超大型吊機法蘭機加工工藝流程與精度控制

張 凌，阮 磊

（1.招商局重工（江蘇）有限公司，南通 226116；2.舟山中遠海運重工有限公司，舟山 316131）

1 前言

隨著海上風電項目如火如荼的發展，對海上大型吊機的需求越來越多，重吊船吊機的起重能力也越來越強。作為吊機的關鍵部件，對吊機法蘭的機加工能力、機加工精度要求越來越高。本文以招商局重工（江蘇）有限公司建造的5 000 t 重吊船的20 m 直徑超大型吊機法蘭機加工為實例，對超大型法蘭的機加工工藝進行研究，以期為后續類似項目提供可借鑒的經驗。

2 吊機法蘭機加工內容及影響因素

2.1 機加工內容

機加工法蘭由6 片材質為ASTM A694 F52 的鍛件零件拼裝而成，拼裝后的法蘭外徑20 200 mm、內徑19 080 mm、厚度315 mm，加工后的法蘭外徑20 160 mm、內徑19 120 mm、厚度275 mm，外徑有一圈深36.5 mm 的臺階需要整圈加工；另外，法蘭上表面有360 個直徑92 mm 的螺栓孔，法蘭側面有336 個直徑12 mm 的螺栓孔要鉆孔（見圖1）；同時法蘭內表面有整圈集油盤及三個定位導向管需要焊接。三個定位導向管均布一周（見圖2），焊接完畢后鉆孔；法蘭加工精度，要求上、下表面平行度不大于0.2 mm、內外徑偏差不大于±4.4 mm、鉆孔位置度不大于2 mm。對于這種大尺寸的法蘭加工難度相當大，尤其是法蘭上表面的平行度及連接吊機本體側面的螺栓孔位置的精準度控制，是本次機加工的重點。

圖1 法蘭螺栓開孔節點圖

圖2 定位導向管鉆孔圖

本吊機法蘭加工圖，如圖3 所示。

圖3 吊機法蘭機加工圖

2.2 影響法蘭加工精度的因素

影響本次法蘭機加工精度的因素，主要有：機加工器具；加工設備受力；法蘭加工熱變形；法蘭加工工藝流程；法蘭加工檢驗劃線設備精度及溫度變化等。通過消除或減小這些影響因素，以保障法蘭加工精度。

3 機加工設備選擇及消除受力影響

3.1 機加工設備選擇

在法蘭加工的過程中，經常會出現法蘭由于受力不均導致變形，甚至形狀改變的問題。一方面在法蘭加工過程中，加工設備部件除了要承受法蘭加工時的受力以外，還要承受加工設備本身產生的震動力等，設備各部件運行中因受力會影響機加工設備的正常運行；另一方面一旦機加工設備受力發生不可接受的位移，就會對法蘭機加工精度造成不可挽回的影響。

考慮到本次機加工法蘭直徑達到20 m，故加工設備優先選取移動式法蘭端面銑床。該銑床具有可調整中心度和平面度的調節裝置，根據加工需求調整銑床至合適的加工位置，使銑床能夠同時滿足水平、垂直、倒置安裝的需求，為多樣性加工提供便利條件。為保證銑床的加工精度，不允許現場對銑床隨意加裝、改裝。

移動式法蘭端面銑床主軸的上部設有旋轉臂，底座上設有轉動軸承，旋轉臂上設有與轉動軸承連接的驅動機構，旋轉臂的一端設有銑床加工法蘭。

除了機加工外，鉆孔數量多是本次法蘭機加工的特點，精度要求高是本次機加工的難點，在實際加工過程中，選用了能自動給進的液壓軌道鉆床，配置暴力鉆頭，以滿足鉆孔、鏜孔和盲孔加工的要求。

3.2 加工設備受力影響消除

在法蘭機加工過程中，機加工設備的受力較大，主要是由于機加工設備在運行中所承受的反作用力大；機加工設備長時間運行，勢必出現位置的相對位移，應加以消除或限制。在實際操作過程中，設置了一套與吊機法蘭配套的加工平臺裝置（見圖4），該平臺與吊機法蘭筒體通過螺栓連接，連接后使用墊塊塞緊，螺栓緊固。這種連接方法既可以有效的避免焊接變形，又方便后續加工平臺的整體拆卸，也避免了由于熱作業拆卸對加工完成的法蘭體引起變形。

圖4 加工平臺（米字型工裝）制作及定位

移動式法蘭端面銑床放置于加工平臺中心，通過加工平臺中間8 個止擋塊控制各方向的位移；通過加工平臺的部件，能及時有效的將機加工產生的反作用力傳遞到吊機結構上，有效的避免加工設備受力對法蘭機加工的影響，保證機加工設備的穩定性運行。

液壓軌道鉆床的固定和受力影響的消除，采用自身螺孔固定的方式解決，以三個相鄰的螺孔為一組，利用已經完成的后兩個孔穿入螺柱作為固定使用，保證液壓軌道鉆床的穩固狀態。

4 法蘭加工熱變形

影響法蘭加工熱變形主要有兩個方面：機加工設備運行過程中自身設備產生的熱和外部產生的熱影響。

4.1 內部熱量影響消除

機加工設備在運行中，其本身以及相關的部件中產生熱量，從而發生熱變形的。因為機加工設備本身的結構比較復雜，由許多的零件組成，這些零件在運行過程中，會互相之間產生熱量，從而導致相關部分溫度的不斷升高，最終影響機床的溫度，在機床溫度上升的情況下，各個部件的相對位置就會發生變化，機床的精度就會受到一定的影響，從而影響機械零件加工的精度。

這一類由于機加設備自身產生的熱量無法避免，在實際的加工的過程中也只有通過一些外部手段來減少，如：規定機設備工作時長，避免長時間作業以及選擇在較低溫度的凌晨進行加工；機加工時外加水冷、空冷設備的配合等。

4.2 外部熱量影響消除

由于船舶建造是一個綜合性的活動，在法蘭機加工時不可避免的會有一些外部熱量輸入，對機加工產生影響，主要是焊接、修補、打磨、切割作業等。這些作業會產生一定熱量，從而使法蘭加工面和其他面之間出現溫差，使其形狀發生一定程度的改變，影響法蘭加工的精度。

針對上述情況，需要協調生產安排，改善法蘭機加工外部環境。在本次機加工前，做了如下生產安排：完成待加工法蘭下方筒體分段的吊裝上船以及焊接工作；附近船體結構主要焊接及吊裝工作基本完成；火工矯正工作結束；周圍相關舾件焊接完成；確保在法蘭加工后無熱工作業或僅存少量熱工作業等。

考慮到不可避免的熱工作業，如導向管安裝焊接、集油槽的安裝焊接作業，一方面需規范作業流程，焊接時使用小電流，減少熱輸出量；另一方面則需加放加工裕度，便于用半精加工或者精加工來消除熱作業帶來的影響。

5 加工流程及精度控制

5.1 加工工藝流程

合理的法蘭加工流程是本次法蘭機加工成功的關鍵，合理制定法蘭機加工流程，能夠減少焊接變形對機加工影響，提升機加工精度，縮短機加工周期。通過反復研討，制定了本次法蘭機加工工藝流程：

1）焊接集油盤（定位導向管周邊的三段部件除外）：采用小電流快速焊接，以減少內應力聚集；

2）焊接定位導向管周邊的三段部件：焊接完畢后可對導向管定位孔進行鉆孔，鉆孔位置精度0.01 mm；

3）復測基準點：判斷焊接集油盤引起的焊接變形是否產生影響；

4）粗加工和半精加工法蘭上表面：注意進給速度，以保證平行度和位置精度；

5）粗加工和半精加工和精加工下表面：采用數控機床進行加工，確保位置精度和平行度；

6）焊接導向管：采用小電流快速焊；

7）精加工上表面至公差上限295 mm：保留一定的余量，以減小加工量的同時，防止上表面平面度不滿足時，能夠保留有拋光研磨處理的余地；

8）外徑加工：采用數控機床進行加工，確保位置精度和平行度；

9）外徑鉆孔：采用數控機床進行鉆孔，確保位置精度和平行度；

10）拆解設備和固定工裝：完成加工后進行拆解，以便后續清理和檢測；

11）激光測量和最終報驗（3D）：進行激光測量和最終檢測，確認產品精度和質量；

12）若不符合要求，重復加工過程直至合格：如果檢測結果不符合要求，需重新進行加工，直至達到合格。

5.2 精度控制

1）在粗加工階段，需根據檢測報告計算加工厚度，進刀量控制在1.5～3 mm 之間，直至法蘭面基本達到所需平行度；在半精加工階段，進刀量減小至0.1～0.3 mm，預留2 mm 余量以便在精加工階段進行處理；在進行精加工之前，使用激光測量設備對工件進行平面平行度檢測，根據檢測結果確定精加工的加工量；在精加工階段，進刀量進一步減小至0.05～0.1 mm，當加工到只剩0.1～0.2 mm 的余量時，進行整體平面度復測，然后對加工表面進行精細修整，必要時采用拋光研磨處理以進一步提高表面平行度和精度；

2）通過半精加工上表面以建立具有較高平面度的軌道，可以有效地確保下表面的加工精度，并避免集油盤焊接對上表面精度的影響；此外，先進行上表面的加工，可以避免導向管焊接后機械臂無法加工下表面的情況。這種加工策略能夠實現下表面與上表面的平行度要求，同時避免了焊接和機械加工限制對加工精度的影響，具有一定的實用價值；

3）導向管的焊接與集油盤焊接具有類似的要求，即盡量減少焊接時產生的熱量對法蘭機加工的影響；導向管上的導向孔對于后續吊機的安裝定位至關重要,因此首先采用全站儀進行粗略的定位和焊接，然后使用API（3D）進行精確的定位，最后進行鏜孔，以確保達到預期的位置度要求；上部面板孔的定位精度要求極高，用鉆模以實現準確且快速地鉆孔。通過這種方式，提高鉆孔的效率和精確度的同時也能確保達到預期的位置度要求；

4）導向管焊接完成后，對上表面進行精加工；在精加工之前，首先需通過測量獲取上表面的水平度和上下表面的平行度數據，以準確界定機加工的去除量。采用每次進刀量在0.05～0.1 mm 的加工方式，可確保加工后上表面平面度小于2 mm，且任意1 m 范圍內的斜度小于0.5 mm，上表面與下表面的平行度必須控制在2 mm 以內；

5）為了滿足吊機上定位塊位置的精度要求，通過調整加工機械臂的臂長來進行外徑圓的加工。在加工過程中，要特別關注整體的圓度，因為其直接影響到吊機的定位精度；為了確保吊機的正常使用，必須將外徑圓的加工公差控制在4 mm 以內；

6）在劃線前，使用激光檢驗上表面的平面度和平行度，以確保上表面的質量。然后在法蘭表面劃線。首先使用六等分劃線確定鉆孔基圓，每段中心距為9 825 mm。通過六段等分整圈能夠重合，從而確定鉆孔基圓直徑為19 650 mm；

7）在9 825 mm 長等分線內，進行60 等分，每段中心距為171.47 mm；然后檢驗法蘭表面360 等分間距，確認每段間距為171.47 mm 且能夠重合，如果不滿足這些要求需要重新劃線；

8）確認360 個等分點的位置后，畫出直徑為92 mm 的鉆孔圓和直徑為112 mm 的檢驗圓，并進行標記；根據基圓直徑為9 825 mm 的基準，確定內孔和外圓的加工基準圓，并進行標記；

9）在鉆孔0°位置事先打好樣沖點標記；然后使用3D 掃描設備檢測法蘭面鉆孔中心位置度，利用3D激光定位技術，在電腦中建立虛擬坐標系，并將每個鉆孔中心點賦予三維坐標，通過將接收器移動到指定坐標并敲樣沖點以精確定位。鉆孔中心點位置度應不大于2 mm，這樣做能夠確保鉆孔的精確性和一致性，從而提高產品質量和生產效率；

10）在進行上表面鉆孔之前，必須確認鉆頭的中心與欲鉆孔的中心完全重合。此步驟非常關鍵，因為它可以保證鉆出的孔位于正確的位置。為確保鉆頭位置的準確性，可將鉆頭放置在檢驗圓的中心；

11）確認了鉆頭的位置，設備就可以被鎖緊并進行鉆孔操作，但在鉆孔操作開始之前，必須使用百分表來檢測設備與法蘭面的垂直度，此步驟可確保鉆出的孔保持垂直，避免出現斜孔或孔洞深度不一致的情況；

12）將百分表架設在鉆孔機上，檢測鉆孔機的旋轉中心是否與法蘭面平行，如果不平行可以通過在鉆孔機底座下方加裝墊片的方式進行校準，使鉆孔機的旋轉中心與法蘭面的平行度不超過0.05 mm；

13）完成平行度校準后，就可以開始依次進行鉆孔操作，每鉆3～5 個孔后應再次對鉆孔的位置進行確認，以防在鉆孔過程中出現位置偏移；鉆孔過程中，每個孔都需要進行垂直度和位置度的檢驗。在鉆孔結束后，還應對孔徑及孔間距進行測量，以確保鉆出的孔滿足設計要求；

14）在進行側面法蘭外圓鉆孔攻絲時，首先需要基于外圓直徑進行等分劃線，旨在核實各點位置的準確性；然后對鉆孔中心進行標記，進一步確認中心點位置；確認中心點位置后，對各點進行鉆孔攻絲。這一過程與上表面鉆孔過程類似，都要求確保鉆孔中心點位置的準確性。在鉆孔過程中，采用3D 掃描設備并結合虛擬坐標系以精確檢測和定位鉆孔中心點，確保其位置度不超過2 mm；

15）鉆孔結束后，利用螺紋規對各個螺紋孔進行檢測，以確認孔徑和孔間距是否符合設計要求。通過這種方法，可以保證側面法蘭外圓的鉆孔攻絲質量，提高生產效率，降低產品不良率。

6 測量設備及溫度影響

本次法蘭機加工尺寸較大，傳統設備難以滿足精度要求，因此采用激光檢測儀API（3D）設備進行測量和檢驗；通過在法蘭面上采點數據，建立虛擬坐標系，滿足法蘭加工的各種測量要求，包括直線度、主軸方向、平面度、垂直度和對中測量。該設備的測量有效距離大于法蘭加工平面尺寸，精度也滿足法蘭加工的精度要求，測量結果以圖像和表格形式輸出；此外，溫度對法蘭機加工精度有很大影響，因此在機加工時，選擇夜間氣溫變化不大的時間段進行，并使用不同溫度下的直徑值轉換表，以減少環境溫度對機加工精度的影響。

7 結束語

本文通過研究20 m 直徑超大型法蘭機加工全過程，詳述了選型機加工器具，制定法蘭機加工工藝流程和精度控制要領，使用高精度測量設備檢測等內容，解決法蘭機加工過程中的實際問題，成功完成本次法蘭機加工作業，在此供同專業工程人員參考，以期為類似作業提供可供參考的經驗。