大型數(shù)控機床再制造技術(shù)及精度分析

戴明

（江蘇大劇院運營管理有限公司，江蘇 南京 210019）

在邁向“工業(yè)4.0”時代的背景下，一大批服役較長年限的數(shù)控機床即將報廢潮、淘汰。利用再制造技術(shù)，將這些淘汰下來的老舊數(shù)控機床，進行拆卸之后對各類零部件進行可再制造性評估，選擇那些具有可再造價值的零件，進行加工、修復(fù)等處理，經(jīng)過檢驗合格后再重新組裝，得到再制造數(shù)控機床。這樣就能夠以較低的成本，實現(xiàn)數(shù)控機床的升級、再造，實現(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)控機床再制造工藝流程

再制造技術(shù)就是將那些已經(jīng)報廢的產(chǎn)品，在經(jīng)過了拆解、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原產(chǎn)品的新產(chǎn)品。大型數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件眾多。即便是整臺設(shè)備達到了設(shè)計壽命，但是某些零部件仍然可以正常使用。將這些零件收集起來，根據(jù)客戶需求重新制作新的機床，實現(xiàn)了廢物利用。大型數(shù)控機床的再制造流程為：將廢舊數(shù)控機床完全拆解后，將零件收集起來并進行初步的清洗，去除表面的油泥、污垢。然后對這些零部件進行質(zhì)量檢測，對于仍然完好的零部件，分類存儲并開展可再制造性評估。根據(jù)評估結(jié)果，若不符合再制造需求，則視為廢棄件；對于存在磨損、老化等問題的易損件，也作為廢棄件處理。對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新的機床。整個流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)控機床再制造工藝流程

2 數(shù)控機床再制造技術(shù)

2.1 開展機床可再造性評估

機床再制造要從技術(shù)性、經(jīng)濟性、環(huán)保性3 個維度進行綜合考量。其中技術(shù)可行性分析是再制造評估的關(guān)鍵點，根據(jù)評估指標的不同，評估工作主要圍繞以下幾個方面展開：

2.1.1 檢測指標。對于拆卸下來的零部件，進行清洗之后根據(jù)檢測指標判斷零部件的損傷程度，評估其可再造價值。檢測指標（Ut）的計算公式如下：

式（1）中t1為實際檢測時間，t2為理想檢測時間。

2.1.2 拆卸指標。將廢舊的數(shù)控機床進行拆解是再制造的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，拆解過程中既要防止對零部件造成損傷，同時還要兼顧拆卸效率。特別是一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密度高的數(shù)控機床，拆卸難度較大，將會對再制造性的評估結(jié)果產(chǎn)生直接影響。同樣的，拆卸指標（Ud）也可通過公式計算得出：

式（2）中，d1為實際拆卸時間，d2為理想拆卸時間。

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

2.2 設(shè)計機床再制造方案

2.2.1 再制造方案設(shè)計

根據(jù)上述指標的計算結(jié)果，進行全面評估之后編制機床再制造方案。首先要明確再制造目標。總目標是保證再制造后的機床性能達到甚至是超過原機床的性能。在此基礎(chǔ)上制定分目標，包括3 個，分別是機械精度恢復(fù)、運動能力恢復(fù)、控制性能恢復(fù)。其次，圍繞這些分目標，確定再制造的詳細方案和適用技術(shù)。例如機械精度恢復(fù)中，對于零部件局部的點蝕、劃傷，可采取激光熔覆等技術(shù)進行修復(fù)；對于大面積的損傷，甚至是斷裂問題，則選擇電刷鍍等技術(shù)進行處理；運動能力恢復(fù)中，使用到納米潤滑等技術(shù)。另外，在設(shè)計機床再制造方案時，重點關(guān)注機床主軸、導(dǎo)軌、進給系統(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)過拆解和評估之后，能夠用于機床再制造的零件，還需要進行清洗，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)計再制造清洗方案時，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

對于主軸、導(dǎo)軌等機床的核心零件，在長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，因此要進行預(yù)處理，即烘焙加熱。經(jīng)過一段時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渣。沖洗、晾干后，對于剩下的表面殘留物（如砂），可通過打磨等方式去除。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，此時再使用超聲波實現(xiàn)非接觸無損清洗。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、檢測等一系列步驟，并且經(jīng)檢測零件各方面不存在問題后，即可用于大型數(shù)控機床的組裝和再造。

2.3 機床機械零件的再制造

2.3.1 主軸再制造與性能檢測

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

表1 主軸硬度檢測結(jié)果

2.3.2 擺桿軸孔再制造與性能檢測

動力頭也是數(shù)控機床的關(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，還能利用主軸擺動體的帶動作用，實現(xiàn)擺桿的自由運動。

圖3 動力頭的組成示意圖

動力頭在運行時，由于軸的高度轉(zhuǎn)動，使得軸與孔接觸部位摩擦生熱，并且溫度會達到較高水平，使得零部件發(fā)生熱變形，擺桿軸孔將會發(fā)生磨損、變形等質(zhì)量問題。軸孔再制造時，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，也要對其性能進行檢測。以表面光滑無空隙為佳，涂層硬度不低于350HV，空隙率不超過3.0。

3 數(shù)控機床再制造的精度分析

3.1 常見誤差類型

數(shù)控機床各零部件的再制造過程中，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，不可避免會帶來誤差。常見的有：（1）幾何誤差。實際加工時，每一個運動副存在6 個自由度，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。機床再制造過程中，主軸運轉(zhuǎn)、電機工作都會產(chǎn)生熱量。當(dāng)熱量達到一定值后，因為熱脹冷縮引發(fā)熱誤差。（3）切削誤差。零部件加工時受到切削力后，還會產(chǎn)生一個反作用力，導(dǎo)致零件位移，由此導(dǎo)致切削誤差。

圖4 三維加工中的運動誤差

3.2 再制造精度控制

數(shù)控機床再制造中，對精度要求極其嚴格。開展精度分析和采取誤差控制措施，有助于保證再制造機床的精度滿足要求。提高再制造精度的措施有：（1）對原機床拆卸下來的零部件進行加工、修復(fù)時，必須對精度進行嚴格控制，從源頭入手最大程度上縮小誤差。（2）采取冷卻措施，盡量使機床在工作狀態(tài)下保持相對恒定溫度。像電機這類內(nèi)部熱源要加裝風(fēng)扇幫助散熱。（3）改進伺服控制系統(tǒng)，提高控制靈敏度，避免控制誤差。（4）加強環(huán)境管理，使數(shù)控機床處于穩(wěn)定加工環(huán)境，減少外部振動帶來的影響，也會對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)，對某機床上拆卸的螺旋錐齒輪進行了再制造。通過實際測量并對比設(shè)計要求，齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等各項參數(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

在制造業(yè)升級背景下，利用再制造技術(shù)讓淘汰、換代的數(shù)控機床，經(jīng)過整機拆卸、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)控機床，實現(xiàn)了資源的再利用，降低了機床再制造成本，符合當(dāng)前提倡的節(jié)約、綠色理念。機床再制造中，除了對零部件進行可再造性評估和再制造處理外，還要關(guān)注再制造的誤差分析和精度控制，保證再裝配機床能夠正常投入使用。