廢舊機床再制造關鍵技術及產業化應用

重慶大學制造工程研究所副所長、教授、博士生導師 曹華軍

編者按：我刊在近幾年來對我國再制造技術的發展情況做了大量報道，但在報道國內廢舊機床再制造方面尚屬首次。在6月21日北京召開的“全國再制造技術與經驗現場交流會”上，重慶大學制造工程研究所副所長曹華軍教授作了交流經驗發言。從他的發言中，我們可以看到中國機床再制造技術的長足進步，以及在環境保護、節能、數控化改造以及信息化技術應用等諸多方面取得的成績，顯示出了機床再制造產業化的美好發展前景。我們對曹華軍教授的發言進行了整理，發表出來供讀者借鑒。

曹華軍，教授、博導，現任重慶大學制造工程研究所副所長。主要研究方向為綠色制造、工業機電裝備再制造以及制造系統理論與方法。學術兼職全國綠色制造技術標準化技術委員會委員，中國機械工程學會再制造工程分會委員、中國機電裝備維修與改造技術協會副理事長，國家自然科學基金可持續設計與制造方向通訊評審專家。牽頭起草《金屬切削機床再制造技術導則》國家標準1項；主持承擔國家科技支撐計劃項目1項、國家自然科學基金項目2項及省部級科研項目4項，獲省部級科技進步一等獎1項、省部級自然科學二等獎1項，出版專著1本，發表學術論文40余篇。

機床是一種極具再制造價值的典型機電產品。實踐數據表明：機床再制造可實現設備材料資源循環利用率為80%左右，機床能效提升平均為20%左右，可降低噪聲10%以上，油霧、油污、粉塵等現場環境污染排放減少90%以上；機床功能、性能、精度均超過原新機床技術指標，可以滿足新的生產能力需求。機床再制造不僅能突破廢舊機床資源循環再利用的關鍵技術，也能實現我國機床裝備能力綜合提升的重要支撐技術，對其產業化技術進行研究及推廣應用、形成新興戰略性產業具有重要意義。

目前，我國機床保有量達700萬臺左右，是世界上機床保有量和需求量最大的國家，其中廢舊機床數量大，機床技術水平相對落后，再制造需求迫切。圍繞著機床再制造這個中心點，可形成若干新興的機床服務產業，如基于廢舊機床再制造的新興機床制造業、機床維修與升級服務業、機床以舊換新綜合產業、各機床制造廠家的集成特約維修服務業、各生產企業的設備維修服務業等，具有十分廣闊的產業化市場前景，不但實現了廢舊資源的合理利用，而且促進了人員就業。

圖1 機床再制造技術流程

一、廢舊機床再制造技術應用情況

1.機床再制造技術流程與框架

機床再制造與其他裝備再制造相比，有其自身的特點和風格以及規律和技術流程。通過近年來的實踐和摸索，我們的機床再制造形成了如圖1所示的技術流程。

機床再制造不是一般人所理解的對廢舊機床進行翻新和恢復性能的過程，我們不但可以使再制造后的廢舊機床加工精度超過原新機床技術指標，而且使它的功能和性能也大大躍升一步。我們利用集成數控化技術和其他先進制造技術，形成了包括機床再制造綜合評價與再設計技術、機床零部件綠色修復處理與再制造工藝技術、機床再制造環境友好性改進技術、機床再制造節能性提升技術、機床再制造信息化提升技術、專用機床數控化再制造技術等關鍵技術的機床再制造成套技術框架，如圖2所示。

2.廢舊機床再制造綜合評價與再設計技術

對廢舊機床綜合測試與評估技術、機床再制造方案設計技術、基于殘缺信息的破損關鍵零部件的再設計技術等進行了研究，開發出包括“廢舊機床綜合測試與評估”、“機床再制造方案設計”和“機床再制造方案綜合評價優選”三個主要功能模塊的機床再制造綜合評價與再設計支持系統，并獲軟件著作權（登記號：2008SR07876），其工作流程如圖3所示。

3.廢舊機床零部件綠色修復處理與再制造技術

將先進的表面工程技術和綠色修復工藝應用到機床零部件再制造中，形成了一套可用于導軌、主軸、蝸輪蝸桿副等機床關鍵零部件的綠色再制造工藝。下面以主軸為例簡要說明機床零部件再制造工藝，并對機床零部件再制造與新制造過程進行對比以展示再制造的經濟及社會效益。

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、冷態重熔焊補（修復凸凹槽或磨損面）、刷鍍（軸承位、內錐部位）、磨（精磨軸承位）、磨（上磨床，精磨軸承位、外錐、端面、內錐）等工序。表1為主軸再制造與新制造的情況對比。

4.廢舊機床再制造環境友好性改進技術

在機床再制造的過程中，為了減少對環境的污染，進行了油霧分離及切屑回收、機床防護、機床降噪改進等方面的研究應用，顯著提高了廢舊機床的環境友好性。

（1）油霧分離器及切屑回收系統的使用

在高速重切條件下，加工會產生大量的油霧，對車間造成嚴重的環境污染。采用油霧分離器進行油霧凈化，可減少90%以上的油霧排放；同時，分離出來的油流回機床可繼續使用。

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、數量多、總表面積大且形狀不規則，易吸附大量的油污，大量油污都被混在鐵屑中帶走，造成環境污染。該問題較為普遍，因此設計加裝了切屑回收系統，并對鐵屑和油污進行分離，

（2） 機床防護

通過安裝防護罩等措施實現了操作者保護，同時，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，車間工作環境得到改善，如圖4所示。

（3）機床降噪改進技術

機床使用過程中的噪聲主要分為空運轉噪聲以及切削噪聲。廢舊機床由于役齡長、磨損嚴重、傳動鏈長等因素導致噪聲較大。機床再制造時主要從兩個方面采取措施進行降噪。①空運轉降噪。對與空運轉噪聲直接相關的機床結構，可采用動態性能分析等技術手段來進行改進提升；對空運轉噪聲相關的機床傳動系統，可采用全變頻無級調速、交流伺服驅動等方法來簡化傳動系統。從而實現噪聲的源頭控制。②切削降噪。對于零部件切削加工過程中產生的噪聲，可以采用被動降噪措施，如將再制造機床增加防護罩以降低機床切削加工時產生的車間環境噪聲。

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噪聲對比，平均可降低噪音5~10dB，見圖5。

表1 主軸再制造與新制造對比

圖5 車床再制造前后輕載時噪聲對比（背景噪音40dB）

5.廢舊機床再制造節能性提升技術

在對機床能量消耗特性研究的基礎上，指出傳動系統能耗，特別是空載功率導致的能耗，是影響機床能量利用率的主要因素。在滿足再制造機床轉速和輸出有效功率的前提下，通過變頻調速、電機與機械傳動系統的優化配合，盡量縮短傳動鏈，從而大幅降低主傳動系統空載功率和能量消耗，一般可節能20%以上。某機床再制造前后空載功率對比如圖6所示。

6.廢舊機床再制造信息化提升技術

現代制造業車間層信息化正向深度和廣度方向進一步發展，廢舊機床的數控化改造，實現了數控程序的上傳與下達，但遠遠不能滿足機床對信息化功能的需求。針對這些問題，課題應用授權發明專利“網絡化制造系統中的多功能交互式信息終端”，開發成功面向廢舊機床再制造的多功能信息化提升裝置，使其向上能與車間設備層信息化系統連接，向下可實現機床狀態信息的實時采集，從而實現廢舊機床的信息化提升。圖7為多功能交互式信息終端結構圖。

圖6 C616廢舊車床再制造前后空載功率對比

圖7 信息終端結構圖

二、機床再制造產業化及應用示范工程

我們在總結機床再制造實踐與已取得經驗的基礎上，進行了機床再制造產業化發展模式研究，提出了一種由“四種輸入”、“七化”過程和“五種輸出”構成的機床再制造產業化模式，如圖8所示。

為加快產業化推廣應用，我們實施了機床再制造應用示范工程，建成了“重慶市工業裝備再造工程產學研合作基地”，基地設立于重慶機床集團，并在重慶第二機床廠有限責任公司建立了專門的機床再制造示范車間。從2006年至今，我們已為數十家客戶企業完成了500多臺廢舊機床的再制造，明顯提升了客戶企業裝備能力和制造能力，為客戶企業節省新購同類機床設備費用5 000多萬元，并新增服務型產值3 000多萬元。

圖8 機床再制造產業化發展模式