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再制造成形技术发展及展望

  • 发布时间:2014/4/22 15:47:11
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 文    徐滨士  董世运  朱胜  史佩京(装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验)

 

 摘要:再制造作为国家新兴战略性产业,高度契合了国家发展循环经济的战略,得到政府和企业的高度重视。再制造成形技术能够恢复废旧零部件尺寸、恢复甚至提升其服役性能,是再制造工程的核心。综述再制造成形技术的国内外研究和发展现状,比较分析国内外再制造成形技术和再制造成形质量控制标准的差异,并重点从“尺寸恢复法”再制造成形技术、“尺寸恢复与机械加工”融合的再制造成形技术和再制造成形质量控制与评价方法三方面,详细阐述我国再制造成形技术的最新成果。在此基础上,提出我国再制造成形技术的发展趋势和发展策略建议。

 

 关键词:循环经济 再制造成形技术 现状 发展趋势

 

 0 前言

 

 进入21世纪,保护地球环境、构建循环经济、保持社会经济可持续发展已成为世界各国共同关心的话题。

 

 再制造工程以节约资源能源、保护环境为特色,以综合利用信息技术、纳米技术、生物技术等髙技术为核心,可使废旧资源中蕴含的价值得到最大限度开发和利用,缓解资源短缺与资源浪费的矛盾,减少大量的失效、报废产品对环境的危害,是废旧机电产品资源化的有效途径。再制造工程高度契合了国家发展循环经济的战略需求,并为其提供了关键技术支撑,近年来得到了政府和企业的高度重视。再制造产业已被国家列为新兴战略性产业,并且列入了我国社会经济发展“十二五”规划。再制造已成为节能减排、促进循环经济发展的主要途径之一[3]

 

 再制造成形技术是以废旧机械零部件作为对象,恢复废旧零部件原始尺寸、并且恢复甚至提升其服役性能的材料成形技术手段的统称,其是再制造工程的核心。废旧零件再制造成形,主要包含两方面的内容:①恢复废旧零件失效部位的原始尺寸;②恢复甚至提升废旧零件的性能。

 

 针对废旧件而言,恢复其原始尺寸,可以是恢复表面或表层尺寸,也可以是恢复局部的三维立体尺寸,主要采用能够在零件基体损伤部位沉积成形修复性表面涂层或三维金属体的各种先进表面工程技术、熔焊沉积技术、快速成形技术等先进再制造技术手段;恢复甚至提升其服役性能主要取决于再制造成形所采用的材料和技术工艺。再制造成形技术具有如下重要特征:再制造成形产品的质量和性能不低于新品,成本约为新品的50%,节能60%、节材70%,对环境的不良影响显著降低。随着再制造产业发展,再制造成形技术及其相关理论也获得了快速发展[2,4]

 

 1 再制造成形技术的研究和发展现状

 

 1.1 国外研究和发展现状

 

 在工业发达国家,废旧产品造成的危害暴露较早,因而相应的对策也被较早提出。再制造在欧美等发达国家已有几十年的发展历史,无论在废品回收责任制、再制造产品质量保证,还是在再制造产品销售和售后服务等方面都己形成了较完整的产业体系。

 

 2005年全球再制造业产值已超过1000亿美元,美国的再制造产业规模最大,达到750亿美元,其中汽车和工程机械再制造占2/3以上,约500亿美元左右。美军高度重视再制造,也是再制造的最大受益者。美军军费世界第一,但美军仍然认为再制造具有重大作用,尤其是“在财政预算有限、新装备配备不到位、制造新装备费用高昂的情况下,再制造可维持武器装备的战备完好率。”隶属于美国国家科学研究委员会的“2010年后国防制造工业委员会”制订了2010年国防工业制造技术的框架,将武器系统的再制造列为国防工业的重要研究领域。近年来,日本加强了对工程机械的再制造,再制造的工程机械中,58%由日本国内用户使用,34%出口到国外,其余的8%拆解后作为配件出售。

 

 在机械产品再制造成形技术方面,欧美和日本等工业发达国家在再制造工业生产中,主要采用换件法和基于机械加工方法的再制造成形技术(即尺寸修理法)进行,如英国ListerPetter再制造公司,每年为英国、美国军方再制造3000多台废旧发动机时,对于磨损超差的缸套、凸轮轴等关键零件都予以更换新件,并不修复。美国康明斯发动机公司采用机械加工方法对发动机缸体、缸盖、曲轴、连杆等主要贵重零部件进行尺寸修理,并更换其相关配偶件和附件,对进行发动机再制造生产。

 

 随着社会可持续发展理念的提出,欧美等工业发达国家也开始注意减少更换件的数量,而对基于表面工程的再制造成形技术及其成套设备的研发投入了大量力量,主要研发了基于激光熔覆、等离子堆焊等原理的高能束再制造成形技术,并凭借其良好的工业基础和先进科技成果,把再制造成形技术与工业机器人、自动控制技术、监检测技术等有机集成,研发出了先进的成套设备,在国防装备和工业设备关键零部件再制造成形中获得了成功应用[5-8]

 

 1.2 中国再制造成形技术的发展现状

 

 1999年6月,在西安召开的“先进制造技术”国际会议上,徐滨士院士发表了“表面工程与再制造技术”的学术论文,在国内首次提出了“再制造”的概念,至今己经过去10年有余。当前,我国对发展再制造产业高度重视,鼓励政策和法律法规相继出台,再制造示范试点工作稳步进行,再制造理论与技术的研究已取得重要成果。随着我国再制造产业的发展,高等院校和企业对再制造成形技术和理论的研究不断深入和拓展,促使再制造成形技术近年来获得了快速发展。

 

 装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室己初步构建起再制造理论体系框架,主要包括再制造产品多寿命周期理论、再制造产品设计基础、再制造毛坯剩余寿命评估、再制造产品寿命预测、再制造关键技术基础和再制造模拟与仿真等六个方面,并在自动化高速电弧喷涂再制造成形、等离子熔覆再制造成形、激光熔覆再制造成形、自动化纳米电刷镀再制造成形等技术方面取得了突破。针对不同零件再制造成形,研究了再制造成形机理、材料、工艺成套设备以及再制造控性控形方法。综合机器人堆焊和数控铣削加工,实现了机器人一数控铣削复合快速再制造过程,深入研究了堆焊再制造的成形路径规划理论和方法。天津工业大学杨冼臣教授课题组研究了纺织设备、冶金设备等重要零部件的激光熔覆再制造成形方法[9]。西北工业大学黄卫东教授课题组等研究了航空发动机钛合金叶片等零部件的激光再制造成形方法[10]。上海宝冶工程技术公司研究和应用了高能微弧冷焊再制造成形技术。沈阳大陆激光技术有限公司和上海宝钢集团等研究了连乳机牌坊等冶金设备重要零部件的激光溶覆再制造成形,并实现了工程应用。广州有色金属研究院研究了多种热喷涂再制造成形方法。

 

 目前,再制造成形技术的应用领域己涉及冶金、石化、能源、交通、采矿、武器装备等国民经济和国防各工业领域。再制造成形技术解决的装备零部件失效问题包含了磨损、腐蚀、裂纹、疲劳、外物损伤等各种损伤失效形式。针对不同损伤失效形式零部件,根据其服役条件要求,很好地解决了零部件性能恢复与提升、形状原尺寸恢复等再制造成形过程中的形状控制和性能控制问题。

 

 1.3 再制造成形技术途径

 

 按照再制造成形过程中零件尺寸增减变化情况,再制造成形技术可以分为“尺寸恢复法”再制造成形和“尺寸加工法”再制造成形两种技术途径。其中,“尺寸恢复法”再制造成形不但可以恢复零件的原始设计尺寸,而且可以通过应用新材料提高零件性能,因此,又称为“尺寸恢复与性能提升方法”。纵观国内最近发展,重点在“尺寸恢复法”再制造成形技术方面获得了显著进展,并逐步实现了两种技术途径的融合创新发展。

 

 1.3.1 “尺寸恢复法”再制造成形技术

 

 “尺寸恢复法”再制造成形技术是针对磨损、腐蚀等表面损伤零件和缺损、裂纹等三维体积损伤零件,采用先进表面工程技术、三维沉积成形技术等恢复零件损伤部位的几何尺寸,并通过优化再制造成形所用材料和工艺方法,恢复和提升零部件性能。针对表面损伤零部件的再制造成形,主要采用先进表面工程技术手段,因此,许多表面工程技术可以应用于再制造成形领域。

 

 表面工程技术进步促进了再制造成形技术和再制造产业发展,尤其在高精度高性能表面再制造成形方面取得了显著成绩。例如,采用气相沉积硬膜技术实现了发动机活塞密封环、气门挺杆盘面等的再制造成形,采用激光熔覆技术实现了凸轮轴凸轮的再制造成形,采用等离子喷涂技术再制造成形发动机叶片表面热障涂层等,均实现了高精度高性能表面的再制造成形和零件延寿,解决了困扰装备维修保障人员多年的技术难题。

 

 在“尺寸恢复法”再制造成形技术领域的突破,可归纳为以下几个主要方面。

 

 (1)三维体积损伤机械零部件的再制造成形技术。三维体积损伤机械零部件的损伤一般由应力或者外力作用引起,因此,该部位的再制造成形必须考虑到承受载荷能力。为此,一般对其再制造成形技术的基本要求是沉积成形金属具有优异的力学性能,并且在再制造成形过程中尽可能不降低零件基体材料性能。

 

 在三维体积再制造成形领域,有突破的技术主要是通过各种热源熔化添加材料的能量束再制造成形技术,如激光熔覆再制造成形技术、等离子熔覆再制造成形技术、电弧堆焊再制造成形技术、高速电喷涂再制造成形技术等。

 

 例如,装甲兵工程学院对重载车辆中难修复典型零件的激光再制造成形进行了系统研究,成功再制造成形了齿类件和薄壁件等三维损伤零件[11]。激光再制造成形与等离子喷涂成形等多种再制造成形技术手段复合,实现了不同工业领域燃汽机、烟机以及航空发动机等定子和转子叶片的三维再制造成形。

 

 随着新型材料研制和成形工艺监控技术提升,高速电弧喷涂再制造成形技术已成为可以实现大厚度再制造成形的一项技术,已由原来主要用于表面涂层制备,发展到了具备厚成形能力的水平,这得益于电弧喷涂成形理论、材料和技术工艺方法方面研究的突破。

 

 (2)自动化、智能化再制造成形技术。再制造成形技术方法已由最初重视废旧零件尺寸和性能恢复的成形技术手段的研究,正在向提高再制造成形效率的自动化再制造成形方法研究方向发展。其中,一个重要突破是把三维反求建模技术和再制造工艺相结合,实现了再制造成形技术的自动化过程。

 

 大连海事大学、华中科技大学等单位针对再制造成形过程中的零件缺损部位的反求建模,在理论和技术研究方面取得了突破性进展。

 

 近两年,针对机器人操作自动化再制造成形过程,在损伤部位再制造路径生成理论和方法以及自动化再制造成形设备系统等方面,均取得了重要进展。装甲兵工程学院系统开展了基于机器人的惰性气体保护焊(Metal inertia gas,MIG)熔敷再制造成形技术研究,研发了基于机器人MIG堆焊熔敷再制造成形系统,并对缺损零件的非接触式三维扫描反求测量机制,各子系统标定方法和再制造成形建模方法、空间曲面分层方法、成形路径规划、基于MIG堆焊再制造成形过程中的备件形变机理和形变规律以及控形机制、基于MIG堆焊/铣削复合工艺的近净成形技术、装备备件再制造成形材料的集约化、面向轻质金属的再制造成形技术等进行了广泛深入的研究,成功实现了典型装备备件的制造与再制造成形[12]。结合再制造产业化发展需要,针对纳米复合电刷镀技术和高速电弧喷涂技术的发展,在手工操作的再制造成形技术的基础上,深入研究技术基本原理、优化技术工艺,实现了技术的自动化、智能化工艺过程,研发了适合再制造产业化生产需要的自动化再制造成形设备和工艺[13-14],解决了镀液连续循环供应、工序切换、刷镀过程控制及工艺过程多参数监控等技术难题,实现了自动化纳米电刷镀再制造成形过程,并已经应用在再制造工业生产中。自动化纳米电刷镀再制造成形技术的应用,解决了原来劳动强度大、再制造生产质量不稳定、生产效率低等困扰再制造生产的实际问题,相关技术成果已获得2009年国家技术发明二等奖。

 

 自动化高速电弧喷涂再制造成形技术将智能控制技术、逆变电源技术、红外测温技术、数值仿真技术综合集成创新,通过操作机或机器人夹持高速电弧喷涂枪,采取数控系统控制喷枪在空间进行各种运动,实时反馈控制与调节喷涂工艺参数,保证涂层的精度与质量,最终可实现零件的高性能快速再制造成形。该技术已在工厂汽车发动机再制造生产线上成功应用,技术成果获得了2011年国家科技进步二等奖。

 

 (3)再制造成形新材料。目前,再制造成形所用的固态材料主要有粉末和丝材。由于装备机械零部件多种多样,其材质不同、服役工况复杂多样,对不同材质、不同服役工况、不同损伤形式的机械零部件进行再制造时,对再制造所用材料的性能有不同要求,因此,引起再制造所用材料的多样性和复杂性。为了适应再制造成形技术的推广应用和便于现场或野外作业,实现再制造成形材料的集约化具有重要意义,也就是说,用尽可能少的材料适应尽可能广泛的应用需求,或者说用一种粉末材料或丝材实现不同材质零件、不同服役性能的零部件的再制造。

 

 结合再制造成形技术应用需要,装备再制造技术国防科技重点实验室研发了强韧型、耐磨型和耐蚀性等几种不同功能的集约化再制造成形材料。

 

 针对快速堆焊再制造成形技术需要,综合考虑再制造材料成形性、再制造成形件力学性能、材料之间的相容性等问题,研发了铁基强韧型金属芯焊丝和耐磨型金属芯焊丝新型集约化材料,再制造成形了损伤/损毁的轴类零件。

 

 针对自动化高速电弧喷涂再制造成形技术需要,基于自动化智能高速电弧喷涂设备效率高、稳定性好的优点,在材料制备与成形一体化和材料集约化思路指导下,研发了具有防腐、耐磨和抗热腐蚀与冲蚀的三类低成本、高性能的新型喷涂丝材,主要包括:①具有“自封闭”效应的系防海水腐蚀用粉芯丝材;②具有自熔剂合金特点的非晶纳米晶FeCrSiBNb系列耐磨用粉芯丝材;③陶瓷颗粒增强的FeAl基金属间化合物抗热腐蚀与冲蚀用粉芯丝材,在舰船、重载车辆、电厂设备等装备关键零部件再制造成形中获得了成功应用。

 

 集约化材料的研发和应用,简化了再制造成形技术在施工生产中的技术复杂性,同时,提升了再制造成形技术在伴随保障、现场抢修等重要紧急情况下的技术水平和再制造成形零件质量与性能的可靠性。

 

 (4)现场快速再制造成形技术。现场快速再制造主要是解决工业生产中大型设备贵重零部件现场快速抢修,这样可以显著降低设备维修成本,显著减少设备停产造成的损失。现场再制造成形与在实验室和工厂车间生产线进行再制造成形相比较,约束条件多,难度更大。随着工业发展,现场快速高性能再制造成为了再制造成形技术及其应用发展的新领域。

 

 现场快速高性能再制造成形技术的发展主要得益于再制造成形工艺设备的发展。例如,随着结构紧凑、性能可靠性高、便于移动的全固态激光器、大功率半导体激光器和光纤激光器技术水平的提升,激光溶覆再制造成形技术已应用到冶金设备等大型设备关键零部件的现场快速高性能再制造。在国内,可移动式激光再制造成形技术及其设备系统研发一直是近几年的研究热点。中国科学院半导体研究所、北京工业大学、沈阳大陆集团公司、西安钜光公司等国内多家科研院所和企业,针对激光再制造成形技术应用背景,在全固态激光器、半导体激光器和光纤激光器方面进行了系统研发。其中,沈阳大陆集团柔性制造公司等单位通过产学研结合,成功研发了输出激光功率大于1kw的全固态激光器和输出功率2.5kw的半导体激光再制造成形设备系统,并已在钢厂、汽车制造厂、发电厂等不同工业领域的大型设备现场快速高性能再制造中获得成功应用,解决了工业生产中的设备抢修难题,创造了显著经济效益和社会效益。

 

 等离子熔覆再制造成形技术具有设备系统结构紧凑、工艺操作简洁、再制造零件性能优异等优势,逐步发展成为可实现零件现场快速再制造成形的先进技术之一。装备再制造技术国防科技重点实验室已研制出了等离子熔覆再制造成形技术工程车,满足了到野外现场作业的需要。

 

 1.3.2 “尺寸恢复与机械加工”融合的再制造成形技术

 

 在“尺寸加工法”再制造成形技术方面,主要针对如何提高装备零件再制造成形的效率和质量进行研究,其现阶段主要成果在于新型多功能加工设备以及与“尺寸恢复法”再制造成形技术复合的技术方法。

 

 “尺寸加工法”再制造成形技术主要分为两种途径。一种途径是针对失效的旧零件,采用机械加工的方法,去除零部件表面损伤层或局部部位,然后选择“尺寸加大”的合适配偶件进行配合,或者另外加入一个“衬套”弥补机械加工去除的尺寸,这是现在国内再制造企业主要在采用的方法,通常也称为“尺寸加工与换件方法”。另一重要途径是针对采用“尺寸恢复法”再制造后的零件,由于其尺寸过剩或表面精度无法满足装配要求,而采用机械加工的方法,去除“尺寸恢复法”再制造多余的尺寸。

 

 第一条途径所采用的技术属于传统机械加工和制造技术。第二条途径是再制造成形领域的特色内容。“尺寸恢复法”再制造后进行机械加工,与制造过程中机械零件的机械加工,存在明显的区别。制造时的加工,零件的装卡定位相对灵活,因为毛坯有一定的加工余量。而在再制造加工时,再制造零件加工的毛坯是已经用过的零件,其再制造的只是其中的一个面或几个面,而其他没有再制造的面已经没有加工余量了,因此在再制造加工时,不能将其他面破坏,其装卡方式受到限制。对精度要求高的零件,如果其加工基准发生变化,则加工精度难以保证,如对同轴度有较高要求的台阶轴,如果再制造时只加工其中的一段轴而与它有同轴度要求的面没有再制造的必要,此时,只加工再制造部分,则难以保证同轴度的要求。目前,关于再制造加工的装卡定位问题,还需要深入研究。下面主要针对第二条途径阐述。

 

 (1)再制造后机械加工成形设备。鉴于再制造后机械加工的特殊性,装甲兵工程学院和北京理工大学合作,针对再制造零件机械后加工的复杂性,研制出了多功能复合机床。该机床具有车、统、磨、车铣、车磨、钻、铰、攻螺纹等多种加工工艺,不仅可以加工回转类零件,还可以加工非回转类零件[15]。该机床可以完成再制造成形加工所需要的多种加工手段,实现了多工艺复合、多工序复合、多种机床类型复合,同时解决了模块化、单机与多机数字化控制以及人机协同交互等多种技术问题,以满足再制造成形加工的适应性、可重构性、敏捷性等要求。

 

 (2)再制造机械加工成形方法。这方面的一个重要突破是把机械加工的材料去除过程和再制造熔积的材料尺寸增加过程进行融合,实现再制造和机械后加工的同工位完成,简化了生产流程,提高了再制造成形生产效率。

 

 把金属熔积再制造工艺与铣削加工工艺相结合的复合快速再制造成形技术成为了研究热点之一,并取得了较好的成果。这种技术思路起源于美国进行快速成形制造技术思路。现在,国内装甲兵工程学院、沈阳航空工业学院等单位均在此方面取得了突破性进展。装甲兵工程学院成功实现了机器人自动化堆焊再制造和数控铣削加工的复合,有效提高了再制造成形效率。

 

 沈阳航空工业学院把金属熔化沉积工艺与五轴铣削工艺相结合,提出了连续熔积多层后一并铣削加工的复合成形方式,并研究了根据五轴铣削刀具对层的接近性来判断可一并铣削加工的连续熔积层数的算法。先计算出无干涉的刀位点后,再判断该刀位点是否存在与此相对应的无干涉的刀轴方向,确定五轴铣削刀具对再制造沉积金属的接近性和连续熔积层数,从而大幅度减少了工位变换次数,有效提高了再制造成形效率[16]

 

 但是,由于这种途径的再制造成形过程是两种工艺交替并行的复合过程,需要不断地变换工位,这显然影响成形效率。因而如何把金属熔化沉积的再制造过程与铣削工艺有机地结合起来,实现同时工作,并在提高表面质量的同时提高成形效率,将具有重要意义。

 

 1.3.3 再制造成形质量控制与评价方法

 

 再制造产业得以健康发展的技术保证在于如何确保再制造成形产品性能不低于新品。近年来,在再制造成形质量控制和评价理论与方法方面进行了大量深入研究。从分析再制造生产工艺流程考虑,各环节均会影响再制造成形产品的最终质量。针对再制造生产过程,除了从再制造成形技术方法与材料选择、工艺优化和成形过程监控等方面考虑外,再制造成形前的废旧零部件质量检测控制以及再制造成形后的涂层和成形零件的检测评价,对确保再制造成形产品的质量和性能具有“把关”作用,可以让人们对再制造成形产品“心中有数”。

 

 近年来,针对再制造前废旧零件的缺陷、残余应力和剩余疲劳寿命等质量与性能指标的无损评价,研究了金属磁记忆、超声、涡流、声发射等多种无损检测评价理论和技术方法,获得了铁磁性金属零件剩余疲劳寿命的金属磁记忆无损评价理论模型和评价方法,并研发出了适用于典型零部件再制造生产线的专用无损检测仪器设备系统,为再制造成形技术的产业化应用提供了有力的技术支撑。

 

 采用不同再制造成形技术所获得的再制造成形零件,其服役性能和服役寿命取决于再制造毛坯(基体)和再制造成形涂层两个方面。由于在再制造之前,毛坯经过严格的无损检测和评价,这样,再制造成形涂层的评价就成为再制造成形零件质量评价的核心。目前,再制造成形涂层质量评价的内容主要包括缺陷、残余应力、接触疲劳寿命以及硬度等方面。

 

 国内大连理工大学等单位针对零件表面再制造成形涂层中的缺陷,系统研究了超声无损检测评价理论和技术方法。针对再制造成形涂层残余应力评价,装甲兵工程学院在残余应力理论计算上取得了突破,分析了现存大量涂层残余应力近似解的误差,建立了涂层内部残余应力及涂层/基体界面残余应力分布的预测模型,并获得了这些应力的闭合解,为再制造成形涂层的材料和工艺的优化提供了理论指导。国内学者对热喷涂、激光熔覆、堆焊等再制造成形工艺过程中涂层与基体残余应力的变化进行了计算和模拟仿真研究,得到了多种材料和工艺下控制涂层残余应力的模型。残余应力测量技术方面,各种传统的有损和无损方法在我国均得到了较为广泛的研究和对比,多家单位在研究采用金属磁记忆检测、超声波检测等无损检测方法以及微/纳米压痕等微创伤方法对涂层的残佘应力进行检测评价。

 

 涂层接触疲劳寿命评价和预测是目前研究的前沿领域。西班牙学者TOBE等对于不同材料体系喷涂层的接触疲劳研究发现,喷涂过程所引起的残余应力是影响再制造涂层接触疲劳寿命的关键因素之一,并指出涂层的抗压强度和界面抗剪强度是影响涂层抗接触疲劳性能的关键因素。燕山大学研制了专门用于考核再制造成形涂层接触疲劳寿命的加速试验机,通过模拟轴承的接触形式考核涂层的接触疲劳寿命,为大样本考核再制造涂层接触疲劳寿命规律搭建了良好的试验平台。装甲兵工程学院对热喷涂再制造成形涂层的接触疲劳寿命评估开展了系统研究,引入Weibull分布和S-N曲线法等数理统计方式,得到了涂层寿命与施加载荷的对应关系,直观地得到再制造成形零件表面在任意接触载荷作用、任意失效概率下的疲劳寿命(即循环次数),实现再制造成形零件的接触疲劳寿命预测。

 

 随着再制造事业的蓬勃发展,再制造概念的深入人心,再制造零件的寿命评估必将成为专业学者群和再制造产品客户群关注之焦点,而再制造零件的评估研究尚属起步阶段,可靠的理论和技术还需要不断丰富和完善。因此,针对中国特色“尺寸恢复法”再制造产品的寿命评估和预测还有很多工作要做,尚需要再制造研究者和从业者的不懈努力和顽强拼搏。

 

 2 国内外情况比较分析

 

 2.1 再制造成形技术比较分析

 

 国外的再制造是在制造业基础上发展起来的,一般由制造企业开展再制造生产,其再制造生产主要采用基于机械加工技术的尺寸修理方法和换件方法,因此,其再制造成形技术的主体内容还是制造业中机械加工技术。尺寸修理法再制造成形虽然能恢复零件的出厂性能,但因破坏了零部件的互换性,且使用了非标准件,故达不到原型机新品的使用寿命。

 

 近年来,美国、加拿大、英国和德国等工业发达国家的很多企业,也开始把基于表面工程的修复技术归类为再制造成形技术,并且具有较高的技术含量,实现了装备关键机械零件的高性能再制造。例如,加拿大研发出了微束等离子弧再制造成形技术及其自动化作业生产设备系统,并且其技术工艺和设备系统已在我国部分再制造企业得到应用,实现了飞机发动机叶片等典型零件的高质量再制造成形;俄罗斯研发了高温合金粉末冶金再制造技术、热障涂层再制造技术等,解决了髙温部件等关键零部件的高性能再制造难题,这些技术引进到我国,实现了航空发动机重要零部件的再制造成形;美国研发的LENS系统及其基于激光熔覆技术的再制造成形技术,实现了多种机械零部件的快速再制造成形,并且已经在舰船、装甲车辆等武器装备的伴随保障和军队战地装备维修保障中获得了成功应用。

 

 中国的再制造是在国家建设资源节约型和环境友好型社会的科技大环境下,随着绿色制造领域拓展,在维修工程和表面工程基础上发展起来的,其再制造成形技术主要是自主创新的先进表面工程技术和熔积成形技术等,具有中国特色。我国已经探索形成了“以高新技术为支撑,以恢复尺寸、提升性能的表面工程技术为依托,产学研相结合,既循环又经济”的中国特色的再制造模式。

 

 我国自主创新的先进再制造成形技术发展,可以归纳为以下几个主要技术领域。

 

 (1)纳米复合再制造成形技术。主要指借助纳米科学与技术新成果,把纳米材料、纳米制造技术等与传统维修技术和再制造技术复合,研发出先进的再制造成形技术,例如纳米复合电刷镀再制造成形技术、纳米热喷涂再制造成形技术等。

 

 (2)能束能场再制造成形技术。主要指利用激光束、电子束、等离子束以及电弧等能量束和电场、磁场、超声波、火焰、电化学能等能量实现机械零部件的再制造成形过程,例如激光溶覆技术、等离子熔覆技术、电子束焊接技术、热喷涂技术、电沉积技术等。

 

 (3)自动化再制造成形技术。主要指综合创新测量与控制、工业机器人、先进材料、先进表面工程和快速成形技术等多领域技术成果,研发再制造成形工艺设备和技术工艺,实现废旧零件再制造成形的自动化过程。装备再制造技术国防科技重点实验室自主研制出了用于等离子弧培覆再制造工艺的微束等离子弧电源系统。基于自动化等离子弧培覆再制造成形技术,实现了发动机缸体止推面以及发动机排气门密封锥面的再制造,研究表明由于等离子弧能量密度高,对基体的热输入量低,工件的变形小,可获得高质量的溶覆层,再制造质量优异。

 

 对比分析可以看出:国外尺寸加工法的再制造成形技术重点关注零部件之间的配合,但不能恢复零件原始设计尺寸,从而不得不使用大量非标件,旧件再制造率低,节能节材效果差,难以提升再制造产品性能;我国基于先进表面工程的再制造成形技术重视恢复零件原始尺寸、恢复零件性能,并可通过引入再制造新材料而提升零件性能,因此,再制造成形件仍是标准件,同时,零件可以经历多次再制造,从而,旧件再制造率高,节能节材效果好。

 

 虽然我国的再制造成形技术发展迅速、具有先进性,但在激光、等离子等高能束再制造成形工艺设备可靠性方面,我国与国外还有较大差距。例如,由于我国在半导体靶条制造与封装、光纤制造等基础制造业方面技术落后,适合再制造成形技术工业应用的大功率光纤激光器和半导体激光器的性能稳定性和运行可靠性与国外尚存在很大差距,因此,可满足移动式作业需求或大型设备现场再制造成形需求的大功率光纤激光或大功率半导体激光再制造设备系统的核心部件尚不具有自主知识产权。

 

 2.2 再制造成形质量控制标准比较分析

 

 英美等发达国家非常注重再制造法规方面的建设,相继建立了相对完善的再制造技术标准、法规和指令体系,并对再制造产品品质保证有严格要求。无论再制造的技术和步骤如何,再制造产品必须在产品质量、性能、耐用性和售后服务上达到与新品一样的水平。但是,国外的再制造主要基于制造业,其再制造生产中的技术主要是制造过程中的尺寸加工等技术。在再制造生产中,主要采用尺寸加工和换件方法。因此,其再制造产品质量和技术标准也一般直接采用制造标准。

 

 国内的再制造是基于机械设备维修而发展起来的,其再制造成形技术主要是各种表面工程技术。再制造过程中,废旧件作为“基体”,通过多种髙新技术在废旧零部件的失效表面生成涂覆层,恢复失效零件的尺寸并提升其性能,获得再制造产品。因此’再制造产品的质量是由废旧件(即再制造毛坯)原始质量和再制造恢复涂层质量两部分共同决定。其中,废旧件原始质量则是制造质量和服役工况共同作用的结果,尤其服役工况中含有很多不可控制的随机因素,一些危险缺陷常常在服役条件下生成并扩展,这将导致废旧件的制造质量急剧降低;而再制造恢复涂层质量取决于再制造技术,包含再制造材料、技术工艺和工艺设备等。再制造零件使用过程中,依靠再制造毛坯和再制造涂层共同承担服役工况的载荷要求,控制再制造毛坯的原始质量和再制造涂层的质量就能够控制再制造产品的质量。

 

 由上可以看出,我国的再制造不能照搬制造业标准或者国外标准。但是,我国再制造因起步较晚,再制造企业的技术积累少,再制造标准缺乏,这很大程度上阻碍了再制造技术的广泛推广和应用。因此,要发展我国再制造业,需要逐步建立系统、完善再制造工艺标准和质量检测标准等。国家和行业己充分认识到了再制造标准的紧迫性,己成立了全国绿色制造技术标准化技术委员会再制造分技术委员会、全国产品回收利用基础与管理标准化技术委员会、全国激光修复技术标准化技术委员会等组织,致力于推进再制造标准化工作。具有中国特色的再制造标准已经建立了标准体系。

 

 3 再制造成形技术发展趋势

 

 鉴于再制造在工业节能减排和发展循环经济中的巨大潜力,国家十分重视再制造产业化发展,提出了提高再制造产业化水平的要求,这将引导今后国内再制造企业不断增加、行业领域不断拓展、产业规模不断扩大、技术水平不断提升,同时,必将推动再制造成形技术快速发展。

 

 3.1 发展趋势

 

 再制造成形技术是再制造生产活动的技术核心。随着再制造产业发展,再制造成形技术的发展趋势,将体现在三个方面,即:①正朝着智能化、复合化和专业化等适合再制造批量生产方向发展;②正由宏观尺度再制造成形向微纳观尺度再制造成形发展;③正由纯机械零部件的再制造成形技术向机械/电子复合、机械/功能复合等以机械系统为载体的多功能复合再制造成形技术发展。概括起来,再制造成形技术发展趋势也可以归纳为“五化”,即智能化、复合化、专业化、微纳化和功能化。

 

 (1)智能化。再制造成形技术的智能化,主要包含两方面内容。一方面是针对具体零部件,基于专家数据库等信息,实现再制造成形技术方法优化等再制造成形技术方案的智能化设计;另一方面是针对具体的再制造成形技术方法,基于零部件再制造成形过程,在过程参数反馈控制或逻辑程序控制下由工业机器人自动操作完成再制造成形过程。

 

 智能化再制造成形技术将直接提升再制造生产过程的自动化和柔性化水平,适应再制造大批量生产活动需要。再制造成形技术已基本摆脱了手工操作,其技术设备和技术过程正逐步实现自动化和智能化,再制造生产正在朝着工业机器人操作代替人工操作的方向发展。柔性化主要是指再制造设备系统和再制造工艺可以满足不同零件再制造的需要。由于近阶段再制造批量化生产量相对较小,能够适应不同种类、不同规格型号零件再制造的柔性化的设备和技术工艺将具有广泛适应性和广阔发展前景。

 

 (2)复合化。再制造成形技术的复合化,也主要包含两个方面,即再制造成形技术手段的复合和再制造成形所用材料的复合。例如,电弧与激光两种能量束复合,实现再制造生产中的高效率高质量的再制造成形;电沉积和热喷涂与激光重熔或喷焊重熔等不同涂层制备技术方法的复合,实现高性能零部件再制造成形过程中高质量涂层的成形制备;针对零件再制造涂层,通过具有抗磨、减摩、抗蚀、抗高温等不同性能的材料的复合,制备出同时具有多方面优异性能的涂层,可以赋予再制造成形零件优良的综合性能。

 

 一个具体的废旧零件,其损伤形式和失效机理往往比较复杂,要把它再制造成为性能合格的再制造产品,往往需要采用多种再制造成形技术手段,通过技术集成化的途径实现。复合化再制造成形技术将为复杂失效零件的高性能再制造成形提供技术途径。

 

 (3)专业化。各工业领域的生产实践己经表明,专业化是提高生产效率和产品合格率的有效途径。机械零部件的失效形式虽然多种多样,但正常情况下,同一种零件的主要失效形式一般具有相对普遍的规律特点。针对某一类零件,为了提高再制造生产效率和再制造产品质量稳定性,往往需要研发专用的再制造技术工艺和专用设备。再制造成形技术专业化的内涵之一是提高其技术水平,实现规范化和标准化,做精一个产品或一道工序。随着再制造产业化规模和水平发展,再制造成形技术的专业化将是提升再制造产品质量的一条有效途径。

 

 (4)微纳化。再制造成形技术的微纳化方向,也主要包含两方面内容。一方面,通过微纳加工技术,对宏观机械零部件功能部位进行的再制造处理,提升机械零部件的服役性能。例如,通过采用激光微纳织构化处理,在再制造成形后的发动机活塞表面制备出微纳结构,提高活塞表面的抗磨减摩性能。另一方面,对微纳系统或微纳结构进行再制造成形处理。微纳技术是21世纪的先进技术,近年来发展迅速,微纳系统或结构技术含量高、附加值高,对其进行再制造必然是今后发展的一个前沿方向。

 

 (5)功能化。在21世纪,各工业领域都在朝着信息化方向发展。现代装备已不是单纯的机械装备,而是机电一体化的复杂系统,其中包含着大量具有特殊功能要求的零部件。但是,现阶段,我国的再制造成形技术还主要局限于机械零部件的再制造成形,致力于恢复和提升机械零部件的抗外力、抗腐蚀介质等力学性能,而对以机械为载体的机电一体化系统及其具备电、磁、声、光等特殊功能的器件或零部件的再制造成形技术,研究很少。可以预料,在21世纪,针对信息化装备及其功能器件的再制造成形技术必将快速发展。

 

 3.2 发展策略

 

 再制造成形技术以节约资源能源、保护环境为特色,以综合利用高科技为核心,充分体现了具有中国特色自主创新的特点。放眼未来发展,结合当前需求,从实际出发,发展中国的再制造成形技术,应采取适当措施,重点突破如下几方面,即探索理论基础、创新关键技术、制定技术标准、培养专业人才。

 

 (1)探索再制造成形的理论基础。再制造成形的基础理论发展是推动再制造成形技术创新和产业化发展的基石。应进一步深入探索研究以产品全寿命周期理论、废旧零件和再制造零件的寿命评估预测理论等为代表的再制造基础理论,以揭示再制造成形产品寿命演变规律的科学本质。废旧零件的剩余寿命是否足够,再制造成形零件的使用寿命是否可保持一个完整的服役周期,这样一些重大问题,由于缺少理论依据,有时仅凭简单的检测设备,甚至只靠工人师傅的目测或经验判断来完成,难以保证再制造成形产品质量。为此,必须针对再制造成形技术发展和再制造成形产品质量控制需求,探索研究更多更有效的无损检测及寿命预测理论与技术。

 

 (2)创新再制造成形的关键技术。再制造成形技术是再制造工程的核心,是推动再制造产业化发展的技术支撑。应不断研发和创新拓展用于再制造成形的先进表面成形技术群、三维体积成形技术群等,使再制造成形零件的精度更高、性能更好、寿命更长,确保再制造产品的质量和性能。

 

 (3)制定再制造成形技术的相关标准。技术标准是技术和产业健康、规范发展的有力保障。应尽早建立系统的再制造成形技术标准、再制造成形产品质量检测标准等体现再制造走向规范化的标准体系。我国再制造因起步较晚,再制造企业的技术积累少,再制造成形技术相关的标准缺乏,因而一定程度上阻碍了再制造成形技术的推广应用。近两年来,国内相关高等院校和再制造生产企业正在联合制定“再制造技术工艺标准、再制造质量检测标准、再制造产品认证标准”等多类标准。下一步,应深化标准内涵,制定出具有良好通用性和可操作性的标准方案。

 

 (4)培养再制造成形技术专门人才。人才是学科发展的根本。目前,再制造工程虽然已经列入了国家学科目录,但是,由于我国再制造发展起步晚,再制造成形技术是多学科、多领域科技知识的交叉融合,我国还未能有计划地培养出再制造工程学科人才。今后,再制造产业化发展急需再制造成形技术专门人才。为此,政府、高等院校和行业应当紧密结合,加强产学研结合,加强人才培养力度。

 

 4 结论

 

 (1)再制造是以制造为基础,是在不改变原零件形状和性能基础上,对其失效部分进行处理,恢复其性能,并可以根据需要进行性能提升。再制造成形技术是再制造工程的核心,其以节约资源能源、保护环境为特色,以综合利用高科技为核心,高度契合了构建循环经济、实施节能减排的战略需求。

 

 (2)我国自主创新的先进再制造成形技术在纳米复合再制造成形技术、能束能场再制造成形技术和自动化再制造成形技术等方面取得了长足发展。先进再制造成形技术不但能恢复零件原始尺寸,并可使零件的性能得以恢复和提升,最大限度地挖掘了废旧零件中蕴含的附加值,尤其在高精度高性能表面再制造成形方面取得了显著成绩,但在再制造成形技术成套设备的研发方面还有待进一步提高。

 

 (3)为适应再制造成形技术的发展趋势,实现再制造成形技术的智能化、复合化、专业化、微纳化和功能化,应在探索再制造成形理论基础、创新关键再制造成形技术、制定再制造成形技术标准、培养再制造成形技术专业人才等方面开展深入工作。

 

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