混凝土條板數(shù)控鉆孔設(shè)備設(shè)計(jì)分析

程凱， 賈寶英

（杭蕭鋼構(gòu)（集團(tuán)）股份有限公司，杭州 310003）

1 混凝土復(fù)合條板鉆孔概念與加工方法

1.1 混凝土復(fù)合條板鉆孔概念

鋼結(jié)構(gòu)建筑中用于墻體建造的混凝土復(fù)合條板，是建筑結(jié)構(gòu)中常用的一種墻體預(yù)制復(fù)合板材，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是在相隔一定尺寸的兩張纖維水泥板形成的空腔內(nèi)，填充各類(lèi)輕質(zhì)混凝土，并經(jīng)高溫加壓等方法而形成。

圖1 混凝土復(fù)合條板

在墻體建造施工過(guò)程中，通常需要按設(shè)計(jì)要求，在完成安裝的混凝土復(fù)合條板構(gòu)成的墻體中，開(kāi)出用于鋪設(shè)各種電線(xiàn)（纜）穿線(xiàn)管的不同直徑、不同深度的溝槽，導(dǎo)致混凝土復(fù)合條板墻體表面造成破壞，嚴(yán)重影響墻體表面外觀及后續(xù)裝修質(zhì)量。為了解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)想混凝土復(fù)合條板在工廠(chǎng)中預(yù)制完成并養(yǎng)護(hù)好之后，即可按墻體中穿線(xiàn)管的尺寸位置等技術(shù)要求，在工廠(chǎng)生產(chǎn)車(chē)間采用研制的鉆孔設(shè)備，對(duì)混凝土條板進(jìn)行后續(xù)鉆孔加工，為安裝用電線(xiàn)纜穿線(xiàn)管做好準(zhǔn)備。

1.2 混凝土復(fù)合條板鉆孔加工方法

混凝土墻體復(fù)合條板內(nèi)設(shè)置的穿線(xiàn)管的公稱(chēng)直徑一般為 DN15、DN20、DN25、DN32等幾種規(guī)格。這些穿線(xiàn)管的軸線(xiàn)通常以豎直方向居多，偶有水平方向用于相互連接的管路。這些穿線(xiàn)管有從地面向上伸出的用于為各類(lèi)插座供電的管路，也有從棚頂向下伸出的用于各類(lèi)開(kāi)關(guān)及插座的管路。由此可見(jiàn)，在研制混凝土條板的鉆孔設(shè)備時(shí)，應(yīng)該考慮到從條板四邊不同部位鉆孔的需要，同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足鉆孔的最大長(zhǎng)度不小于2 m，見(jiàn)圖2。從圖中可見(jiàn)，在復(fù)合條板的厚度上的兩個(gè)方向，都有用于敷設(shè)穿線(xiàn)管的直徑與長(zhǎng)度不同的小孔，這些小孔是在設(shè)備研制試驗(yàn)中，采用簡(jiǎn)易鉆孔試驗(yàn)裝置加工的。

在混凝土條板鉆孔試驗(yàn)中，采用金剛石鉆孔機(jī)為鉆孔加工設(shè)備，這類(lèi)設(shè)備通常都是用于混凝土墻體及樓板的鉆孔施工，加工孔徑范圍為16～400 mm左右。通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)得到的結(jié)果證明，金剛石鉆孔機(jī)可以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)混凝土條板鉆孔的需要。

圖2 混凝土墻體鉆孔試件結(jié)構(gòu)圖

2 混凝土條板鉆孔加工設(shè)備的設(shè)計(jì)

2.1 加工設(shè)備的選擇及介紹

在混凝土條板鉆孔加工設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先通過(guò)對(duì)混凝土條板鉆孔用設(shè)備的檢索，我們聯(lián)系到德國(guó)凱宴（CAYKEN）公司，這是一家制造工程鉆機(jī)、磁座鉆、墻壁切割機(jī)等工業(yè)級(jí)鉆孔機(jī)械的國(guó)際型高科技企業(yè)。該公司的KCY-4050QA（自動(dòng)進(jìn)刀金剛石鉆孔機(jī)）是一種能在鋼筋混凝土、磚石、巖石、耐火材料上鉆孔的新型工具，具有無(wú)粉塵作業(yè)、效率高、孔壁光滑、尺寸精確等特點(diǎn)，適用于設(shè)備安裝、水電、煤氣安裝等施工領(lǐng)域，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。從鉆孔設(shè)備整體來(lái)看，它基本可以滿(mǎn)足我們對(duì)混凝土條板鉆孔的各項(xiàng)要求。但需要對(duì)其基礎(chǔ)工作臺(tái)及鉆機(jī)底座進(jìn)行相應(yīng)的改造，以適應(yīng)加工深度孔洞的要求。

1）KCY-4050QA自動(dòng)金剛石鉆孔機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：鉆孔直徑為15～405 mm；鉆孔標(biāo)準(zhǔn)深度為350 mm，使用特制加長(zhǎng)桿時(shí)，鉆孔深度可達(dá)2m；額定電壓為110/220 V；額定功率為5 kW；額定空轉(zhuǎn)速度為（280/550）r/min；工作轉(zhuǎn)速為（50/180）r/min；進(jìn)刀速度為（0.05/0.2）mm/r。

圖3 KCY－4050QA金剛石鉆孔機(jī)

2）金剛石鉆孔設(shè)備外形及其主要結(jié)構(gòu)功能：a.空心鉆頭是用來(lái)對(duì)混凝土墻體或樓板進(jìn)行鉆孔的刀具，混凝土墻體鉆孔用鉆頭一般均為空心取芯鉆頭；b.鉆機(jī)動(dòng)力頭由電機(jī)與旋轉(zhuǎn)主軸組成，主要為空心鉆頭提供鉆孔用旋轉(zhuǎn)動(dòng)力；c.空心鉆頭不但需要旋轉(zhuǎn)完成對(duì)條板的鉆削，同時(shí)也需要沿著可旋轉(zhuǎn)進(jìn)給支架實(shí)現(xiàn)縱向進(jìn)刀，最終完成對(duì)條板的鉆孔工作，支架上輔有齒輪齒條運(yùn)動(dòng)副，為實(shí)現(xiàn)鉆頭的縱向進(jìn)給提供運(yùn)動(dòng)條件，另外支架可繞轉(zhuǎn)軸進(jìn)行90°的旋轉(zhuǎn)，這樣可以對(duì)條板上不同角度的孔洞進(jìn)行加工。d.供電電纜為動(dòng)力頭電機(jī)及縱向進(jìn)給電機(jī)提供電源；e.操作面板用于對(duì)鉆孔設(shè)備實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制；f.鉆機(jī)底座是整體設(shè)備的基礎(chǔ)，用于支撐可旋轉(zhuǎn)支架，從而間接支撐動(dòng)力頭等部件，完成鉆孔工作。

2.2 對(duì)原鉆孔設(shè)備的改進(jìn)

在對(duì)原鉆孔設(shè)備（單臺(tái)鉆機(jī)）經(jīng)過(guò)增加基礎(chǔ)及工作臺(tái)、控制系統(tǒng)等方面改進(jìn)后，可以滿(mǎn)足大批量混凝土條板鉆孔的需要，研制的鉆孔設(shè)備（包括工作臺(tái)）外形結(jié)構(gòu)如圖4所示。其主要功能如下：1）縱向鉆孔機(jī)用于在混凝土條板縱向進(jìn)行鉆孔，可以通過(guò)輸入?yún)?shù)自動(dòng)橫向確定鉆孔位。2）設(shè)備基座是設(shè)備的基礎(chǔ)，用于固定與支撐各傳動(dòng)部件與動(dòng)力頭；3）圖示位置為待鉆條板在加工時(shí)的擺放位置；4）工作臺(tái)用于在加工時(shí)支撐待鉆條板；5）待鉆條板在鉆削加工時(shí)，需要在水平方向給予夾緊定位，夾緊力則由夾緊傳動(dòng)裝置提供；6）橫向鉆孔機(jī)用于在混凝土條板橫向進(jìn)行鉆孔?？梢酝ㄟ^(guò)指令縱向確定鉆孔位；7）條板夾緊裝置用于在水平方向定位緊固條板；8）橫向傳動(dòng)導(dǎo)軌用于鉆孔動(dòng)力頭沿橫向運(yùn)動(dòng)，確定鉆孔位置或進(jìn)行鉆孔進(jìn)給；9）傳動(dòng)電機(jī)用于通過(guò)橫向或縱向?qū)к壖敖z杠傳動(dòng)鉆削動(dòng)力頭，使其能夠在加工時(shí)做縱、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。10）縱向傳動(dòng)導(dǎo)軌用于鉆孔動(dòng)力頭沿縱向運(yùn)動(dòng)，確定鉆孔位置或進(jìn)行鉆孔進(jìn)給。

圖4 新研制的鉆孔設(shè)備

2.3 鉆孔設(shè)備的加工效率

對(duì)于條板加工的孔徑為16～40 mm，運(yùn)動(dòng)參數(shù)應(yīng)選取技術(shù)參數(shù)中較大的數(shù)值：工作轉(zhuǎn)速為200 r/min；考慮加氣混凝土材質(zhì)較疏松，進(jìn)刀速度取為1 mm/r；假設(shè)鉆孔深為2000 mm，則完成一個(gè)這種規(guī)格的鉆孔工作所需時(shí)間為T(mén)=2000 mm/（200 r/min×1 mm/r）=10 min。

每張條板上、下料輔助時(shí)間取10 min，主要是每650 mm需要停機(jī)增加加長(zhǎng)桿。則完成一張條板鉆削加工的總時(shí)間為20 min/張。每天按8 h工作制，則每天可鉆削加工8×60/20=24張條板。

3 混凝土條板鉆孔工藝流程

改進(jìn)后的混凝土條板鉆孔加工設(shè)備，其鉆孔工藝流程如下：設(shè)備啟動(dòng)→各鉆削動(dòng)力頭回零位→混凝土條板上料→條板在工作臺(tái)定位夾緊→調(diào)整動(dòng)力頭位置→啟動(dòng)鉆削動(dòng)力頭→動(dòng)力頭進(jìn)給鉆削→增加特制加長(zhǎng)桿→完成鉆孔加工后退回動(dòng)力頭→條板下料。

各工序說(shuō)明：

1）設(shè)備啟動(dòng)。在加工前，首先啟動(dòng)設(shè)備，注意檢查空轉(zhuǎn)設(shè)備的各項(xiàng)安全維保要求，待設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，進(jìn)行下道工序；此道工序中如果是自動(dòng)設(shè)備，則應(yīng)在此工序中進(jìn)行設(shè)備加工程序的編制。確定加工數(shù)量、加工規(guī)格與尺寸等。

2）鉆削動(dòng)力頭回零位。檢查各鉆削動(dòng)力頭是否已回零位（加工基準(zhǔn)位），目的是確保條板在上料時(shí)，不會(huì)與各動(dòng)力頭相碰撞，造成設(shè)備損傷，且保證鉆孔尺寸定位精度的可靠。

3）條板上料。采用起重設(shè)備將待鉆削加工的條板吊運(yùn)到工作臺(tái)，并大致定位。

4）條板在工作臺(tái)上定位夾緊。對(duì)于已經(jīng)擺放在工作臺(tái)的條板，采用夾緊裝置進(jìn)行定位夾緊，以便鉆削加工。

5）調(diào)整動(dòng)力頭位置。開(kāi)啟設(shè)備控制驅(qū)動(dòng)單元，將預(yù)參與鉆孔的動(dòng)力頭移動(dòng)到鉆孔位置，確保位置準(zhǔn)確。

6）啟動(dòng)鉆削動(dòng)力頭。首先啟動(dòng)參與鉆孔加工的鉆削動(dòng)力頭，按加工孔徑與材料調(diào)整好工作轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度。

7）動(dòng)力頭進(jìn)給鉆削。在調(diào)整完加工參數(shù)后，啟動(dòng)動(dòng)力頭的進(jìn)給電機(jī)，在鉆削同時(shí)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

8）增加特制加長(zhǎng)桿。特制加長(zhǎng)桿長(zhǎng)度為650 mm，每次鉆削進(jìn)給深度達(dá)到一定要求后，需要退回動(dòng)力頭，停機(jī)并在主軸上增加一節(jié)加長(zhǎng)桿，然后進(jìn)行下一工步的鉆削，如此往復(fù)，達(dá)到鉆削深度為止。

9）完成鉆孔加工后，退回動(dòng)力頭。待條板鉆孔深度達(dá)到預(yù)定要求后，退回動(dòng)力頭至零位，然后停機(jī)。

10）條板下料。采用起重裝置將已經(jīng)完成鉆孔加工的條板卸下工作臺(tái)，吊放到指定位置，然后清理設(shè)備，準(zhǔn)備進(jìn)行下一張條板的加工。

4 試件鉆孔方案

在上述各項(xiàng)鉆孔設(shè)備、裝置及墻體試件準(zhǔn)備完畢后，即可進(jìn)行混凝土墻體條板鉆孔實(shí)驗(yàn)。具體的試件鉆孔方案與計(jì)劃見(jiàn)表1，其中：1）金剛石鉆孔機(jī)準(zhǔn)備項(xiàng)是待設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)考察結(jié)束后，根據(jù)考察洽談結(jié)果（加工范圍、交貨期、價(jià)格等）確定鉆孔機(jī)的規(guī)格型號(hào)。2）專(zhuān)用鉆孔裝置準(zhǔn)備項(xiàng)是待鉆孔機(jī)的規(guī)格型號(hào)確定后，根據(jù)鉆孔機(jī)具體設(shè)備結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)專(zhuān)用鉆孔裝置的整體功能結(jié)構(gòu)并由公司外委制作，然后進(jìn)行功能實(shí)驗(yàn)。3）樣品制作項(xiàng)是模擬施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)墻體管線(xiàn)的要求，根據(jù)電氣圖紙的實(shí)際尺寸規(guī)定，制作局部帶有線(xiàn)管的混凝土墻體試件。

表1 試件鉆孔方案

試驗(yàn)步驟：1）按要求準(zhǔn)備好鉆孔設(shè)備與專(zhuān)用鉆孔簡(jiǎn)易裝置，并將二者安裝在一起，穩(wěn)定地?cái)[放在開(kāi)闊平整的混凝土地面上。2）按表1準(zhǔn)備好符合試驗(yàn)要求的墻體條板，放置在鉆孔專(zhuān)用裝置旁備用。3）將墻體條板準(zhǔn)確擺放在專(zhuān)用裝置的工作臺(tái)上，要求條板的四角置于工作臺(tái)的4個(gè)定位夾緊板內(nèi)，見(jiàn)圖5。4）聯(lián)接冷卻水管，準(zhǔn)備好冷卻水，接通電源及控制箱。啟動(dòng)電源，開(kāi)動(dòng)動(dòng)力頭，使鉆機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鉆頭，準(zhǔn)備鉆孔，見(jiàn)圖6。5）確定鉆孔位置，緊固溜板夾緊板螺栓，保證鉆機(jī)在鉆孔過(guò)程中位置準(zhǔn)確，無(wú)明顯振動(dòng)。操作控制箱，旋轉(zhuǎn)進(jìn)給速度調(diào)節(jié)旋鈕，使旋轉(zhuǎn)的鉆頭向前運(yùn)行開(kāi)始鉆孔。6）在鉆孔過(guò)程中，注意觀察整體工作狀況，確保正常鉆孔，并調(diào)整進(jìn)給速度，使其利于鉆孔，同時(shí)做好鉆孔試驗(yàn)記錄。

圖5 墻體條板放置在工作臺(tái)上

圖6 接通電源及冷卻水

5 結(jié)論

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)與各項(xiàng)分析，可以得出以下結(jié)論：1）采用金剛石鉆孔設(shè)備對(duì)EPS墻體條板進(jìn)行鉆孔加工的施工方法是可行的；2）鉆孔加工穿線(xiàn)管施工方法與傳統(tǒng)施工方法相比，施工成本較低、生產(chǎn)效率比較高；3）墻體條板鉆孔加工相比開(kāi)線(xiàn)槽施工方法，加工工藝比較簡(jiǎn)單；4）墻體條板鉆孔加工可以在工廠(chǎng)及施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工作業(yè)；5）保護(hù)了墻體外板的完整性，消除傳統(tǒng)施工存在的缺陷；6）在單元鉆孔機(jī)的基礎(chǔ)上，增加單元鉆孔機(jī)臺(tái)數(shù)、工作臺(tái)以及數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)一次定位夾緊同時(shí)進(jìn)行四面自動(dòng)鉆孔加工。