大型法蘭銑鉆一體專機(jī)設(shè)計(jì)

任軍輝

湖南中鐵五新重工有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410323

1 序言

近年來(lái)港口碼頭、礦山、風(fēng)電、水電、石油化工、壓力容器和工程機(jī)械等領(lǐng)域市場(chǎng)比重不斷增加，特別是港口碼頭領(lǐng)域，我國(guó)已連續(xù)十多年貨物處吞吐量位居世界第一[1]。而這些領(lǐng)域設(shè)備的功能要求也越來(lái)越多元化，工作效率、可靠性等越來(lái)越高，同時(shí)設(shè)備的外形尺寸也越來(lái)越大，其產(chǎn)品非標(biāo)、大型化已經(jīng)成為多個(gè)領(lǐng)域的主流。這些設(shè)備上關(guān)鍵部位如安裝大型回轉(zhuǎn)支承的法蘭、大型管道對(duì)接法蘭密封槽、面等，其法蘭平面度、法蘭孔的位置度等幾何公差要求均較高。

2 大型法蘭類產(chǎn)品零部件分析

2.1 大型法蘭類產(chǎn)品零部件特點(diǎn)

1）該類產(chǎn)品本身外形尺寸大，一般通用機(jī)床無(wú)法加工，只能采用超大型機(jī)床加工，而這類機(jī)床不通用，市場(chǎng)上很少，即便可加工，工件運(yùn)輸成本也非常高，加工周期長(zhǎng)，且加工費(fèi)用昂貴。

2）工件外形尺寸大，均為鋼板焊接而成，焊接應(yīng)力、變形大，只能焊接完成后再加工。

3）若是這些設(shè)備在使用現(xiàn)場(chǎng)維修時(shí)，將零部件拆卸后運(yùn)往加工地進(jìn)行加工，需要花費(fèi)巨大成本與時(shí)間，同時(shí)，維修時(shí)還需要根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定加工量、加工范圍和加工精度，零部件拆卸后外運(yùn)加工效果也很難控制。

2.2 大型法蘭類產(chǎn)品零部件現(xiàn)有加工方式

針對(duì)大型法蘭上法蘭平面、回轉(zhuǎn)支承安裝孔、密封槽和面等的加工，目前主要加工方式如下。

1）法蘭零件在部件焊接前加工完成，通過(guò)焊接過(guò)程中焊接工藝、工裝等控制法蘭的變形。

2）有法蘭的零部件焊接完成后采用大型機(jī)床加工。

3）有法蘭的零部件焊接完成后采用多種機(jī)床按工序順序設(shè)置于法蘭上，分別加工，如法蘭面銑削機(jī)床、車削機(jī)床、回轉(zhuǎn)支承孔鉆削機(jī)床（搖臂鉆）等。

2.3 大型法蘭類產(chǎn)品零部件現(xiàn)有加工方式存在的缺點(diǎn)

（1）法蘭零件在部件焊接前加工完成方式 該方式主要采用焊接工藝與工裝控制法蘭零件的焊接變形，同時(shí)對(duì)法蘭零件本身剛性及與其相聯(lián)接的零部件剛性要求高，即厚度、截面等尺寸增大。因此只用于對(duì)工作頻率低、載荷平穩(wěn)交變小和精度要求不高的產(chǎn)品。對(duì)制造工藝、操作人員要求高，產(chǎn)品部件成本高。

（2）法蘭零件先焊接再采用大型機(jī)床加工的方式 該方式采用大型機(jī)床保證法蘭零件的加工精度，僅用于法蘭及設(shè)置有發(fā)藍(lán)的部件外形尺寸較小、質(zhì)量相對(duì)較輕的產(chǎn)品部件，如挖掘機(jī)、汽車起重機(jī)等工程機(jī)械類產(chǎn)品的車架、轉(zhuǎn)臺(tái)部件法蘭等。因每部件均需轉(zhuǎn)移到指定位置加工，故生產(chǎn)效率較低。

（3）法蘭先焊接再采用多種機(jī)床按工序分別加工 該方式采用多種機(jī)床按工序分別加工，用于有法蘭零件的產(chǎn)品部件外形尺寸大、質(zhì)量大，無(wú)法或很難采用通用機(jī)床加工的場(chǎng)合，如港口碼頭起重機(jī)械、礦山機(jī)械等產(chǎn)品的圓筒、轉(zhuǎn)臺(tái)部件法蘭。因每道工序采用單獨(dú)的機(jī)床加工，機(jī)床安裝、找正輔助時(shí)間長(zhǎng)，頻繁更換機(jī)床安裝方式，故法蘭精度很難保證，生產(chǎn)效率低，成本高。

3 大型法蘭銑鉆一體專機(jī)設(shè)計(jì)需解決的關(guān)鍵問(wèn)題

1）加工精度，如法蘭平面度、法蘭上孔的位置度等幾何公差。

2）機(jī)床一次安裝完成多道工序加工，如法蘭平面、內(nèi)外圓銑削、車削加工與法蘭面上孔的鉆削、螺紋、正反锪削加工等，不需二次更換機(jī)床。

3）快速便捷的確定法蘭中心。

4）機(jī)床安裝便捷且穩(wěn)定可靠。

5）可適應(yīng)多種規(guī)格法蘭尺寸的加工。

4 大型法蘭銑鉆一體專機(jī)主要參數(shù)

大型法蘭銑鉆一體專機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 大型法蘭銑鉆一體專機(jī)參數(shù)

5 結(jié)構(gòu)組成

結(jié)合多領(lǐng)域產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征及法蘭精度要求和該銑鉆專機(jī)應(yīng)用范圍，采用多套設(shè)置于底座徑向的組合支腿將該專機(jī)固定于法蘭內(nèi)部或法蘭下方與其聯(lián)接部件上；通過(guò)高精度回轉(zhuǎn)支承聯(lián)接轉(zhuǎn)座，移動(dòng)懸臂梁設(shè)置于轉(zhuǎn)座上；可安裝盤、立銑刀、鉆頭、正反向锪刀和絲錐等刀具的多功能動(dòng)力頭設(shè)置于懸臂梁一端；設(shè)置在底座徑向上的多套自定心支桿，根據(jù)不同法蘭直徑在液壓驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)該專機(jī)的自動(dòng)定中心；懸臂梁移動(dòng)（Y軸）、動(dòng)力頭上下移動(dòng)（Z軸）、轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)動(dòng)（C軸）在開發(fā)的專用數(shù)控系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)法蘭的各工序全自動(dòng)加工；而最關(guān)鍵的鉆孔分度采用高精度編碼器與系統(tǒng)閉環(huán)控制；在鎖定轉(zhuǎn)座的鎖定機(jī)構(gòu)配合下，使鉆孔精度更高；設(shè)備關(guān)鍵機(jī)構(gòu)采用全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，以提高設(shè)備的工況適應(yīng)性與降低使用過(guò)程中的故障率和維修難度。

該專機(jī)可便捷可靠地完成一直徑范圍內(nèi)的法蘭面、內(nèi)外圓、孔的一次安裝全部加工。法蘭銑鉆一體專機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 法蘭銑鉆一體專機(jī)總體結(jié)構(gòu)

5.1 操控系統(tǒng)

采用自主開發(fā)的專用操控系統(tǒng)主要具有如下功能。

1）C軸、Y軸和Z軸自動(dòng)或手動(dòng)工作模式。

2）銑削、鉆削（含打點(diǎn)）、攻螺紋和正反锪孔等功能選擇。

3）各加工模式、功能參數(shù)交互式設(shè)置。

4）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)提醒（各機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)、切削液位、潤(rùn)滑和油溫等）、各加工功能測(cè)試。

操控系統(tǒng)控制器、變頻器、繼電器及線路等器件均設(shè)置于懸臂梁的內(nèi)腔中，以減少外部因素對(duì)其的損壞、影響，在懸臂梁的上端設(shè)置有降溫裝置與通風(fēng)口。圖2所示為操控系統(tǒng)顯示面板實(shí)物。

圖2 操控系統(tǒng)顯示面板實(shí)物

5.2 懸臂梁

懸臂梁整體采用力學(xué)性能優(yōu)良的箱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部腔體分操控系統(tǒng)器件區(qū)域與切削液區(qū)域，箱體底部?jī)蓚?cè)設(shè)置有Y軸移動(dòng)矩形導(dǎo)軌，底部設(shè)置Y軸驅(qū)動(dòng)絲杠，其一端部設(shè)置有動(dòng)力頭（Z軸）移動(dòng)矩形導(dǎo)軌與驅(qū)動(dòng)絲杠。導(dǎo)軌為力學(xué)性能優(yōu)良的高強(qiáng)度鑄鋼淬火和吸振性能優(yōu)良、精度高的貼塑導(dǎo)軌副，另一端設(shè)置有配重塊[2]，同時(shí)還設(shè)置有水平儀，如圖3所示。

圖3 懸臂梁三維示意

5.3 轉(zhuǎn)座

轉(zhuǎn)座為盤形結(jié)構(gòu)，上端設(shè)置有懸臂梁導(dǎo)軌槽，下端與高精度回轉(zhuǎn)支承聯(lián)接，在C軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)其上懸臂梁等工作部件的圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)座三維示意

5.4 鎖定機(jī)構(gòu)

在鉆孔、攻螺紋和锪孔時(shí)，特別是鉆孔時(shí)，切削阻力較大、切削點(diǎn)離主軸較遠(yuǎn)，剛性差，整機(jī)振動(dòng)大，最易導(dǎo)致分度誤差和鉆孔偏斜，需確保整機(jī)的穩(wěn)定性，減少振動(dòng)。在鉆削、攻螺紋、锪孔加工時(shí)，在底座上呈180°設(shè)置的兩套液壓鎖定裝置自動(dòng)頂緊轉(zhuǎn)座。鎖定機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5 鎖定機(jī)構(gòu)三維剖面示意

5.5 底座

底座采用力學(xué)性能優(yōu)良的高強(qiáng)度鑄鋼材料和環(huán)形框式結(jié)構(gòu)，經(jīng)多次熱處理去除應(yīng)力，確保精度穩(wěn)定性。圓周方向設(shè)置有支腿組件、自定心總成接口及整機(jī)放置可收縮支座，液壓控制系統(tǒng)安裝于內(nèi)部腔體內(nèi)。底座結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 底座三維示意

5.6 自定心總成

自定心總成設(shè)置在底座圓周方向呈120°夾角的三套支腿組件內(nèi)，采用同步控制的三支液壓缸活塞桿抵接法蘭內(nèi)圓或與法蘭的聯(lián)接件內(nèi)圓，實(shí)現(xiàn)該專機(jī)的定中心。同時(shí)在其活塞桿端部設(shè)置有微調(diào)裝置，微調(diào)裝置與法蘭內(nèi)圓抵接為可任意轉(zhuǎn)動(dòng)的球體，以靈活適應(yīng)因法蘭及聯(lián)接件加工變形導(dǎo)致的活塞桿無(wú)法抵接內(nèi)圓的現(xiàn)象。自定心總成如圖7所示。

圖7 自定心總成三維示意

5.7 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

Y軸、Z軸采用高精度伺服減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶帶動(dòng)高精度滾珠絲杠，實(shí)現(xiàn)懸臂梁與動(dòng)力頭的移動(dòng)。C軸采用高精度伺服減速電動(dòng)機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)小齒輪，并與回轉(zhuǎn)支承外齒圈嚙合實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)[3]。高精度滾珠絲杠安裝采用預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)，以提高傳動(dòng)剛性，確保機(jī)構(gòu)精度。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖8所示。

圖8 Y、Z、C軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維示意

5.8 支腿組件

支腿組件共6組，在底座圓周上均布設(shè)置，每組采用多節(jié)支腿節(jié)組合式結(jié)構(gòu)，以根據(jù)不同法蘭直徑靈活組裝調(diào)節(jié)與靈活使用具體數(shù)量。圓周上呈120°布置的其中3組，靠近工件法蘭的支腿節(jié)上方設(shè)置有可轉(zhuǎn)動(dòng)支撐板，同時(shí)在支撐板的下方設(shè)置有可調(diào)節(jié)高度的支撐塊。靠近法蘭的支腿節(jié)兩側(cè)設(shè)置有安裝板聯(lián)接接口。在該專機(jī)對(duì)中心時(shí)通過(guò)該支撐板支撐于法蘭上端，若需高度方向調(diào)平，則通過(guò)調(diào)節(jié)下方支撐塊即可。待中心對(duì)正與調(diào)平后，聯(lián)接板一端與支腿兩側(cè)的接口聯(lián)接，另一端與工件法蘭內(nèi)圓或法蘭聯(lián)接件內(nèi)圓聯(lián)接，然后轉(zhuǎn)動(dòng)支撐板遠(yuǎn)離法蘭，即可開始加工。支腿組件如圖9所示。

圖9 支腿組件三維示意

5.9 動(dòng)力頭

采用變頻電動(dòng)機(jī)與高精度減速機(jī)同軸直聯(lián)接，配置平面銑刀、立銑刀、麻花鉆、空心鉆、絲錐和正反向锪鉆等刀具接口。同時(shí)主軸具備鉆削厚板時(shí)采用內(nèi)冷鉆頭或空心鉆頭時(shí)內(nèi)部加注切削液功能，如圖10所示。

圖10 動(dòng)力頭三維示意

6 安裝與加工過(guò)程

圖11、圖12所示為本法蘭銑鉆一體專機(jī)加工某大型礦山設(shè)備轉(zhuǎn)臺(tái)部件實(shí)況，該部件質(zhì)量50t左右，法蘭直徑4.5m左右，需銑削面與鉆孔。本法蘭銑鉆一體專機(jī)安裝與加工過(guò)程簡(jiǎn)述如下。

圖11 FXZ7000型法蘭銑鉆一體專機(jī)加工法蘭面實(shí)況

圖12 FXZ7000型法蘭銑鉆一體專機(jī)加工法蘭孔實(shí)況

1）根據(jù)需要加工的法蘭直徑選擇對(duì)應(yīng)的支腿節(jié)，裝配好各支腿組件。

2）將轉(zhuǎn)臺(tái)部件放置平穩(wěn)。

3）將支腿組件上可轉(zhuǎn)動(dòng)支撐板置于圖9所示 狀態(tài)。

4）將該專機(jī)通過(guò)可轉(zhuǎn)動(dòng)支撐板放置于法蘭面上，可轉(zhuǎn)動(dòng)支撐板在法蘭面上的位置不超過(guò)法蘭圈截面寬度（內(nèi)外圈半徑之差）的2/3。

5）接通電源開機(jī)，起重機(jī)輔助吊著該專機(jī)，起動(dòng)自定心總成，待各活塞桿端部微調(diào)裝置上的球體抵接法蘭內(nèi)圈表面時(shí)（根據(jù)實(shí)際情況決定是否微調(diào)），定心完成，起重機(jī)輔助取消。

6）在動(dòng)力頭側(cè)面安裝測(cè)距檢測(cè)裝置，起動(dòng)C軸轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測(cè)法蘭面平面度、工件水平度情況，再根據(jù)情況調(diào)節(jié)支腿組件上可轉(zhuǎn)動(dòng)支撐板下方的支撐塊，使該專機(jī)與工件保持水平狀態(tài)。

7）通過(guò)支腿組件上的安裝板與工件固定聯(lián)接，安裝完成。

8）將支腿組件上可轉(zhuǎn)動(dòng)支撐板轉(zhuǎn)動(dòng)90°左右（遠(yuǎn)離法蘭內(nèi)圈壁）。

9）顯示面板上選擇銑削面、鉆孔功能、設(shè)置參數(shù)、程序編寫和加工。

10）所有加工完成、檢驗(yàn)合格后，拆卸支腿組件上的安裝板與工件聯(lián)接，起重機(jī)吊移該專機(jī)。

7 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)近一年的跟蹤測(cè)試，本大型法蘭銑鉆一體專機(jī)加工精度和質(zhì)量完全達(dá)到設(shè)計(jì)與使用要求，基本未出現(xiàn)故障現(xiàn)象。對(duì)于大型法蘭平面、內(nèi)外圓、孔（光孔、螺紋孔、正反向沉孔）等只需一次安裝機(jī)床即可全部完成加工，生產(chǎn)效率較現(xiàn)有加工方式提高30%～40%。該法蘭銑鉆一體專機(jī)不僅適用于港口碼頭、礦山、風(fēng)電、水電、石油化工、壓力容器和工程機(jī)械等領(lǐng)域設(shè)備產(chǎn)品廠內(nèi)生產(chǎn)加工，而且適用于所述領(lǐng)域產(chǎn)品使用現(xiàn)場(chǎng)的安裝、維修加工。該法蘭銑鉆一體專機(jī)為所述相關(guān)領(lǐng)域大型法蘭、回轉(zhuǎn)筒體類工件加工提供了一種便捷加工方式，同時(shí)為同類加工設(shè)備的研究設(shè)計(jì)、選型及應(yīng)用提供了實(shí)際參考依據(jù)。