C5225 雙柱立式車床改造

陳永杰 年 偉

（上海電力機械有限公司，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)備進行整體維修，需要花費將近機床總價值50%的維修費用，并且不能完全恢復(fù)機床的加工精度，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)的機床設(shè)備保持先進性，如添置新型機床設(shè)備或是對舊機床設(shè)備進行更新改造。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，改造原有機床設(shè)備不但可節(jié)省大筆投資費用，而且可根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的需求進行局部或單項功能的針對性改造，在節(jié)省資金的前提下，有效提高了機床的精度和效率，實現(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

1.1 加工工件分析

針對主要投產(chǎn)的塔式起重機制作項目進行重點分析發(fā)現(xiàn)，上海電力機械有限公司現(xiàn)有的蕪湖重型機床廠生產(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)計最大加工工件回轉(zhuǎn)直徑為2 500 mm，與實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]。因為該結(jié)構(gòu)件體積大、質(zhì)量重、尺寸精度高，且該機型的塔式起重機生產(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)零件的實際要求設(shè)計工裝設(shè)備，然后再進行實際加工，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；橫梁通過兩個立柱上的導(dǎo)軌作上、下移動。從機床結(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)計制作左、右兩個立柱的結(jié)構(gòu)，以抬升立柱的高度，增大裝置的回轉(zhuǎn)空間。機械公司綜合評估了承接的各式起重機型號，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，需要測量并記錄原立柱的實際尺寸，在此基礎(chǔ)上設(shè)計新的立柱，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，以避免更改機械傳動部分，從而減少機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)計時保證立柱的剛度，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，要能夠減小機床加工時產(chǎn)生的振動對立柱的影響，從而保證機床的動態(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)力存在時間長等問題[3-4]。因此，在設(shè)計時應(yīng)合理考慮結(jié)構(gòu)、焊接形式和是否需要配置加強筋板等問題。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焊接結(jié)構(gòu)件進行退火去應(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，同時加工研磨安裝橫梁刀架的導(dǎo)軌，以確保立柱符合機床需要。此外，立柱的設(shè)計還需在保證剛度的同時盡可能減輕質(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、主軸部件及傳動機構(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，為了進一步擴大加工范圍，在原有工作臺的基礎(chǔ)上，要設(shè)計制作一套新的工作臺托架，通過托架來擴大工作臺的直徑，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 實施改造及驗證

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，需要對車床的各個部件進行維護及精度檢驗，如機械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等。其中：機械結(jié)構(gòu)維護內(nèi)容包括主變速箱及外傳動件的更換清洗以及整機的清洗、修理；對液壓系統(tǒng)的維護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

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)格狀的加強筋板增加強度，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床對立柱進行加工，以減少立柱的裝夾次數(shù)，一次裝夾同時加工多個裝配面，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

機床幾何精度的調(diào)整即各部件間的機械部分調(diào)整和裝配部分調(diào)整。調(diào)整機床精度的過程中，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，安裝完成后驗收機床加工的幾何精度，之后再對改造后的雙柱立式車床整體進行檢查、測量。

具體操作方式為：安裝時需要對左右立柱、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)致工作一段時間后各段的磨損量不同，從而影響機床運動的精度。

2.3 機床加工精度檢驗

機床加工精度的檢驗包括對工作臺、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等內(nèi)容，主要檢驗項目為：工作臺臺面的平行度、工作臺臺面的端面跳動、橫梁垂直移動相對工作臺面的垂直度、垂直刀架移動相對工作臺面的平行度以及垂直刀架滑枕移動相對工作臺回轉(zhuǎn)軸線的平行度。例如：在檢驗橫梁垂直移動相對工作臺面的垂直度時，要先將垂直刀架與滑座鎖緊，然后將檢驗棒放在工作臺中心，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棒表面，然后移動橫梁分別在行程的上、中、下3 個位置檢驗，最后記錄百分表讀數(shù)并驗證垂直度是否符合要求；在檢驗垂直刀架移動相對工作臺面的平行度時，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面，隨后移動刀架，在1 000 mm 長度內(nèi)記錄百分表讀數(shù)，并驗證平行度是否符合要求。

機床加工精度檢驗通過后，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，能夠保證一個托架裝夾全部機型的回轉(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，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

維護完畢后，經(jīng)過模擬調(diào)試，再驗證使用該設(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到設(shè)計要求及相關(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回轉(zhuǎn)類零部件的加工制作，經(jīng)檢驗，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)加工塔式起重機回轉(zhuǎn)類鋼結(jié)構(gòu)件，包含加工和運輸?shù)木C合單件費用約為6 000 元。按月產(chǎn)15 臺起重機的產(chǎn)量計算，每個月委外成本達18 萬元，而自己加工成本僅為24 000 元，每個月能夠節(jié)省約15 萬元，大大提升了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

C5225立式改造車床的應(yīng)用擴大了機床的加工范圍，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床設(shè)備的大筆投資，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。本次改造的成功也為今后的機床改造工作積累了經(jīng)驗，為本行業(yè)提供了一次實際應(yīng)用的示例。