大型鏜銑床工作臺(tái)的設(shè)計(jì)及安裝

謝龍飛 劉 祥 羅 霞 吳 攀 張 斌

(東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

作為核電汽輪機(jī)核心部件的汽缸、轉(zhuǎn)子等大件，其加工精度、制造成本是重要指標(biāo)。核電汽輪機(jī)大型零部件的加工工序13以上由鏜銑床承擔(dān)。收集大型發(fā)電設(shè)備主機(jī)制造行業(yè)所用大型鏜銑床加工能力相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不論是進(jìn)口機(jī)床還是國產(chǎn)機(jī)床，其工作臺(tái)的水平精度和承重能力均普遍不足，直接影響零部件的加工精度和生產(chǎn)效率。特別是300 t左右的大件裝卡在工作臺(tái)上加工時(shí)，因工作臺(tái)變形，難以保證工件的裝卡精度，一些需由機(jī)床精度保證的加工尺寸、形位公差更難控制，特別是多零部件產(chǎn)品或部套組裝后出現(xiàn)的裝配精度超差的情況更難處理，此時(shí)需靠經(jīng)驗(yàn)逐一多次試修，用時(shí)長、風(fēng)險(xiǎn)大。這將大幅推高機(jī)組生產(chǎn)成本、延長制造周期，更削弱了產(chǎn)品的競爭能力。工作臺(tái)是工件的裝卡基準(zhǔn)，其水平精度高，承重能力強(qiáng)，并能承受一定的向上拉力，對保證或提高工件的制造質(zhì)量至關(guān)重要。

1 大型鏜銑床工作臺(tái)存在的主要問題

圖1是某進(jìn)口鏜銑床(長18 m×寬12 m×高0.4 m)工作臺(tái)支撐方式簡圖。此工作臺(tái)由15件(長6 m×寬2.4 m×高0.4 m)鑄鐵平板組成，每件平板均布24個(gè)支點(diǎn)。機(jī)床安裝在非恒溫廠房，環(huán)境溫度0～45℃。目前使用的其它大型鏜銑床和龍門銑工作臺(tái)支撐方式都與圖1類似。存在的主要問題集中表現(xiàn)在以下五個(gè)方面：

圖1 某進(jìn)口鏜銑床工作臺(tái)支撐方式簡圖Figure 1 Supporting mode of a certain import boring and milling machine working table

(1)支點(diǎn)的承重能力弱。球面螺套與預(yù)埋件相接觸球面的面積過小，接觸剛性差。

(2)擰裝在底板上的球面螺套與平板立筋偏移量過大，受力不合理，平板承重狀態(tài)變形大。

(3)剛性差。當(dāng)工件較輕并多支點(diǎn)支撐時(shí)，工作臺(tái)的變形不明顯。當(dāng)工件較重、支撐點(diǎn)數(shù)量受限時(shí)，工作臺(tái)變形大，造成工件的水平精度無法滿足裝卡要求，此時(shí)不得不用專用量具或量儀來直接檢測工件的水平精度，其裝卡過程特別費(fèi)時(shí)費(fèi)事。

(4)球面螺套的壓緊螺栓過小，預(yù)埋件埋植深度過淺，支點(diǎn)能承受向上的拉力十分有限。

(5)工作臺(tái)的水平精度受溫度變化的影響較大。由于基礎(chǔ)溫度一般比較穩(wěn)定，工作臺(tái)溫度變化相對較快，當(dāng)工作臺(tái)受熱膨脹或受冷收縮時(shí)，各平板的所有支點(diǎn)相配合球面均會(huì)出現(xiàn)相對位移，連在一體的平板相互推擠，使整個(gè)工作臺(tái)水平精度出現(xiàn)較大誤差，裝卡在工作臺(tái)上的工件水平精度也隨之變化，這種變化會(huì)始終持續(xù)不斷。工作臺(tái)剛安好、無載荷檢測水平精度勉強(qiáng)合格，但使用一段時(shí)間后，其水平誤差一般都在0.5～1 mm左右?？偨Y(jié)問題原因，尋找有效途徑，如要提高工作臺(tái)的精度和承重能力，必須改變工作臺(tái)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、加工方式、安裝方法以及地基和基礎(chǔ)的承重能力。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

工作臺(tái)基礎(chǔ)按相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和使用要求設(shè)計(jì)建造，地基承載力特征值按fak≥250 kPa選取，C30鋼筋混凝土基礎(chǔ)見圖2?；A(chǔ)的東側(cè)、北側(cè)分別與機(jī)床導(dǎo)軌坑和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)地坑相連，西側(cè)、南側(cè)用磚墻和隔振層與地面層斷開，基礎(chǔ)主體高度2000 mm。圖3預(yù)埋件按承壓特性設(shè)計(jì)，材料HT200，向上拉力由地腳螺栓分擔(dān)，此設(shè)計(jì)方式改變了圖1中預(yù)埋件既承壓又受拉的不合理受力結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土密度2.5 tm3，近似計(jì)算地基承重安全系數(shù)為(地基總承重5942 t-基礎(chǔ)重量1250 t-工作臺(tái)自重360 t)÷工作臺(tái)設(shè)計(jì)承重1400 t≈3.1，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和使用要求。工作臺(tái)使用時(shí)，總承重一般控制在700 t以內(nèi)，超過此重量嚴(yán)控或?qū)⒐ぜb卡在工作臺(tái)中心，并且多支點(diǎn)支撐，以確保工作臺(tái)精度的長期穩(wěn)定?；A(chǔ)完工，安裝預(yù)埋件和工作臺(tái)之前，按工作臺(tái)設(shè)計(jì)承重的1.25倍預(yù)壓基礎(chǔ)兩個(gè)月，以穩(wěn)定地基和基礎(chǔ)的承重能力。C30鋼筋混凝土強(qiáng)度為300 kPa，安全系數(shù)取1.6，單套預(yù)埋件承重=300×0.3×0.3×100÷9.80665÷1.6≈172 t，是圖1中單套預(yù)埋件承重的5倍。地腳螺栓選用規(guī)格?40、HRB400螺紋鋼制作，埋植深度1285 mm，壓緊端光桿外徑加工至?36 mm，端頭M36螺紋。按螺紋計(jì)算，可承受328 kN拉力；安全系數(shù)取1.6，允許拉力205 kN，是圖1的2.3倍。

3 工作臺(tái)設(shè)計(jì)

工作臺(tái)尺寸、承重、剛性、精度、建造成本等要求是設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。此外，還需符合機(jī)床設(shè)計(jì)、制造、安裝各項(xiàng)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)等。針對工件特點(diǎn)，選定工作長18 m×寬12 m×高0.45 m，總承重1400 t。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和使用要求，工作臺(tái)安裝后水平精度按0.03 mm1000 mm×1000 mm、0.1 mm18000 mm×12000 mm設(shè)計(jì)。

圖2 新設(shè)計(jì)鏜銑床工作臺(tái)總圖Figure 2 Newly-designed boring and milling machine working table

圖3 新設(shè)計(jì)鏜銑床基礎(chǔ)預(yù)埋件Figure 3 Newly-designed boring and milling machine base embedded parts

3.1 工作臺(tái)支撐方式

圖4是新設(shè)計(jì)鏜銑床工作臺(tái)支撐方式簡圖，工作臺(tái)平板材料HT250，長6 m×寬2.4 m×高0.45 m，重量24 t，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性優(yōu)良。工作臺(tái)平板通過?170墊圈直接承壓在預(yù)埋件上，平面支撐，接觸剛性好，墊圈材料HT200。當(dāng)工作臺(tái)尺寸隨溫度變化時(shí)，工作臺(tái)的水平精度不會(huì)發(fā)生變化，消除了圖1的弊端。

圖4 新設(shè)計(jì)鏜銑床工作臺(tái)支撐方式簡圖Figure 4 Supporting mode of newly-designed boring and milling machine working table

圖5 新設(shè)計(jì)鏜銑床工作臺(tái)平板Figure 5 Newly-designed boring and milling machine working table plate

圖6 新設(shè)計(jì)平板精加工示意圖Figure 6 Finish machining of newly-designed plate

3.2 平板設(shè)計(jì)

綜合考慮鑄造、加工、安裝工藝，仍將工作臺(tái)分成等尺寸的15件平板進(jìn)行設(shè)計(jì)，總重360 t，使用圖5新設(shè)計(jì)的工作臺(tái)。另考慮到使用中工作面存在磕碰、壓傷需拆下返修的實(shí)際情況，平板工作面板厚按≥80 mm設(shè)計(jì)，使用中可返修至75 mm。T型槽規(guī)格按42 mm配M36、M30螺栓設(shè)計(jì)，平板中各筋板的尺寸、位置嚴(yán)格按受力要求確定，支點(diǎn)為平面結(jié)構(gòu)，支點(diǎn)中心與筋板中心線重合，很好保證了平板在工件重力作用下變形小、水平精度高，符合全剛性支撐要求。工件加工過程中，多為水溶液冷卻液，故平板、?170 mm墊圈、預(yù)埋件均選用防銹好的鑄鐵材料，避免工作臺(tái)長期使用中出現(xiàn)支點(diǎn)銹蝕。

4 平板的加工方法

為保證平板精度長期穩(wěn)定，在毛坯鑄造和加工中將去應(yīng)力、減小裝卡和重力變形作為重點(diǎn)。平板的制造流程為：毛坯鑄造→劃線→單面留4 mm余量粗加工→去應(yīng)力回火→油漆→劃線→精加工→完工檢查。在龍門銑精加工時(shí)，先底面向上，加工支撐基準(zhǔn)。主支點(diǎn)布置在平板四角，縱、橫向中點(diǎn)加輔助支撐，消除撓度變形，百分表壓緊，裝卡變形按<0.02 mm控制。在一次走刀下銑準(zhǔn)底面，鉆各螺栓通孔，見圖6(a)。然后按圖6(b)裝卡，精銑工作面、T型槽等部位，主要步驟為：根據(jù)平板支點(diǎn)位置，在龍門銑工作臺(tái)裝卡24件墊塊，在一次走刀下精銑墊塊上平面，并鉆攻M36壓緊螺孔。再將平板就位，用工藝螺栓通過平板螺栓通孔壓緊，精銑工作面、T型槽等部位。平板的這種加工方式做到了加工中的支、壓點(diǎn)與安裝狀態(tài)完全一致和工藝基準(zhǔn)的完全統(tǒng)一。

5 基礎(chǔ)澆鑄及工作臺(tái)的安裝

5.1 工作臺(tái)安裝主要技術(shù)要求

選定8號平板作為安裝基準(zhǔn)，見圖2和圖7。

(1)安裝時(shí)將水平精度提高至設(shè)計(jì)值的1.4倍。

(2)?170墊圈與預(yù)埋件和平板的接觸面積≥75%。

(3)選定8號平板O支點(diǎn)為工作臺(tái)所有支點(diǎn)的零位基準(zhǔn)標(biāo)高。8號平板各支點(diǎn)相對于自身O支點(diǎn)的等高允差為0～+0.03 mm；其它平板各支點(diǎn)相對于8號平板O支點(diǎn)的等高允差為0～+0.04 mm；非支點(diǎn)部位相對于O支點(diǎn)的等高允差為0～+0.07 mm。

(4)相鄰平板支點(diǎn)部位錯(cuò)位≤0.03 mm，其它部位≤0.05 mm。

(5)選擇8號平板作為工作臺(tái)熱脹冷縮的死點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)在8號平板的a、f、s、x四角和i、j、o、p位置共八個(gè)支點(diǎn)用平板定位套將平板定位于地腳螺栓，見圖4，平板定位套尺寸內(nèi)孔?36.5 mm，外圓?41.5 mm，長70 mm。8號平板各支點(diǎn)螺栓擰緊力矩1000～1100 N·m，其它平板900～1000 N·m。

(6)量具選用。選擇8杯水連通水平測量工具調(diào)整、檢測平板各支點(diǎn)等高，并將所測值作為工作臺(tái)的最終水平數(shù)據(jù)，見圖7。8杯水連通水平測量工具由八只等高測量杯各自通過內(nèi)外徑為20 mm×25 mm～25 mm×30 mm透明膠管與一只灌水杯相連組成，測量精度0.02 mm。激光準(zhǔn)直儀檢測的等高數(shù)據(jù)用作參考。其它所用量具為深度千分尺、千分表、合像水平儀、刀口尺、塞尺等。

圖7 水連通水平測量工具調(diào)平8號平板示意圖Figure 7 No.8 plate levelled by water connectivity horizontal gauging tool

5.2 基礎(chǔ)澆鑄

選用C30鋼筋混凝土澆鑄基礎(chǔ)，分三次灌漿完成。首次是澆鑄基礎(chǔ)主體、養(yǎng)護(hù)、預(yù)壓。第二次是平板就位狀態(tài)灌漿固定地腳螺栓。先組裝地腳螺栓，即先在地腳螺栓光桿段依次裝入內(nèi)孔?36.5 mm、外圓?41.5 mm、長度160 mm的定位套，內(nèi)孔?37 mm、外圓?41 mm、長度290 mm的襯套，內(nèi)孔?36.5 mm、外圓?41.5 mm、長度70 mm的定位套，?36 mm墊圈，擰上M36螺帽。然后實(shí)測基礎(chǔ)主體，確定工作臺(tái)各平板的安裝位置。再將各平板就位，按0.1 mm1000 mm×1000 mm、0.3 mm18 000 mm×12 000 mm粗調(diào)各平板水平，用長管漏斗將灌漿料通過平板上的螺栓通孔灌入基礎(chǔ)地腳螺栓預(yù)留孔中，接著插入地腳螺栓。待灌漿料養(yǎng)護(hù)期滿，吊下平板，安裝預(yù)埋件。第三次是預(yù)埋件就位、精調(diào)水平，灌漿固定預(yù)埋件。預(yù)埋件水平的調(diào)整方法：先將預(yù)埋件套入地腳螺栓就位，然后在地腳螺栓上依次套入長度160 mm定位套、長度290 mm襯套、?36 mm墊圈，擰上M36螺帽，輕壓預(yù)埋件，用預(yù)埋件上的三個(gè)M16螺釘精調(diào)水平，用水平儀檢測，允差0.02 mm；用水連通水平測量工具精調(diào)各預(yù)埋件等高，允差0.1 mm；合格后灌漿固定預(yù)埋件，待灌漿料養(yǎng)護(hù)期滿，安裝工作臺(tái)。

5.3 基準(zhǔn)平板的安裝

先安裝圖2中的8號基準(zhǔn)平板，參見圖7，安裝步驟如下：

(1)測量平板24個(gè)支點(diǎn)部位尺寸450 mm的實(shí)際值。

(2)用水連通水平測量工具檢測各預(yù)埋件等高。

(3)根據(jù)(1)、(2)計(jì)算?170 mm墊圈的配磨厚度，為保證其它平板?170 mm墊圈配磨余量足夠，故8號平板的每件墊圈厚度多磨0.2 mm。配磨前墊圈厚度35.2 mm。

(4)將墊圈兩端面分別與平板和預(yù)埋件研磨，保證接觸要求。

(5)先將平板定位套套入地腳螺栓，然后將平板就位壓緊。

(6)用水連通水平測量工具檢測各支點(diǎn)部位相對于O支點(diǎn)等高，有超差點(diǎn)再次配磨?170 mm墊圈至等高合格。測量時(shí)，O支點(diǎn)的測量杯始終保持位置不動(dòng)。

5.4 其它平板的安裝

以8號平板的O支點(diǎn)作為其它各平板的安裝基準(zhǔn)，由內(nèi)到外逐一安裝各平板。安裝方法與8號平板一致。考慮到使用要求，各平板安裝過程中應(yīng)盡量提高各支點(diǎn)的等高精度和相鄰平板的錯(cuò)位精度。為提高安裝效率，將激光準(zhǔn)直儀用于安裝過程。

6 結(jié)論

介紹大型鏜銑床工作臺(tái)的設(shè)計(jì)、加工、安裝技術(shù)方案，在只微增投資費(fèi)用基礎(chǔ)上，將工作臺(tái)的水平精度和承重能力提高5倍以上，所能承受的向上拉力也大幅提高。這樣，工作臺(tái)不僅能很好地滿足現(xiàn)有和后繼大型核電汽輪機(jī)及其它類似產(chǎn)品大部件的加工要求，還大幅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了加工中的輔助時(shí)間，技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)良。此工作臺(tái)還可作為大型零部件的尺寸檢驗(yàn)平臺(tái)、劃線平臺(tái)、大噸位整機(jī)或部套的裝配平臺(tái)使用。