C5225 双柱立式车床改造

2021-04-03陈永杰

现代制造技术与装备 2021年10期

陈永杰年伟

（上海电力机械有限公司，上海 200245）

随着我国国内基础设施建设的持续发展，工程塔式起重机的市场需求量也有着显著的增长。国内基础建设的规模越来越大，需要吊装的物品体积、质量和起升高度都越来越大，吊装设施的灵活度也越来越高[1]。因此，大型起重机零部件的加工精度和加工尺寸也随之提高，对加工的难度和设备的工作能力都提出了更高的要求。

企业技术改革必须适应当前形势下多品种、高精度、高效率及成批量式的生产加工需求。如某企业旧有的机床设备已使用超过十年以上，设备精度已明显下降，若对该设备进行整体维修，需要花费将近机床总价值50%的维修费用，并且不能完全恢复机床的加工精度，不能从根本上解决问题。为了适应新的生产加工需要，必须要使企业的机床设备保持先进性，如添置新型机床设备或是对旧机床设备进行更新改造。由于添置新型设备的购置成本高，安装调试并投入使用所需要的周期长。相比之下，改造原有机床设备不但可节省大笔投资费用，而且可根据企业产品的需求进行局部或单项功能的针对性改造，在节省资金的前提下，有效提高了机床的精度和效率，实现了原有设备的技术升级。因此，结合技术、经济等多方面的因素，采用更新改造是目前较为合理的方案。

1 改造设计

1.1 加工工件分析

针对主要投产的塔式起重机制作项目进行重点分析发现，上海电力机械有限公司现有的芜湖重型机床厂生产的C5225 型双柱立式车床，无法满足上回转与下支座这两个结构件中轴承法兰面的制作要求。以下支座为例，该结构件高度为1 020 mm，质量为2.4 t，需加工的法兰直径为1 551 mm，工件最大回转直径为3 400 mm。C5225 双柱立式车床的设计最大加工工件回转直径为2 500 mm，与实际下支座的加工需求相去甚远，显然不具备对该结构件的加工能力[2]。因为该结构件体积大、质量重、尺寸精度高，且该机型的塔式起重机生产批量大，所以委托第三方代加工所需的整体加工成本较为昂贵，也增加了企业控制生产进度和生产周期的难度。

1.2 设备结构分析

原有的C5225 双柱立式车床对不同加工件的适应性差，生产效率低。对不同零件的加工，需要先根据零件的实际要求设计工装设备，然后再进行实际加工，零件的总体生产成本高，供货周期长，已跟不上市场的要求。为解决大批量生产加工的问题，需要对原有的C5225 双柱立式车床进行改造，使之成为一台能够加工直径为4 m 的零件的立车设备。该双立柱立式车床主要由底座、工作台、左右立柱、横梁和刀架组成，其中：工作台直径为2 250 mm，最大承载质量为10 t，需要加工的结构件质量为2.4 t，能够满足新的制作需求；刀架通过横梁上的导轨作水平移动；横梁通过两个立柱上的导轨作上、下移动。从机床结构上分析，限制最大回转直径的部件是左右立柱。因此，需要重新设计制作左、右两个立柱的结构，以抬升立柱的高度，增大装置的回转空间。机械公司综合评估了承接的各式起重机型号，针对不同型号下的回转类结构件，最终确定最大回转直径为4 m，抬升高度为0.6 m 的双立柱立式车床改造方案。

1.3 改造方案

此次改造方案的关键是立柱的设计，需要测量并记录原立柱的实际尺寸，在此基础上设计新的立柱，要求让出工作台上直径为4 m 的被加工件回转空间，并将原有的横梁高度抬升0.6 m，同时还要保证安装横梁刀架的导轨和工作台之间的相对位置不变，使新立柱替换原立柱之后不改变刀架与工作台的相对位置，以避免更改机械传动部分，从而减少机床改造的工作量和难度。

立柱作为立式车床重要的支撑件，它起着支撑连接横梁和刀架等关键部件的作用，需要在设计时保证立柱的刚度，并减小立柱的变形量，通过对壁厚、筋板厚度和布置方式的合理设计，要能够减小机床加工时产生的振动对立柱的影响，从而保证机床的动态精度、加工工件的表面质量和刀具的耐用程度，并延长机床使用寿命。C5225 双柱立式车床中，左右立柱的导轨材质采用灰铸铁，需要确保机加工后导轨表面不出现气孔、缩孔、裂纹等缺陷。左右立柱的钢结构件设计采用焊接结构，与铸造结构相比，焊接结构的制造成本较低，且焊接结构的制造工期比铸造所需的工期要短，但焊接结构会不可避免地存在焊接变形、内应力存在时间长等问题[3-4]。因此，在设计时应合理考虑结构、焊接形式和是否需要配置加强筋板等问题。在制作过程中，要严格按照焊接工艺，采取支撑定位、对称施焊等手段减少焊接变形，而且焊接完成后要对整个焊接结构件进行退火去应力处理，以稳定结构尺寸，然后再加工立柱与地基、立柱与横梁间的安装基准面，同时加工研磨安装横梁刀架的导轨，以确保立柱符合机床需要。此外，立柱的设计还需在保证刚度的同时尽可能减轻质量，以减少材料的消耗，而且还要具有良好的加工工艺性，以此优化立柱结构。

C5225 双柱立式车床中，工作台部分由工作台、工作台底座、主轴部件及传动机构组成，工作台直径为2 250 mm，台面上设有T 形槽用来安装卡爪等附件。改造后需要加工最大回转直径为4 m 的零部件，为了进一步扩大加工范围，在原有工作台的基础上，要设计制作一套新的工作台托架，通过托架来扩大工作台的直径，以解决大型零部件的装夹问题。新托架采用8 根规格为300 mm 的工字钢作骨架，成辐射状布置在工作台上，4 根较长的工字钢作为加长支臂伸出工作台，加长支臂的回转直径要达到4 m，以满足改造的需求，4 根较短的工字钢均布在工作台内，长短相间，每一根工字钢之间均采用槽钢焊接固定，并增加筋板保证结构的刚度。配合原工作台上的T 形槽和卡爪将新托架的工字钢与工作台用螺栓连接，使其可整体拆卸，以适应各种规格的加工零部件。

2 实施改造及验证

该C5225 双柱式立式车床由于故障等原因已经闲置多年，在投入使用前，需要对车床的各个部件进行维护及精度检验，如机械结构、液压系统及电气系统等。其中：机械结构维护内容包括主变速箱及外传动件的更换清洗以及整机的清洗、修理；对液压系统的维护主要包括更换电磁阀以及清洗管路等工作；对电气系统的维护包括电气柜内线路整修、外围线路检测以及绝缘测试等内容[5]。左右立柱的钢结构使用Q235B 钢板切割组焊而成，导轨材质使用HT250 灰铸铁，导轨与立柱钢结构之间使用螺栓与定位销紧固连接，立柱整体尺寸为：长2 500 mm；高5 000 mm；宽600 mm。

2.1 立柱制作过程工艺要点

各板件按图纸要求落料、整形、组装的过程中，要预留立柱与底座、工作台、横梁装配面的加工余量。构成立柱结构的前后侧板、上下端板均要采用网格状的加强筋板增加强度，筋板使用间断焊，筋板与焊缝干涉处要切除25 mm×45°倒角以避让焊缝，筋板焊接完成后要再次对板件整形。立柱钢结构焊接要合理考虑焊接收缩量的控制，以保证结构件整体形位尺寸，使几个预留加工余量的装配面具备加工条件，针对变形量大的焊接位置，要在长度或角度上预留焊接变形提前量，并采取支撑定位、双面施焊等方式来减少焊接变形；针对半封闭结构和封板的焊接要合理考虑焊接顺序；整个结构件焊接完成后做退火去应力处理。加工过程中，应尽可能使用多轴多头机床对立柱进行加工，以减少立柱的装夹次数，一次装夹同时加工多个装配面，以减少累积误差，提高形位公差精度。

除上述制作过程外，立柱的制作过程还包括校正立柱的焊接基准面，粗铣加工立柱与底座、工作台、横梁之间的各个装配面，铣加工导轨安装面与安装螺孔等。具体操作方式为：先将灰铸铁导轨安装到立柱上，安装螺栓时应先拧紧导轨垂直平面内的螺栓，后拧紧导轨水平平面内的螺栓，并使用螺纹锁固胶，按规定的拧紧力矩装配。装配完成后，将导轨的各个工作面磨削至符合形位公差要求，如垂直平面和水平平面内的直线度、两条导轨面之间的平行度以及导轨平面与其他装配面之间的垂直度和平行度等。左右立柱的制作至此完成。

2.2 几何精度调整流程

机床几何精度的调整即各部件间的机械部分调整和装配部分调整。调整机床精度的过程中，要先将C5225 双柱立式车床解体，解体过程中要先拆下刀架和横梁，再拆除需要替换的原有立柱。拆解完成后，安装制作完成的新立柱，再依次将拆下的部件装回。安装过程中，通过校调各部件间的连接间隙以及校调导轨副的配合等手段实现各部件、工作台、左右立柱、横梁和刀架之间的几何精度调整，安装完成后验收机床加工的几何精度，之后再对改造后的双柱立式车床整体进行检查、测量。

具体操作方式为：安装时需要对左右立柱、横梁重新调平，以保证立柱导轨和工作台的垂直度、左右立柱导轨之间的平行度等，而且必须根据解体前所记录的几何尺寸调整装配位置，以确保立柱导轨与工作台相对位置一致，若调整垫铁的调整量不足以满足要求，则需要增加调整垫铁或垫片。通过导轨副的刮研及配合的调整，要保证导轨在立柱与横梁安装后仍保持直线度和平面度符合要求，避免因受力不均而导致工作一段时间后各段的磨损量不同，从而影响机床运动的精度。

2.3 机床加工精度检验

机床加工精度的检验包括对工作台、横梁、垂直刀架、侧刀架等部件的几何精度检验以及对精车圆柱体圆环表面和精车圆盘端面的工作精度检验等内容，主要检验项目为：工作台台面的平行度、工作台台面的端面跳动、横梁垂直移动相对工作台面的垂直度、垂直刀架移动相对工作台面的平行度以及垂直刀架滑枕移动相对工作台回转轴线的平行度。例如：在检验横梁垂直移动相对工作台面的垂直度时，要先将垂直刀架与滑座锁紧，然后将检验棒放在工作台中心，并旋转工作台找正，再将百分表固定在刀架上，并使其触头接触检验棒表面，然后移动横梁分别在行程的上、中、下3 个位置检验，最后记录百分表读数并验证垂直度是否符合要求；在检验垂直刀架移动相对工作台面的平行度时，要先将横梁固定在行程下部位置并锁紧，然后在工作台上相对于中心等距的两侧放置两个与横梁相对平行的等高块，并在等高块上放置平尺，再将百分表固定在垂直刀架上，并使其触头接触平尺检验面，随后移动刀架，在1 000 mm 长度内记录百分表读数，并验证平行度是否符合要求。

机床加工精度检验通过后，将新制作的工作台托架倒置固定在工作台上，自车该托架的下平面直至该平面符合要求，随后将托架掉转方向，再次以工作位置安装在工作台上，并紧固全部螺栓与压板，再自车该托架的上平面，以确保托架与工作台的平行度，从而保证加工件的精度。按照不同规格的各型号起重机回转类结构件需求，在上平面加工压板安装孔，并安装调整挡块等，通过替换相对应的夹具，能够保证一个托架装夹全部机型的回转类结构件，从而提高了该类零部件的生产效率。需要加工其他类型的零部件时，若该托架与其不能匹配，整体拆除后再安装其他夹具即可。由于上、下平面均为加工面，再次安装时无需校调托架的平行度，只要按对应位置安装紧密即可保证精度要求。

3 改造效果

维护完毕后，经过模拟调试，再验证使用该设备加工完成的上转台与下支座零部件的尺寸，其加工能力和性能均能够达到设计要求及相关工艺要求。自该双柱立式车床投入生产以来，目前已完成百余台塔式起重机回转类零部件的加工制作，经检验，所制作的零部件均符合图纸要求。

此次C5225 双柱立式车床改造的综合成本约为40万元，改造后加工一件塔式起重机回转类钢结构件的成本约为800 元。与之相比，若委托第三方外协加工塔式起重机回转类钢结构件，包含加工和运输的综合单件费用约为6 000 元。按月产15 台起重机的产量计算，每个月委外成本达18 万元，而自己加工成本仅为24 000 元，每个月能够节省约15 万元，大大提升了企业的经济效益。