退役机床再制造评估与工艺方案决策研究

2019-11-04汤松萍

山西大同大学学报(自然科学版) 2019年5期

汤松萍

（萍乡学院机械电子工程学院，江西萍乡337055）

我国机床保有量和消费量居世界之首，拥有超过几千万亿元机床资产，况且部分还属20世纪70、80年代生产的设备。国产机床经过长时间的服役，严重老化，从十一五期间起陆续开始退役，等待报废。至十二五期间，因技术寿命、经济寿命或环境寿命，需要淘汰、报废的机床数量已达高峰期。据有关研究反映，十二五期间国内面临不同类型退役的机床就逾100万台，这为再制造提供了丰富的研究资源。

1 前景及评估决策存在的问题

1.1 前景

机床作为一种典型的机电产品，是现代工业制造业发展的基础，在工业发展中有着难以估量的作用。我国是世界机床使用大国（消费大国）和制造大国，据查阅到的国家统计局数据反映，在2009～2012年，累计国产机床的产量达496.2 万台，累计国产机床的工业销售产值逾23 536.7 亿元，且产量、产值均逐年递增，见图1。

图1 2009～2012年我国机床生产量及工业销售热值

眼下，20 世纪80年代及其更早以前产出的国产机床约有800万台。由于机床还没有生命周期强制报废的规定，以致这些机床已普遍服役了二三十年，因机械划伤、磨损，加工精度下降，零件机加工中的加工能耗比与废品率不断上升，甚至于还引发机床漏油、造成环境污染等现象。另外，这些机床因其元器件老化、电气控制系统技术已严重落伍，故障率很高。而对废旧机床而言，其构成主体的机床铸件部件回收利用价值最大。据推测，假如能将废旧的床身、立柱等铸件充分利用回收，则退役机床再制造的重复资源利用率将可达85 %，相比新机床制造还节能80 %，况且污染排放将降低90%，在节能之时，还解决了废品处理与新品加工造成的环境污染难题[1]。因而，退役机床的再制造更具研究价值和发展前景。

1.2 评估决策优化存在的问题

退役机床再制造尽管符合现阶段我国制造业发展的国情，况且与我国绿色制造的国策切合，与发展低碳经济的理念一致，我国的产业政策也对该产业大力扶助，但因产业起步晚水平低，实际操作中问题很多。例如，再制造企业对废旧机床的回收利用，往往仅凭有经验的操作工在主观上判断是否可以再制造，评估方法缺乏科学性；因为退役机床的服役环境不同，其失效特征与等级也不同，即便型号相同，其再制造成本也存在较大差异，而在再制造实际生产中最易忽视这一问题；况且，退役机床拆解之后，机床主体构件的主轴箱、导轨、床鞍等基础零部件的再制造（利用）、或再循环的资源化策略仍由有经验的操作工再行主观判断，不使用科学的手段方法进行分析，其做法已经落伍；随着科技水平提高，机床再制造工艺将更具多样性和先进性，运用不同工艺的零部件加工方案，会使加工的质量、效率、成本，甚至是资源消耗与环境排放等指标发生偏移。而在实际再制造中，又往往仅关注其中的某几个或一个面（点），未综合测评所有的影响因素。因此，很有必要开展对退役机床再制造的评估和工艺方案决策方法的研究，为退役机床再制造提供科技创新研究支撑。

2 机床再制造研究的意义

机床是制造之母。在装备再制造中，制造装备——机床的再制造是主要的部分，而退役机床再制造又是制造装备再制造中最基础、最重要的环节。基于再制造评估决策优化来探讨退役机床再制造的研究，则更具其意义。

（1）提高资源利用，减少环境排放。退役机床立柱与床身、尾座和主轴箱等机械部件或零件都能经修复实现再制造之目的，特别是立柱、床身等铸件的机械性能会随其使用寿命的增长而更为稳定，从而使机床再制造的可靠性得到提升。况且，如以重量做单位来度量其再制造后的资源利用率将逾80%，与此同时，对于可以再制造的那一部分回收利用的零部件，还可减少其对应新品制造加工中产生大量油雾、粉尘、热辐射等环境污染物的排放，使环境保护的效益明显增加。

（2）压缩制造周期，降低加工成本。再制造机床的成本，可从两方面来分析：

一是与再制造前的新机床制造相比较。我国退役机床大部分零部件的再制造均以手工操作为主，自动化与信息化程度较低。再制造时，首先有必要为其配置信息化终端，提高系统机控性能，如增设数控、伺服系统等。然而伴随自动化终端增设，显然成本相对于未再制造时该机床的相对应的机床新品还要更高，固然增配后再制造机床的性能也比原新机床更优，提高了性价比。

二是同款机床进行再制造前后的成本对比。如两机床的性能同等时，会因再制造后退役机床的零部件的成本远低于同款新机床零部件成本，会使再制造造价更优。按预测，凡是再制造的机床，比采购同款新机床可节省成本费用60～80%。况且，机床再制造使原机床的零部件得以充分利用，既节省了这些新零部件制造过程的原材料采购及加工时间，又缩减了产品周期时间。比如，1 台服役十年Z3050的摇臂钻床，导轨表体已经严重划伤，7～10天再制造周期，就能满足该款机床新品出厂时的技术标准要求，而如果是投产该一新机床则一般需要18个月。

（3）有利于新兴的节能环保型产业的兴起并形成巨大产值。据相关资料显示，我国已有总量超过200万台的退役机床可用于机床再制造，这是一笔规模庞大的、可循环利用的、可形成产业发展的、潜在的机床再制造资源，假若将这些退役机床经过先进工艺设计后，再实施再制造市场大开发，将会激活市场培育大效应。若我国当下若有大重型机床31 万台可供再制造，假如可能真正完成其1 %的分量，都能营造高达数百亿元的大规模市场。为此，将大量老旧机床设备进行再制造性资源循环再利用，既节能又环保，且形成的新兴产业其产值巨大。

总之，退役机床再制造技术研究，是我国实施机床再制造战略中机床厂探求面对的技术之一。退役机床再制造技术研究实施，对降低机床装配全寿命周期费用，全面提升退役机床装配性能和寿命，实现节约资源能源、降低环境排放等多方面效果，提升我国量大面广的退役机床的整体技术性能和信息化水平，延长其寿命周期和服役时间，具有重要的实际应用价值与意义。

3 研究现状及其发展趋势

3.1 国外发达国家再制造已成新兴产业

欧美发达国家，再制造产业规模大、领域广，涵盖机床、汽车、工程机械等行业。如，退役机床再制造是美国最重视的再制造业之一，在美国已形成了产业链，同时也是经济增长亮点之一。美国当下约有再制造机床企业300 家，从事多功能机、金属切削加工机、大型齿轮加工机等机床分类系列的再制造研究与再制造的生产实践。经过专业化再制造分工，已使再制造业工艺更先进，服务更优质。如，美国机床再制造业已制定了行业标准，哈斯机床制造公司已再制造车、铣、锁床与加工中心等品牌系列机床2 万多台；美国机床制造商公司、美国达尼鲁克机床服务公司则分别从事数控加工中心、齿轮加工机床再制造[2-7]；美国格里森公司专门从事弧齿铣齿机的数字化再制造[8]。在西欧，德国政府自1991年始就有专款支持机床再制造的政策，机床再制造业分类已经专业化：退役机床采购商，退役机床改造公司、数控配置改装公司，退役机床专业再制造公司与科研院所机构。西欧的吉特迈集团虽在欧洲机床制造企业中规模大、名气大，拥有125年的历史，但同样积极参与再制造机床技术革新各项活动[9-11]。而日本却是以国产退役机床作为再制造主要对象（占比高达63%），较早的三宝精机公司就是专业再制造业务的企业之一[12-14]。

3.2 国内机床再制造起步较晚且规模有限

国内机床再制造从业主体仍为机床制造企业，多半是针对自产机床开展再制造活动，他们有回收退役机床便捷有效的渠道，还具有技术、物流等优势。例如：重庆机床厂专属我国机床再制造的试点企业，其普通车床C616 系列的再制造利率超过制造新机床利润、平均利率逾15 %/台，且滚齿机的再制造业也具规模，机床厂相继将总计800多台分别来自陕西、重庆不同公司的回收旧机床进行了再制造，产值6 千多万元，节约购买同款型号机床资金费用约1.5 亿元；广州机床厂则研发了成套的工装设备，建成了示范性的再制造生产线，而且他们还在成熟产品的检验标准与工艺流程的基础上，制定了再制造的技术标准与工艺标准，如简式数控车床再制造工艺、精度标准和检验规范；沈阳机床厂则在国内最早就实施了以旧换新的退役机床再制造业务。但我国的退役机床再制造企业中还有一类企业是从事机床数控系统制造企业，主营业务是为再制造机床专业匹配相配套的数控系统，这样既推广了厂家的数控系统，拓展了业务，又扩大了产品的品牌效应。

4 评估与工艺方案优化拟解决的问题

国内外学者在退役机床再制造、再制造评估与工艺方案优化的相关领域进行了卓越研究，并取得了丰富的成果。但这些成果真正应用到机床再制造领域却并不很多，尤其是针对退役机床再制造评估的研究，目前仍然停留在定量与定性相结合的方法研究上，受制在经济与技术、环境与效益的可行性层面来着手进一步研究，然而随着科技的发展，机床再制造的主要影响已非仅为环境性与技术性因素了，再制造的成本因素已成了机床制造企业是否进行机床再制造的决策关键，而以往所有针对再制造成本因素的研究并不多。在再制造决策方法与工艺方案方面，已有成果大多局限于再制造工艺技术的选择、工艺时间的预测与工艺参数的优化等研究，而此类研究应在工艺方案既定下进行，对于单一零部件来说，其再制造工艺路线具有多种多样，但方案必须最优。对此，对不同失效特征对象的再制造需从其成本决策评估来设计，并在其资源化策略的基础上对其工艺技术方案进行进一步的决策分析与优化。

（1）根据机床的失效特征不同，将导致成本测算出现差异情况，拟研发运用分析技术分析其差异性，建立评估模型，预测再制造的成本，设定再制造的目标利润。

（2）对退役机床零部件进行资源化策略，拟研究运用人工神经网络和威布尔分布技术评估退役零部件的剩余使用寿命的情况，将机床具备剩余使用寿命零部件，进行首次寿命与剩余寿命间的可靠性分析，并依照企业规定的可靠性阈值，对其进行再制造性资源化策略。

（3）对工艺资源优化配置的方案分析决策，拟建立目标规划与质量功能展开等要素的模糊线性回归决策模型，通过决策变量和决策目标的函数关联，研究运用参数求解。在此基础上，利用目标规划下的人工智能支持系统，进行决策优化，包括保证成本估测、批产造价税费、销售目标利率预设等，实施人工智能与决策建模辅助，获得最优化的工艺技术方案。

总之，目前退役机床再制造及其工艺方法研究拟解决的关键问题是：退役机床零部件资源化策略及再制造性成本评估测算方法；退役机床再制造性评估与再制造工艺资源优化配置的人工神经网络技术。

5 研究方法、技术路线及可行性分析

5.1 研究方法

具体方法有：一是构建机床失效特征与成本的关系，建立再制造分析应用评估模型；二是采用威布尔分布技术和利用人工神经网络，建立零部件再制造策略选择模型，选用零部件资源策略化方案，评估剩余使用寿命；三是分别以加工成本、效率、质量、资源消耗及环境排放做目标，以工艺技术参数做变量，构建再制造工艺多目标方案的决策模型；四是开发机床再制造评估与工艺方案决策方法支持系统。

5.2 技术路线及可行性分析

技术路线（实验方案），见图2。可行性有4 个方面。

图2 技术路线图

（1）建立再制造成本预测评估模型，可对再制造的成本进行预测。按同类型号经费测算所需将机床按再制造拆卸、清洗、检测、回收、再制造加工所需有序归集与分配，可测算型号相同而失效特征不同的再制造零部件成本，并总结构建出一种失效特征和再制造成本间的关系。经过成本保证推断、税费的推算、利率的推算，能预测得到机床再制造后的市场价，用此市价与再制造前该机床的对应新机床原价以及性能相当的再制造机床的销售价进行对比，即可判定该机床再制造价值是否存在。

（2）建立资源化零部件选择策略模型，能为零部件是再制造、再利用还是再循环提供预判参考的科学依据。再制造机床尽管有其再制造价值，也并不等于其全部零部件都会有再利用的价值，而是需要对所有零部件实施资源化策略选择后才能决定。首先获取拟再制造零部件的关联性失效数据，利用威布尔分布的模型将其平均的使用寿命测算出来。然后要将零部件表征性能指标特征的退化数据分析提取，借助人工神经网络技术预测被再制造对象实际使用寿命。采用再制造对象实际的与平均的使用寿命相比较，从而推断其剩余使用寿命，再经剩余寿命内使用水平的可靠性分析，就能针对设定再制造件相应的资源化策略。

（3）建立多目标决策的零部件再制造工艺方案模型，可得到最优化的再制造工艺。如对经策略规划已继定的再制造零部件，就需在再制造加工之前，通盘考虑再制造多种可行工艺方案，从工艺方案中择优执行。第一，通过工艺方案功能展开使再制造决策转换成多目标规划，以致决策变量与目标转化为函数关系；第二，根据决策信息的多目标模糊性，对参数实施模糊线性回归方法估计；第三，采用目标规划法，在备选方案中选择出最优的再制造工艺方案。

（4）开发基于评估与工艺方案决策的退役机床再制造支持系统，能有效辅助退役机床再制造评估及工艺资源优化配置的科学决策。机床再制造性评估框架，见图3。

图3 机床再制造性评估模型

依照图3所示的流程，能够预测失效特征不同的机床再制造成本。作业成本过程预测，见图4。

图4 作业成本法的计算过程

6 工艺方法研究的技术经济指标分析

（1）在机床厂实际再制造生产过程中，对退役机床再制造及其工艺方法的研究，将为废旧机床的回收，再制造成本的测试，工艺路线和技术的设计，提供决策辅助与参考。尤其是通过开发再制造的决策支持系统，将有效促进退役机床的批量再制造，提高机床企业的再制造效率。

（2）在机床再制造性评估相关技术研究过程中，技术经济指标可行性论证始终贯穿于退役机床再制造的整个过程，基于成本体现的技术经济指标的可行性包括对能源、物料、污染排放等环境效益的评价和考量[15]。

（3）在机床再制造工艺方案决策方法相关技术研究过程中，基于网络随机评审技术的再制造工艺路线的描绘与优化[16]，以及基于再制造零部件质量程度的不同，造成工艺耗时不确定性的技术经济因素，都可利用再制造工艺模糊学习系统的人工智能技术，进行自动预测与区域性规划[17]。如以机床的再制造导轨为例，即可通过基于模糊理论与专家知识相结合的工艺优化模型的建立，使导轨再制造的技术参数与经济指标得到优化[18]。