于海峰，田國富，王 濤

（沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

0 前言

我國是世界最大的機(jī)床消費(fèi)市場，保有量達(dá)800多萬臺，役齡10年以上的機(jī)床達(dá)200多萬臺，按照國際通用的3%的年機(jī)床報廢淘汰率計算，每年將有20多萬臺機(jī)床報廢，約占每年我國新機(jī)床產(chǎn)量的一半。據(jù)估計，僅在“十二五”期間，我國將有100多萬臺機(jī)床面臨各種形式的報廢。

對于廢舊機(jī)床來說，其鋼鐵材料價值和機(jī)械零部件的制造成本價值等附加值較大，具有較高的回收利用價值。在此背景下，我國部分機(jī)床廠專門成立了再制造部門，專業(yè)從事機(jī)床再制造業(yè)務(wù)，利用先進(jìn)的設(shè)計水平、再制造工藝、調(diào)試及檢測技術(shù)，向客戶提供完善的設(shè)備再制造服務(wù)。然而，機(jī)床類型不同，其再制造過程和再制造方案也具有差異性，本文的大型機(jī)床的再制造流程和再制造方案，為其它類似機(jī)床的再制造提供參考。

1 GCMT2500大型數(shù)控機(jī)床

本文中的機(jī)床是由沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院自主研發(fā)的六軸五聯(lián)動GCMT2500復(fù)合式數(shù)控機(jī)床，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要用來生產(chǎn)直徑2 500 mm的大型螺旋錐齒輪，機(jī)床包含X、Y、Z、A、B、C六個軸，其中X、Y、Z是移動軸，A、B、C是旋轉(zhuǎn)軸，是一臺復(fù)合加工機(jī)床，齒輪的體積龐大加工相對困難，年產(chǎn)量大約為10個，所以機(jī)床承載著很大的加工壓力。

圖1 GCMT2500大型數(shù)控機(jī)床

再制造技術(shù)就是讓老舊的產(chǎn)品重新獲得使用價值，煥發(fā)生命活力的過程。采用專門的工藝和技術(shù)，以舊的產(chǎn)品為毛坯，在原有制造的基礎(chǔ)上進(jìn)行一次新的制造，而且重新制造出來的產(chǎn)品無論是性能還是質(zhì)量都不亞于原先的新品。如今由于機(jī)床服役時間較長，現(xiàn)有機(jī)床己經(jīng)不能滿足產(chǎn)品加工要求，現(xiàn)需對舊的機(jī)床進(jìn)行再制造。機(jī)床的基本信息見表1，再制造信息見表2，機(jī)床加工的技術(shù)參數(shù)見表3。再制造機(jī)床的大致要求如下：利用激光熔覆技術(shù)再制造機(jī)床主軸，采用直線滾動導(dǎo)軌代替原有的滑動導(dǎo)軌；電氣系統(tǒng)設(shè)計全新的電氣控制系統(tǒng)。

表1 機(jī)床基本信息

表2 再制機(jī)床信息

表3 機(jī)床技術(shù)參數(shù)

2 再制造方案的設(shè)計

2.1 主軸的再制造設(shè)計

機(jī)床主軸是機(jī)床最重要的零部件之一，主軸帶動著刀具一起旋轉(zhuǎn)，扭矩通過主軸從電機(jī)傳到刀具上，刀具再與工件接觸進(jìn)行切削加工，由于作用力與反作用力的關(guān)系，工件與刀具產(chǎn)生的力最終都反映在了機(jī)床的主軸上。機(jī)床主軸在加工過程中不停地接受沖擊，由于長期的使用主軸表面會產(chǎn)生著缺陷與磨損，從而影響到被加工件的精度與質(zhì)量。因此再制造主軸要考慮到剛度、耐磨性、抗沖擊性能等因素，本次主軸的再制造保留原有的機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵械臋C(jī)床主軸結(jié)構(gòu)有著較好的剛度，保留原有的機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)，為了提高機(jī)床主軸的耐磨性和抗沖擊性能，對機(jī)床采用激光熔覆的再制造工藝對機(jī)床主軸進(jìn)行再制造修復(fù)。

2.2 導(dǎo)軌的再制造設(shè)計

導(dǎo)軌為支承和引導(dǎo)運(yùn)動構(gòu)件沿著一定軌跡運(yùn)動的零件，導(dǎo)軌同樣是機(jī)床極其重要的零部件，機(jī)床的加工精度與導(dǎo)軌精度有著密不可分的聯(lián)系，在小批量生產(chǎn)的精密機(jī)床生產(chǎn)加工過程中，整個機(jī)床加工大約40%的工作量都是由導(dǎo)軌完成的，而且，導(dǎo)軌一旦損壞，在維修層面上會面臨著不小的困難，在再制造過程中將廢棄機(jī)床原有的滑動導(dǎo)軌，而全部采用直線型滾動導(dǎo)軌。

該機(jī)床采用的滾珠絲杠副的傳動方式，并且每個工作臺都有單獨(dú)的伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，電動機(jī)軸和絲桿之間通過高精度聯(lián)軸器聯(lián)接，使得進(jìn)給系統(tǒng)具有較高的傳動精度和傳動剛度，并大大簡化了傳動機(jī)構(gòu)。滾珠絲杠采用“固定-游動”的安裝方式，一端由一對軸承約束軸向和徑向自由度，另一端由單個軸承約束徑向自由度，負(fù)荷由一對軸承副承擔(dān)，游動的單個軸承能防止懸臂撓度，并消化由熱變形產(chǎn)生的應(yīng)力，此形式結(jié)構(gòu)較簡單，效果良好，應(yīng)用廣泛。在再制造過程中對整個進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行拆卸，檢測電機(jī)的使用性能，更換滾珠和螺母以及固定端的軸承，同時也要作好對滾珠絲杠副的使用防護(hù)，由于長期的磨損絲杠的尺寸和精度會受到影響，在修復(fù)之后可以滿足使用要求無需更換全新的絲杠。

2.3 液壓系統(tǒng)的再制造設(shè)計

對舊機(jī)床的液壓系統(tǒng)進(jìn)行檢測，篩選出損壞程度較大的管路、閥體、過濾裝置等，對于這些損壞程度大的零部件進(jìn)行更換，更換時盡量保持原來機(jī)床零部件的規(guī)格，保留損壞程度較小的零部件繼續(xù)使用，以保證整體液壓系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。該大型數(shù)控機(jī)床中液壓系統(tǒng)來完成一些輔助的功能如：平衡機(jī)床的運(yùn)動部件、機(jī)床整體防護(hù)裝置的自動開關(guān)、工作臺的夾緊與松開及其自動交換、工件的自動夾緊與松開等。采用液壓系統(tǒng)對被加工件進(jìn)行裝夾，不但提高了裝夾的可靠穩(wěn)定性，還提高了工作效率降低了勞動強(qiáng)度，使得工件輔助的裝夾時間大幅度減少。

大型齒輪工件與刀具在整個加工過程中連續(xù)的摩擦，難免會產(chǎn)生大量的熱，如果這些熱量不能及時的被消除，就會使工件變形，還會影響到工件的精度甚至工件表面的質(zhì)量，在切削過程中通常會加注冷卻液，冷卻液有提高工件表面質(zhì)量、減小刀具的磨損、沖洗廢料等作用，冷卻系統(tǒng)是大型數(shù)控機(jī)床重要的組成部分，得以廣泛的應(yīng)用。所以在再制造過程中，先要對機(jī)床的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行拆卸清洗，再徹底地檢查整個機(jī)床的冷卻系統(tǒng)，檢測冷卻系統(tǒng)零部件是否能夠繼續(xù)使用，一些老舊嚴(yán)重的冷卻系統(tǒng)零部件需要及時更換，以確保在實(shí)際的生產(chǎn)加工中冷卻系統(tǒng)能夠可靠正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，冷卻液供給充足。

良好的潤滑系統(tǒng)可以減小機(jī)床零部件在工作時候的磨損，可以有效的延長機(jī)床的使用壽命。數(shù)控機(jī)床上常用的兩種潤滑方式為油脂潤滑和油液潤滑，油脂潤滑主要用于數(shù)控機(jī)床的主軸支承軸承、滾珠絲杠支承軸承及低速滾動線導(dǎo)軌的潤滑；油液潤滑主要用于高速滾動直線導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌及變速齒輪等的潤滑。該大型數(shù)控機(jī)床采用的是遞進(jìn)式油液潤滑系統(tǒng)，是將一定量的潤滑油按規(guī)定順序、逐個輸送到潤滑點(diǎn)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)有著注油量準(zhǔn)確和系統(tǒng)的工作狀況可由分配器指示桿指示的特點(diǎn)，若發(fā)生堵塞，控制器會立即報警。在整個再制造過程中，要對整個潤滑系統(tǒng)進(jìn)行拆卸清洗與檢測，檢測供給油泵和油路，清洗供給油管，保證油路暢通，如果有影響潤滑系統(tǒng)正常使用的零部件需要更換，如果可以正常使用的則可以保留。

該大型數(shù)控機(jī)床的液壓系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)使用了大量的管路，為了防止油液的泄漏，還使用了大量的密封圈，而密封圈的主要材質(zhì)為橡膠；整個機(jī)床涉及的電氣系統(tǒng)的電線都會出現(xiàn)老化的現(xiàn)象。這些零部件都屬于易損耗品，在一段的使用后都會損壞，如果不及時更換可能會影響機(jī)床的整體穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致生產(chǎn)安全問題，所以在再制造的過程中應(yīng)該對這些零部件全部更換。

3 拆卸方案的設(shè)計

拆卸就是在產(chǎn)品或者部件上有規(guī)律地拆卸下來可以再利用的零部件，在此過程中還要保證不能對該零部件造成損壞，拆卸有著經(jīng)濟(jì)性和不確定性兩大特點(diǎn)，隨著拆卸程度的進(jìn)行，可以回收再利用的零部件數(shù)量增加，相應(yīng)的對其廢棄的費(fèi)用減少了，但是拆卸花費(fèi)的時間和費(fèi)用增加了，其中的關(guān)系如圖2所示；拆卸后的零部件的結(jié)構(gòu)與其原先的結(jié)構(gòu)可能會大有不同，在零部件使用的過程中會存在如老化、腐蝕、變形和發(fā)生位移等變化，就會給拆卸過程帶來很大的困難，這些問題就是不確定性的問題。

在整個機(jī)床的再制造過程中必須要對機(jī)床的原先的零部件進(jìn)行拆卸，有規(guī)律的對大型數(shù)控機(jī)床進(jìn)行拆卸以提高效率降低成本，減少勞動力，根據(jù)不同的目的可以有三種拆卸的方式：

（1）將整個機(jī)床進(jìn)行拆卸，最后得到機(jī)床單獨(dú)的零部件。

（2）對機(jī)床進(jìn)行部分的拆卸。

（3）機(jī)床指定零部件進(jìn)行拆卸，這樣的零部件一般都有著很大的再利用價值。

圖2 拆卸成本與利潤關(guān)系圖

該機(jī)床再制造中的拆卸流程如圖3所示。

圖3 拆卸流程圖

4 清洗工藝的制定

清洗工藝是再制造過程中一個必經(jīng)的環(huán)節(jié)，機(jī)床由于長期服役產(chǎn)生了大量的污漬，時間越長污漬積累越多，這些污漬有可能會影響機(jī)床的精度甚至?xí)绊憴C(jī)床的正常使用，所以這些污漬必須清除。清洗大體可分為物理方法和化學(xué)方法兩種，根據(jù)不同的污漬類型和不同的機(jī)床零部件材質(zhì)使用不同的清洗方式，從而恢復(fù)機(jī)床原有的光潔度。

機(jī)床再制造會用到原有的機(jī)床零部件，在再制造之前都會對準(zhǔn)備再制造的零部件進(jìn)行評估，篩選出可以進(jìn)行再制造的機(jī)床零部件，對這些可以進(jìn)行再制造的零部件進(jìn)行拆卸和清洗。常用的清洗方式有吹、擦、烘焙、化學(xué)試劑、超聲波等，吹和洗都需要人工來完成，這樣不但耗費(fèi)大量的時間，而且效率低勞動強(qiáng)度大；使用化學(xué)試劑清洗雖然會加快清洗的速度，但是會存在著安全的隱患，也可能發(fā)生事故。近幾年來，再制造產(chǎn)業(yè)得到不斷地重視清洗工藝也不斷發(fā)展與改進(jìn)，該清洗過程采用全新的清洗工藝，大大提升了清洗效率的同時也降低了對環(huán)境的污染，其流程如圖4所示。

圖4 清洗流程圖

5 再制造的具體實(shí)施

5.1 機(jī)械部分

（1）主軸的再制造。該機(jī)床在設(shè)計之初，為了使主軸部位的機(jī)構(gòu)更緊湊、重量更輕、慣性更小、噪音更低，采用電主軸作為機(jī)床的動力源，電主軸內(nèi)的各個零部件聯(lián)系都非常的緊密，若其中的零部件存在損壞，將會影響整個電主軸的運(yùn)行，所以為了保證電主軸正常使用，再制造過程中對損壞的電主軸零部件給予更換。對電主軸進(jìn)行拆卸，電主軸裝配結(jié)構(gòu)如圖5所示，使用激光熔覆技術(shù)修復(fù)其內(nèi)部主軸，更換軸承用的是角接觸球軸承，可同時承受徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷。

圖5 電主軸裝配簡圖

激光熔覆技術(shù)是利用高功率激光束經(jīng)光學(xué)元件聚焦得到極高的能量密度，瞬間將基體表面熔化，同時使預(yù)置或與激光束同步自動送至基體表面的合金粉末完全熔化，獲得與基體冶金結(jié)合的致密覆層。激光熔覆技術(shù)可以達(dá)到設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)，有利于節(jié)約成本、降低資源和能源消耗，減少環(huán)境污染。

（2）導(dǎo)軌的再制造。拆卸機(jī)床原有的滑動導(dǎo)軌，對機(jī)床的三個進(jìn)給軸全部更換為滑動導(dǎo)軌，直線滾動滑軌是由鋼珠在滑塊與滑軌之間作無限滾動循環(huán)，使得負(fù)載平臺能沿著滑軌輕易的以高精度作線性運(yùn)動，直線滾動滑軌的摩擦系數(shù)僅僅為傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌的1／50，使之能輕易達(dá)到微米級的定位精度，而滾動導(dǎo)引的磨耗非常小，故機(jī)床能長時間維持精度；傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)軌無法避免會因潤滑油逆流作用造成平臺運(yùn)動的精度不良，導(dǎo)致軌道接觸面的磨損；不像滑動導(dǎo)軌在平行接觸面方向可承受的側(cè)向負(fù)荷較輕，易造成機(jī)臺運(yùn)行精度不良。滾動導(dǎo)軌是在導(dǎo)軌工作面之間安裝滾動體，其原理與滾珠絲杠的工作原理類似，使兩導(dǎo)軌面之間形成的摩擦為滾動摩擦，直線滾動導(dǎo)軌在目前的導(dǎo)軌中較為流行，直線滾動導(dǎo)軌主要由導(dǎo)軌體、滑塊、滾珠、保持器、端蓋等組成。

該文選用的是臺灣HIWIN的HG20系列精密級（P）直線滾動導(dǎo)軌，X、Y、Z三個進(jìn)給軸全部采用2導(dǎo)軌6滑塊的配置形式和兩支導(dǎo)軌和滑塊的配置方式如圖6和圖7所示。

圖6 滑塊的配置形式

圖7 導(dǎo)軌和滑塊的配置方式

5.2 電氣部分

原有的機(jī)床電氣系統(tǒng)使用時間較長，故障率較高，穩(wěn)定性能差，并且存在著安全隱患，已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的需求，要對機(jī)床的電氣系統(tǒng)實(shí)施再制造，電氣系統(tǒng)和機(jī)床布線都需要重新設(shè)計和配置。電氣再制造方案主要包括電氣控制系統(tǒng)、主軸電機(jī)控制、檢測與反饋裝置和機(jī)床布線、電氣控制原理圖等?？刂葡到y(tǒng)采用全新一代的HEIDENHAIN TNC620數(shù)控系統(tǒng)，其性能穩(wěn)定，有著出眾的控制性能，可以完成各種各樣復(fù)雜的加工要求；機(jī)床的每一個進(jìn)給軸上均采用獨(dú)立的伺服電動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，加裝位置檢測器件直線型光柵尺HEIDENHAIN LB382C作全閉環(huán)控制；機(jī)床的所有線束都要按照設(shè)計好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行布線。

6 再制造機(jī)床的精度檢驗(yàn)

為了保證再制造后機(jī)床的精度，需要對其進(jìn)行精度的檢驗(yàn)，包括靜態(tài)時的幾何精度和動態(tài)時的切削精度。機(jī)床的主要零部件如主軸和導(dǎo)軌的幾何形狀和尺寸精度綜合體現(xiàn)了機(jī)床的靜態(tài)精度；利用機(jī)床加工完成的工件體現(xiàn)了機(jī)床的動態(tài)精度，工件的質(zhì)量越高說明機(jī)床的裝配精度和定位精度越好。

（1）主軸的軸向竄動。如圖8所示主軸的軸向竄動的測量方法，對機(jī)床的主軸的軸向竄動檢測時，在工作臺或者是床身上固定千分表，調(diào)整千分表，把千分表的觸頭直接接觸被測量主軸的最外端面，緩慢的旋轉(zhuǎn)機(jī)床主軸同時觀察千分表的讀數(shù)，把千分表讀數(shù)變化的最大值和最小值記錄下來，待最后測量完成，對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將最大的數(shù)據(jù)減去最小的數(shù)據(jù)的差，就是該主軸的軸向竄動，實(shí)際測量得到的值為0.003mm。

圖8 主軸的軸向竄動檢驗(yàn)簡圖

（2）主軸的徑向跳動。如圖9所示主軸的徑向跳動的測量方法，對機(jī)床的主軸的軸向竄動檢測時，是通過千分表檢測標(biāo)準(zhǔn)測試棒來檢測主軸的徑向跳動，事先準(zhǔn)備一個由于檢測的標(biāo)準(zhǔn)測試棒，安裝在主軸的內(nèi)孔上進(jìn)行檢測，需要注意的是一定要保證測試棒的外圓與機(jī)床主軸的內(nèi)孔同心，否則會影響到檢測的結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)測試棒的一段插入機(jī)床主軸內(nèi)，是按照主軸內(nèi)孔錐度來進(jìn)行磨削的，另一端留在外部用于精度檢驗(yàn)，把千分尺固定在工作臺上，調(diào)整千分表，使得千分表的觸頭與測試棒圓柱表面接觸，緩慢的旋轉(zhuǎn)機(jī)床主軸同時觀察千分表的讀數(shù)，把千分表讀數(shù)變化的最大值和最小值記錄下來，待最后測量完成，對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將最大的數(shù)據(jù)減去最小的數(shù)據(jù)的差，就是該主軸的徑向跳動，上方一端的徑向跳動為0.003mm，相距300 mm的下一端的徑向跳動為0.009 mm。

圖9 主軸的徑向跳動檢驗(yàn)簡圖

（3）導(dǎo)軌的精度檢驗(yàn)。機(jī)床有X、Y、Z三組導(dǎo)軌，如圖10所示將千分表通過表架固定在機(jī)床主軸上，在工作臺上放置一個精密測量平尺，平尺上下兩個面均為測量的基準(zhǔn)面，調(diào)整千分表使得表針直接接觸平尺的上表面，緩慢的移動X軸的導(dǎo)軌，同時觀察千分表的讀數(shù)，把千分表讀數(shù)變化的最大值和最小值記錄下來，待最后測量完成，對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將最大的數(shù)據(jù)減去最小的數(shù)據(jù)的差，該差值就是X軸導(dǎo)軌的直線度誤差為0.01 mm。同樣測得Y、Z軸導(dǎo)軌直線度誤差分別為0.009 mm和0.008 mm。

圖10 X軸精度檢驗(yàn)簡圖

（4）制造產(chǎn)品的檢驗(yàn)。對舊機(jī)床進(jìn)行再制造的目的就是使得廢舊的機(jī)床重新煥發(fā)活力，使得其性能恢復(fù)甚至超越全新的機(jī)床，最終的目的是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的加工與滿足生產(chǎn)的需求，利用再制造后的大型數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，對其加工的工件進(jìn)行檢驗(yàn)，通過產(chǎn)品的品質(zhì)來衡量再制造機(jī)床的綜合性能，螺旋錐齒輪的三維模型和加工產(chǎn)品如圖11和12所示，加工零件的檢驗(yàn)如表4所示。

圖11 螺旋錐齒輪的三維模型

圖12 螺旋錐齒輪產(chǎn)品

表4 加工零件的檢驗(yàn)

7 結(jié)論

再制造后的機(jī)床如圖13所示，本文介紹了大型機(jī)床再制造的基本過程，論文結(jié)合實(shí)際進(jìn)行再制造的應(yīng)用，對再制造機(jī)床的各項精度進(jìn)行檢驗(yàn)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，最后得出結(jié)論本次再制造機(jī)床的過程實(shí)施達(dá)到預(yù)期的目的，為日后機(jī)床的再制造研究奠定的良好的基礎(chǔ)。

圖13 再制造后的GCMT2500大型數(shù)控機(jī)床

［1］ 曹華軍，張潞潞，杜彥斌，等.面向資源重用的再制造定制設(shè)計關(guān)系優(yōu)化配置模型及應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計，2010，27（05）：77－81.

［2］ 李猛，弋景剛，王家忠.機(jī)床數(shù)控化改造的主要模式和關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.機(jī)床與液壓，2011（14）：37－40.

［3］ 張雷，劉志峰，楊明，等.基于解釋結(jié)構(gòu)模型的產(chǎn)品零部件拆卸序列規(guī)劃［J］.計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2011，23（04）：667－675.

［4］ 劉光復(fù)，劉志峰.綠色制造［M］.北京：中國科學(xué)文化出版社，2003.

［5］ 徐濱士.再制造與循環(huán)經(jīng)濟(jì)［M］.科學(xué)出版社，2007.

［6］ 伏利芝.如何自行檢測數(shù)控機(jī)床精度［C］.屆粵港機(jī)電工程技術(shù)與應(yīng)用研討會暨梁天培教授紀(jì)念會文集，2008.

［7］ 韓玉勇，魯俊杰，李劍峰，等.基于激光熔覆的車床主軸再制造［J］.中國表面工程，2015，28（06）：148－153.

［8］ 趙忠敏.機(jī)床各系統(tǒng)部件的再制造實(shí)踐［J］.中國設(shè)備工程，2010（10）：17－19.

［9］ 吉小超，張偉，于鶴龍.面向制幾點(diǎn)產(chǎn)品再制造的綠色清洗技術(shù)進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報.2012，114－117.

［10］ 史家迎.基機(jī)床再制造技術(shù)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

［11］ 王明仁.C616車床再制造的研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2012.