中国汽车工业协会汽车零部件再制造分会
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21世纪的再制造工程

  • 发布时间:2014/3/19 15:34:35
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 文     徐滨士  马世宁  刘世参  张伟

 

 摘要:随着21世纪的来临,制造工程与维修工程越来越趋于统一。未来制造与维修工程将考虑设备和零部件设计、制造和运行的全寿命过程,是一个以优质、高效、安全、可靠、节能、节材为目标的系统工程。再制造技术是充分利用各种表面工程技术和其他技术形成的再制造成形技术,形成再制造毛坯,制成再制造产品,是具有重大实用价值和优质、高效、低成本、少污染的绿色技术。也是21世纪可持续发展的新技术能形成新的行业从而产生巨大的经济效益和社会效益。

 

 关键词:先进制造技术;再制造工程;再制造成形技术

 

 1、再制造工程诞生的背景

 

 20世纪全球经济高速发展。与此同时对自然资源的任意开发和对环境的无偿利用,造成全球的生态破坏、资源浪费和短缺、环境污染等重大问题。其中机电产品制造业是最大的资源使用者,也是最大的环境污染源之一。据统计,造成全球环境污染的70以上的排放物来自制造业,每年约产生55亿吨无害废物和7亿吨有害废物。整个人类的生存环境面临日益增长的机电产品废弃物的压力,以及资源日益缺乏的问题。以汽车制造为例,1996年全球有2400万辆汽车报废。2000年全球将有2000万台计算机被淘汰。面对处理大量失效、报废产品这一严峻问题再制造工程应运而生。再制造工程是解决资源浪费、环境污染和废旧装备翻新的最佳方法和途径,是符合国家可持续发展战略的一项绿色系统工程[1]

 

 随着21世纪的到来,以优质、高效、安全、可靠、节能、节材为目标的先进制造技术得到了飞速的发展,以设备、产品零部件维修和再制造为主的研究越来越多,特别是符合可持续发展战略要求的再制造工程得到了越来越多的重视和发展。国外许多大学正在进行再制造技术研究和教学[2-3]。美国罗切斯特理工学院有一个专门从事再制造工程研究的全国再制造和资源恢复中心;田纳西大学无污染产品和技术研究中心将进行汽车行业的再制造技术研究。凯南—弗拉格勒商学院进行逆向后勤学的教学。逆向后勤学是把产品收回,然后对其进行再制造。德国《商报》1999年1月文章《未来10年的科技》中认为,2006-2007年全球将普及节能汽车,这种汽车材料和部件的90均可以重新使用[4]。福特汽车公司正在建立一个旧部件交流中心,从环保出发,充分利用回收再制造的部件[5]。许多学校在工业设计课程中讲授再制造技术,要求在工业产品设计中考虑设备部件的再制造性,认为在设计产品时只考虑一次性使用是愚蠢的。再制造业是规模相当大的产业,美国军队目前是世界上最大的再制造者,它的车辆和武器通常使用再制造部件,这样不但节约了军用装备,而且提高了装备的寿命和维修能力,为装备的使用提供了技术保障。根据美国波士顿大学制造工程学教授罗伯特·伦德收集的1996年统计资料表明,美国再制造部件公司构成了一个价值530亿美元的产业,雇佣48万人。

 

 随着世界各国对再制造工程的重视,再制造工程将成为21世纪的重要学科。

 

 2、先进制造技术与再制造技术

 

 先进制造技术是指在制造业中不断采用机械、冶金、电子、信息、材料和现代管理等领域的最新成就,应用于产品的设计、制造和运行的全过程,以生产出高质量、高效益、低消耗、清洁的产品,并获得最佳的技术和经济效益的一系列通用的制造技术[9]

 

 随着科学技术的进步和发展,国内外越来越重视产品和设备全寿命周期的管理及其费用分析。产品和设备发展的实践证明,设备全寿命周期管理不仅要考虑设备的论证、设计、制造,而且还要考虑设备的使用、维修直至退出现役和废品处理。

 

 目前我国对现役机械设备的服役年限尚无系统科学的计算方法和评定模式。制造工业部门往往重视设备的设计、制造,而忽视使用和维修,并把使用和维修视作用户的事情。我国政府很重视先进制造技术,并指出先进制造技术内涵不仅包括设计和制造,而且也包括使用、维修直至报废。

 

 先进制造技术十分重视和发展节能节材及减少环境污染技术。全寿命周期费用分析研究显示,机电产品的使用和维修所消耗的费用往往数倍于前期(开发、设计、制造)费用。随着先进制造技术及设备工程的不断发展,制造与维修将越来越趋于统一,维修技术将渗透到产品的制造工艺中。如何通过产品全寿命周期费用分析,正确科学地解决机电产品设计、制造前半生费用和机电产品使用、维修后半生的费用是先进制造技术所要解决的一项重大课题。而再制造技术符合知识经济和节能、节材、减少环境污染发展的要求,不仅能使机电产品不断得到技术改造,减低后半生费用还扩展了机电产品一生中的内涵延长了产品寿命,创造更多的利润。

 

 再制造技术与传统制造技术的重要区别之一是毛坯再制造成形技术。再制造工程是先进制造技术21世纪发展的一个重要组成部分和发展方向,是一个统筹考虑产品部件全寿命周期管理的系统工程,是利用原有零件并采用再制造成形技术(包括高新表面工程技术及其它加工技术),使零部件恢复尺寸、形状和性能,形成再制造的产品。主要包括在新产品上重新使用经过再制造的旧部件,以及在产品的长期使用过程中对部件的性能、可靠性和寿命等通过再制造加以恢复和提高,从而使产品或设备在对环境污染最小,资源利用率最高,投入费用最小的情况下重新达到最佳的性能要求。再制造工程是先进制造技术的补充和发展,是21世纪极具潜力的新型产业。

 

 图1所示为产品的寿命周期过程简图。由图1可以看出再制造与维修、回收的区别。从产品寿命周期图来看,以往的产品从设计、制造、使用、维修至退役报废。报废后,一部分是将可再生的材料进行回收,一部分将不可回收的材料进行环保处理。维修在这一过程中主要是针对在使用过程中因磨损或腐蚀等原因而不能正常使用的个别零件的修复。而再制造是在整个产品报废后,对报废的产品通过先进技术手段进行再制造形成新的产品。再制造过程不但能提高产品的使用寿命,而且可以影响产品的设计,最终达到产品的全寿命周期费用最小,保证产品创造最大的效益。此外,再制造虽然与传统的回收利用有类似的环保目标,但回收利用(如熔化钢铁和溶解纸张)只是重新利用它的材料往往消耗大量能源并污染环境,而且产生的是低级材料。再制造技术是一种从部件中获取最高价值的方法,通常可以获得更高性能的再制造产品。由此可见,再制造是对产品的第二次投资,更是使产品升值的重要举措。

 

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 传统制造技术在产品的性能、结构、材料、成形和加工工艺方面考虑较多,而从全寿命周期的观点看,还应重点考虑产品的可靠性、维修性、保障性、安全性和可测试性,以及考虑产品损坏后如何迅速“再生”,恢复其应有性能。再制造工程的引入,可重点解决上述问题,并能对产品进行技术改造和区分报废的零件是作为回炉材料,还是作为再制造毛坯,并且采用先进的表面工程技术或快速成形技术使其起死回生。

 

 3、再制造技术应用

 

 磨损、腐蚀、疲劳等对机械设备及国家资产造成巨大的损失。据工业发达国家的统计,每年仅因腐蚀造成的损失便占国民生产总值的2%-4%[8]。我国设备资产几万亿元若其中10能利用再制造技术进行修复和强化便能创造巨大的经济效益。

 

 采用再制造工程,可大量恢复设备及其零部件的性能,延长使用寿命、降低全寿命周期费用,节约原材料,减少环境污染,而且可形成新的产业,吸纳专业技术人员和工人就业,创造价值,迅速形成新的经济增长点。如果这项工作能普遍推开,对于我国这样一个设备大国,其经济增长是不可估量的。

 

 再制造工程的最大优势是能够以多种表面工程技术和其它技术形成先进再制造成形技术,制备的再制造“毛坯”的性能优于本体材料性能[6,7],如采用金属材料的表面硬化处理、热喷涂、激光表面强化等修复和强化零件表面,赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。这层表面材料与制作部件的整体材料相比,厚度薄,面积小,但却承担着工作部件的主要功能。不同表面工程技术所获得的覆盖层厚度一般从几十微米到几毫米,仅占工件整体厚度的几百分之一到几十分之一,却使工件具有了比本体材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温等能力,采用表面工程技术的平均效益高达520倍以上。表面工程能直接针对许多贵重零部件的失效原因,实行局部表面强化或修复,重新恢复使用价值。若考虑在能源、原材料和停机等方面的费用节约,其经济效益和社会效益是显而易见的。我国自“六五”以来,运用表面工程技术在机器设备零件的制造和修复等方面已取得了几百亿元的经济效益。由此可见,表面工程技术是再制造技术的重要手段之一,已具备了先进制造技术的最基本的特征,即优质、高效、低耗其研究、推广和应用将为先进制造技术和再制造技术的发展提供必要的工艺支持。

 

 我国目前以经济建设为核心,投入武器装备研制、生产、购置的费用不可能太多,大量装备陈旧落后,处于更新换代的时期。如何科学地改造现有装备,使之适应新时期战略方针和未来战争的需要,以及减少库存备件,以最低的经费投入使装备发挥最好的作战效能,都离不开再制造工程[8],例如海军对某型导弹驱逐舰进行再制造工程延寿的论证后得出结论,某型导弹驱逐舰更换新舰使用10年比延寿10年的费效比高0.42倍,说明采用再制造工程使旧舰延寿比购新舰花费小。北京首钢从比利时引进的二手连铸设备,以废钢价格廉价购进,其中有300多件大轴承座和轧辊报废,装甲兵工程学院科研人员对其再制造加工,使设备投入正常使用。1995年全军装备维修表面工程研究所在新建造的油污水监测处理船钢结构上采用电弧喷涂技术进行了防腐综合治理,将热喷涂工艺直接运用于舰船的制造工艺中,这在我国的造船史上尚属首次[10],经过4年多海上运行检验效果良好。又如美国B-52H飞机是1948年开始设计,19611962年生产,到1999年已使用37年。该机1980年、1996年两次进行再制造技术改造,到1997年平均自然寿命还有13000飞行小时,预计可延长到2030年。美军有66架B-52飞机至少用到2014年,较一般飞机2030年服役期增长1倍以上。

 

 4、再制造工程展望

 

 再制造产品的质量控制是再制造工程的核心,再制造成形技术和表面技术是再制造工程的关键技术,而这些技术的应用又离不开产品的失效分析、检测诊断、寿命评估、质量控制等多种学科,所以发展再制造工程还能牵动其它学科的发展。其它学科的发展又反过来促进再制造学科的形成和完善。而这一切又都充实和发展了先进制造技术的内涵,对我国21世纪制造工业的发展有着极其重要的作用。

 

 在我国,关于再制造工程的工作刚刚开始,受到了政府有关部门的重视,拟将再制造成形技术、寿命评估技术等考虑列入先进制造技术发展前沿和国家自然科学基金项目。一个优质、高效、低耗的绿色再制造工程正在我国兴起。

 

 纵观世界科技的发展,美国联邦政府已将先进制造技术列为由国家科学技术委员会制定的六大跨政府各部门的综合性国家科技计划之一。为了使我国的科技发展立于世界科技发展的前沿,不仅要把先进制造技术列入国家“十五”科技计划体系,而且针对国情更要把“再制造工程”作为技术创新的重要方面,列入国家重要科技发展专项计划中,才能真正使这项利国、利民功在当代、利在千秋的项目落实。

 

参考文献

[1] 徐滨士,马世宁.表面工程及其未来发展.见:机械热加工科学的未来论文集.北京:国家自然科学基金委员会,1988:325328

[2] Jay Lee. Perspective on Emerging Manufacturing Technologies in Japan. In: Proceedings of the 3rd International Conference on Manufacturing technology, HK, 1995:8892

[3] Claudia H. Deutsch. Second Time Around,And Around——Remanufacturing  is Gaining Ground in Corporate America”, The New York Times,1998-07-14 

[4] 福特:回收旧车出售部件.参考消息,1999-06-08(4) 

[5] Science and Technology in the Next 10 Years,Commerce in Germany,1999-01-14(76)

[6] 师昌绪.序言,表面工程与维修.北京:机械工业出版社1996:12

[7] 徐滨士.热喷涂技术的现状和发展.表面工程1991(1):29

[8] 侯保荣.海洋腐蚀环境研究及防护对策.中国科学报,1998-11-09(3)

[9] LU Yansun. The Development and Application of the Advanced Manufacturing Technology (AMT) in China. In: Proceedings of the Third International Conference on Manufacturing Technology,HK,1995:6774

[10] XU Binshi,MA Shining,WANG Jianjun. Application of Electric Arc Technique to Enhance Corrosion Resistance of Steel Structures on Ships. Surface Engineering,1995,11(1):3840