混凝土条板数控钻孔设备设计分析

程凯， 贾宝英

（杭萧钢构（集团）股份有限公司，杭州 310003）

1 混凝土复合条板钻孔概念与加工方法

1.1 混凝土复合条板钻孔概念

钢结构建筑中用于墙体建造的混凝土复合条板，是建筑结构中常用的一种墙体预制复合板材，具体结构如图1所示。它是在相隔一定尺寸的两张纤维水泥板形成的空腔内，填充各类轻质混凝土，并经高温加压等方法而形成。

图1 混凝土复合条板

在墙体建造施工过程中，通常需要按设计要求，在完成安装的混凝土复合条板构成的墙体中，开出用于铺设各种电线（缆）穿线管的不同直径、不同深度的沟槽，导致混凝土复合条板墙体表面造成破坏，严重影响墙体表面外观及后续装修质量。为了解决这个问题，设想混凝土复合条板在工厂中预制完成并养护好之后，即可按墙体中穿线管的尺寸位置等技术要求，在工厂生产车间采用研制的钻孔设备，对混凝土条板进行后续钻孔加工，为安装用电线缆穿线管做好准备。

1.2 混凝土复合条板钻孔加工方法

混凝土墙体复合条板内设置的穿线管的公称直径一般为 DN15、DN20、DN25、DN32等几种规格。这些穿线管的轴线通常以竖直方向居多，偶有水平方向用于相互连接的管路。这些穿线管有从地面向上伸出的用于为各类插座供电的管路，也有从棚顶向下伸出的用于各类开关及插座的管路。由此可见，在研制混凝土条板的钻孔设备时，应该考虑到从条板四边不同部位钻孔的需要，同时应满足钻孔的最大长度不小于2 m，见图2。从图中可见，在复合条板的厚度上的两个方向，都有用于敷设穿线管的直径与长度不同的小孔，这些小孔是在设备研制试验中，采用简易钻孔试验装置加工的。

在混凝土条板钻孔试验中，采用金刚石钻孔机为钻孔加工设备，这类设备通常都是用于混凝土墙体及楼板的钻孔施工，加工孔径范围为16～400 mm左右。通过实际试验得到的结果证明，金刚石钻孔机可以满足实际生产中对混凝土条板钻孔的需要。

图2 混凝土墙体钻孔试件结构图

2 混凝土条板钻孔加工设备的设计

2.1 加工设备的选择及介绍

在混凝土条板钻孔加工设备设计过程中，首先通过对混凝土条板钻孔用设备的检索，我们联系到德国凯宴（CAYKEN）公司，这是一家制造工程钻机、磁座钻、墙壁切割机等工业级钻孔机械的国际型高科技企业。该公司的KCY-4050QA（自动进刀金刚石钻孔机）是一种能在钢筋混凝土、砖石、岩石、耐火材料上钻孔的新型工具，具有无粉尘作业、效率高、孔壁光滑、尺寸精确等特点，适用于设备安装、水电、煤气安装等施工领域，具体结构如图3所示。从钻孔设备整体来看，它基本可以满足我们对混凝土条板钻孔的各项要求。但需要对其基础工作台及钻机底座进行相应的改造，以适应加工深度孔洞的要求。

1）KCY-4050QA自动金刚石钻孔机主要技术参数：钻孔直径为15～405 mm；钻孔标准深度为350 mm，使用特制加长杆时，钻孔深度可达2m；额定电压为110/220 V；额定功率为5 kW；额定空转速度为（280/550）r/min；工作转速为（50/180）r/min；进刀速度为（0.05/0.2）mm/r。

图3 KCY－4050QA金刚石钻孔机

2）金刚石钻孔设备外形及其主要结构功能：a.空心钻头是用来对混凝土墙体或楼板进行钻孔的刀具，混凝土墙体钻孔用钻头一般均为空心取芯钻头；b.钻机动力头由电机与旋转主轴组成，主要为空心钻头提供钻孔用旋转动力；c.空心钻头不但需要旋转完成对条板的钻削，同时也需要沿着可旋转进给支架实现纵向进刀，最终完成对条板的钻孔工作，支架上辅有齿轮齿条运动副，为实现钻头的纵向进给提供运动条件，另外支架可绕转轴进行90°的旋转，这样可以对条板上不同角度的孔洞进行加工。d.供电电缆为动力头电机及纵向进给电机提供电源；e.操作面板用于对钻孔设备实现运行控制；f.钻机底座是整体设备的基础，用于支撑可旋转支架，从而间接支撑动力头等部件，完成钻孔工作。

2.2 对原钻孔设备的改进

在对原钻孔设备（单台钻机）经过增加基础及工作台、控制系统等方面改进后，可以满足大批量混凝土条板钻孔的需要，研制的钻孔设备（包括工作台）外形结构如图4所示。其主要功能如下：1）纵向钻孔机用于在混凝土条板纵向进行钻孔，可以通过输入参数自动横向确定钻孔位。2）设备基座是设备的基础，用于固定与支撑各传动部件与动力头；3）图示位置为待钻条板在加工时的摆放位置；4）工作台用于在加工时支撑待钻条板；5）待钻条板在钻削加工时，需要在水平方向给予夹紧定位，夹紧力则由夹紧传动装置提供；6）横向钻孔机用于在混凝土条板横向进行钻孔。可以通过指令纵向确定钻孔位；7）条板夹紧装置用于在水平方向定位紧固条板；8）横向传动导轨用于钻孔动力头沿横向运动，确定钻孔位置或进行钻孔进给；9）传动电机用于通过横向或纵向导轨及丝杠传动钻削动力头，使其能够在加工时做纵、横向进给运动。10）纵向传动导轨用于钻孔动力头沿纵向运动，确定钻孔位置或进行钻孔进给。

图4 新研制的钻孔设备

2.3 钻孔设备的加工效率

对于条板加工的孔径为16～40 mm，运动参数应选取技术参数中较大的数值：工作转速为200 r/min；考虑加气混凝土材质较疏松，进刀速度取为1 mm/r；假设钻孔深为2000 mm，则完成一个这种规格的钻孔工作所需时间为T=2000 mm/（200 r/min×1 mm/r）=10 min。

每张条板上、下料辅助时间取10 min，主要是每650 mm需要停机增加加长杆。则完成一张条板钻削加工的总时间为20 min/张。每天按8 h工作制，则每天可钻削加工8×60/20=24张条板。

3 混凝土条板钻孔工艺流程

改进后的混凝土条板钻孔加工设备，其钻孔工艺流程如下：设备启动→各钻削动力头回零位→混凝土条板上料→条板在工作台定位夹紧→调整动力头位置→启动钻削动力头→动力头进给钻削→增加特制加长杆→完成钻孔加工后退回动力头→条板下料。

各工序说明：

1）设备启动。在加工前，首先启动设备，注意检查空转设备的各项安全维保要求，待设备运转正常后，进行下道工序；此道工序中如果是自动设备，则应在此工序中进行设备加工程序的编制。确定加工数量、加工规格与尺寸等。

2）钻削动力头回零位。检查各钻削动力头是否已回零位（加工基准位），目的是确保条板在上料时，不会与各动力头相碰撞，造成设备损伤，且保证钻孔尺寸定位精度的可靠。

3）条板上料。采用起重设备将待钻削加工的条板吊运到工作台，并大致定位。

4）条板在工作台上定位夹紧。对于已经摆放在工作台的条板，采用夹紧装置进行定位夹紧，以便钻削加工。

5）调整动力头位置。开启设备控制驱动单元，将预参与钻孔的动力头移动到钻孔位置，确保位置准确。

6）启动钻削动力头。首先启动参与钻孔加工的钻削动力头，按加工孔径与材料调整好工作转速与进给速度。

7）动力头进给钻削。在调整完加工参数后，启动动力头的进给电机，在钻削同时，实现进给运动。

8）增加特制加长杆。特制加长杆长度为650 mm，每次钻削进给深度达到一定要求后，需要退回动力头，停机并在主轴上增加一节加长杆，然后进行下一工步的钻削，如此往复，达到钻削深度为止。

9）完成钻孔加工后，退回动力头。待条板钻孔深度达到预定要求后，退回动力头至零位，然后停机。

10）条板下料。采用起重装置将已经完成钻孔加工的条板卸下工作台，吊放到指定位置，然后清理设备，准备进行下一张条板的加工。

4 试件钻孔方案

在上述各项钻孔设备、装置及墙体试件准备完毕后，即可进行混凝土墙体条板钻孔实验。具体的试件钻孔方案与计划见表1，其中：1）金刚石钻孔机准备项是待设备生产厂考察结束后，根据考察洽谈结果（加工范围、交货期、价格等）确定钻孔机的规格型号。2）专用钻孔装置准备项是待钻孔机的规格型号确定后，根据钻孔机具体设备结构，设计专用钻孔装置的整体功能结构并由公司外委制作，然后进行功能实验。3）样品制作项是模拟施工现场对墙体管线的要求，根据电气图纸的实际尺寸规定，制作局部带有线管的混凝土墙体试件。

表1 试件钻孔方案

试验步骤：1）按要求准备好钻孔设备与专用钻孔简易装置，并将二者安装在一起，稳定地摆放在开阔平整的混凝土地面上。2）按表1准备好符合试验要求的墙体条板，放置在钻孔专用装置旁备用。3）将墙体条板准确摆放在专用装置的工作台上，要求条板的四角置于工作台的4个定位夹紧板内，见图5。4）联接冷却水管，准备好冷却水，接通电源及控制箱。启动电源，开动动力头，使钻机主轴旋转，带动钻头，准备钻孔，见图6。5）确定钻孔位置，紧固溜板夹紧板螺栓，保证钻机在钻孔过程中位置准确，无明显振动。操作控制箱，旋转进给速度调节旋钮，使旋转的钻头向前运行开始钻孔。6）在钻孔过程中，注意观察整体工作状况，确保正常钻孔，并调整进给速度，使其利于钻孔，同时做好钻孔试验记录。

图5 墙体条板放置在工作台上

图6 接通电源及冷却水

5 结论

通过以上实验与各项分析，可以得出以下结论：1）采用金刚石钻孔设备对EPS墙体条板进行钻孔加工的施工方法是可行的；2）钻孔加工穿线管施工方法与传统施工方法相比，施工成本较低、生产效率比较高；3）墙体条板钻孔加工相比开线槽施工方法，加工工艺比较简单；4）墙体条板钻孔加工可以在工厂及施工现场进行施工作业；5）保护了墙体外板的完整性，消除传统施工存在的缺陷；6）在单元钻孔机的基础上，增加单元钻孔机台数、工作台以及数控驱动系统，可以实现一次定位夹紧同时进行四面自动钻孔加工。