单头钻冲机床改造双头钻床的技术方案与效益评估.pdf

第 3 期单头钻冲机床改造双头钻床的技术方案与效益评估王硕（南京钢铁股份有限公司，江苏 南京210035）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 3 期2024 年 3 月Vol.44 No.3Mar.2024摘要：在冶金行业“智能制造”推进中，南钢打造依托 JIT+C2M 新模式的冶金产业链延伸发展新产线，而自动化、智能化产线必须配备功能完整且匹配度高的相关基础设备。文章旨在利用原单头钻冲机床改造双头钻削机床，以提高其性能和应用范围，通过深入分析原有单头钻冲机床的结构、工作原理，简要论述单头钻冲机床的应用、现阶段的痛点及改造的必要性，提出了单头钻冲机床改造双头钻床的方法，并设计了相应的技术方案。这一方案旨在克服现有单头钻冲机床的局限性，提高加工效率和适用性，并充分保证成本效益。研究结果表明，改造后的机床不仅在生产效率上取得显著提升，而且在成本方面也具备较高的经济效益，对促进机床行业的发展和提高加工制造水平具有重要意义。关键词：单头钻冲机床；双头钻床；改造方案；效益评估作者简介：王硕（1993），男，江苏邳州人，主要研究方向：机械加工。1研究背景及意义某钢铁公司积极响应落实“智能制造 2025”改革愿景，建设新产线对轧制钢板类产品继续深加工，为国内外工程机械制造商生产的推土机、平地机等整机或其售后提供配套刃板类耐磨件成品。在制造业领域竞争格局日趋激烈当下，企业亟待攻克生产效益难题，而生产机床的性能与效率直接关系到生产成本的控制。随着外界需求和订单类型变化，原有设备配置对订单规模的匹配度下降，而对原有设备的改造及性能提升一直是应对上述问题的技术改造方向，其中探究单头钻冲机床改造双头钻床机床的技术策略具有显著的实际价值。通过技术创新与优化，机床性能的提升，为解决制造业企业生产效率问题拓展了新的解决之道咱1暂。2单头钻冲机床的相关概述2.1单头钻冲机床的结构与工作原理钻床属于机械加工行业最常见的机械设备，有立式钻床、台式钻床、摇臂钻床等形式，结构简单可靠，其独特的构造及经济的加工性能，使其在制造业中占据了重要地位。工厂使用的单头钻冲机床属于立式专用机床，区别于普通立式钻床，机床本体包含冲裁主缸及侧挂钻削主轴一套，在功能上实现了一次装夹完成板类工件钻孔及冲孔工序。机床本体床身作为机体主要支撑和挂载单元，呈 C 型，由钢板焊接而成，保证液压冲孔机充分的刚度。机身上部为冲孔液压缸。机身中部为冲头杆导向架，为冲头定心及导向。机身下部为工作台，工作台板上装有凹模座，在底部通过滑块导轨副及丝杠副和机床底板连接，通过伺服电机控制作为机床 Y 轴。机床本体安装冲孔液压主缸实现板材冲裁型孔，本体侧面采用挂连接板安装钻削主轴，配以丝杠副和伺服传动实现钻削主轴升降为 Z 轴，伺服电机驱动数控钻削主轴头进给，钻头的快进、工进、快退由机床数控系统控制，自动完成钻削工工序，主轴动力源为专用步进电机，使用同步带做动力传动咱2暂。送料装置由 X 轴送料台架与机架构成，由交流伺服电机连接减速机驱动齿轮齿条的方式送进，拖动 X轴拖板在导轨上移动，配备五把液压浮动夹钳装在 X轴拖板上，夹钳在导柱上可以上下浮动满足不同厚度工件稳定夹持。夹钳上都有工件的定位面，限定了工件的一个边缘与 X 轴移动方向平行，也限定了工件相对于 Y 轴零点的位置，激光对线限定了工件相对于 X 轴零点的相对位置，其机械误差可通过机床参数标定确认补偿值。钻冲机床辅以输送辊道完成工件上下料输送以及加工过程中的支撑。相应液压系统为夹持、压料定位等提供动力支撑，润滑系统保障传动机构稳定运行。2.2单头钻冲机床的应用领域单头钻冲机床在工程机械刀板、履带板等专用制造领域被广泛应用，因其独特的集成式结构，展现出显著成本效率优势，为各类刀板及履带板等产品加工提供了高效且灵活的加工处理方案。首先，单头钻冲机床集成了钻床和冲床，共用机体降低两台机床采购成本，并且在产线布局上节省空间，使得产线布局更加合理。其次，一次装夹后即可实现钻孔、冲孔双工序处理，对匹配方颈沉头螺栓的孔进行角度圆锥孔钻削以及内部方形孔的冲裁，可以快速高效实现高精度板孔加工，且171冶金与材料第 44 卷可通过不同规格刀具及冲裁模具更换实现不同规格要求工件孔加工。2.3单头钻冲机床的痛点及改造必要性文章中南钢智能工厂产线设备，前期主要规划用于面对外贸市场的产品生产。在复杂的国际贸易环境中，由于外贸受阻及订单结构变化，国内主要客户所需工件和国外客户所需产品在加工工序上存在差异，又因产线在设计上探索全流程自动化生产模式，机床实现全流程自动化后在加工过程中无操作人员干涉，故在工序变化换型上失去人为操作带来的柔性弥合。在转型生产国内订单时，对于国产订单中单个工件板材需要加工不同直径的通孔或者盲孔的情形，原有机床一个钻削主轴头和一个冲裁工位功能设计在加工时，需要在第一种孔型加工完成后，人员介入进行钻削刀具换型，然后加工第二种孔型，以实现产线后续自动化工序的顺行，此类订单生产严重限制了产线作业效率，并且将人员局限在低效低质的重复劳动中，不利于工厂和人的可持续发展。3技术方案与机床结构改造3.1单头钻冲机床改造为双头钻床的技术方案首先，在单头钻冲机床改造升级为双头钻床的过程中，机床机身结构的改造调整为本次改进的基础。机床本体以及 Y 轴传动结构不改动，通过取消冲裁主缸相关结构简化机床机体，然后在机身侧面增设安装连接板，在安装板上安装新增主轴头，主轴头整体配备丝杠副传动的 Z2 轴，机械安装板尺寸以及安装形式与原主轴头安装板对称布局。其次，本机床数控系统采用西门子 840Dsl，该数控系统多轴管理以及配置能力强大，具备 10 个通道，31个进给轴/主轴扩展能力，在增设 Z2 钻主轴头后需要获取授权开启轴功能并配置相关参数。机床 i/o 端子方面需要重新调整工序加工点位，并对应点位对程序调整编写。因冲裁模块取消，原有冲孔压板及冲头上下位等信号点可直接利用改为 Z2 轴钻孔压板及钻削主轴头上下限信号。其他 X 轴夹持送料、润滑、液压锁刀等机构端子配置同步改进布设。3.2机床结构改造的实施要点机床改造过程主要由需求策划、图纸整理、测绘改进出图及加工、机械电气装配集成、轴参数调整及程序确认、试机、资料整理等，其中对机床成功改进以及精度可靠性影响最大的为需求策划、测绘改进出图及加工、轴参数调整及程序确认三个方面。3.2.1改造需求策划单头钻冲机床改造为双头钻床的需求，主要是因为生产厂产线设备配置及流水线逻辑无法高效率、低成本生产新的客户订单。这种生产能力偏离市场需求的情形侵蚀了生产厂的生存空间，所以在需求方面明确为实现单台套设备全自动实现双规格孔类加工能力，提高产线运行效率。3.2.2测绘改进出图及加工原有设备因利旧因素，一切改造的基础为旧设备本体，所以在改造前需要对设备图纸进行梳理，掌握原设备参数用于评估改动方案和改动量，做到改动最小，改进成本最低，效果最佳。对于本次改造的核心部件机床本体各安装板及对应定位销、键、螺栓形位进行测绘，掌握前期设备制造过程中误差及尺寸链控制方法，便于改造过程中尺寸基准的选择，应优先选择前期设备制造时采用的基准面，保证基准统一，进一步降低基准不重合造成的误差产生风险。改造相关机械结构的增设需要考虑除本体外相关机构部件的动作路径和形位关系，对相关的单个机构在空间 6 个自由度上计算位置信息，防止因改造设备的形位变化产生机构干涉错误，造成撞击等不可逆机床损坏。加工过程应严格按图加工，且在工艺设计上尽量减少工序，杜绝再次热处理对已有设备尺寸造成变化，尽量保持本体尺寸。增设元件如需较多孔位固定，则可利用安装板做中间连接以优化连接布局，便利机床拆装维保咱3暂。3.3.3轴参数调整及程序确认因原单头钻冲机床实际只有钻削 Z 轴、机体进退 Y轴，送料机构左右运行 X 轴共计三个轴驱动，而改进升级后，实际需要增设第二个钻削主轴 Z2，而西门子840Dsl 默认 3 轴（包括主轴）免费，另有 2 个虚拟轴可使用但不能附带驱动器和电机（硬件），故本次升级需要购买授权一根，方可实现本机床轴驱动升级。并且在轴驱动调试后，需要实际测量出改进增设的新主轴在 X、Y 方向和主轴 Z1 以及上料定位基准点相对加工位置偏差值，标定偏差补偿值以保证加工时定位精度在受控精度区间内。4机床改进效益评估4.1生产效率的提升因前述生产设备限制与产品订单需求冲突的痛点，决定对单头钻冲机床进行改造，以提高生产效率。在改造后的机床上，通过双头钻削主轴设计，每班生产双规格孔型工件零件时完全不需要人员介入换刀，理论上应当能够显著提升生产效率。改造后的结构示意图如图 1 所示。在效率方面，以国内某客户订单刀板为例，L2460伊W220伊H28 刀板包含 D18 通孔 12 个，D26 通孔 14 个。改造后单块工件降低时间 23.95%，忽略操作人员生产疲劳、效率下降等不利因素，理想情况下，每班 8172第 3 期小时单台加工量由 57.5 件提升产量至 75.6 件，产能提产 31.48%。4.2产品质量控制优化改造后的机床对双孔型工件能够保持高效稳定运行，而原有设备在加工过程中需要人员更换刀具及刀长补偿等参数调整和程序切换，影响整体生产效率且存在人员操作失误造成刀具损伤和工件损伤，后续产生的判废和补产后果均会造成极大成本浪费，改造后年减少工件判废和刀具效益约 7.6 万元。且双孔钻削的孔型质量较冲裁圆孔有极大提升，市场评价更好，便于市场开拓推进。4.3成本效益分析成本效益分析是确保改造方案可行性的关键步骤，需要综合考虑投资成本、运营成本以及预期效益。以本次单头钻冲机床改进升级双头钻床过程为例。首先，投资成本方面，改造双头钻床设计需要购置新的钻削主轴总成、轴增开授权及机床本体及相关机械结构件加工费用。新的钻削主轴总成采购成本为6.88 万元，轴授权 4.96 万元，而机床机体及安装板、钣金等加工成本为 3.14 万元。设备拆装运费等人工物流费用 3.12 万元，因此，总投资成本为 18.1 万元。其次，运营成本增项包括改造后机床的能源消耗、维护费用增加，估算整体改造后的机床每年的运营成本增加量为 3.7 万元。因产线为全自动生产，其上下料设备联动及生产数据调度均通过二级数据库调度，改进双主轴钻床后，无需人工参与中间工步换刀和程序切换，则可以完全解放操作人员 1 名，降低人力成本 14.5 万元/年。产线为 24 小时生产制，每年除大修检修工作日约 335 天，按机床利用率 85%计算，综合同类各型号工件生产节拍，单台机床年产量约由 4.95 万件提升至 6.49 万件，单件利润 69 元，产量效益增量 92.4 万元。综合考虑投入成本以及产生效益，成本效益比为预期效益除以总投资成本。每年的预期效益为 92.4 万元（产量增效），加上人员费用和质量降本 22.1 万元（人力及废品返工成本减少），总计效益 114.5 万元。成本效益比为 5.25，即 114.5 万元/21.8 万元（投入成本加改造后运营成本增量）。4.4技术方案的可行性评估技术方案的实施可能性分析涵盖诸多层面，须综合权衡的因素包括技术实施难度、成本及预期效益。首先，在技术实施方面，对原有机床图纸及机床原理掌握较深入且机床机构相对简单，过程机械加工精度控制采用基准重合的尺寸链控制手段，机械改进精度受控。机床采用西门子 840Dsl 数控系统，功能强大且轴设定简单高效，技术难度不大。其次，改造方案技术难度适中，整体工期受控，对生产线合同交付能力影响可接受。改造后解放 1 名操作人员，且依托原有机床系统增设主轴，对生产操作影响几乎可忽略。最后，改进机床可以提升生产效率，降低人员劳动强度和产品废品率，核算成本效益比 5.25，全面兼顾企业长期收益与整体竞争力的提升，可行性强咱4暂。5结束语文章深入分析生产实际和改进必要性，对单头钻冲机床特点以及应用进行基本探讨，着重论述了改造方案的关键要点和实施思路，通过生产效率提升、产品质量优化、成本效益分析和技术方案的可行性评估，全面评估了改造方案的实际效果和可行性。这一研究不仅为生产运营提供了技术创新和性能优化的新思路，也为冶金和机械制造企业在同类设备的改进提供了一定指导借鉴。随着制造业不断发展，对技术改造和效益提升的追求将持续推动着行业的进步和创新。参考文献1 刘惟信.机械最优化设计（第二版）M.北京：清华大学出版社，1994.2 凌思庆.数控机床制造中的机械组件装配研究 J.现代制造技术与装备，2023，59（7）：85-87.3 宋铁，徐兆成，化春雷.基于西门子 840D 的高速电主轴星角转换控制 J.沈阳航空航天大学学报，2013，30（6）：58-61.4 傅诚德，牛立全，吕鸣岗，等.技术开发类创新成果经济效益计算方法 J.石油科技论坛，2013，32（4）：34-36+56+71.图 1改造后的双头钻冲机床结构示意图王硕：单头钻冲机床改造双头钻床的技术方案与效益评估173