大型結構件法蘭平面加工

針對大型結構件法蘭面加工困難點，透過搖臂鑽床的搖臂旋轉和主軸箱移動功能，實現主軸刀具的旋轉切削和徑向切削。法蘭面加工成功，為同類大型結構件的法蘭面加工提供了新思路。

0. 簡介

QJ200-50型全旋轉式海上起重機，安裝在船上，額定安全起重載重為主鉤200t，副鉤50t。主鉤最大跨距56m，主副臂長度105m。起重機立柱是一個焊接鋼筒，帶有 法蘭 由...製成 鐵盤子 焊接到 鋼缸。法蘭上裝有迴轉軸承，用於支撐起重機平台、平台上的機房、引擎、各種絞車、三腳架、吊臂架和起重負荷。支撐面支撐力大，承受較大傾覆力矩。根據迴轉支承的要求，其安裝面的平面度≤0.30mm，迴轉支承上方與起重機平台連接的法蘭面也有同樣的要求。

1. 工件結構及加工設備需求

法蘭外徑為5930mm，工件總高度（長度）為12000mm（見圖1）。這 法蘭材質 材質為Q345B鋼材，厚度140mm。法蘭由鋼板組裝焊接而成，探傷、退火後進行粗加工 熱處理。粗加工比較容易，可以在立式車床上進行。粗加工後，焊接到筒體上，然後進行精密加工。假設法蘭焊接到氣缸上後不再進行機械加工。在這種情況下，形位公差就無法滿足要求，焊接造成的變形也無法消除。因此，焊接後必須進行精密加工。法蘭是焊接後成型的，這樣的大型工件無法用一般的機械設備加工，只有一些國產機床可以加工這樣的工件。在起重機行業，有專業人員使用專門的加工設備代客戶現場加工，但成本昂貴。例如，一對法蘭的加工成本高達185000萬元，而且加工品質可以更穩定。處理時間有限，影響交貨時間。為此，根據現有設備和條件，設計加工設備，對鋼筒進行平面加工。

圖1 鋼管結構尺寸

2. 鋼筒（柱）製程方案的確定

• （1）缸體加工流程為：原料→噴丸處理→底漆塗裝→切割（坡口）→成型（滾板焊接）→組裝焊接。
• （2）法蘭的加工流程為：原料→切割（坡口）→組焊→退火→粗加工（車削）。
• （3）工件整體加工包括法蘭與筒體等零件焊接→去應力退火→法蘭平面加工→鑽孔等加工→焊接到船體上（檢驗不指定）。

3. 法蘭平面加工製程

法蘭平面加工流程為：將工件（法蘭焊接鋼筒）放置在水平平台上→安裝調試搖臂鑽床→銑平面→打磨刀痕→磨平面→打磨標準飛機修理→拆卸加工裝置（未指定檢查）。

4. 缸體的放置

將原先沿軸線水平放置的缸體沿軸線垂直方向提起，然後放置在預先調整好的水平支撐面上，再次測試其垂直度。若垂直度超過公差，則在水平支撐面與工件之間加墊片，並與工件牢固焊接。請等待焊接到船體上，確保垂直度在要求的範圍內。

5. 鑽孔機改造及安裝

鑽床在工件中的安裝如圖2所示。

1）拆下Z30110搖臂鑽床原有底座，安裝到預先做好的安裝板2上，然後用螺絲夾緊。過渡連接板1預先固定在鋼筒板上（焊接），安裝底板和過渡連接板預先對中並鑽有安裝孔，並放置安裝墊片。安裝墊鐵為標準型，兩結合面為斜面，以螺栓固定。調整兩塊板的相對位置，可以增加或減少上下兩側的距離，達到調整高度的目的。

2）將搖臂鑽床（與安裝底板連接）吊起放在安裝墊鐵上，對準安裝底板和過渡連接板上的安裝孔。

3）工具機的調整。將光學成像水平儀 4 放置在搖臂鑽床搖臂上方的水平軌道表面上。根據光學成像水平儀的讀數調整安裝墊鐵的高度。旋轉搖臂360°調整安裝墊鐵，使搖臂360°旋轉全部在同一水平面。然後將鑽孔機底板和過渡連接板擰緊，然後將搖臂旋轉360°，如有偏差再進行微調，直到底板和過渡連接板夾緊固定。搖臂旋轉，主軸箱移動至同一水平面，即整個法蘭平面最大誤差調整在<0.06mm範圍內。

4）在鑽床主軸上安裝千分錶，並以此為基準，檢查整個待加工法蘭的最高、最低和近似平面狀態。以顏色標示平均高度以上的區域，表示加工餘裕較大的零件。

5）用夾緊銑刀更換鑽夾頭。先加工著色部分，確保最後一道工序的加工餘量比較均勻。銑削時，進給運動是主軸的上下運動，也就是鑽削時刀具的方向。切削運動是銑刀軸線沿著法蘭的徑向運動，從法蘭的內徑移動到法蘭的外徑。一次切割完成後返回，搖臂旋轉一個角度，然後再按原來的切割深度移動。旋轉角度使兩支切削走刀相交。使用此方法依序切割法蘭圓週，如圖3所示。

切削過程中，應鎖緊鑽床的搖臂和立柱，包括使用自製的鎖緊套鎖緊主軸的上下部分。

為了提高表面加工質量，減輕操作人員的勞動強度，在主軸箱移動手輪上安裝了齒圈。由小型伺服馬達（減速機）驅動 齒輪，並將速度調整到適當的切割速度，進行電動自動切割。

圖2 鑽孔機在工件上的安裝

1-過渡連接板； 2-安裝底板； 3-搖臂鑽床； 4-光學成像等級； 5-工件； 6-墊板安裝

圖3 銑削

6）應對。由於整圈的刀道數量較多，難免會留下刀道和刀子連接的痕跡。因此，採用砂光機對刀連接處進行打磨拋光。

7) 打磨光滑。將鑽夾頭安裝到拋光砂百葉輪上，對銑削表面進行光滑磨削，提高表面品質。

8）磨削。預先準備一塊長1500mm、寬4mm、與加工平面相當的圓弧形狀的平板（見圖1），對淬火處理後的平面表面進行精密研磨。研磨時，在加工表面塗上著色粉，將預製平板的光滑表面抵住加工表面進行研磨。其作用是：（2）檢查平面的接觸情形。 (5)打磨接觸區域的高光部分。使用配備砂輪的手持式拋光機拋光亮點。圖XNUMX顯示了打磨和修復過程中的平面。

圖4 工件上的磨盤

圖5 打磨修復過程中的平整表面

6. 檢查

採用雷射平面度測量儀進行檢查，檢測結果顯示平面度為0.25mm，符合要求。

7. 加工過程中的要點

加工過程中有幾個關鍵點：

• 1）銑削平面時，採用徑向切削，切削行程短，切削走刀次數多，易造成刀痕增大，操作人員操作頻繁。若採用搖臂旋轉切割，一次切割一圈，切割痕跡很少。但由於立柱與搖臂之間的間隙增大，導致系統剛性降低，振動加劇，表面品質較差，刀具的使用壽命也受到影響。因此，這種方法並不可取。
• 2）打磨是用平板打磨，砂紙輪打磨，而不是用刮刀刮。這是因為該表面是支撐面，需要承受較大的力而無相對運動，且沒有潤滑要求。這與工具機導軌的運動要求有本質上的不同。使用砂輪磨削速度快，勞動強度低。
• 3）加工過程中，盡量保持搖臂處於最低位置，以增加系統的剛性。
• 4）切削速度和進給量不能盲目照搬切削手冊資料。應根據銑床、鑽床的特點，結合實際工況下試切的經驗來決定。例如，銑削平面時，搖臂鑽床的主切削功率較小，鑽桿（軸）伸出較長，剛性較差。銑刀直徑和銑削速度都會受到限制。

8. 結論

透過此加工方案的實施和設備的使用，成功加工出筒體法蘭和相應的平台法蘭，形位公差符合規定要求。它們也通過了CCS（中國船級社）的檢測和認可，並取得了船舶檢驗證書。實務證明，雖然該設備手工操作需要較高的勞動強度，但加工後的法蘭滿足設計要求，特別適合單件小批量生產，解決了常規條件下無法解決的機械加工問題並取得顯著的經濟效益。整個加工裝置（兩個平麵包括刀具、人工等）成本不到20000萬元，節省165000萬元。除了兩塊鋼板可以作其他用途外，沒有任何專用零件和材料的浪費。

作者：丁邦建、蔣國華