铝电解槽立柱母线组“4+6”轴组合式专用多轴钻床的制作方法

该实用新型属于有色金属加工制造领域，应用于大型预焙阳极铝电解槽制作安装工程中的立柱母线组的钻孔加工，特别是涉及一种铝电解槽立柱母线组“4+6”轴组合式专用多轴钻床。

背景技术：

电解铝厂一般拥有数百台预焙阳极铝电解槽，大型预焙阳极铝电解槽的进电侧一般安装有6~7组立柱母线组。每组立柱母线包含2件立柱母线（A型和B型，材质：铝）、2件夹板母线（A型和B型，材质：铝）和2件短路母线（材质：铝），这6件母线上需加工出螺栓连接孔，并通过连接螺栓将它们组装在一起，然后安装在铝电解槽的进电侧，用以承载超大电解电流的通过。

下面以当前技术最成熟、应用最广泛的500kA大型预焙阳极铝电解槽的立柱母线组为例作进一步的说明。

该型电解槽的立柱母线尺寸为（单位：mm）：2935×500×230，上面设计有φ55×4螺栓连接孔一组，φ38×6螺栓连接孔一组；夹板母线尺寸为（单位：mm）：2000×500×230，上面设计有φ38×6螺栓连接孔一组；短路母线尺寸为（单位：mm）：500×450×220，上面设计有φ55×4螺栓连接孔一组。立柱母线上的φ55×4螺栓连接孔与短路母线上的φ55×4螺栓连接孔的孔位是分别对应的，立柱母线上的φ38×6螺栓连接孔与夹板母线上的φ38×6螺栓连接孔的孔位是分别对应的。

在大型预焙阳极铝电解槽制作安装工程中，立柱母线组的钻孔加工是一项非常重要且工程量非常巨大的工作，本多轴钻床就是专门为钻取大型预焙阳极铝电解槽的立柱母线组上的这两组螺栓连接孔而设计的。

目前绝大部分情况下，仍然采用Z3050及以上规格的摇臂钻床对母线上的所有孔位进行逐个钻取。这种方法的缺陷是：一、对孔（钻头对正设计孔位）工作繁琐，工件上下加工工位次数多（一个有着两种规格孔位的工件需要在不同的钻床加工工位之间换位，也或者需要在同一台摇臂钻床上不断地更换不同规格的钻头），占用起重设备时间长，不但生产效率极其低下，而且孔位精度低、形位误差高，并直接影响到后续的安装工作（经常出现工件间连接螺栓无法顺利穿过连接螺栓孔的现象）；二、摇臂钻床的结构相对来说比较复杂，再加上施工现场条件简陋、对设备的粗暴操作、维护保养不到位，使得摇臂钻床在使用一段时间之后故障率急剧攀升，不但维修成本大增（一般情况下都需要请专业维修人员进场维修），而且严重影响工程进度。在作业场地上存在多台摇臂钻床（一般都在4台以上）同时作业的情况下，对摇臂钻床的维修已经成为了每天工作中的常态；三、由于生产效率低下，必须使用更多的钻孔设备同时工作才能满足施工进度的要求，使得设备投入高，设备对作业场地的占用大，作业人员多，人工成本很高。

极少部分情况下，能够见到4轴钻的实际应用，但装置过于简陋，多属于在原有其它废旧机床上的二次改造，不但加工精度较低，而且只有一个固定的加工工位，到目前为止还只仅仅适用于短路母线的单件加工，立柱母线和夹板母线仍然需要使用摇臂钻床进行加工，对生产效率低下的局面的改观十分有限。

现有技术中也见到有六轴钻床在电解槽立柱母线加工中的实际应用，但没有能同时对立柱母线（A型、B型）、夹板母线（A型、B型）以及短路母线进行多轴钻孔加工的多轴钻床，且现有的六轴钻床不能方便更换齿轮箱，不能适应不同规格电解槽立柱母线组的钻孔加工，通用性差， 并且现有的六轴钻床没有配套的上料机构，不能规避对孔工序，孔位精度不能有效提高，操作者的劳动强度也较大，加工过程中对起重设备的占用仍然较多。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种专门用于电解槽立柱母线组钻孔加工工作、结构相对简单、易于维护保养和维修、能完成立柱母线组中所有种类母线的钻孔加工、能够大幅度提高钻孔生产效率和钻孔精度的铝电解槽立柱母线组“4+6”轴组合式专用多轴钻床。

本实用新型的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的铝电解槽立柱母线组“4+6”轴组合式专用多轴钻床，包括门式机架、齿轮箱支座、四轴齿轮箱和六轴齿轮箱，所述机架包括底板、顶板和两侧的侧部立板，所述侧部立板的内侧固定连接有光轴支撑板，机架前部、后部的顶板和光轴支撑板之间分别安装有一组导向光轴，机架前部的一组导向光轴和机架后部的一组导向光轴上均安装有齿轮箱支座；四轴齿轮箱从下部安装到机架前部的齿轮箱支座内，四轴齿轮箱通过连接螺栓与齿轮箱支座固定在一起，四轴齿轮箱上安装有四根工作轴，四根工作轴的位置布局与立柱母线和短路母线上的孔位相同；六轴齿轮箱从下部安装到机架后部的齿轮箱支座内，六轴齿轮箱通过连接螺栓与齿轮箱支座固定在一起，六轴齿轮箱上安装有六根工作轴，六根工作轴的位置布局与立柱母线的孔位相同，六轴齿轮箱能够转向45°安装从而使六根工作轴的位置布局与夹板母线的孔位相同；所述工作轴的下端安装有钻头，齿轮箱支座上部设有驱动工作轴旋转的动力电机，顶板上部安装有驱动齿轮箱支座上下运动的进给装置。

本专用多轴钻床还包括上料机构，所述上料机构包括母线小车、小车轨道以及小车驱动装置，所述小车轨道沿水平方向穿过机架，小车轨道的中间部分搭接在机架的底板上，所述母线小车置于小车轨道上，母线小车的上部安装有母线加紧装置，母线小车的下部安装有多组小车行走轮，母线小车的一侧安装齿条，所述小车驱动装置设置在机架一侧的侧部立板上，小车驱动装置上设有与所述齿条啮合的驱动齿轮。

小车轨道的长度为小车长度的二倍加上机架的进深。

所述进给装置包括减速电机、齿轮、丝母齿轮、齿轮支座和丝杆，所述齿轮和丝母齿轮设置在齿轮支座内，所述减速电机通过联轴器连接齿轮，所述齿轮与丝母齿轮啮合连接，所述丝杆上部旋入丝母齿轮，丝杆的下端固定连接齿轮箱支座。

所述顶板上部安装有吊环，顶板上开有使动力电机机身穿过顶板的电机孔，机架的上部被隔板分为机架前部和机架后部，所述侧部立板采用镂空设计，机架一侧的侧部立板上焊接有踏步。

四轴齿轮箱内部设计有一根动力轴、两根中间轴和四根工作轴，工作轴位于矩形的四个顶点上，两根中间轴位于矩形内部的一根中线上，动力轴位于矩形内部另一根中线上，中间轴上安装有两件齿轮，动力轴上的齿轮与中间轴上的一个齿轮啮合连接，中间轴上的另一个齿轮啮合连接两根工作轴上的齿轮，动力轴上部与动力电机的输出轴传动连接，工作轴下部伸出齿轮箱的部分设计有莫氏锥孔。

六轴齿轮箱内部设计一根动力轴、两根中间轴和六根工作轴，其中四根工作轴位于平行四边形的四个顶点上，另外两根工作轴位于平行四边形的长边中点上，中间轴位于平行四边形短边中点上，动力轴位于平行四边形的中心，动力轴和平行四边形近端顶点上的两个工作轴上均安装有两个齿轮，动力轴上的一个齿轮与平行四边形长边中点的两个工作轴上的齿轮啮合连接，动力轴上的另一个齿轮与平行四边形近端顶点上的两个工作轴的一个齿轮啮合连接，平行四边形近端顶点上的两个工作轴的另一个齿轮与中间轴上的齿轮啮合连接，中间轴上的齿轮与平行四边形远端顶点上的两个工作轴上的齿轮啮合连接，动力轴上部与动力电机的输出轴传动连接，工作轴下部伸出齿轮箱的部分设计有莫氏锥孔。

所述齿轮箱支座通过直线轴承对应安装在导向光轴上，机架前部的一组导向光轴和机架后部的一组导向光轴均包括四根导向光轴。

所述六轴齿轮箱槽底板的外侧设计有两组螺栓连接孔，六轴齿轮箱采用一组螺栓连接孔安装到齿轮箱支座上，当六轴齿轮箱转向45°时能采用另外一组螺栓连接孔安装到齿轮箱支座上。

与现有技术相比，本实用新型铝电解槽立柱母线组“4+6”轴组合式专用多轴钻床具有以下优点：1、本多轴钻床能够同时或者分别对立柱母线（A型、B型）、夹板母线（A型、B型）以及短路母线进行多轴钻孔加工，结构简单且占用空间小，减少钻孔设备对作业场地的占用，减少设备投入和设备的调遣费用，降低设备的故障率，减少维修费用，提高设备的使用率，降低施工成本；机架的门式设计，不但使得两组多轴钻同时加工同一件工件成为可能，而且还能够使得被加工的工件在机械装置的驱动下依次通过加工工位，从而达到连续加工工件的目的，提高了生产效率；四轴齿轮箱和六轴齿轮箱均从下部安装到齿轮箱支座内，并通过连接螺栓与齿轮箱支座固定在一起，这种设计极大地方便了齿轮箱的拆卸和更换，齿轮箱可以自由更换，通过更换齿轮箱，不但可以使本设备适应不同规格电解槽立柱母线组的钻孔加工，也可以用于其它工件的多轴钻孔加工，提高了本多轴钻床的通用性，做到了在专用的基础上还能多用，保护了设备投资；齿轮箱支座上部设有驱动工作轴旋转的动力电机，这种电机跟随式设计，减少了中间驱动环节，提高了传动效率，降低了设备复杂程度，同时降低了设备故障率。

2、上料机构能够按照操作者的预先设定进行定距进给，在连续进行等距孔组的钻孔加工时，规避了对孔工序且提高了孔位精度，提高了加工精度，降低操作者的劳动强度，降低对操作人员专业素质的要求，减少加工过程中对起重设备（用来吊运母线）的占用，减少作业人员数量，降低人工成本，收窄管理幅度、减少管理费用。

3、进给装置中减速电机动力首先传递给齿轮，齿轮将动力传递给“丝母齿轮”，“丝母齿轮”将动力传递给丝母，丝母旋转并驱动丝杆作轴向运动，这样，减速电机的动力将最终转化为齿轮箱支座并连同齿轮箱以及安装于工作轴上的钻头一起上下运行的动力，这种设计能够使丝杆尽可能地靠近齿轮箱的几何中心，从而避免由于进给推力过于偏心引起齿轮箱支座的变形，进而带来额外的钻孔孔位误差（这是一种对加工精度有较大影响的因素），如果将减速电机与丝杆同轴连接，则由于减速电机要避让动力电机，丝杆就只能安装在距离齿轮箱支座几何中心更远的位置。

4、顶板上部安装有吊环，便于设备的安装找正、移位以及搬迁；顶板上开有使动力电机机身穿过顶板的电机孔，方便电机机身在设备运行期间穿过顶板；机架的上部被隔板分为机架前部和机架后部，使机架刚度更好；所述侧部立板采用镂空设计，便于设备的制作安装、操作、运行状况观察以及维护保养等；机架一侧的侧部立板上焊接有踏步，便于操作人员或者维修人员爬到机架的顶部进行设备的组装及维护保养。

5、六轴齿轮箱的内部设计配合位于平行四边形短边中点上的中间轴的位置设计，可以在满足扭矩要求的情况下，将平行四边形近端顶点上的两个工作轴的另一个齿轮（与平行四边形远端顶点上工作轴上的齿轮规格完全相同）的齿数尽可能减少，以节约空间和材料，为将齿轮箱设计成近似菱形且具有转向安装功能打下良好的基础。

6、六轴齿轮箱槽底板的外侧设计有两组螺栓连接孔，六轴齿轮箱采用一组螺栓连接孔安装到齿轮箱支座上，当六轴齿轮箱转向45°时能采用另外一组螺栓连接孔安装到齿轮箱支座上，这样设备在从加工立柱母线切换到加工夹板母线上φ38×6螺栓连接孔的状态的时候，夹板母线不用扭转45°进入加工工位，只需要将六轴齿轮箱以动力轴为中心变换45°进行安装就可以了，避免增加设备的体积。

附图说明

图1是立柱母线组的主视结构示意图；

图2是门型机架的结构示意图；

图3是四轴齿轮箱的结构示意图；

图4是四轴齿轮箱的内部结构示意图；

图5是四轴齿轮箱的装配结构示意图；

图6是进给装置的结构示意图；

图7是六轴齿轮箱的结构示意图；

图8是六轴齿轮箱的内部结构示意图；

图9是加工夹板母线时六轴齿轮箱的装配结构示意图；

图10是加工立柱母线时六轴齿轮箱的装配结构示意图；

图11是铝电解槽立柱母线组“4+6”轴组合式专用多轴钻床的结构示意图；

图12是立柱母线组的俯视结构示意图；

图13是立柱母线组的左视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型铝电解槽立柱母线组“4+6”轴组合式专用多轴钻床作进一步说明：

如图1、图12和图13所示，每组立柱母线包含A型立柱母线01、B型立柱母线02、A型夹板母线03、B型夹板母线04、短路母线05、短路母线06。

如图2-11所示，一种铝电解槽立柱母线组“4+6”轴组合式专用多轴钻床，包括门式机架1、齿轮箱支座7、四轴齿轮箱2和六轴齿轮箱3，所述机架1包括底板11、顶板14和两侧的侧部立板12，底板11的下部设置有底部槽钢组，底板11和底部槽钢组上设计有螺栓固定孔，可以使用地脚螺栓将机架1固定在设备基础上，侧部立板12外部设置有筋板，所述侧部立板12的内侧固定连接有光轴17支撑板16，机架1前部、后部的顶板14和光轴17支撑板16之间分别安装有一组导向光轴17，机架1前部的一组导向光轴17和机架1后部的一组导向光轴17上均安装有齿轮箱支座7；四轴齿轮箱2从下部安装到机架1前部的齿轮箱支座7内，四轴齿轮箱2通过连接螺栓与四轴齿轮箱2支座固定在一起，四轴齿轮箱2上安装有四根工作轴24，四根工作轴24的位置布局与立柱母线和短路母线上的孔位相同；六轴齿轮箱3从下部安装到机架1后部的齿轮箱支座7内，六轴齿轮箱3通过连接螺栓与六轴齿轮箱3支座固定在一起，六轴齿轮箱3上安装有六根工作轴24，六根工作轴24的位置布局与立柱母线的孔位相同，六轴齿轮箱3能够转向45°安装从而使六根工作轴24的位置布局与夹板母线的孔位相同；所述工作轴24的下端安装有钻头9，齿轮箱支座7上部设有驱动工作轴24旋转的动力电机5，顶板14上部安装有驱动齿轮箱支座7上下运动的进给装置。

齿轮箱支座7为内空的框架结构，由钢板焊接而成，上顶面和下底面的四角安装有八件直线轴承8，齿轮箱支座7通过直线轴承8对应安装在机架1的一组导向（四根）光轴17上。齿轮箱支座7相当于一个标准接口，只要是符合这种标准接口的齿轮箱都能够完美接入并正常工作，它跟齿轮箱中工作轴24的安装位置没有太大的关系。

四轴齿轮箱2和六轴齿轮箱3的外壳分为齿轮箱槽23和齿轮箱盖板22两部分，为了加快制作进度和降低制作难度，齿轮箱槽23由钢板焊接而成，齿轮箱盖板22则直接采用钢板加工而成，二者通过螺栓连接，通过定位销对正安装。盖板上设计有注油口，槽底板设计有放油口。

动力电机5安装在电机支座上，电机支座安装在齿轮箱支座7上，并通过联轴器直接将动力传递给齿轮箱的动力轴21（在需要较大变速比的情况下，可在动力电机5和动力轴21之间增加一级齿轮减）。工作时，动力电机5随齿轮箱支座7一起上下运行。

本专用多轴钻床还包括上料机构，所述上料机构包括母线小车41、小车轨道42以及小车驱动装置，所述小车轨道42沿水平方向穿过机架1，小车轨道42的中间部分搭接在机架1的底板11上，所述母线小车41置于小车轨道42上，母线小车41的上部安装有母线夹紧装置45，母线小车41的下部安装有多组小车行走轮43，母线小车41的一侧安装齿条44，所述小车驱动装置设置在机架1一侧的侧部立板12上，小车驱动装置上设有与所述齿条44啮合的驱动齿轮。

小车驱动装置由伺服电机、精密行星减速机、正齿轮等构成。通过对伺服电机控制器的设定，母线小车41每次能够移动相同长度的距离。这对于具有相同距离螺栓孔组工件的加工，带来很大的便利。

小车轨道42由型钢焊接而成，轨道安置在基础之上，轨道的中间部分搭接在机架1的底板11上，轨道的长度大约为小车长度的二倍加上机架1的进深。母线小车41长度根据母线上欲安置的母线种类和数量而定。母线小车41上可以安置多件立柱母线、夹板母线或者短路母线，也可以混合安置这些不同类型的母线，完全根据实际需求而定。

所述进给装置包括减速电机61、齿轮63、丝母齿轮64、齿轮支座62和丝杆65，丝母齿轮64是经过特殊设计的齿轮，在它的中心镶嵌有一个丝母。所述齿轮63和丝母齿轮64设置在齿轮支座62内，所述减速电机61通过联轴器连接齿轮63，所述齿轮63与丝母齿轮64啮合连接，丝杆65上部旋入丝母齿轮64，丝杆65下端设计有安装法兰，安装法兰通过连接螺栓固定于齿轮箱支座7上。进给装置可以由摆线针轮减速电机61或者蜗轮蜗杆减速电机61提供动力。减速电机61、齿轮63、丝母齿轮64可以预先装配在一起，并整体安装在机架1的顶板14上。减速电机61动力首先传递给齿轮63，齿轮63将动力传递给丝母齿轮64，丝母齿轮64将动力传递给丝母，丝母旋转并驱动丝杆65作轴向运动。这样，减速电机61的动力将最终转化为齿轮箱支座7并连同齿轮箱以及安装于工作轴24上的钻头9一起上下运行的动力。

所述顶板14上部安装有吊环13，顶板14上开有可使动力电机5机身穿过顶板14的电机孔18，机架1的上部被隔板15分为机架1前部和机架1后部，所述侧部立板12采用镂空设计，机架1一侧的侧部立板12上焊接有踏步。

四轴齿轮箱2内部设计有一根动力轴21、两根中间轴25和四根工作轴24，工作轴24位于矩形的四个顶点上，两根中间轴25位于矩形内部的一根中线上，动力轴21位于矩形内部另一根中线上，中间轴25上安装有两件齿轮，动力轴21上的齿轮与中间轴25上的一个齿轮啮合连接，中间轴25上的另一个齿轮啮合连接两根工作轴24上的齿轮，动力轴21上部与动力电机5的输出轴传动连接，工作轴24下部伸出齿轮箱的部分设计有莫氏锥孔。

六轴齿轮箱3内部设计一根动力轴21、两根中间轴25和六根工作轴24，其中四根工作轴24位于平行四边形的四个顶点上，另外两根工作轴24位于平行四边形的长边中点上，中间轴25位于平行四边形短边中点上，动力轴21位于平行四边形的中心，动力轴21和平行四边形近端顶点上的两个工作轴24上均安装有两个齿轮，动力轴21上的一个齿轮与平行四边形长边中点的两个工作轴24上的齿轮啮合连接，动力轴21上的另一个齿轮与平行四边形近端顶点上的两个工作轴24的一个齿轮啮合连接，平行四边形近端顶点上的两个工作轴24的另一个齿轮与中间轴25上的齿轮啮合连接，中间轴25上的齿轮与平行四边形远端顶点上的两个工作轴24上的齿轮啮合连接，动力轴21上部与动力电机5的输出轴传动连接，工作轴24下部伸出齿轮箱的部分设计有莫氏锥孔。

所述齿轮箱支座7通过直线轴承8对应安装在导向光轴17上，机架1前部的一组导向光轴17和机架1后部的一组导向光轴17均包括四根导向光轴17。

所述六轴齿轮箱3槽23底板11的外侧设计有两组螺栓连接孔，六轴齿轮箱3采用一组螺栓连接孔安装到齿轮箱支座7上，当六轴齿轮箱3转向45°时能采用另外一组螺栓连接孔安装到齿轮箱支座7上。

本铝电解槽立柱母线组“4+6”轴组合式专用多轴钻床的工作流程是：上料机构运载同一种或者非同一种的多个工件（特指立柱母线组中的母线，下同）沿水平方向从门式机架1下方穿过，并在适当的加工工位停下，四轴齿轮箱2以及六轴钻齿轮箱在各自进给机构的驱动下沿定位光轴17向下运行，并由动力机构驱动钻头9转动，独自或者同时对工件进行钻孔，钻孔结束，齿轮箱复位，上料机构继续运载工件前行，待下一个或者下两个工件进入合适的加工工位后，四轴齿轮箱2以及六轴钻齿轮箱重复以上动作，以此类推，直至本次上料机构上运载的所有工件加工完毕。

本多轴钻床能够同时或者分别对立柱母线（A型、B型）、夹板母线（A型、B型）以及短路母线进行多轴钻孔加工，可以同时加工φ55×4个孔、φ38×6个孔、φ55×4+φ38×6个孔、φ38×6×2（两件夹板母线对头叠放）个孔以及φ55×4+φ38×6×2（两件立柱母线对头叠放）个孔。本多轴钻床设计有大尺寸的钻头9进给行程，在使用加长钻头9的情况下，通过对母线的双层叠放，本多轴钻床一次钻孔的数量还能够在原有的基础上再翻一倍，也即是说本多轴钻床一次定位，最少可以同时钻取4个孔位（φ55×4），最多可以同时钻取32（φ55×4×2+φ38×6×2×2）个孔位。

在实际生产过程中，以当前技术最成熟、应用最广泛的500kA预焙阳极铝电解槽的立柱母线的钻孔为例，母线平均上下工位（通过龙门吊吊装，通过螺栓及压板固定）的时间现场测算（不包括等待时间）约为3分钟；因为母线要分别钻取直径不同的孔位，需要上下加工工位2次，则时间消耗共计6分钟。

每个孔的对孔时间0.5分钟（即通过调整钻头9位置或者工件位置使得钻头9对准设计孔位的过程），则10个孔的对孔时间为10×0.5=5分钟。

每个孔的钻取时间为7分钟，则所有孔的钻孔时间为10×7=7分钟。

则每根立柱母线的总加工耗时为：6+5+70=81分钟。

采用本设备之后，只需要一次上下胎具，一次对孔，一次钻孔，则加工总耗时为：3+0.5+7=10.5分钟。

与传统加工方式相比，理论生产效率提高了将近8倍。

上面结合附图对本实用新型优选的具体实施方式作出了详细说明，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对这种实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本实用新型的保护范围内。