大型镗铣床工作台的设计及安装

谢龙飞 刘 祥 罗 霞 吴 攀 张 斌

(东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000)

作为核电汽轮机核心部件的汽缸、转子等大件，其加工精度、制造成本是重要指标。核电汽轮机大型零部件的加工工序13以上由镗铣床承担。收集大型发电设备主机制造行业所用大型镗铣床加工能力相关数据发现，不论是进口机床还是国产机床，其工作台的水平精度和承重能力均普遍不足，直接影响零部件的加工精度和生产效率。特别是300 t左右的大件装卡在工作台上加工时，因工作台变形，难以保证工件的装卡精度，一些需由机床精度保证的加工尺寸、形位公差更难控制，特别是多零部件产品或部套组装后出现的装配精度超差的情况更难处理，此时需靠经验逐一多次试修，用时长、风险大。这将大幅推高机组生产成本、延长制造周期，更削弱了产品的竞争能力。工作台是工件的装卡基准，其水平精度高，承重能力强，并能承受一定的向上拉力，对保证或提高工件的制造质量至关重要。

1 大型镗铣床工作台存在的主要问题

图1是某进口镗铣床(长18 m×宽12 m×高0.4 m)工作台支撑方式简图。此工作台由15件(长6 m×宽2.4 m×高0.4 m)铸铁平板组成，每件平板均布24个支点。机床安装在非恒温厂房，环境温度0～45℃。目前使用的其它大型镗铣床和龙门铣工作台支撑方式都与图1类似。存在的主要问题集中表现在以下五个方面：

图1 某进口镗铣床工作台支撑方式简图Figure 1 Supporting mode of a certain import boring and milling machine working table

(1)支点的承重能力弱。球面螺套与预埋件相接触球面的面积过小，接触刚性差。

(2)拧装在底板上的球面螺套与平板立筋偏移量过大，受力不合理，平板承重状态变形大。

(3)刚性差。当工件较轻并多支点支撑时，工作台的变形不明显。当工件较重、支撑点数量受限时，工作台变形大，造成工件的水平精度无法满足装卡要求，此时不得不用专用量具或量仪来直接检测工件的水平精度，其装卡过程特别费时费事。

(4)球面螺套的压紧螺栓过小，预埋件埋植深度过浅，支点能承受向上的拉力十分有限。

(5)工作台的水平精度受温度变化的影响较大。由于基础温度一般比较稳定，工作台温度变化相对较快，当工作台受热膨胀或受冷收缩时，各平板的所有支点相配合球面均会出现相对位移，连在一体的平板相互推挤，使整个工作台水平精度出现较大误差，装卡在工作台上的工件水平精度也随之变化，这种变化会始终持续不断。工作台刚安好、无载荷检测水平精度勉强合格，但使用一段时间后，其水平误差一般都在0.5～1 mm左右。总结问题原因，寻找有效途径，如要提高工作台的精度和承重能力，必须改变工作台的设计结构、加工方式、安装方法以及地基和基础的承重能力。

2 基础设计

工作台基础按相关技术标准和使用要求设计建造，地基承载力特征值按fak≥250 kPa选取，C30钢筋混凝土基础见图2。基础的东侧、北侧分别与机床导轨坑和回转工作台地坑相连，西侧、南侧用砖墙和隔振层与地面层断开，基础主体高度2000 mm。图3预埋件按承压特性设计，材料HT200，向上拉力由地脚螺栓分担，此设计方式改变了图1中预埋件既承压又受拉的不合理受力结构。钢筋混凝土密度2.5 tm3，近似计算地基承重安全系数为(地基总承重5942 t-基础重量1250 t-工作台自重360 t)÷工作台设计承重1400 t≈3.1，符合相关标准和使用要求。工作台使用时，总承重一般控制在700 t以内，超过此重量严控或将工件装卡在工作台中心，并且多支点支撑，以确保工作台精度的长期稳定。基础完工，安装预埋件和工作台之前，按工作台设计承重的1.25倍预压基础两个月，以稳定地基和基础的承重能力。C30钢筋混凝土强度为300 kPa，安全系数取1.6，单套预埋件承重=300×0.3×0.3×100÷9.80665÷1.6≈172 t，是图1中单套预埋件承重的5倍。地脚螺栓选用规格∅40、HRB400螺纹钢制作，埋植深度1285 mm，压紧端光杆外径加工至∅36 mm，端头M36螺纹。按螺纹计算，可承受328 kN拉力；安全系数取1.6，允许拉力205 kN，是图1的2.3倍。

3 工作台设计

工作台尺寸、承重、刚性、精度、建造成本等要求是设计考虑的重点。此外，还需符合机床设计、制造、安装各项规范及标准等。针对工件特点，选定工作长18 m×宽12 m×高0.45 m，总承重1400 t。根据相关标准和使用要求，工作台安装后水平精度按0.03 mm1000 mm×1000 mm、0.1 mm18000 mm×12000 mm设计。

图2 新设计镗铣床工作台总图Figure 2 Newly-designed boring and milling machine working table

图3 新设计镗铣床基础预埋件Figure 3 Newly-designed boring and milling machine base embedded parts

3.1 工作台支撑方式

图4是新设计镗铣床工作台支撑方式简图，工作台平板材料HT250，长6 m×宽2.4 m×高0.45 m，重量24 t，结构简单，工艺性优良。工作台平板通过∅170垫圈直接承压在预埋件上，平面支撑，接触刚性好，垫圈材料HT200。当工作台尺寸随温度变化时，工作台的水平精度不会发生变化，消除了图1的弊端。

图4 新设计镗铣床工作台支撑方式简图Figure 4 Supporting mode of newly-designed boring and milling machine working table

图5 新设计镗铣床工作台平板Figure 5 Newly-designed boring and milling machine working table plate

图6 新设计平板精加工示意图Figure 6 Finish machining of newly-designed plate

3.2 平板设计

综合考虑铸造、加工、安装工艺，仍将工作台分成等尺寸的15件平板进行设计，总重360 t，使用图5新设计的工作台。另考虑到使用中工作面存在磕碰、压伤需拆下返修的实际情况，平板工作面板厚按≥80 mm设计，使用中可返修至75 mm。T型槽规格按42 mm配M36、M30螺栓设计，平板中各筋板的尺寸、位置严格按受力要求确定，支点为平面结构，支点中心与筋板中心线重合，很好保证了平板在工件重力作用下变形小、水平精度高，符合全刚性支撑要求。工件加工过程中，多为水溶液冷却液，故平板、∅170 mm垫圈、预埋件均选用防锈好的铸铁材料，避免工作台长期使用中出现支点锈蚀。

4 平板的加工方法

为保证平板精度长期稳定，在毛坯铸造和加工中将去应力、减小装卡和重力变形作为重点。平板的制造流程为：毛坯铸造→划线→单面留4 mm余量粗加工→去应力回火→油漆→划线→精加工→完工检查。在龙门铣精加工时，先底面向上，加工支撑基准。主支点布置在平板四角，纵、横向中点加辅助支撑，消除挠度变形，百分表压紧，装卡变形按<0.02 mm控制。在一次走刀下铣准底面，钻各螺栓通孔，见图6(a)。然后按图6(b)装卡，精铣工作面、T型槽等部位，主要步骤为：根据平板支点位置，在龙门铣工作台装卡24件垫块，在一次走刀下精铣垫块上平面，并钻攻M36压紧螺孔。再将平板就位，用工艺螺栓通过平板螺栓通孔压紧，精铣工作面、T型槽等部位。平板的这种加工方式做到了加工中的支、压点与安装状态完全一致和工艺基准的完全统一。

5 基础浇铸及工作台的安装

5.1 工作台安装主要技术要求

选定8号平板作为安装基准，见图2和图7。

(1)安装时将水平精度提高至设计值的1.4倍。

(2)∅170垫圈与预埋件和平板的接触面积≥75%。

(3)选定8号平板O支点为工作台所有支点的零位基准标高。8号平板各支点相对于自身O支点的等高允差为0～+0.03 mm；其它平板各支点相对于8号平板O支点的等高允差为0～+0.04 mm；非支点部位相对于O支点的等高允差为0～+0.07 mm。

(4)相邻平板支点部位错位≤0.03 mm，其它部位≤0.05 mm。

(5)选择8号平板作为工作台热胀冷缩的死点。设计时在8号平板的a、f、s、x四角和i、j、o、p位置共八个支点用平板定位套将平板定位于地脚螺栓，见图4，平板定位套尺寸内孔∅36.5 mm，外圆∅41.5 mm，长70 mm。8号平板各支点螺栓拧紧力矩1000～1100 N·m，其它平板900～1000 N·m。

(6)量具选用。选择8杯水连通水平测量工具调整、检测平板各支点等高，并将所测值作为工作台的最终水平数据，见图7。8杯水连通水平测量工具由八只等高测量杯各自通过内外径为20 mm×25 mm～25 mm×30 mm透明胶管与一只灌水杯相连组成，测量精度0.02 mm。激光准直仪检测的等高数据用作参考。其它所用量具为深度千分尺、千分表、合像水平仪、刀口尺、塞尺等。

图7 水连通水平测量工具调平8号平板示意图Figure 7 No.8 plate levelled by water connectivity horizontal gauging tool

5.2 基础浇铸

选用C30钢筋混凝土浇铸基础，分三次灌浆完成。首次是浇铸基础主体、养护、预压。第二次是平板就位状态灌浆固定地脚螺栓。先组装地脚螺栓，即先在地脚螺栓光杆段依次装入内孔∅36.5 mm、外圆∅41.5 mm、长度160 mm的定位套，内孔∅37 mm、外圆∅41 mm、长度290 mm的衬套，内孔∅36.5 mm、外圆∅41.5 mm、长度70 mm的定位套，∅36 mm垫圈，拧上M36螺帽。然后实测基础主体，确定工作台各平板的安装位置。再将各平板就位，按0.1 mm1000 mm×1000 mm、0.3 mm18 000 mm×12 000 mm粗调各平板水平，用长管漏斗将灌浆料通过平板上的螺栓通孔灌入基础地脚螺栓预留孔中，接着插入地脚螺栓。待灌浆料养护期满，吊下平板，安装预埋件。第三次是预埋件就位、精调水平，灌浆固定预埋件。预埋件水平的调整方法：先将预埋件套入地脚螺栓就位，然后在地脚螺栓上依次套入长度160 mm定位套、长度290 mm衬套、∅36 mm垫圈，拧上M36螺帽，轻压预埋件，用预埋件上的三个M16螺钉精调水平，用水平仪检测，允差0.02 mm；用水连通水平测量工具精调各预埋件等高，允差0.1 mm；合格后灌浆固定预埋件，待灌浆料养护期满，安装工作台。

5.3 基准平板的安装

先安装图2中的8号基准平板，参见图7，安装步骤如下：

(1)测量平板24个支点部位尺寸450 mm的实际值。

(2)用水连通水平测量工具检测各预埋件等高。

(3)根据(1)、(2)计算∅170 mm垫圈的配磨厚度，为保证其它平板∅170 mm垫圈配磨余量足够，故8号平板的每件垫圈厚度多磨0.2 mm。配磨前垫圈厚度35.2 mm。

(4)将垫圈两端面分别与平板和预埋件研磨，保证接触要求。

(5)先将平板定位套套入地脚螺栓，然后将平板就位压紧。

(6)用水连通水平测量工具检测各支点部位相对于O支点等高，有超差点再次配磨∅170 mm垫圈至等高合格。测量时，O支点的测量杯始终保持位置不动。

5.4 其它平板的安装

以8号平板的O支点作为其它各平板的安装基准，由内到外逐一安装各平板。安装方法与8号平板一致。考虑到使用要求，各平板安装过程中应尽量提高各支点的等高精度和相邻平板的错位精度。为提高安装效率，将激光准直仪用于安装过程。

6 结论

介绍大型镗铣床工作台的设计、加工、安装技术方案，在只微增投资费用基础上，将工作台的水平精度和承重能力提高5倍以上，所能承受的向上拉力也大幅提高。这样，工作台不仅能很好地满足现有和后继大型核电汽轮机及其它类似产品大部件的加工要求，还大幅降低了劳动强度，缩短了加工中的辅助时间，技术先进、经济效益优良。此工作台还可作为大型零部件的尺寸检验平台、划线平台、大吨位整机或部套的装配平台使用。