一、撰文說明
“俄亥俄”級是美國第四代戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇，也是迄今各國海軍中最先進(jìn)的戰(zhàn)略核潛艇，一艘“俄亥俄”級裝載24枚“三叉戟-I”C4或“三叉戟Ⅱ”D5型潛射彈道導(dǎo)彈，導(dǎo)彈艙作為戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)且是先行開工建造的結(jié)構(gòu)，美國在“俄亥俄”級彈艙上采用的建造工藝值得我們學(xué)習(xí)和研究。
本文根據(jù)《美國海軍潛艇設(shè)計(jì)特點(diǎn)及質(zhì)量控制》（趙大勛、李國興，2000）一書中關(guān)于“俄亥俄”級核潛艇的資料，以及美國海軍研究辦公室“最佳制造實(shí)踐項(xiàng)目”（BMP）評審組在1999年對電船公司在核潛艇建造貫徹BMP的實(shí)踐成果的報(bào)告等材料，由上海船舶工藝研究所劉晗整理。
二、“俄亥俄”級核潛艇導(dǎo)彈艙基本情況
“俄亥俄”級核潛艇的導(dǎo)彈艙由24個(gè)垂直導(dǎo)彈發(fā)射筒分兩排布置，導(dǎo)彈發(fā)射筒的長度略大T耐壓艇體的直徑（12.8m），發(fā)射筒突出在耐壓艇體之上約0.76米，這是因?yàn)閷?dǎo)彈發(fā)射筒的設(shè)計(jì)原本是考慮裝載長度為13,41米、直徑為2.11米~2.16米的“三叉戟-II”（D5）型導(dǎo)彈，（但是在從首艇SSBN726“俄亥俄”號到SSBN733“內(nèi)華達(dá)”號實(shí)際裝載的是“三叉戟Ⅰ”C4型，長度為10.39米，直徑為1.88米。）因此潛艇的上層建筑有一段呈平臺形狀的結(jié)構(gòu)來覆蓋24個(gè)導(dǎo)彈發(fā)射筒。
圖1 “俄亥俄”級核潛艇內(nèi)部布置概要
圖2 “三叉戟-II” (D5) 潛射彈道導(dǎo)彈
三、核潛艇肋骨和殼圈自動化裝配系統(tǒng)(AFC)
“俄亥俄”級核潛艇由通用電船公司建造，電船公司的匡塞特角潛艇建造廠與格羅頓分廠前后銜接完成 “俄亥俄”級建造。
匡塞特角潛艇建造廠的廠房內(nèi)所從事的工作內(nèi)容是鋼材加工處理、殼圈成形、電氣、鈑金加工、結(jié)構(gòu)和管件組裝以及分部件結(jié)構(gòu)的組裝等；潛艇圓柱形分段在匡塞特角建造廠加工制造好之后，3段圓柱形殼體分段被裝載到一艘駁船上運(yùn)往格羅頓分廠，駁船運(yùn)送一次的行程為50英里，用時(shí)6個(gè)半小時(shí)。在格羅頓廠區(qū)的2號跨區(qū)繼續(xù)進(jìn)行加工制造，這里所進(jìn)行的安裝被稱為“Final installation”(最后的安裝)。
圖3 通用電船公司匡塞特角廠區(qū)
建造高質(zhì)量、具有成本效益的潛艇的一個(gè)關(guān)鍵要素是耐壓肋骨和殼圈的制造和組裝。過去，匡塞特角建造廠通過在零件上留出余量來制造這些組件，然后進(jìn)行余量切割和銑邊以適應(yīng)組裝。每個(gè)組件都需要根輻條式的專用固定裝置、臨時(shí)附件、墊片和許多液壓千斤頂。如果任何操作涉及轉(zhuǎn)動部件，則還需要10到 15人的索具組?？偟膩碚f，這種方法成本高、時(shí)間長、勞動強(qiáng)度大，并且需要付出很大的努力才能達(dá)到所需的質(zhì)量。
1979 年，電船公司匡塞特角建造廠與瑞士維沃伊工程公司一起開發(fā)了肋骨和殼圈自動化裝配系統(tǒng) (AFC)，來制造和組裝這些組件。
AFC系統(tǒng)由四種機(jī)械化夾具類型（A、B、C、D）和相關(guān)支持設(shè)備組成：
- A型夾具專為制造肋骨而設(shè)計(jì)；
- B 型夾具設(shè)計(jì)用于制造殼板和殼圈；
- C型夾具設(shè)計(jì)用于肋骨套裝殼圈；
- D型夾具設(shè)計(jì)用于兩個(gè)殼圈的對接裝配；
- 可以調(diào)整所有固定裝置以適應(yīng)從32英尺到42英尺的殼圈和肋骨直徑。
根據(jù)匡塞特角建造廠1980年12月情況介紹，當(dāng)時(shí)該廠已配備10臺肋骨專用加工制造裝置、8臺艇體殼板加工制造裝置、12臺肋骨套裝殼圈設(shè)備和3臺殼圈對接設(shè)備。首先根據(jù)結(jié)構(gòu)部件的生產(chǎn)要求選擇相對應(yīng)的夾具，接下來，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動將部件固定到位，對部件點(diǎn)焊并進(jìn)行尺寸檢查，尺寸精度符合要求就可以進(jìn)行焊接。
該夾具包含所有必需設(shè)施（如照明、預(yù)熱、電源）和支持設(shè)備（如升降機(jī)、工作平臺），并且可以處理多種焊接工藝，例如機(jī)械化、半自動和自動化的氣體金屬電弧脈沖焊、埋弧焊和保護(hù)金屬電弧焊。夾具還具備可轉(zhuǎn)動零件的機(jī)構(gòu)，可改變焊接和工作位置。
圖4 匡塞特角廠區(qū)的肋骨和殼圈的自動化裝配系統(tǒng) (AFC)
AFC 系統(tǒng)使匡塞特角建造廠在某些情況下能夠?qū)⑵渖a(chǎn)時(shí)間減少70%以上，因此該顯著降低了成本，提升了生產(chǎn)進(jìn)度，并提高了所有相關(guān)零件的尺寸質(zhì)量。
四、”只留一道焊縫”—360°殼圈成形技術(shù)
- 通過新工具和新技術(shù)，匡塞特角建造廠實(shí)現(xiàn)了對一塊厚板成形加工出 360°的殼圈，最大程度減少了焊接量。
過去，殼圈是通過將兩個(gè) 180° 的殼板焊接形成的，該過程包括準(zhǔn)備殼板銑邊、制作四個(gè)坡口、焊接兩條接縫，檢查焊縫質(zhì)量。兩塊殼板焊接比一塊殼板焊接成本更高，因?yàn)閮蓧K殼板邊緣都需要確保余量以進(jìn)行預(yù)彎曲。兩塊殼板裝配的難度大，并且焊縫根部經(jīng)常會出現(xiàn)較大間隙，這導(dǎo)致了額外的補(bǔ)焊和較大的容差。
- 通過用單塊厚板制造殼圈，匡塞特角建造廠最大化了 360° 成型過程。
該過程涉及制造特殊的窗模，以便材料可以壓制成型為殼圈，因此，制作殼圈只需要焊接一個(gè)焊縫。電船公司的設(shè)計(jì)和制造工程師還共同努力確認(rèn)了其他可以由單個(gè)厚板成形加工的耐壓結(jié)構(gòu)件。
- 通過最大化 360° 成型過程，匡塞特角建造廠改進(jìn)了其殼圈的尺寸質(zhì)量（例如，圓度、垂直度、周長）。
這種方法還減少了預(yù)彎帶來的板材額外消耗，減少了銑邊、裝配、焊接接頭和焊接量，從而降低了成本。
圖5 匡塞特角建造廠的厚板輥彎成型設(shè)備
關(guān)于“俄亥俄”級的替代型——“哥倫比亞”級核潛艇耐壓殼圈是否也采用了360° 殼圈成型工藝，目前尚無公開資料。
但是根據(jù)美國“國家造船研究計(jì)劃”（NSRP）2021年3月的一項(xiàng)ManTech研究——“‘弗吉尼亞’級與‘哥倫比亞’級潛艇用鋼板數(shù)控成型”（項(xiàng)目編號S2784）所公開的成果顯示，該項(xiàng)目對目前業(yè)界的各類數(shù)控彎板機(jī)進(jìn)行潛艇用鋼板輥彎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果由電船公司相關(guān)人員進(jìn)行鑒定評比，最終選出三種數(shù)控彎板設(shè)備可滿足弗吉尼亞級垂發(fā)模塊和哥倫比亞級潛艇平臺(Columbia Class Submarine platforms)的制造要求。其設(shè)備進(jìn)行了對鋼板360°輥彎工藝（如下圖所示），目的也是為了減少焊縫和焊接及矯正作業(yè)量，而電船公司也在籌措資金準(zhǔn)備近期購買有關(guān)設(shè)備，并在廠區(qū)安排專用場地。
圖6 ManTech”S2784項(xiàng)目”中，對潛艇用鋼板進(jìn)行360°數(shù)控輥彎成型試驗(yàn)
隨著該項(xiàng)工藝更加成熟和廠區(qū)引進(jìn)數(shù)控彎板設(shè)備，未來的“哥倫比亞”級核潛艇耐壓殼圈建造中較大概率采用一塊厚板360°成形加工工藝。
五、小結(jié)
1、美國在“俄亥俄”級核潛艇上開始采用模塊化建造工藝，匡塞特角工廠在潛艇分段完成結(jié)構(gòu)建造后，通過自動化車間對分段進(jìn)行舾裝，再將分段運(yùn)往格羅頓分廠進(jìn)行總組和“最后的安裝”；根據(jù)目前掌握的資料可以推斷，美國在“俄亥俄”級核潛艇的彈艙建造遵循的流程為耐壓結(jié)構(gòu)建造→彈艙舾裝→彈艙裝入指定位置上的艇體分段，大概率采用了在耐壓結(jié)構(gòu)上開孔再插裝彈筒的工藝。
2、肋骨和殼圈自動化裝配系統(tǒng)以及殼圈360°成型技術(shù)在“俄亥俄”級核潛艇的耐壓結(jié)構(gòu)建造中發(fā)揮出降本增效的作用，為應(yīng)對“哥倫比亞”級核潛艇的建造需要，電船公司與2010年前后對匡塞特角工廠的肋骨和殼圈自動化裝配系統(tǒng)進(jìn)行了翻新整修；此外，根據(jù)目前掌握的資料，未來在“哥倫比亞”級上有較大概率會采用一塊厚板360°成型技術(shù)來制造殼圈。
