混凝土條板數控鉆孔設備設計分析

程凱， 賈寶英

（杭蕭鋼構（集團）股份有限公司，杭州 310003）

1 混凝土復合條板鉆孔概念與加工方法

1.1 混凝土復合條板鉆孔概念

鋼結構建筑中用于墻體建造的混凝土復合條板，是建筑結構中常用的一種墻體預制復合板材，具體結構如圖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，填充各類輕質混凝土，并經高溫加壓等方法而形成。

圖1 混凝土復合條板

在墻體建造施工過程中，通常需要按設計要求，在完成安裝的混凝土復合條板構成的墻體中，開出用于鋪設各種電線（纜）穿線管的不同直徑、不同深度的溝槽，導致混凝土復合條板墻體表面造成破壞，嚴重影響墻體表面外觀及后續裝修質量。為了解決這個問題，設想混凝土復合條板在工廠中預制完成并養護好之后，即可按墻體中穿線管的尺寸位置等技術要求，在工廠生產車間采用研制的鉆孔設備，對混凝土條板進行后續鉆孔加工，為安裝用電線纜穿線管做好準備。

1.2 混凝土復合條板鉆孔加工方法

混凝土墻體復合條板內設置的穿線管的公稱直徑一般為 DN15、DN20、DN25、DN32等幾種規格。這些穿線管的軸線通常以豎直方向居多，偶有水平方向用于相互連接的管路。這些穿線管有從地面向上伸出的用于為各類插座供電的管路，也有從棚頂向下伸出的用于各類開關及插座的管路。由此可見，在研制混凝土條板的鉆孔設備時，應該考慮到從條板四邊不同部位鉆孔的需要，同時應滿足鉆孔的最大長度不小于2 m，見圖2。從圖中可見，在復合條板的厚度上的兩個方向，都有用于敷設穿線管的直徑與長度不同的小孔，這些小孔是在設備研制試驗中，采用簡易鉆孔試驗裝置加工的。

在混凝土條板鉆孔試驗中，采用金剛石鉆孔機為鉆孔加工設備，這類設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。通過實際試驗得到的結果證明，金剛石鉆孔機可以滿足實際生產中對混凝土條板鉆孔的需要。

圖2 混凝土墻體鉆孔試件結構圖

2 混凝土條板鉆孔加工設備的設計

2.1 加工設備的選擇及介紹

在混凝土條板鉆孔加工設備設計過程中，首先通過對混凝土條板鉆孔用設備的檢索，我們聯系到德國凱宴（CAYKEN）公司，這是一家制造工程鉆機、磁座鉆、墻壁切割機等工業級鉆孔機械的國際型高科技企業。該公司的KCY-4050QA（自動進刀金剛石鉆孔機）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，具有無粉塵作業、效率高、孔壁光滑、尺寸精確等特點，適用于設備安裝、水電、煤氣安裝等施工領域，具體結構如圖3所示。從鉆孔設備整體來看，它基本可以滿足我們對混凝土條板鉆孔的各項要求。但需要對其基礎工作臺及鉆機底座進行相應的改造，以適應加工深度孔洞的要求。

1）KCY-4050QA自動金剛石鉆孔機主要技術參數：鉆孔直徑為15～405 mm；鉆孔標準深度為350 mm，使用特制加長桿時，鉆孔深度可達2m；額定電壓為110/220 V；額定功率為5 kW；額定空轉速度為（280/550）r/min；工作轉速為（50/180）r/min；進刀速度為（0.05/0.2）mm/r。

圖3 KCY－4050QA金剛石鉆孔機

2）金剛石鉆孔設備外形及其主要結構功能：a.空心鉆頭是用來對混凝土墻體或樓板進行鉆孔的刀具，混凝土墻體鉆孔用鉆頭一般均為空心取芯鉆頭；b.鉆機動力頭由電機與旋轉主軸組成，主要為空心鉆頭提供鉆孔用旋轉動力；c.空心鉆頭不但需要旋轉完成對條板的鉆削，同時也需要沿著可旋轉進給支架實現縱向進刀，最終完成對條板的鉆孔工作，支架上輔有齒輪齒條運動副，為實現鉆頭的縱向進給提供運動條件，另外支架可繞轉軸進行90°的旋轉，這樣可以對條板上不同角度的孔洞進行加工。d.供電電纜為動力頭電機及縱向進給電機提供電源；e.操作面板用于對鉆孔設備實現運行控制；f.鉆機底座是整體設備的基礎，用于支撐可旋轉支架，從而間接支撐動力頭等部件，完成鉆孔工作。

2.2 對原鉆孔設備的改進

在對原鉆孔設備（單臺鉆機）經過增加基礎及工作臺、控制系統等方面改進后，可以滿足大批量混凝土條板鉆孔的需要，研制的鉆孔設備（包括工作臺）外形結構如圖4所示。其主要功能如下：1）縱向鉆孔機用于在混凝土條板縱向進行鉆孔，可以通過輸入參數自動橫向確定鉆孔位。2）設備基座是設備的基礎，用于固定與支撐各傳動部件與動力頭；3）圖示位置為待鉆條板在加工時的擺放位置；4）工作臺用于在加工時支撐待鉆條板；5）待鉆條板在鉆削加工時，需要在水平方向給予夾緊定位，夾緊力則由夾緊傳動裝置提供；6）橫向鉆孔機用于在混凝土條板橫向進行鉆孔?？梢酝ㄟ^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）橫向傳動導軌用于鉆孔動力頭沿橫向運動，確定鉆孔位置或進行鉆孔進給；9）傳動電機用于通過橫向或縱向導軌及絲杠傳動鉆削動力頭，使其能夠在加工時做縱、橫向進給運動。10）縱向傳動導軌用于鉆孔動力頭沿縱向運動，確定鉆孔位置或進行鉆孔進給。

圖4 新研制的鉆孔設備

2.3 鉆孔設備的加工效率

對于條板加工的孔徑為16～40 mm，運動參數應選取技術參數中較大的數值：工作轉速為200 r/min；考慮加氣混凝土材質較疏松，進刀速度取為1 mm/r；假設鉆孔深為2000 mm，則完成一個這種規格的鉆孔工作所需時間為T=2000 mm/（200 r/min×1 mm/r）=10 min。

每張條板上、下料輔助時間取10 min，主要是每650 mm需要停機增加加長桿。則完成一張條板鉆削加工的總時間為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

改進后的混凝土條板鉆孔加工設備，其鉆孔工藝流程如下：設備啟動→各鉆削動力頭回零位→混凝土條板上料→條板在工作臺定位夾緊→調整動力頭位置→啟動鉆削動力頭→動力頭進給鉆削→增加特制加長桿→完成鉆孔加工后退回動力頭→條板下料。

各工序說明：

1）設備啟動。在加工前，首先啟動設備，注意檢查空轉設備的各項安全維保要求，待設備運轉正常后，進行下道工序；此道工序中如果是自動設備，則應在此工序中進行設備加工程序的編制。確定加工數量、加工規格與尺寸等。

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

3）條板上料。采用起重設備將待鉆削加工的條板吊運到工作臺，并大致定位。

4）條板在工作臺上定位夾緊。對于已經擺放在工作臺的條板，采用夾緊裝置進行定位夾緊，以便鉆削加工。

5）調整動力頭位置。開啟設備控制驅動單元，將預參與鉆孔的動力頭移動到鉆孔位置，確保位置準確。

6）啟動鉆削動力頭。首先啟動參與鉆孔加工的鉆削動力頭，按加工孔徑與材料調整好工作轉速與進給速度。

7）動力頭進給鉆削。在調整完加工參數后，啟動動力頭的進給電機，在鉆削同時，實現進給運動。

8）增加特制加長桿。特制加長桿長度為650 mm，每次鉆削進給深度達到一定要求后，需要退回動力頭，停機并在主軸上增加一節加長桿，然后進行下一工步的鉆削，如此往復，達到鉆削深度為止。

9）完成鉆孔加工后，退回動力頭。待條板鉆孔深度達到預定要求后，退回動力頭至零位，然后停機。

10）條板下料。采用起重裝置將已經完成鉆孔加工的條板卸下工作臺，吊放到指定位置，然后清理設備，準備進行下一張條板的加工。

4 試件鉆孔方案

在上述各項鉆孔設備、裝置及墻體試件準備完畢后，即可進行混凝土墻體條板鉆孔實驗。具體的試件鉆孔方案與計劃見表1，其中：1）金剛石鉆孔機準備項是待設備生產廠考察結束后，根據考察洽談結果（加工范圍、交貨期、價格等）確定鉆孔機的規格型號。2）專用鉆孔裝置準備項是待鉆孔機的規格型號確定后，根據鉆孔機具體設備結構，設計專用鉆孔裝置的整體功能結構并由公司外委制作，然后進行功能實驗。3）樣品制作項是模擬施工現場對墻體管線的要求，根據電氣圖紙的實際尺寸規定，制作局部帶有線管的混凝土墻體試件。

表1 試件鉆孔方案

試驗步驟：1）按要求準備好鉆孔設備與專用鉆孔簡易裝置，并將二者安裝在一起，穩定地擺放在開闊平整的混凝土地面上。2）按表1準備好符合試驗要求的墻體條板，放置在鉆孔專用裝置旁備用。3）將墻體條板準確擺放在專用裝置的工作臺上，要求條板的四角置于工作臺的4個定位夾緊板內，見圖5。4）聯接冷卻水管，準備好冷卻水，接通電源及控制箱。啟動電源，開動動力頭，使鉆機主軸旋轉，帶動鉆頭，準備鉆孔，見圖6。5）確定鉆孔位置，緊固溜板夾緊板螺栓，保證鉆機在鉆孔過程中位置準確，無明顯振動。操作控制箱，旋轉進給速度調節旋鈕，使旋轉的鉆頭向前運行開始鉆孔。6）在鉆孔過程中，注意觀察整體工作狀況，確保正常鉆孔，并調整進給速度，使其利于鉆孔，同時做好鉆孔試驗記錄。

圖5 墻體條板放置在工作臺上

圖6 接通電源及冷卻水

5 結論

通過以上實驗與各項分析，可以得出以下結論：1）采用金剛石鉆孔設備對EPS墻體條板進行鉆孔加工的施工方法是可行的；2）鉆孔加工穿線管施工方法與傳統施工方法相比，施工成本較低、生產效率比較高；3）墻體條板鉆孔加工相比開線槽施工方法，加工工藝比較簡單；4）墻體條板鉆孔加工可以在工廠及施工現場進行施工作業；5）保護了墻體外板的完整性，消除傳統施工存在的缺陷；6）在單元鉆孔機的基礎上，增加單元鉆孔機臺數、工作臺以及數控驅動系統，可以實現一次定位夾緊同時進行四面自動鉆孔加工。