組合式落地鏜銑床立柱碎裂故障維修處理

王守頌，王立春

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 黑龍江哈爾濱 150040

1 序言

U-TK6916B組合式落地鏜銑床鏜箱配重鋼絲繩斷裂，機(jī)床主要結(jié)構(gòu)件均碎裂變形，達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)故障現(xiàn)場調(diào)研分析，確認(rèn)配重鋼絲繩多年未檢查保養(yǎng)，生銹斷絲，在機(jī)床鏜床垂直下降過程中，一側(cè)鋼絲繩斷裂，配重塊傾斜無法沿配重軌道移動，此時鏜箱繼續(xù)下降，另一側(cè)鋼絲繩在拉伸力的作用下斷裂，配重塊在彈性勢能的作用下向下彈射，破壞力極大。分解機(jī)床（機(jī)床為雙立柱主機(jī)結(jié)構(gòu)）后發(fā)現(xiàn)，一側(cè)立柱、滑座鑄鐵結(jié)構(gòu)件碎裂變形，配重塊落下位置的床身處塑性變形＞3mm。立柱損壞情況如圖1所示。

圖1 立柱損壞情況

機(jī)床損壞情況嚴(yán)重，機(jī)床制造商及維修公司僅更換立柱費(fèi)用的報(bào)價(jià)就超過120萬元。為節(jié)約機(jī)床維修成本，縮短停機(jī)周期，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研實(shí)際情況和強(qiáng)度計(jì)算分析，決定嘗試對損壞的機(jī)床部件進(jìn)行自主維修，恢復(fù)機(jī)床正常使用功能。本文主要對立柱維修進(jìn)行分析闡述。

2 立柱維修方案

因鑄鐵焊接性較差，焊接部件內(nèi)應(yīng)力大，無法保證結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度和精度，故首先排除焊接修復(fù)方法[1]。經(jīng)研究分析和測繪計(jì)算，確定了加工去除立柱損壞部分，再加工補(bǔ)塊，通過螺栓把合的方式修補(bǔ)恢復(fù)立柱的方案（見圖2）。具體工藝方案如下。

圖2 立柱維修

1）首先按照立柱殘留底面進(jìn)行找正，利用導(dǎo)軌校核垂直度，去除立柱底部所有裂紋部分（需要視裂紋探傷情況確定去除部分），保證加工面平面度及表面粗糙度要求。

2）立柱底面加工后進(jìn)行探傷檢查，必要時進(jìn)行再加工，確保裂紋除盡。

3）加工完成后測繪出圖，設(shè)計(jì)補(bǔ)塊并下料加工（材料選用Q345）。除與立柱底面貼合面精加工外，補(bǔ)塊其余面留有加工余量[2]。

4）裝配補(bǔ)塊，根據(jù)立柱壁、筋實(shí)際位置在立柱底面和補(bǔ)塊上劃線，確定緊固螺釘布置、數(shù)量和平面坐標(biāo)位置，立柱底面和補(bǔ)塊螺栓位置一一對應(yīng)，螺栓規(guī)格需經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算確定；同時確定固定彎板、方鍵的位置、形狀和規(guī)格。

5）拆卸補(bǔ)塊，根據(jù)劃線位置加工螺釘槽和孔，加工方鍵槽，銑平彎板位置。

6）重新安裝補(bǔ)塊，通過力矩扳手將螺栓緊固，保證預(yù)緊力設(shè)計(jì)值；利用螺釘緊固方鍵和彎板，再次對補(bǔ)塊進(jìn)行加固。

7）利用立柱導(dǎo)軌找正，將裝配完成的立柱底面進(jìn)行整面精加工，保證立柱底面平面度0.02mm與導(dǎo)軌垂直度0.02mm/m。再修正加工補(bǔ)塊其他各面，包括立柱滑座螺栓把合面、螺栓孔等。

立柱通過以上方案修復(fù)完成待安裝。將把合面精加工鋼板通過88個加長螺栓均勻把合至立柱本體，計(jì)算確定螺栓規(guī)格、間距和級別等參數(shù)，同時配合方鍵、圓柱銷等進(jìn)行定位，最后按照測繪的原立柱尺寸對其進(jìn)行加工，保證基準(zhǔn)面的加工精度。通過螺栓把合的方式恢復(fù)各部件的剛度，重新加工部件各基準(zhǔn)面、定位面，保證部件精度[3]。

3 螺栓規(guī)格確定

查閱機(jī)床使用說明書，查得機(jī)床維修相關(guān)參數(shù)如下。鏜桿進(jìn)給最大抗力：FW=45000N；立柱質(zhì)量：m1=2.4×104kg；鏜箱質(zhì)量：m2=1.7×104kg；鏜箱配重質(zhì)量：m3=1.7×104kg；其余質(zhì)量：m4=2×103kg；立柱進(jìn)給速度：v=10m/min=1/6m/s；立柱進(jìn)給制動時間：t=0.2s。

根據(jù)動量定理Ft=Mv，計(jì)算立柱移動橫向載荷Fh=Mv/t=（m1+m2+m3+m4）v/t，代入可得Fh=5×104N。

由于FW＜Fh，所以立柱橫向載荷按Fh計(jì)算，則立柱縱向載荷為

式中，f是被連接接觸面摩擦因數(shù)，取f=0.15；m是被連接件的接觸面數(shù)目，取m=1。

代入式（1），可得Fz=4×105N。

根據(jù)立柱與補(bǔ)塊結(jié)合面情況，均勻選取88個螺栓把合位置，則單螺栓承受縱向載荷為

式中，Z是螺栓數(shù)量。

將Z=88代入式（2），可得Fz′=4.545×103N。設(shè)聯(lián)接螺栓材料為35鋼，強(qiáng)度級別為8.8，由強(qiáng)度級別計(jì)算得出螺栓屈服極限σs=640MPa，則單螺栓許用應(yīng)力為

式中，[σ]是單螺栓許用應(yīng)力；n是螺栓小徑許用應(yīng)力安全系數(shù)。

取n=12.5（動載荷），代入式（3），可得[σ]=51.2MPa。螺栓小徑d1=[4×1.3Fz′/（π[σ]）]1/2=12.122（mm）。由GB/T 196—2003查表比較，d1=12.122mm＜13.376mm，即大徑M15及以上普通螺紋即可滿足立柱載荷強(qiáng)度要求。

考慮到螺栓受力不均勻性，充分利用立柱壁厚尺寸，最終確定螺栓規(guī)格為M30，強(qiáng)度級別8.8。

4 其余部件維修

（1）床身 經(jīng)檢查床身未發(fā)現(xiàn)裂紋，但床身塑性變形較為嚴(yán)重，嚴(yán)重區(qū)域變形量為3～4mm/m。經(jīng)測繪分析，決定將凹陷導(dǎo)軌處通過地腳楔鐵頂起，將導(dǎo)軌高出部分通過手工刮研處理，根據(jù)實(shí)際情況處理了4m長的導(dǎo)軌，保證導(dǎo)軌平面度。

（2）滑座 滑座裂紋較多，經(jīng)分析計(jì)算，決定通過90余個高強(qiáng)度螺栓和壓板將滑座把合固定，在保證正常使用功能的前提下，確保滑座強(qiáng)度和剛度。

（3）其他 立柱配重及導(dǎo)軌修理，通過預(yù)熱及油壓機(jī)修正了配重導(dǎo)軌直線度，測繪制作損壞零部件并修補(bǔ)了破損部分；檢查并更換了Y軸傳動部件，包括齒輪、軸承等；滑座同床身手工配研。

5 結(jié)束語

機(jī)床各部修理完成后，進(jìn)行整體安裝、精度調(diào)整、聯(lián)機(jī)調(diào)試和試加工。機(jī)床相關(guān)幾何精度均達(dá)到國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各軸均運(yùn)行平穩(wěn)，滿足使用要求。

機(jī)床修復(fù)成本低，僅立柱一項(xiàng)，相較采購新立柱成本節(jié)省100余萬元，同時縮短了數(shù)月的維修周期，U-TK6916B組合式落地鏜銑床修復(fù)工作取得了成功。