戴明

（江蘇大劇院運(yùn)營(yíng)管理有限公司，江蘇 南京 210019）

在邁向“工業(yè)4.0”時(shí)代的背景下，一大批服役較長(zhǎng)年限的數(shù)控機(jī)床即將報(bào)廢潮、淘汰。利用再制造技術(shù)，將這些淘汰下來(lái)的老舊數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行拆卸之后對(duì)各類零部件進(jìn)行可再制造性評(píng)估，選擇那些具有可再造價(jià)值的零件，進(jìn)行加工、修復(fù)等處理，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)合格后再重新組裝，得到再制造數(shù)控機(jī)床。這樣就能夠以較低的成本，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的升級(jí)、再造，實(shí)現(xiàn)了資源的集約化利用，符合可持續(xù)發(fā)展理念。

1 大型數(shù)控機(jī)床再制造工藝流程

再制造技術(shù)就是將那些已經(jīng)報(bào)廢的產(chǎn)品，在經(jīng)過(guò)了拆解、清洗、修理、裝配等環(huán)節(jié)之后，制造出在各方面性能上接近甚至超過(guò)原產(chǎn)品的新產(chǎn)品。大型數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件眾多。即便是整臺(tái)設(shè)備達(dá)到了設(shè)計(jì)壽命，但是某些零部件仍然可以正常使用。將這些零件收集起來(lái)，根據(jù)客戶需求重新制作新的機(jī)床，實(shí)現(xiàn)了廢物利用。大型數(shù)控機(jī)床的再制造流程為：將廢舊數(shù)控機(jī)床完全拆解后，將零件收集起來(lái)并進(jìn)行初步的清洗，去除表面的油泥、污垢。然后對(duì)這些零部件進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)于仍然完好的零部件，分類存儲(chǔ)并開展可再制造性評(píng)估。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，若不符合再制造需求，則視為廢棄件；對(duì)于存在磨損、老化等問(wèn)題的易損件，也作為廢棄件處理。對(duì)于那些符合再制造需求的零部件，視其情況開展加工、修復(fù)或再制造。利用所得新零件重新組裝成一臺(tái)新的機(jī)床。整個(gè)流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)控機(jī)床再制造工藝流程

2 數(shù)控機(jī)床再制造技術(shù)

2.1 開展機(jī)床可再造性評(píng)估

機(jī)床再制造要從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性3 個(gè)維度進(jìn)行綜合考量。其中技術(shù)可行性分析是再制造評(píng)估的關(guān)鍵點(diǎn)，根據(jù)評(píng)估指標(biāo)的不同，評(píng)估工作主要圍繞以下幾個(gè)方面展開：

2.1.1 檢測(cè)指標(biāo)。對(duì)于拆卸下來(lái)的零部件，進(jìn)行清洗之后根據(jù)檢測(cè)指標(biāo)判斷零部件的損傷程度，評(píng)估其可再造價(jià)值。檢測(cè)指標(biāo)（Ut）的計(jì)算公式如下：

式（1）中t1為實(shí)際檢測(cè)時(shí)間，t2為理想檢測(cè)時(shí)間。

2.1.2 拆卸指標(biāo)。將廢舊的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行拆解是再制造的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，拆解過(guò)程中既要防止對(duì)零部件造成損傷，同時(shí)還要兼顧拆卸效率。特別是一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密度高的數(shù)控機(jī)床，拆卸難度較大，將會(huì)對(duì)再制造性的評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生直接影響。同樣的，拆卸指標(biāo)（Ud）也可通過(guò)公式計(jì)算得出：

式（2）中，d1為實(shí)際拆卸時(shí)間，d2為理想拆卸時(shí)間。

2.1.3 修復(fù)指標(biāo)。再制造工藝中，將受損零件進(jìn)行修復(fù)，使其恢復(fù)至正常使用工況的難易程度，即修復(fù)指標(biāo)。影響該指標(biāo)的因素主要有兩個(gè)，其一是一臺(tái)數(shù)控機(jī)床中待修復(fù)零件的數(shù)量（Nj），其二是對(duì)這些零件進(jìn)行修復(fù)時(shí)的效率（Pj）。修復(fù)指標(biāo)（Ur）可根據(jù)公式計(jì)算得出：

2.2 設(shè)計(jì)機(jī)床再制造方案

2.2.1 再制造方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行全面評(píng)估之后編制機(jī)床再制造方案。首先要明確再制造目標(biāo)。總目標(biāo)是保證再制造后的機(jī)床性能達(dá)到甚至是超過(guò)原機(jī)床的性能。在此基礎(chǔ)上制定分目標(biāo)，包括3 個(gè)，分別是機(jī)械精度恢復(fù)、運(yùn)動(dòng)能力恢復(fù)、控制性能恢復(fù)。其次，圍繞這些分目標(biāo)，確定再制造的詳細(xì)方案和適用技術(shù)。例如機(jī)械精度恢復(fù)中，對(duì)于零部件局部的點(diǎn)蝕、劃傷，可采取激光熔覆等技術(shù)進(jìn)行修復(fù)；對(duì)于大面積的損傷，甚至是斷裂問(wèn)題，則選擇電刷鍍等技術(shù)進(jìn)行處理；運(yùn)動(dòng)能力恢復(fù)中，使用到納米潤(rùn)滑等技術(shù)。另外，在設(shè)計(jì)機(jī)床再制造方案時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)床主軸、導(dǎo)軌、進(jìn)給系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)的再制造。

2.2.2 再制造清洗工藝

經(jīng)過(guò)拆解和評(píng)估之后，能夠用于機(jī)床再制造的零件，還需要進(jìn)行清洗，去除表面的油垢、銹跡，或還原其表面光滑度等，保證滿足機(jī)床再制造的使用需要。清洗方法有物理技術(shù)和化學(xué)技術(shù)2 類，物理清洗如吹、擦、超聲波等；化學(xué)清洗則是借助于各類化學(xué)試劑，雖然速度較快，但是容易造成污染，并且有一定概率腐蝕零件。因此，在設(shè)計(jì)再制造清洗方案時(shí)，選擇了“水洗+超聲波”的組合方案，具體流程如圖2 所示。

圖2 再制造清洗工藝流程

對(duì)于主軸、導(dǎo)軌等機(jī)床的核心零件，在長(zhǎng)期使用之后表面甚至內(nèi)部均出現(xiàn)不同程度的油垢污染。直接清洗難度較大，因此要進(jìn)行預(yù)處理，即烘焙加熱。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的加熱使油泥中的油，以蒸汽形式散發(fā)，剩下的泥變得干硬。然后先使用工具將大塊的油泥產(chǎn)出，再選擇高壓水沖洗剩余的殘?jiān)?。沖洗、晾干后，對(duì)于剩下的表面殘留物（如砂），可通過(guò)打磨等方式去除。完成上述清洗步驟后，主軸、導(dǎo)軌表面的油泥基本清理完畢，但是滲入到內(nèi)部的油泥難以清理，此時(shí)再使用超聲波實(shí)現(xiàn)非接觸無(wú)損清洗。最后使用高壓水沖洗一遍，再次烘干之后得到可重新利用的零件。完成拆卸、清洗、檢測(cè)等一系列步驟，并且經(jīng)檢測(cè)零件各方面不存在問(wèn)題后，即可用于大型數(shù)控機(jī)床的組裝和再造。

2.3 機(jī)床機(jī)械零件的再制造

2.3.1 主軸再制造與性能檢測(cè)

主軸是數(shù)控機(jī)床的核心部件，如果能夠?qū)崿F(xiàn)主軸再制造，對(duì)降低整個(gè)機(jī)床成本有顯著影響。同時(shí)，主軸再制造性能也將直接決定數(shù)控機(jī)床的整體性能，因此主軸性能評(píng)估的重要性不言而喻。除了上文介紹的可再造性評(píng)估外，還要進(jìn)行剩余壽命評(píng)估，影響因素包括強(qiáng)度、剛度、喪失精度3 項(xiàng)?；谥鬏S的運(yùn)行特性，磨損是主軸再制造中需要特別關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)于直徑在100mm 以下的小尺寸主軸，通常選擇電刷鍍的方式對(duì)軸體表面磨損處進(jìn)行修復(fù)；對(duì)于直徑超過(guò)100mm的中、大尺寸主軸，則考慮使用激光熔覆的方式，對(duì)缺陷進(jìn)行修補(bǔ)。主軸再制造結(jié)束后，還要對(duì)其性能開展檢測(cè)。除了觀察表面缺陷修補(bǔ)效果外，還要對(duì)硬度耐磨性等進(jìn)行精確測(cè)量，以保證滿足機(jī)床再制造的需要。硬度測(cè)量結(jié)果如表1 所示。

表1 主軸硬度檢測(cè)結(jié)果

2.3.2 擺桿軸孔再制造與性能檢測(cè)

動(dòng)力頭也是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵組成部分，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。其中，擺桿是提供動(dòng)力的核心部件，擺桿上部與擺桿銷軸相連，并在法蘭軸承的作用下，固定在擺桿軸孔內(nèi)。擺桿軸孔除了發(fā)揮限位功能外，還能利用主軸擺動(dòng)體的帶動(dòng)作用，實(shí)現(xiàn)擺桿的自由運(yùn)動(dòng)。

圖3 動(dòng)力頭的組成示意圖

動(dòng)力頭在運(yùn)行時(shí)，由于軸的高度轉(zhuǎn)動(dòng)，使得軸與孔接觸部位摩擦生熱，并且溫度會(huì)達(dá)到較高水平，使得零部件發(fā)生熱變形，擺桿軸孔將會(huì)發(fā)生磨損、變形等質(zhì)量問(wèn)題。軸孔再制造時(shí)，先用丙醇清洗油污，然后采用電弧噴涂的方式，以3Cr13 作為原材料，將噴涂距離固定為200mm，設(shè)置噴涂設(shè)備的壓力參數(shù)為0.7MPa，在軸孔表面均勻噴涂。同樣的，擺桿軸孔再制造完畢后，也要對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)。以表面光滑無(wú)空隙為佳，涂層硬度不低于350HV，空隙率不超過(guò)3.0。

3 數(shù)控機(jī)床再制造的精度分析

3.1 常見(jiàn)誤差類型

數(shù)控機(jī)床各零部件的再制造過(guò)程中，由于零件本身磨損程度、幾何形狀，以及修復(fù)技術(shù)等各類因素的影響，不可避免會(huì)帶來(lái)誤差。常見(jiàn)的有：（1）幾何誤差。實(shí)際加工時(shí)，每一個(gè)運(yùn)動(dòng)副存在6 個(gè)自由度，如圖4 所示。即便是X、Y、Z 軸上的誤差均在允許范圍值，但是誤差相加之后極有可能超出允許范圍。（2）熱誤差。機(jī)床再制造過(guò)程中，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)、電機(jī)工作都會(huì)產(chǎn)生熱量。當(dāng)熱量達(dá)到一定值后，因?yàn)闊崦浝淇s引發(fā)熱誤差。（3）切削誤差。零部件加工時(shí)受到切削力后，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反作用力，導(dǎo)致零件位移，由此導(dǎo)致切削誤差。

圖4 三維加工中的運(yùn)動(dòng)誤差

3.2 再制造精度控制

數(shù)控機(jī)床再制造中，對(duì)精度要求極其嚴(yán)格。開展精度分析和采取誤差控制措施，有助于保證再制造機(jī)床的精度滿足要求。提高再制造精度的措施有：（1）對(duì)原機(jī)床拆卸下來(lái)的零部件進(jìn)行加工、修復(fù)時(shí)，必須對(duì)精度進(jìn)行嚴(yán)格控制，從源頭入手最大程度上縮小誤差。（2）采取冷卻措施，盡量使機(jī)床在工作狀態(tài)下保持相對(duì)恒定溫度。像電機(jī)這類內(nèi)部熱源要加裝風(fēng)扇幫助散熱。（3）改進(jìn)伺服控制系統(tǒng)，提高控制靈敏度，避免控制誤差。（4）加強(qiáng)環(huán)境管理，使數(shù)控機(jī)床處于穩(wěn)定加工環(huán)境，減少外部振動(dòng)帶來(lái)的影響，也會(huì)對(duì)提升再制造精度起到一定作用。

3.3 再制造精度結(jié)果分析

按照上述再制造技術(shù)，對(duì)某機(jī)床上拆卸的螺旋錐齒輪進(jìn)行了再制造。通過(guò)實(shí)際測(cè)量并對(duì)比設(shè)計(jì)要求，齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等各項(xiàng)參數(shù)均滿足要求，產(chǎn)品精度合格。具體參數(shù)如表2 所示。

表2 螺旋錐齒輪再制造結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

在制造業(yè)升級(jí)背景下，利用再制造技術(shù)讓淘汰、換代的數(shù)控機(jī)床，經(jīng)過(guò)整機(jī)拆卸、零件清洗、零件修復(fù)、再裝配等一系列環(huán)節(jié)，得到新的數(shù)控機(jī)床，實(shí)現(xiàn)了資源的再利用，降低了機(jī)床再制造成本，符合當(dāng)前提倡的節(jié)約、綠色理念。機(jī)床再制造中，除了對(duì)零部件進(jìn)行可再造性評(píng)估和再制造處理外，還要關(guān)注再制造的誤差分析和精度控制，保證再裝配機(jī)床能夠正常投入使用。