C5225 雙柱立式車床改造

陳永杰 年 偉

（上海電力機(jī)械有限公司，上海 200245）

隨著我國國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，工程塔式起重機(jī)的市場需求量也有著顯著的增長。國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)的規(guī)模越來越大，需要吊裝的物品體積、質(zhì)量和起升高度都越來越大，吊裝設(shè)施的靈活度也越來越高[1]。因此，大型起重機(jī)零部件的加工精度和加工尺寸也隨之提高，對加工的難度和設(shè)備的工作能力都提出了更高的要求。

企業(yè)技術(shù)改革必須適應(yīng)當(dāng)前形勢下多品種、高精度、高效率及成批量式的生產(chǎn)加工需求。如某企業(yè)舊有的機(jī)床設(shè)備已使用超過十年以上，設(shè)備精度已明顯下降，若對該設(shè)備進(jìn)行整體維修，需要花費(fèi)將近機(jī)床總價(jià)值50%的維修費(fèi)用，并且不能完全恢復(fù)機(jī)床的加工精度，不能從根本上解決問題。為了適應(yīng)新的生產(chǎn)加工需要，必須要使企業(yè)的機(jī)床設(shè)備保持先進(jìn)性，如添置新型機(jī)床設(shè)備或是對舊機(jī)床設(shè)備進(jìn)行更新改造。由于添置新型設(shè)備的購置成本高，安裝調(diào)試并投入使用所需要的周期長。相比之下，改造原有機(jī)床設(shè)備不但可節(jié)省大筆投資費(fèi)用，而且可根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的需求進(jìn)行局部或單項(xiàng)功能的針對性改造，在節(jié)省資金的前提下，有效提高了機(jī)床的精度和效率，實(shí)現(xiàn)了原有設(shè)備的技術(shù)升級。因此，結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多方面的因素，采用更新改造是目前較為合理的方案。

1 改造設(shè)計(jì)

1.1 加工工件分析

針對主要投產(chǎn)的塔式起重機(jī)制作項(xiàng)目進(jìn)行重點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，上海電力機(jī)械有限公司現(xiàn)有的蕪湖重型機(jī)床廠生產(chǎn)的C5225 型雙柱立式車床，無法滿足上回轉(zhuǎn)與下支座這兩個(gè)結(jié)構(gòu)件中軸承法蘭面的制作要求。以下支座為例，該結(jié)構(gòu)件高度為1 020 mm，質(zhì)量為2.4 t，需加工的法蘭直徑為1 551 mm，工件最大回轉(zhuǎn)直徑為3 400 mm。C5225 雙柱立式車床的設(shè)計(jì)最大加工工件回轉(zhuǎn)直徑為2 500 mm，與實(shí)際下支座的加工需求相去甚遠(yuǎn)，顯然不具備對該結(jié)構(gòu)件的加工能力[2]。因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)件體積大、質(zhì)量重、尺寸精度高，且該機(jī)型的塔式起重機(jī)生產(chǎn)批量大，所以委托第三方代加工所需的整體加工成本較為昂貴，也增加了企業(yè)控制生產(chǎn)進(jìn)度和生產(chǎn)周期的難度。

1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)分析

原有的C5225 雙柱立式車床對不同加工件的適應(yīng)性差，生產(chǎn)效率低。對不同零件的加工，需要先根據(jù)零件的實(shí)際要求設(shè)計(jì)工裝設(shè)備，然后再進(jìn)行實(shí)際加工，零件的總體生產(chǎn)成本高，供貨周期長，已跟不上市場的要求。為解決大批量生產(chǎn)加工的問題，需要對原有的C5225 雙柱立式車床進(jìn)行改造，使之成為一臺能夠加工直徑為4 m 的零件的立車設(shè)備。該雙立柱立式車床主要由底座、工作臺、左右立柱、橫梁和刀架組成，其中：工作臺直徑為2 250 mm，最大承載質(zhì)量為10 t，需要加工的結(jié)構(gòu)件質(zhì)量為2.4 t，能夠滿足新的制作需求；刀架通過橫梁上的導(dǎo)軌作水平移動(dòng)；橫梁通過兩個(gè)立柱上的導(dǎo)軌作上、下移動(dòng)。從機(jī)床結(jié)構(gòu)上分析，限制最大回轉(zhuǎn)直徑的部件是左右立柱。因此，需要重新設(shè)計(jì)制作左、右兩個(gè)立柱的結(jié)構(gòu)，以抬升立柱的高度，增大裝置的回轉(zhuǎn)空間。機(jī)械公司綜合評估了承接的各式起重機(jī)型號，針對不同型號下的回轉(zhuǎn)類結(jié)構(gòu)件，最終確定最大回轉(zhuǎn)直徑為4 m，抬升高度為0.6 m 的雙立柱立式車床改造方案。

1.3 改造方案

此次改造方案的關(guān)鍵是立柱的設(shè)計(jì)，需要測量并記錄原立柱的實(shí)際尺寸，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新的立柱，要求讓出工作臺上直徑為4 m 的被加工件回轉(zhuǎn)空間，并將原有的橫梁高度抬升0.6 m，同時(shí)還要保證安裝橫梁刀架的導(dǎo)軌和工作臺之間的相對位置不變，使新立柱替換原立柱之后不改變刀架與工作臺的相對位置，以避免更改機(jī)械傳動(dòng)部分，從而減少機(jī)床改造的工作量和難度。

立柱作為立式車床重要的支撐件，它起著支撐連接橫梁和刀架等關(guān)鍵部件的作用，需要在設(shè)計(jì)時(shí)保證立柱的剛度，并減小立柱的變形量，通過對壁厚、筋板厚度和布置方式的合理設(shè)計(jì)，要能夠減小機(jī)床加工時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)對立柱的影響，從而保證機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度、加工工件的表面質(zhì)量和刀具的耐用程度，并延長機(jī)床使用壽命。C5225 雙柱立式車床中，左右立柱的導(dǎo)軌材質(zhì)采用灰鑄鐵，需要確保機(jī)加工后導(dǎo)軌表面不出現(xiàn)氣孔、縮孔、裂紋等缺陷。左右立柱的鋼結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)采用焊接結(jié)構(gòu)，與鑄造結(jié)構(gòu)相比，焊接結(jié)構(gòu)的制造成本較低，且焊接結(jié)構(gòu)的制造工期比鑄造所需的工期要短，但焊接結(jié)構(gòu)會不可避免地存在焊接變形、內(nèi)應(yīng)力存在時(shí)間長等問題[3-4]。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理考慮結(jié)構(gòu)、焊接形式和是否需要配置加強(qiáng)筋板等問題。在制作過程中，要嚴(yán)格按照焊接工藝，采取支撐定位、對稱施焊等手段減少焊接變形，而且焊接完成后要對整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行退火去應(yīng)力處理，以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸，然后再加工立柱與地基、立柱與橫梁間的安裝基準(zhǔn)面，同時(shí)加工研磨安裝橫梁刀架的導(dǎo)軌，以確保立柱符合機(jī)床需要。此外，立柱的設(shè)計(jì)還需在保證剛度的同時(shí)盡可能減輕質(zhì)量，以減少材料的消耗，而且還要具有良好的加工工藝性，以此優(yōu)化立柱結(jié)構(gòu)。

C5225 雙柱立式車床中，工作臺部分由工作臺、工作臺底座、主軸部件及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，工作臺直徑為2 250 mm，臺面上設(shè)有T 形槽用來安裝卡爪等附件。改造后需要加工最大回轉(zhuǎn)直徑為4 m 的零部件，為了進(jìn)一步擴(kuò)大加工范圍，在原有工作臺的基礎(chǔ)上，要設(shè)計(jì)制作一套新的工作臺托架，通過托架來擴(kuò)大工作臺的直徑，以解決大型零部件的裝夾問題。新托架采用8 根規(guī)格為300 mm 的工字鋼作骨架，成輻射狀布置在工作臺上，4 根較長的工字鋼作為加長支臂伸出工作臺，加長支臂的回轉(zhuǎn)直徑要達(dá)到4 m，以滿足改造的需求，4 根較短的工字鋼均布在工作臺內(nèi)，長短相間，每一根工字鋼之間均采用槽鋼焊接固定，并增加筋板保證結(jié)構(gòu)的剛度。配合原工作臺上的T 形槽和卡爪將新托架的工字鋼與工作臺用螺栓連接，使其可整體拆卸，以適應(yīng)各種規(guī)格的加工零部件。

2 實(shí)施改造及驗(yàn)證

該C5225 雙柱式立式車床由于故障等原因已經(jīng)閑置多年，在投入使用前，需要對車床的各個(gè)部件進(jìn)行維護(hù)及精度檢驗(yàn)，如機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等。其中：機(jī)械結(jié)構(gòu)維護(hù)內(nèi)容包括主變速箱及外傳動(dòng)件的更換清洗以及整機(jī)的清洗、修理；對液壓系統(tǒng)的維護(hù)主要包括更換電磁閥以及清洗管路等工作；對電氣系統(tǒng)的維護(hù)包括電氣柜內(nèi)線路整修、外圍線路檢測以及絕緣測試等內(nèi)容[5]。左右立柱的鋼結(jié)構(gòu)使用Q235B 鋼板切割組焊而成，導(dǎo)軌材質(zhì)使用HT250 灰鑄鐵，導(dǎo)軌與立柱鋼結(jié)構(gòu)之間使用螺栓與定位銷緊固連接，立柱整體尺寸為：長2 500 mm；高5 000 mm；寬600 mm。

2.1 立柱制作過程工藝要點(diǎn)

各板件按圖紙要求落料、整形、組裝的過程中，要預(yù)留立柱與底座、工作臺、橫梁裝配面的加工余量。構(gòu)成立柱結(jié)構(gòu)的前后側(cè)板、上下端板均要采用網(wǎng)格狀的加強(qiáng)筋板增加強(qiáng)度，筋板使用間斷焊，筋板與焊縫干涉處要切除25 mm×45°倒角以避讓焊縫，筋板焊接完成后要再次對板件整形。立柱鋼結(jié)構(gòu)焊接要合理考慮焊接收縮量的控制，以保證結(jié)構(gòu)件整體形位尺寸，使幾個(gè)預(yù)留加工余量的裝配面具備加工條件，針對變形量大的焊接位置，要在長度或角度上預(yù)留焊接變形提前量，并采取支撐定位、雙面施焊等方式來減少焊接變形；針對半封閉結(jié)構(gòu)和封板的焊接要合理考慮焊接順序；整個(gè)結(jié)構(gòu)件焊接完成后做退火去應(yīng)力處理。加工過程中，應(yīng)盡可能使用多軸多頭機(jī)床對立柱進(jìn)行加工，以減少立柱的裝夾次數(shù)，一次裝夾同時(shí)加工多個(gè)裝配面，以減少累積誤差，提高形位公差精度。

除上述制作過程外，立柱的制作過程還包括校正立柱的焊接基準(zhǔn)面，粗銑加工立柱與底座、工作臺、橫梁之間的各個(gè)裝配面，銑加工導(dǎo)軌安裝面與安裝螺孔等。具體操作方式為：先將灰鑄鐵導(dǎo)軌安裝到立柱上，安裝螺栓時(shí)應(yīng)先擰緊導(dǎo)軌垂直平面內(nèi)的螺栓，后擰緊導(dǎo)軌水平平面內(nèi)的螺栓，并使用螺紋鎖固膠，按規(guī)定的擰緊力矩裝配。裝配完成后，將導(dǎo)軌的各個(gè)工作面磨削至符合形位公差要求，如垂直平面和水平平面內(nèi)的直線度、兩條導(dǎo)軌面之間的平行度以及導(dǎo)軌平面與其他裝配面之間的垂直度和平行度等。左右立柱的制作至此完成。

2.2 幾何精度調(diào)整流程

機(jī)床幾何精度的調(diào)整即各部件間的機(jī)械部分調(diào)整和裝配部分調(diào)整。調(diào)整機(jī)床精度的過程中，要先將C5225 雙柱立式車床解體，解體過程中要先拆下刀架和橫梁，再拆除需要替換的原有立柱。拆解完成后，安裝制作完成的新立柱，再依次將拆下的部件裝回。安裝過程中，通過校調(diào)各部件間的連接間隙以及校調(diào)導(dǎo)軌副的配合等手段實(shí)現(xiàn)各部件、工作臺、左右立柱、橫梁和刀架之間的幾何精度調(diào)整，安裝完成后驗(yàn)收機(jī)床加工的幾何精度，之后再對改造后的雙柱立式車床整體進(jìn)行檢查、測量。

具體操作方式為：安裝時(shí)需要對左右立柱、橫梁重新調(diào)平，以保證立柱導(dǎo)軌和工作臺的垂直度、左右立柱導(dǎo)軌之間的平行度等，而且必須根據(jù)解體前所記錄的幾何尺寸調(diào)整裝配位置，以確保立柱導(dǎo)軌與工作臺相對位置一致，若調(diào)整墊鐵的調(diào)整量不足以滿足要求，則需要增加調(diào)整墊鐵或墊片。通過導(dǎo)軌副的刮研及配合的調(diào)整，要保證導(dǎo)軌在立柱與橫梁安裝后仍保持直線度和平面度符合要求，避免因受力不均而導(dǎo)致工作一段時(shí)間后各段的磨損量不同，從而影響機(jī)床運(yùn)動(dòng)的精度。

2.3 機(jī)床加工精度檢驗(yàn)

機(jī)床加工精度的檢驗(yàn)包括對工作臺、橫梁、垂直刀架、側(cè)刀架等部件的幾何精度檢驗(yàn)以及對精車圓柱體圓環(huán)表面和精車圓盤端面的工作精度檢驗(yàn)等內(nèi)容，主要檢驗(yàn)項(xiàng)目為：工作臺臺面的平行度、工作臺臺面的端面跳動(dòng)、橫梁垂直移動(dòng)相對工作臺面的垂直度、垂直刀架移動(dòng)相對工作臺面的平行度以及垂直刀架滑枕移動(dòng)相對工作臺回轉(zhuǎn)軸線的平行度。例如：在檢驗(yàn)橫梁垂直移動(dòng)相對工作臺面的垂直度時(shí)，要先將垂直刀架與滑座鎖緊，然后將檢驗(yàn)棒放在工作臺中心，并旋轉(zhuǎn)工作臺找正，再將百分表固定在刀架上，并使其觸頭接觸檢驗(yàn)棒表面，然后移動(dòng)橫梁分別在行程的上、中、下3 個(gè)位置檢驗(yàn)，最后記錄百分表讀數(shù)并驗(yàn)證垂直度是否符合要求；在檢驗(yàn)垂直刀架移動(dòng)相對工作臺面的平行度時(shí)，要先將橫梁固定在行程下部位置并鎖緊，然后在工作臺上相對于中心等距的兩側(cè)放置兩個(gè)與橫梁相對平行的等高塊，并在等高塊上放置平尺，再將百分表固定在垂直刀架上，并使其觸頭接觸平尺檢驗(yàn)面，隨后移動(dòng)刀架，在1 000 mm 長度內(nèi)記錄百分表讀數(shù)，并驗(yàn)證平行度是否符合要求。

機(jī)床加工精度檢驗(yàn)通過后，將新制作的工作臺托架倒置固定在工作臺上，自車該托架的下平面直至該平面符合要求，隨后將托架掉轉(zhuǎn)方向，再次以工作位置安裝在工作臺上，并緊固全部螺栓與壓板，再自車該托架的上平面，以確保托架與工作臺的平行度，從而保證加工件的精度。按照不同規(guī)格的各型號起重機(jī)回轉(zhuǎn)類結(jié)構(gòu)件需求，在上平面加工壓板安裝孔，并安裝調(diào)整擋塊等，通過替換相對應(yīng)的夾具，能夠保證一個(gè)托架裝夾全部機(jī)型的回轉(zhuǎn)類結(jié)構(gòu)件，從而提高了該類零部件的生產(chǎn)效率。需要加工其他類型的零部件時(shí)，若該托架與其不能匹配，整體拆除后再安裝其他夾具即可。由于上、下平面均為加工面，再次安裝時(shí)無需校調(diào)托架的平行度，只要按對應(yīng)位置安裝緊密即可保證精度要求。

3 改造效果

維護(hù)完畢后，經(jīng)過模擬調(diào)試，再驗(yàn)證使用該設(shè)備加工完成的上轉(zhuǎn)臺與下支座零部件的尺寸，其加工能力和性能均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求及相關(guān)工藝要求。自該雙柱立式車床投入生產(chǎn)以來，目前已完成百余臺塔式起重機(jī)回轉(zhuǎn)類零部件的加工制作，經(jīng)檢驗(yàn)，所制作的零部件均符合圖紙要求。

此次C5225 雙柱立式車床改造的綜合成本約為40萬元，改造后加工一件塔式起重機(jī)回轉(zhuǎn)類鋼結(jié)構(gòu)件的成本約為800 元。與之相比，若委托第三方外協(xié)加工塔式起重機(jī)回轉(zhuǎn)類鋼結(jié)構(gòu)件，包含加工和運(yùn)輸?shù)木C合單件費(fèi)用約為6 000 元。按月產(chǎn)15 臺起重機(jī)的產(chǎn)量計(jì)算，每個(gè)月委外成本達(dá)18 萬元，而自己加工成本僅為24 000 元，每個(gè)月能夠節(jié)省約15 萬元，大大提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

C5225立式改造車床的應(yīng)用擴(kuò)大了機(jī)床的加工范圍，提高了生產(chǎn)效率和加工精度，降低了企業(yè)加工制造成本，減少了購置新大型機(jī)床設(shè)備的大筆投資，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本次改造的成功也為今后的機(jī)床改造工作積累了經(jīng)驗(yàn)，為本行業(yè)提供了一次實(shí)際應(yīng)用的示例。