1、胡顺安第六章第六章 再制造技术介绍再制造技术介绍课程提纲资源产品废弃物 经济增长方式存在着两种模式：一种是传统的线性增长模式，即“资源-产品-废弃物”的单向直线过程，这意味着创造的财富越多，消耗的资源就越多，产生的废弃物也就越多。一、循环经济呼唤再制造资源产品废弃产品再制造产品 另一种是循环经济增长模式，即“资源-产品-废弃物-再生资源”的循环过程，可更有效地利用资源和保护环境，以尽可能小的资源消耗和环境成本，获得尽可能大的经济和社会效益。循环经济动画广告片.flv一、循环经济呼唤再制造 再制造的内涵二、再制造的内涵、特色及发展 再制造工程是指以产品全寿命周期理论为指导，以实现废旧产品性能提升
2、为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，进行修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。 简言之，再制造是废旧产品高技术修复、改造的产业化。成 本节约能源节省材料再制造新机制造降低50%降低60%降低70%影响环境显著降低 再制造的特征 再制造的重要特征是：再制造后的产品质量和性能不低于新品，有些还超过新品，成本只是新品的50%，节能60%，节材70%，对环境的不良影响显著降低。 欧美等国的再制造多年以来是在原型产品制造工业基础上发展起来的，主要以尺寸修理法和换件修理法为主。换件修理法是将损伤零件整体更换为新品零件；尺寸修理法是将失配的零件表面尺寸加
3、工到可以配合的范围，如缸套-活塞磨损失效后，通过镗缸的方法恢复缸套的尺寸精度，再配以大尺寸的活塞完成再制造。 这种模式的缺点是资源能源消耗大，旧件利用率低。二、再制造的内涵、特色及发展二、再制造的内涵、特色及发展 我国的再制造是在维修工程、表面工程基础上发展起来的，主要采用尺寸恢复和性能提升法，可使再制造率显著提高、资源能源消耗显著降低，具有突出的节能减排效益。纳米电刷镀技术再制造连杆激光熔覆技术再制造铝合金缸体 自动化电弧喷涂技术再制造曲轴 行星框架是某型重载车辆转向机构重要的薄壁零件，易于磨损失效。上世纪六十年代时，由于堆焊修复会变形，大修技术条件规定必须报废。进入八十年代，我国采用最新出
4、现的等离子喷涂技术完成了行星框架的再制造。经六辆车辆的实车考核，再制造行星框架的使用寿命达到新品的3倍，成本为新品的1/10，材料消耗为1/100。 再制造实例 重载车辆行星框架再制造再制造的节材举例（坦克行星框架）重量（Kg）重量比（%） 成本（元）成品零件再制造投入（热喷涂粉末）毛 坯71.310029019.52712000.250.35120 再制造实例 - 新型铝合金发动机再制造铝合金发动机缸盖再制造后的缸盖表面表面环形压痕形貌 铝合金材料零件的再制造是国外再制造企业面临的技术难题之一，英国委托我国对路虎汽车(Land-Rover)的铝合金发动机缸盖进行再制造，我国采用高速电弧喷涂、
5、微弧等离子熔覆、激光熔覆等三种先进技术成功解决了这一难题。再制造的发动机已投入实用考核，效果良好。11 再制造取得了十分显著的成效。以济南复强公司的统计数据为例，若再制造200万台斯泰尔发动机，可以节省金属153万吨，节电29亿度，回收附加值646亿元，实现利税58亿元，减少CO2排放12万吨。 减少CO2排放 再用金属 节电 创利税 节省购机费 回收附加值12万吨153万吨29亿度58亿元580亿元646亿元 再制造的巨大效益B-52轰炸机1961年定型1980年第一次再制造1996年第二次再制造服役期延长至2030年M1A2型坦克1985年再制造368辆1996-2000年再制造580辆M
6、1A2 坦克M1 坦克AH-64阿帕奇直升机2000-2005年再制造269架今后10年再制造750架AH64-A直升机AH64-D直升机 1000架波音747飞机和7000架波音737飞机服役年限已超过20年，面临报废。 废旧波音747客机再制造成货运飞机(客改货)，一台旧客机成本200万美元，再制造后售价为8000万美元，仍远低于原型新货运飞机1.15亿元的售价。 目前，我国上海航空公司正在积极筹建波音737飞机再制造生产线。 以色列飞机再制造再制造前客机再制造过程再制造后货机各种天气情况下飞机起飞和降落 再制造的对象是经过长期服役而报废的成形零件，大多存在因磨损、腐蚀而导致的表面失效，因
7、疲劳导致的残余应力和内部裂纹，因震动冲击导致的零件变形等一系列问题。再制造的寿命预测技术作为再制造质量控制体系的核心，是保证再制造产品质量的关键技术。 实现再制造产品的质量控制，就是通过严格把关形成再制造产品的三个重要环节来确保再制造产品性能不低于新品：1）再制造毛坯的质量控制；2）再制造成形过程的质量控制；3）再制造后涂层的质量控制与检测。中国自主创新的再制造质量控制与关键技术再制造毛坯的质量控制 寿命评估预测技术寿命评估技术是再制造工程核心研究内容之一，是确保再寿命评估技术是再制造工程核心研究内容之一，是确保再制造产品质量、性能不低于新品的关键技术。制造产品质量、性能不低于新品的关键技术。
8、 再制造毛坯经历了一轮服役周期的使用过程，服役时可能产生不同程度的损伤。再制造前，必须采用先进的无损检测技术评价毛坯的剩余寿命，这是实现再制造产品质量控制的重要手段。FatigueWearCorrosiondamage Creep新方向 寿命评估技术已在济南复强动力有限公司再制造生产线上应用。采用金属磁记忆检测、涡流检测、超声检测等综合检测技术，初步实现了发动机气门杆、连杆、曲轴、发动机缸体等重要零部件损伤和寿命的检测评估。涡流/磁记忆综合检测评估发动机缸体超声检测评估发动机气门杆XZE-1型多频涡流检测仪XZU-1型超声无损检测仪XZE-3型涡流/磁记忆检测仪再制造厂无损检测与寿命评估车间
9、再制造的研究内容非常广泛，贯穿产品的全寿命周期，体现着深刻的基础性和科学性。主要以先进的表面工程技术为修复手段。 喷涂修复技术电刷镀修复技术激光修复技术轴类及一些贵重零件修复技术纳米表面工程技术三、再制造研究内容 再制造的优异效果需要关键技术予以支撑。表面工程技术是再制造的支撑技术。在传统表面工程技术基础上，通过交叉融合前沿技术，相继开发了性能更优异的复合表面工程、纳米表面工程和自动化表面工程技术。 再制造关键技术 表面工程技术表面工程发展的技术阶段 表面工程从诞生至今，已发展了四代： 1）初露锋芒的单一表面工程阶段：如热喷涂、电刷镀、气相沉积等，发挥了较好的作用。 2）威力倍增的复合表面工程
10、阶段：复合应用两种或多种表面技术，起到“1+12”的协同效果。 3）功能神奇的纳米表面工程阶段：充分利用纳米材料的特性，提升改善传统表面工程的性能。 4）产业先锋的自动化表面工程阶段：充分适应产业化的要求，将表面工程技术从手工操作发展到自动化完成。（一）复合表面工程 表面工程的第二阶段被称为复合表面工程阶段，即将两种或多种传统的表面技术复合应用，或对两种或多种表面涂层材料进行复合应用，起到“1+12”的协同效果。例如，热喷涂与电子束重熔的复合，热喷涂与电刷镀的复合，化学热处理与电镀的复合，热喷涂中多种叠层材料的复合等等。这些技术复合已成为提升表面性能的“倍增器”。(热喷涂与电子束重熔相复合)
11、采用热喷涂和电子束重熔复合处理飞机发动机涡轮叶片。先由等离子喷涂CoCrW合金，再对合金进行电子束重熔，所得复合涂层的孔隙率大幅度减少，重熔层和基体形成冶金结合。重熔层的抗微动磨损性能是原等离子喷涂层的13倍。威力倍增的复合表面工程 在建设西陵长江大桥时，利用电刷镀技术在悬索鞍座和底板上制备了多层金属复合减摩涂层，与减摩添加剂复合运用，减少了摩擦系数，显著减少了重达数万吨的悬索鞍座的纵向推力。这是复合表面工程在桥梁建设上的一次成功应用，在国内外建桥史上尚属首次。(电刷镀技术及涂层材料的多重复合)威力倍增的复合表面工程(高速电弧喷涂防热腐蚀材料的复合)喷涂后喷涂前 开发的高速电弧喷涂SL30（N
12、i-Cr合金）涂层材料具有优异的抗高温腐蚀性能，已在天津大港等电厂锅炉管道水冷壁喷涂应用，防腐寿命可达5年以上，其综合性能达到了美国45CT涂层水平，成本仅为其30%左右，我国拥有这项技术的自主知识产权。威力倍增的复合表面工程威力倍增的复合表面工程 纳米技术是21世纪的三大高新技术之一（信息技术、纳米技术、生物技术）。整体纳米化技术的发展应用还需等待二、三十年时间。 在现阶段，我国将纳米颗粒弥散分布在表面涂层内，或在涂层的成形过程中得到纳米晶和非晶，使纳米材料与传统表面工程技术得到交叉融合，发挥纳米材料的优异性能，开发了具有自主知识产权的纳米表面工程技术。（二）纳米表面工程技术 电刷镀技术是2
13、0世纪80年代开发出来的新型表面技术，在失效零部件的修复和再制造方面有重要作用。通过在电刷镀液中添加纳米陶瓷颗粒以进一步提高涂层效果的电刷镀技术就称为纳米电刷镀技术。a.纳米颗粒复合电刷镀技术电刷镀技术工作原理电 源镀 笔工具及配件 纳米颗粒在盐溶液中的团聚现象是制备镀液必须克服的重大难题。该创新采用了高能机械化学法成功解决了纳米颗粒在盐溶液中的分散与悬浮稳定问题，制备出了性能优异的纳米电刷镀镀液。 纳米电刷镀镀液的制备表面预处理溶液镀底层和夹心层溶液纳米颗粒复合镀液 纳米颗粒复合电刷镀镀层的制备 非导电的纳米颗粒与金属实现共沉积是纳米电刷镀镀层制备需解决的关键问题。我国通过准确控制工作电压、
14、镀笔运动速度和镀液温度等参数，成功解决了不同种类非导电的纳米颗粒与金属的共沉积及其在镀层中弥散分布的重大难题，首次制备出了硬度和结合强度高、耐磨性好、抗接触疲劳性能好、服役温度较高的纳米颗粒复合刷镀层。 纳米电刷镀的应用 空军某部利用纳米电刷镀技术修复某型进口飞机发动机压气机叶片，并已通过空军装备部组织的300小时台架考核和专家组鉴定。该技术已被空军批准用于飞机发动机零部件的批量修复，已创造经济效益7500万元以上。 b.纳米热喷涂技术高效能超音速纳米粒子复合等离子喷涂枪及射流高效能超音速纳米粒子复合等离子喷涂粒子流速度、温度等参量 纳米热喷涂技术是以现有热喷涂技术为基础，通过喷涂纳米颗粒或含
15、纳米颗粒的丝材制备具有纳米结构涂层的新技术。 高效能超音速等离子喷涂系统可制备各种高熔点的纳米陶瓷或金属陶瓷涂层，由于纳米颗粒的作用，涂层的结合强度、致密性和其它综合性能显著提高。 纳米减摩自修复添加剂技术是一种通过摩擦化学作用来实现磨损表面自修复的技术。 将含有纳米颗粒的复合添加剂加入到润滑油中，纳米颗粒随润滑油分散于各个摩擦副接触面，在一定温度、压力、摩擦力作用下，摩擦副表面产生剧烈摩擦和塑性变形，发生摩擦化学作用，添加剂中的纳米颗粒就会在摩擦表面沉积，并与表面作用，填补表面微观沟谷，从而形成一层具有抗磨减摩作用的液态或固态自修复膜。c.纳米减摩自修复添加剂技术05010015020025
16、03000.0000.0050.0100.0150.0200.025 M6 additive MJ additive M3 additive Common oilW / mmT / h主轴颈磨损尺寸-时间变化图 单缸发动机主轴颈磨损对比实验结果 上图给出了普通机油和三种不同添加剂（国外某添加剂MJ、自主开发的常规减摩添加剂M3和纳米减摩添加剂M6）作用下主轴颈磨损量随时间变化曲线。可见各添加剂对主轴颈都有较明显的抗磨效果，抗磨顺序为M6添加剂 MJ添加剂 M3添加剂 普通机油。其中，具有自主知识产权的M6添加剂的磨损量比普通机油的磨损量降低了7倍。 图为军用吉普车发动机300小时耐久试验后，缸
17、套磨损表面的彩色元素分析图，其中红色部分为铜，说明摩擦表面生成了含铜的固体自修复膜。该薄膜的生成，大大改善了缸套-活塞环摩擦副的润滑状况。 军用吉普车发动机修复表面的元素分析每台车每年节约汽油消耗、降低排放情况减少CO排放0.6吨节约汽油1.1吨减少CH排放0.36吨 青岛交运巴士分公司现有车辆500余辆，按照每辆车每年行驶8万公里计算，则：每年可节约燃油550吨，直接经济效益270万；减少一氧化碳排放330吨，减少CH排放200吨。 经济和社会效益显著! 纳米自修复添加剂M6在青岛交运巴士公司的三台公交车进行了15000公里的应用试验，结果表明，使用该添加剂后可提高发动机输出功率2%5%，节
18、约燃油3%6%，降低尾气排放30%50%，达到了节省燃油、降低尾气排放的目的。 实际应用结果课件休息课件休息纳米涂层的应用研究 再制造过程是产业化、批量化的生产加工过程。为了更好地适应再制造的产业化要求，表面工程技术必须从手工操作发展到自动化操作。我国重点开发了自动化纳米颗粒复合电刷镀技术、自动化高速电弧喷涂技术、半自动化微弧等离子熔覆技术和自动化激光熔覆技术，进一步提高了表面涂层的性能和再制造质量。（三）自动化表面工程技术 自动化纳米颗粒复合电刷镀技术适用于损伤超差较小、对配合度要求较高的零件的再制造。 自动化高速电弧喷技术适用于结构形状较简单，磨损、腐蚀超差较大，以及对修复效率要求较高的零
19、件的再制造。 自动化微弧等离子熔覆技术适用于结构形状较复杂，结合强度要求高的重要零件的再制造。 自动化激光熔覆技术用于结构较复杂、要求冶金结合高、抗疲劳性能好的关键零件再制造。 连杆自动化纳米电刷镀再制造生产专机 手工电刷镀生产效率低、劳动强度大、质量稳定性较差。为此，研发了自动化纳米电刷镀技术。 通过创新，针对发动机连杆、缸体等典型零件的再制造产业化问题，在国内外首次研制成功重载斯太尔发动机连杆和缸体再制造的自动化纳米颗粒复合电刷镀专机。a.自动化纳米颗粒复合电刷镀技术发动机缸体汽缸筒自动化纳米电刷镀再制造专机 该专机突破了国外发动机缸体缸筒只能采用尺寸修理法和换件加衬套修复，且修复次数有限
20、的局限，显著延长了缸体服役寿命，再制造后的性能超过了新品。实现了节能、节材、减排的重大效益。发动机缸体高速电弧喷涂焰流 高速电弧喷涂技术是指高压空气通过高速喷管加速后，将短路的两根金属丝材熔化后的熔滴雾化，并使雾化粒子高速喷射到工件表面形成致密涂层的技术。与普通电弧喷涂技术相比，它喷涂速度高、并具有电弧稳定性好、沉积效率高、涂层组织致密和结合强度号等特点，可以制备耐磨、防腐及生物相容性涂层。b.自动化高速电弧喷涂技术喷涂丝基体+-涂层喷涂丝雾化气体原理示意图 自动化高速电弧喷涂技术，采用机器人或操作机的操作臂夹持喷枪，通过红外温度场监测和编程控制高速电弧喷枪实现各种规划路径，实时反馈调节喷涂工
21、艺参数，实现自动喷涂作业的智能控制。红外热像仪监测喷涂温度场自动化高速电弧喷涂系统构成自动化高速电弧喷涂再制造发动机曲轴生产现场自动化高速电弧喷涂再制造车间 自动化高速电弧喷涂技术已成功应用于发动机再制造生产线，再制造生产汽车发动机曲轴和缸体等重要零部件，提高了再制造生产质量和效率。 自动化微束等离子弧熔覆技术是以微束等离子弧为热源，对由变位机夹持的零部件表面进行熔覆，实现零部件修复或再制造的表面技术。 自动化微束等离子弧熔覆系统由微束等离子电源、操作机、变位机、送粉系统及供气系统组成。11.等离子电源，2.操作机变位机控制器，3.送粉器，4.离子气，5.保护气，6.操作机，7.变位机，8.等
22、离子熔覆枪，9.水冷机。23456789c.自动化微束等离子弧熔覆技术 利用70KHz高频逆变微束等离子电源，高于目前通常采用的20KHz逆变频率，从而减少了设备的体积，提高了系统的响应特性，使得微束等离子弧的工作更加稳定。 高频逆变微束等离子电源正面图 半自动化微束等离子熔覆系统 利用该技术对斯太尔发动机废旧排气门密封锥面进行了再制造。再制造后气门变形量小，表面硬度恢复到新品数值，力学性能满足要求。每只新品排气门价值70元，而再制造一个废旧排气门的成本约为10元。 多个废旧气门待熔覆 熔覆再制造并机加后的气门 研制成功“装备特殊材料零件机器人等离子再制造方舱”，以六自由度机器人和二自由度变位
23、机为执行机构，能够满足复杂形状零件的再制造。 该套方舱自动化程度高，可以实现装备零件的现场修复与再制造，减少再制造零件的后加工余量。 车载方舱外形方舱内部工作情形正在进行等离子熔覆d.自动化激光熔覆技术 自动化激光熔覆技术是指采用工业机器人或操作机在规定的程序控制下自动完成零件损伤部位的修复和再制造的表面技术。 自动化激光熔覆技术在对损伤零件进行修复和再制造时，具有可自由选区修复、零件基体变形小、修复部位和基体为冶金结合、修复部位力学性能好、后加工余量小等诸多优点。 利用自动化激光熔覆技术成功完成了齿面磨损失效严重的重载齿类零件的再制造，解决了再制造过程中熔覆层开裂、基体局部过热、熔覆齿面尺寸
24、精度保证和性能提升等重大难题，激光熔覆再制造后齿面的耐磨性能、抗接触疲劳性能均达到了新品零件服役性能要求。机器人操作的激光熔覆成形 探索将大功率光纤耦合固体激光器和半导体激光器用于装备零件的野外现场快速再制造，突破了激光熔覆技术野外现场作业的技术瓶颈，解决了快速成形再制造新材料、再制造零件成形精度控制、再制造性能控制等关键技术及其基础理论问题。 左图为机器人操作的光纤耦合固体激光器系统，右图为操作机操作的激光直接输出半导体激光器。机器人机器人光纤耦合固光纤耦合固体激光器体激光器冷却水箱冷却水箱半导体激光器半导体激光器 光纤耦合固体激光器系统 操作机操作的激光直接输出半导体激光器 2008年，世
25、界各国在美国达成了“全球2028机械工程展望”的共识，即全球应共同为了创造一个“更清洁、更健康、更安全和可持续发展”的世界而努力奋斗。 20年后，自主创新的中国特色再制造仍是我国循环经济与可持续发展的重要技术支撑之一。2028年机械工程展望 未来20年的机械工程结 论 再制造是循环经济的重要技术支撑，是对废旧产品进行高技术修复、改造的产业化。再制造的重要特征是再制造产品质量和性能不低于新品，有些能超过新品，成本却只是新品的50%，节能60%，节材70%，对环境的不良影响显著降低。 再制造在我国得到快速发展，有关再制造的法律法规、基础理论、关键技术、行业标准等不断完善，尤为重要的是，再制造的产业试点已全面铺开。 产品质量是再制造的生命，先进的表面工程、纳米表面工程、自动化表面工程技术和严格的无损检测及寿命预测技术是再制造产品质量制备的有力保证。 国外再制造采用的是换件修理法和尺寸修复法；而我国探索形成了“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。结 论
