廢舊機(jī)床再制造關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

重慶大學(xué)制造工程研究所副所長、教授、博士生導(dǎo)師 曹華軍

編者按：我刊在近幾年來對(duì)我國再制造技術(shù)的發(fā)展情況做了大量報(bào)道，但在報(bào)道國內(nèi)廢舊機(jī)床再制造方面尚屬首次。在6月21日北京召開的“全國再制造技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)場交流會(huì)”上，重慶大學(xué)制造工程研究所副所長曹華軍教授作了交流經(jīng)驗(yàn)發(fā)言。從他的發(fā)言中，我們可以看到中國機(jī)床再制造技術(shù)的長足進(jìn)步，以及在環(huán)境保護(hù)、節(jié)能、數(shù)控化改造以及信息化技術(shù)應(yīng)用等諸多方面取得的成績，顯示出了機(jī)床再制造產(chǎn)業(yè)化的美好發(fā)展前景。我們對(duì)曹華軍教授的發(fā)言進(jìn)行了整理，發(fā)表出來供讀者借鑒。

曹華軍，教授、博導(dǎo)，現(xiàn)任重慶大學(xué)制造工程研究所副所長。主要研究方向?yàn)榫G色制造、工業(yè)機(jī)電裝備再制造以及制造系統(tǒng)理論與方法。學(xué)術(shù)兼職全國綠色制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員，中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)再制造工程分會(huì)委員、中國機(jī)電裝備維修與改造技術(shù)協(xié)會(huì)副理事長，國家自然科學(xué)基金可持續(xù)設(shè)計(jì)與制造方向通訊評(píng)審專家。牽頭起草《金屬切削機(jī)床再制造技術(shù)導(dǎo)則》國家標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)；主持承擔(dān)國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)及省部級(jí)科研項(xiàng)目4項(xiàng)，獲省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，出版專著1本，發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇。

機(jī)床是一種極具再制造價(jià)值的典型機(jī)電產(chǎn)品。實(shí)踐數(shù)據(jù)表明：機(jī)床再制造可實(shí)現(xiàn)設(shè)備材料資源循環(huán)利用率為80%左右，機(jī)床能效提升平均為20%左右，可降低噪聲10%以上，油霧、油污、粉塵等現(xiàn)場環(huán)境污染排放減少90%以上；機(jī)床功能、性能、精度均超過原新機(jī)床技術(shù)指標(biāo)，可以滿足新的生產(chǎn)能力需求。機(jī)床再制造不僅能突破廢舊機(jī)床資源循環(huán)再利用的關(guān)鍵技術(shù)，也能實(shí)現(xiàn)我國機(jī)床裝備能力綜合提升的重要支撐技術(shù)，對(duì)其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)進(jìn)行研究及推廣應(yīng)用、形成新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)具有重要意義。

目前，我國機(jī)床保有量達(dá)700萬臺(tái)左右，是世界上機(jī)床保有量和需求量最大的國家，其中廢舊機(jī)床數(shù)量大，機(jī)床技術(shù)水平相對(duì)落后，再制造需求迫切。圍繞著機(jī)床再制造這個(gè)中心點(diǎn)，可形成若干新興的機(jī)床服務(wù)產(chǎn)業(yè)，如基于廢舊機(jī)床再制造的新興機(jī)床制造業(yè)、機(jī)床維修與升級(jí)服務(wù)業(yè)、機(jī)床以舊換新綜合產(chǎn)業(yè)、各機(jī)床制造廠家的集成特約維修服務(wù)業(yè)、各生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備維修服務(wù)業(yè)等，具有十分廣闊的產(chǎn)業(yè)化市場前景，不但實(shí)現(xiàn)了廢舊資源的合理利用，而且促進(jìn)了人員就業(yè)。

圖1 機(jī)床再制造技術(shù)流程

一、廢舊機(jī)床再制造技術(shù)應(yīng)用情況

1.機(jī)床再制造技術(shù)流程與框架

機(jī)床再制造與其他裝備再制造相比，有其自身的特點(diǎn)和風(fēng)格以及規(guī)律和技術(shù)流程。通過近年來的實(shí)踐和摸索，我們的機(jī)床再制造形成了如圖1所示的技術(shù)流程。

機(jī)床再制造不是一般人所理解的對(duì)廢舊機(jī)床進(jìn)行翻新和恢復(fù)性能的過程，我們不但可以使再制造后的廢舊機(jī)床加工精度超過原新機(jī)床技術(shù)指標(biāo)，而且使它的功能和性能也大大躍升一步。我們利用集成數(shù)控化技術(shù)和其他先進(jìn)制造技術(shù)，形成了包括機(jī)床再制造綜合評(píng)價(jià)與再設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)床零部件綠色修復(fù)處理與再制造工藝技術(shù)、機(jī)床再制造環(huán)境友好性改進(jìn)技術(shù)、機(jī)床再制造節(jié)能性提升技術(shù)、機(jī)床再制造信息化提升技術(shù)、專用機(jī)床數(shù)控化再制造技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的機(jī)床再制造成套技術(shù)框架，如圖2所示。

2.廢舊機(jī)床再制造綜合評(píng)價(jià)與再設(shè)計(jì)技術(shù)

對(duì)廢舊機(jī)床綜合測試與評(píng)估技術(shù)、機(jī)床再制造方案設(shè)計(jì)技術(shù)、基于殘缺信息的破損關(guān)鍵零部件的再設(shè)計(jì)技術(shù)等進(jìn)行了研究，開發(fā)出包括“廢舊機(jī)床綜合測試與評(píng)估”、“機(jī)床再制造方案設(shè)計(jì)”和“機(jī)床再制造方案綜合評(píng)價(jià)優(yōu)選”三個(gè)主要功能模塊的機(jī)床再制造綜合評(píng)價(jià)與再設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)，并獲軟件著作權(quán)（登記號(hào)：2008SR07876），其工作流程如圖3所示。

3.廢舊機(jī)床零部件綠色修復(fù)處理與再制造技術(shù)

將先進(jìn)的表面工程技術(shù)和綠色修復(fù)工藝應(yīng)用到機(jī)床零部件再制造中，形成了一套可用于導(dǎo)軌、主軸、蝸輪蝸桿副等機(jī)床關(guān)鍵零部件的綠色再制造工藝。下面以主軸為例簡要說明機(jī)床零部件再制造工藝，并對(duì)機(jī)床零部件再制造與新制造過程進(jìn)行對(duì)比以展示再制造的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

新制一根主軸的工藝流程，從下料、鍛造、拉荒、正火、車、銑、磨、熱處理，最后到上油入庫，近40道工作程序。而再制造同樣的主軸，工藝流程就大大減少，僅為清洗、除油、冷態(tài)重熔焊補(bǔ)（修復(fù)凸凹槽或磨損面）、刷鍍（軸承位、內(nèi)錐部位）、磨（精磨軸承位）、磨（上磨床，精磨軸承位、外錐、端面、內(nèi)錐）等工序。表1為主軸再制造與新制造的情況對(duì)比。

4.廢舊機(jī)床再制造環(huán)境友好性改進(jìn)技術(shù)

在機(jī)床再制造的過程中，為了減少對(duì)環(huán)境的污染，進(jìn)行了油霧分離及切屑回收、機(jī)床防護(hù)、機(jī)床降噪改進(jìn)等方面的研究應(yīng)用，顯著提高了廢舊機(jī)床的環(huán)境友好性。

（1）油霧分離器及切屑回收系統(tǒng)的使用

在高速重切條件下，加工會(huì)產(chǎn)生大量的油霧，對(duì)車間造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。采用油霧分離器進(jìn)行油霧凈化，可減少90%以上的油霧排放；同時(shí)，分離出來的油流回機(jī)床可繼續(xù)使用。

另外，大量的油污在加工過程中被粘附在鐵屑中帶走，因鐵屑體積小、數(shù)量多、總表面積大且形狀不規(guī)則，易吸附大量的油污，大量油污都被混在鐵屑中帶走，造成環(huán)境污染。該問題較為普遍，因此設(shè)計(jì)加裝了切屑回收系統(tǒng)，并對(duì)鐵屑和油污進(jìn)行分離，

（2） 機(jī)床防護(hù)

通過安裝防護(hù)罩等措施實(shí)現(xiàn)了操作者保護(hù)，同時(shí)，粉塵排放可減少90%以上，噪聲也有一定程度的減少。通過以上措施，車間工作環(huán)境得到改善，如圖4所示。

（3）機(jī)床降噪改進(jìn)技術(shù)

機(jī)床使用過程中的噪聲主要分為空運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲以及切削噪聲。廢舊機(jī)床由于役齡長、磨損嚴(yán)重、傳動(dòng)鏈長等因素導(dǎo)致噪聲較大。機(jī)床再制造時(shí)主要從兩個(gè)方面采取措施進(jìn)行降噪。①空運(yùn)轉(zhuǎn)降噪。對(duì)與空運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲直接相關(guān)的機(jī)床結(jié)構(gòu)，可采用動(dòng)態(tài)性能分析等技術(shù)手段來進(jìn)行改進(jìn)提升；對(duì)空運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲相關(guān)的機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)，可采用全變頻無級(jí)調(diào)速、交流伺服驅(qū)動(dòng)等方法來簡化傳動(dòng)系統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)噪聲的源頭控制。②切削降噪。對(duì)于零部件切削加工過程中產(chǎn)生的噪聲，可以采用被動(dòng)降噪措施，如將再制造機(jī)床增加防護(hù)罩以降低機(jī)床切削加工時(shí)產(chǎn)生的車間環(huán)境噪聲。

采用上述降噪措施后，再制造新車床與原廢舊車床輕載加工時(shí)噪聲對(duì)比，平均可降低噪音5~10dB，見圖5。

表1 主軸再制造與新制造對(duì)比

圖5 車床再制造前后輕載時(shí)噪聲對(duì)比（背景噪音40dB）

5.廢舊機(jī)床再制造節(jié)能性提升技術(shù)

在對(duì)機(jī)床能量消耗特性研究的基礎(chǔ)上，指出傳動(dòng)系統(tǒng)能耗，特別是空載功率導(dǎo)致的能耗，是影響機(jī)床能量利用率的主要因素。在滿足再制造機(jī)床轉(zhuǎn)速和輸出有效功率的前提下，通過變頻調(diào)速、電機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化配合，盡量縮短傳動(dòng)鏈，從而大幅降低主傳動(dòng)系統(tǒng)空載功率和能量消耗，一般可節(jié)能20%以上。某機(jī)床再制造前后空載功率對(duì)比如圖6所示。

6.廢舊機(jī)床再制造信息化提升技術(shù)

現(xiàn)代制造業(yè)車間層信息化正向深度和廣度方向進(jìn)一步發(fā)展，廢舊機(jī)床的數(shù)控化改造，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控程序的上傳與下達(dá)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足機(jī)床對(duì)信息化功能的需求。針對(duì)這些問題，課題應(yīng)用授權(quán)發(fā)明專利“網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)中的多功能交互式信息終端”，開發(fā)成功面向廢舊機(jī)床再制造的多功能信息化提升裝置，使其向上能與車間設(shè)備層信息化系統(tǒng)連接，向下可實(shí)現(xiàn)機(jī)床狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集，從而實(shí)現(xiàn)廢舊機(jī)床的信息化提升。圖7為多功能交互式信息終端結(jié)構(gòu)圖。

圖6 C616廢舊車床再制造前后空載功率對(duì)比

圖7 信息終端結(jié)構(gòu)圖

二、機(jī)床再制造產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用示范工程

我們?cè)诳偨Y(jié)機(jī)床再制造實(shí)踐與已取得經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了機(jī)床再制造產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式研究，提出了一種由“四種輸入”、“七化”過程和“五種輸出”構(gòu)成的機(jī)床再制造產(chǎn)業(yè)化模式，如圖8所示。

為加快產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，我們實(shí)施了機(jī)床再制造應(yīng)用示范工程，建成了“重慶市工業(yè)裝備再造工程產(chǎn)學(xué)研合作基地”，基地設(shè)立于重慶機(jī)床集團(tuán)，并在重慶第二機(jī)床廠有限責(zé)任公司建立了專門的機(jī)床再制造示范車間。從2006年至今，我們已為數(shù)十家客戶企業(yè)完成了500多臺(tái)廢舊機(jī)床的再制造，明顯提升了客戶企業(yè)裝備能力和制造能力，為客戶企業(yè)節(jié)省新購?fù)悪C(jī)床設(shè)備費(fèi)用5 000多萬元，并新增服務(wù)型產(chǎn)值3 000多萬元。

圖8 機(jī)床再制造產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式