性，设计弯压特种钢材的焊接模具见图5。实际弯压结果证明，加工模具的主要应力分布在其横向构件与面板的焊接处。由于采用的是优化设计，结构得以加强，没有出现形变和开裂的现象。

2.3 某特殊规格的薄板压模设计制造实例

被压工件钢板的厚度不同，焊接压模的设计及制造过程也有所区别。对于极薄板的冷弯成形，需设计特殊规格的压模进行加工。以某高新产品船为例，其罗经甲板外侧围板与指挥舱相接处采用双曲转圆设计，线形较为复杂，曲率半径为1000mm，曲板厚度仅为3mm（见图6）。

由于材料较为特殊，为保证加工质量，需采取特种压模进行逐段冷弯成形。在设计压模时，由于曲面呈现为帆型，因此将下模设计为凹形，将上模设计为凸形，这样更便于现场加工作业。

冷弯加工设备以160t油压机为主，该设备的主行程为1080mm，伸距为780mm，行程为300mm（见图7）。根据设备的规格及特点，上模和下模的设计高度最好在780～800mm。由于需弯制1000mm的圆弧曲率，因此设计中模具选取样箱的2/3长度，方便通过来回移动被压工件进行分段弯压。此外，在弯压过程中还需设置合理的重叠区，保证加工曲板光顺。

对于受压钢板的边缘起皱的问题，通过对施加的压力和速度进行完全控制即可逐渐将其消除，弯压结束后对工件进行二次加热，消除应力。

制作工艺流程及要求如下：

1 ) 制作下模面板，被压工件材料的厚度为3mm，无需考虑预留板厚差，直接以样箱为基准进行制作；下模板基本成形之后进行回火，并进行整修，保证其曲率光顺。考虑到被压板材回弹因素，模具弯曲部分的曲率宜小不宜大。

2 ) 装配时应根据曲率变化和垂直力点将下模置于水平位置。

3 ) 制作上模面板时，曲面形状以下模为准，可不考虑厚度；上模面板与下模面板重叠之后，接触以吻合为佳。

4 ) 根据设备与被压工件的厚度决定是否装配下模加强板，由于板厚为 3mm，加强筋板的板厚采用16～18mm即可。加强筋板的距离由模具的大小来决定，一般控制在200～250mm。

5 ) 上模安装的加强结构应与下模相同，距离和厚度尽量对准，各筋板应在同一垂直面上，上模端部与下模底端应保持绝对水平（见图8）。

6 ) 上模和下模应标注安装对合线，以便加工时定位。

7 ) 为减少焊接后变形，四周应安装卡马固定。

8 ) 上模和下模的焊接要求根据上节描述。

9 ) 在焊接完成并冷却之后拆除卡马，将其分离，压模面板应磨光、无杂质、曲率光顺。

压模精度需满足的工艺要求为：上模面板与下模面板重叠吻合之后，误差≤2mm；上模和下模高度保持水平，误差≤2mm。

3 结 语

焊接压模冷压成形技术是保证特种高强度钢双曲板加工精度和成形质量的有效手段。本文结合实际产品需求，分别对中厚板及薄板的加工进行分析和研究。在设计焊接压模过程中，通过有限元计算分析及生产实践验证，归纳出合理的结构设计标准，提高压模的结构强度，降低制造成本，节约模具制作周期，提升压模的设计和制造效率。通过总结焊接压模的设计制造关键技术，可为今后相关大型高新产品的快速建造提供技术支撑并作技术储备。

[1] 纪卓尚，刘玉君，孙振烈，等.船体曲面钢板水火加工成形工艺的理论与应用研究[J].中国造船，1998 (10): 118-134.

[2] 秦汉强，杜洪学，唐彧，等.一种厚度一致双曲板一次成形压模方法[J].中国水运，2013, 13 (10): 310-319.

[3] 祝桂珍.薄钢板的冷弯成形[J].制冷与空调，2009, 23 (2): 96.

[4] 李双印.船体板冷弯成形的回弹研究[D].武汉:武汉理工大学，2011.

[5] 汪骥，刘玉军，纪卓尚，等.鞍形板水火加工工艺参数预报方法研究[J].中国造船，2005, 46 (4): 52-57.

Design and Manufacturing Method for Welding Pressing Die of Special Hyperbolic Plate

WU Zhao-hui，WU Yi-zhong，YU Feng，YIN Qun，QIAN Chun-jun

（Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China）

Cold-forming by welding compressing die is not only an effective way to shape the hyperbolic plates for special hull regions, but also an effective method to ensure plate forming quality and to realize batch manufacture and takt manufacture.This paper proposes the design optimization method and manufacturing requirements for the mould according to the structural characteristics and welding factors of thick and thin plates made of special material, and presents the manufacturing method of welding compressing die for conventional saddle shape and sail shape hyperbolic plates.The feasibility and reliability of the method is proved when the finite element calculations are combined with manufacturing practice, and the aim of reducing cost and shortening mould manufacturing period is achieved when the key technologies for the design and manufacturing of welding compressing die are summarized.This study provides technical support and technical preparation for the agile construction of high-tech large products.

hyperbolic plate; cold pressing forming; welding pressing die; manufacturing method

U671.83

A

2095-4069 (2017) 04-0063-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.013

2016-10-28

国防科工局基础科研项目（A0720131002）

伍朝晖，男，研究员，1976年生。1989年毕业于上海交通大学船舶与海洋工程专业，现从事船舶设计与生产管理工作。