《再制造工程》PPT课件.ppt

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1、再制造技术简介,再制造,主要内容：,一、再制造技术的概念 二、国内外再制造的最新发展 三、再制造的研究内容 四、表面工程技术 五、常用再制造修复技术 六、国内再制造的具体研究成果,一、再制造技术的概术,1.1 再制造技术概述 再制造则是通过对没有损坏的零部件继续使用，把局部损伤的零件采用先进的表面工程技术等手段通过再制造加工而继续使用，并针对不同的失效原因采取相应的措施使机器的使用寿命延长，挖掘废旧产品中的潜在附加值是再制造产业的宗旨。,可修复零件,再制造技术,超强新零件,一、再制造技术的概术,1.1.1 再制造类型,再制造加工、产品性能升级,1.1.2 再制造特点,再制造不同于维修，属于绿色

2、制造，具有自身独立的学科方向,再制造工程的理论基础是以产品的再制造性评价、失效分析和寿命预测为核心。其重点内容包括：1）再制造性评价与设计 2）产品失效机理分析 3）产品剩余寿命评估 4）再制造加工技术,1.1.3 再制造工程基础理论,一、再制造技术的概术,一、再制造技术的概术,产品设计,制造,使用,维修,报废处置,再使用,再制造,再循环,环保处理,原材料,1.2 再制造工程在产品全寿命周期中的位置,发动机的再制造与初始制造对比,一、再制造技术的概术,1.3 再制造与制造比较,1.3.1 节约材料与加工耗能 据我国第一家再制造领域的循环经济示范试点企业济南复强再制造公司的数据统计，若每年再制造

3、5万台斯泰尔发动机，可节省3.825 万t 金属，回收附加值16.15 亿元，可节电7 250 万kWh，实现利税1.45亿元，减少CO2 排放3 000 t。1.3.2 节省机械运行维护费用 经对再制造的纳米减摩自修复添加剂运用效果的统计，若在1 000 台斯太尔重型卡车上推广该技术，1 年（行驶5 万km）可节约柴油800 t 左右，约合400万元；节约润滑油50 t，约合60 万元；节约机件磨损、维修成本等200 万，共节省费用660 万元。,一、再制造技术的概术,国防,民用,再制造的对象,可以是设备,系统,设施,零部件,硬件与软件,一、再制造技术的概术,1.4 再制造加工技术先进表面工

4、程技术再制造毛坯快速成型技术纳米减磨自修复材料修复热处理技术产品性能升级技术,一、再制造技术的概术,退役发动机,清洗,不可再制造件,再制造发动机,整机测试,装配,合格件,报废,不合格件,完好件,原厂新配件,报废,易 损 件,可再制造件,技术升级、改造件,一、再制造技术的概术,1.5 发动机再制造工艺流程示意图,包装,拆解,检测,再制造加工,检测,二、国内外再制造的最新发展,2.1 国外再制造情况 欧美委员会规定废旧汽车到2015年达到95%，目前为85%。1996年美国专业化再制造公司有73000个，每年销售额超530亿美元，直接雇员48万。欧美国家的再制造，在再制造设计方面，主要结合具体产品

5、，针对再制造过程中的重要设计要素如拆卸性能、零件的材料种类、设计结构与紧固方式等进行研究。,2.2 国内再制造情况 徐滨士院士率先提出再制造工程的问题，我国再制造产业发展虽晚，但势头非常好，目前已成为世界上最 重要的再制造中心之一，而且在基础理论研究与技术应用开发方面走在了世界前列。在中国率先提出“再制造”的概念仅2008年一年，在机械产品领域，就有近30家再制造企业挂牌，如二汽康明斯发动机再制造公司、广西玉柴发动机再制造公司等。目前，发动机再制造企业济南复强动力有限公司是我国最大的再制造企业，专门从事斯太尔、康明斯、三菱等种类型号，尤其是重型汽车发动机的再制造。,二、国内外再制造的发展,2.

6、3 再制造的迫切性,我国已进入机械装备和家用电器报废的高峰期，再制造势在必行。目前全国役龄10年以上的传统旧机床超过200万台，80%的 在役工程机械超过保质期；年报废汽车约 500万辆，报废电脑、电视机、电冰箱1600万台，报废手机2000万部，每年产生约8亿吨固体废物。上述设备均有进行再制造的巨大潜力。,二、国内外再制造的发展,二、国内外再制造的发展,2.4 再制造的重要意义 为了缓解有限资源和过度消耗之间的矛盾，最大限度地利用废旧产品的剩余价值，中国在总结世界各国经验的基础上，创造性地提出具有中国特色的4R体系（Reduce减量化、Reuse再利用、Recycle再循环、Remanufa

7、cture再制造）。再制造产品的质量和性能达到或超过原型新品，成本不超过原型新品的50，节能60、节材70，对环境的不良影响显著降低，有力促进了资源节约型、环境友好型社会的建设1。上述特征可概括为：“两型社会、五六七”。,三、再制造的研究内容,在产品设计阶段，要考虑产品的再制造性设计。在产品的服役至报废阶段，要考虑产品的全寿命周期信息跟踪。在产品的报废阶段，要考虑产品的非破坏性拆解、低排放式物理清洗。,3.1 再制造的内容,要进行零部件的失效分析及剩余寿命演变规律的探索；要完成零部件失效部位的具有高结合强度和良好摩擦学性能的表面涂层的设计、制备与加工，以及对表面涂层和零部件尺寸超差部位的机械平

8、整加工及质量控制等。,三、再制造的研究内容,三、再制造的研究内容,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,3.2 需要独立解决的科学和技术问题,三、再制造的研究内容,1,2,3,4,加工对象更苛刻主要有：锻焊、热处理、铣磨件 尺寸差、残余应力、内部裂纹、表面变形等缺陷,前期处理更繁琐再制造的毛坯必须去除油污、水垢、锈蚀层及硬化层,质量控制更困难再制造毛坯寿命预测和质量控制，因毛坯损伤的复杂性和特殊性而使其非常困难,工艺标准更严格再制

9、造过程中废旧零件的尺寸变形和表面损伤程度各不相同，必须采用更高技术标准的加工工艺,4.1 表面工程的内涵及功能 表面工程是一项系统工程:因为表面工程是以表面科学为理论基础，以表面和界面行为为研究对象，首先把互相依存、相互分工的零件基体与零件表面构成一个系统，同时又综合了失效分析、表面技术、涂覆层材料、预处理和后加工、表面检测技术、表面质量控制、使用寿命评估、表面施工管理、技术经济分析、三废处理和重大工程实践等多项内容。,四、表面工程技术,4.2 表面工程在不同领域的功能,机械类产品：提高零件表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗疲劳等性能。电子电器元件：提高元器件表面的电、磁、声、光等特殊物理性能。生物医

10、学材料：提高人造骨骼等人体植入物的耐磨性、耐蚀性及生物兼容性。工艺品：提高耐蚀性和美观性。,四、表面工程技术,表面工程技术,表面改性,表面处理,表面涂覆,复合表面技术,纳米表面工程,1,2,3,4,5,4.3 分类：,四、表面工程技术,4.3.1 表面改性 表面改性是指通过改变基质表面的化学成份以达到改善表面结构和性能的目的。例如：化学热处理、离子注入、渗氮、渗碳处理等。,四、表面工程技术,表面改性技术,扩散渗入,（化学热处理）,离子注入,转化膜技术,非金属元素表面渗扩,金属元素表面渗扩,复合元素表面渗扩,非金属离子注入,金属离子注入,复合离子注入,电化学转换膜,化学转换膜,金属着色技术,4.

11、3.2 表面处理 表面处理：不改变材质成分，只改变基质材料的组织结构及应力，以改善性能。如：表面淬火，喷丸辊压等。,四、表面工程技术,表面处理技术,表面淬火处理,表面变形处理,表面纳米加工技术,感应加热表面淬火,激光加热表面淬火,电子束加热表面淬火,喷丸,辊压,孔挤,4.3.3 表面涂覆 在基质材料表面制备涂覆层，即表面涂覆是在基质表面上形成一种膜层。涂覆层的化学成分、组织结构可以和基质材料完全不同，它以满足表面性能、涂覆层与基质材料的结合强度能满足工况、经济、环境好为准则。如化学气相沉积（CVD)、物理气相沉积（PVD）热 喷涂、堆焊等、电镀、化学镀等。,四、表面工程技术,4.3.4 复合表

12、面工程技术 复合表面工程技术是对上述三类表面工程技术的综合运用。复合表面工程技术是在一种基质材料表面上采用了两种或多种表面工程技术，用以克服单一表面工程技术的局限性，发挥多种表面工程技术间的协同效应，从而使基质材料的表面性能、质量、经济性达到优化。,四、表面工程技术,表面改性,表面处理,表面涂覆,复合表面工程技术,4.3.5 纳米表面工程技术 纳米表面工程技术是充分利用纳米材料、纳米结构的优异性能，将纳米材料、纳米技术与表面工程技术交叉、复合、综合，在基质材料表面制备出含纳米颗粒的复合涂层或具有纳米结构的表层。纳米表面工程技术能赋予表面新的服役性能，使零件设计时的选材发生重要变化，并为表面工程

13、技术的复合开辟了新的途径。,四、表面工程技术,常用再制造修复技术,五、常用再制造修复技术,喷涂修复技术,激光修复技术,电刷镀修复技术,5.1 机械零件的检测和寿命评估技术无损检测手段包括超声波检测、相控阵超声波检测、涡流检测、X射线检测、磁粉检测等。综合分析影响检测结果的各项技术参数，系统优化无损检测技术组合，保障零部件表面及内部的缺陷检出率和检测速度。选择合适的理论和技术，建 立寿命评估分析模型，评估 零部件的剩余寿命。,五、常用再制造修复技术,激光雷达,五、常用再制造修复技术,5.1 激光修复技术,激光切割,五、常用再制造修复技术,激光美容,五、常用再制造修复技术,5.1 激光修复技术原理

14、 激光是由受激辐射引起的并通过谐振“放大”了的光。实用激光器有红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳气体激光器。,五、常用再制造修复技术,产生原理：在电管中以光或电流的能量来撞击某些晶体或原子易受激发的物质，使其原子的电子达到受激发的高能量状态，当这些电子要回复到平静的低能量状态时，原子就会射出光子，以放出多余的能量；而接着，这些被放出的光子又会撞击其它原子，激发更多的原子产生光子，引发一连串的连锁反应，并且都朝同一个方前进，形成强烈而且集中朝向某个方向的光。,5.1.1 激光在激光谐振腔中的产生过程：,(100%反射率),(95%反射率）,激光输出,可调高压直流电源,CO2 分子,阴极,阳极,

15、两块平行的、间距为波长整数倍的反射镜筛选出我们所需要的光子形成优质的激光光束。CO2激光介质通过混合气体使其具有更好的特性。N2（氮分子）使得介质拥有更高的激发率He（氦）用于改善介质的导热特性,五、常用再制造修复技术,工件的激光切割由工作台和/或切割头的移动来实现,五、常用再制造修复技术,5.2 激光表面处理 采用激光表面处理可以解决某些其他表面处理方法难以实现的技术目标。例如细长钢管内壁表面硬化，成型精密刀具刃部超高硬化，模具合缝线强化，缸体和缸套内壁表面硬化等等。采用激光热处理的经济效益显著优于传统热处理，例如汽车转向器壳体激光淬火（相变硬化）和锯齿激光淬火等。5.2.1 应用举例 激光

16、表面处理技术在汽车行业应用极为广泛，在许多汽车关键件上，如：缸体、缸套、曲轴、凸轮轴、派启发、阀座、摇臂、铝活塞环槽等几乎都可以采用激光热处理。例如：美国通用汽车公司用十几台千瓦级CO2激光器，对换向器壳内壁局部硬化，日产3万套，提高工效四倍。我国采用大功率CO2激光器对汽车发动机进行缸孔强化处理，可延长发动机大修里程到15万公里以上，一台汽缸等于三台不经处理的汽缸。,五、常用再制造修复技术,5.3 激光表面处理技术 分类 激光相变硬化（淬火）和退火 激光熔凝 激光熔覆和合金化 激光冲击硬化等,五、常用再制造修复技术,5.3.1 激光淬火/覆照相变硬化 原理 激光覆照相变硬化也叫激光表面淬火。

17、它以高能密度的激光束快速照射材料表面，使其需要硬化的部位瞬间吸收光能并立即转化为热能，使激光作用区的温度急剧上升到相变温度以上，形成奥氏体。此时工件基体仍处于冷态并与加热区之间的温度梯度极高。因此，一旦停止激光照射，加热区因急冷而实现工件的自冷淬火。从而提高材料表面的硬度和耐磨性。应用举例 激光覆照相变硬化一般采用大功率的二氧化碳连续激光器。目前已广泛应用到汽车发动机气缸、机床导轨及齿轮齿面的热处理中。,五、常用再制造修复技术,五、常用再制造修复技术,激光表面淬火,5.3.2 表面淬火 优点 自冷淬火 可实现自冷淬火，不需水或油等淬火介质，避免了环境污染。加工柔性高 对工件的许多特殊部位，例如

18、槽壁、槽底、小孔、盲孔、深孔以及腔筒内壁等，只要能将激光照射到位，均可实现激光淬火。自动化程度高 工艺过程容易实现生产自动化。,五、常用再制造修复技术,5.4 激光表面合金化 原理 激光表面合金化是在高能束激光的作用下，将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，使母材与合金材料同时熔化，形成表面合金层，从而使基体表层具有特定 的合金成 分的技术。换 句话讲，它是一种 利用激光改变金属或合金表面化学 成分的技术。,五、常用再制造修复技术,5.4.1 激光表面合金化 优点 可以节约大量具有战略价值贵重元素、形成具有特殊性能的非平衡相或非晶态、晶粒细化、提高合金元素的固熔度和改善铸造零件的成分偏析。5.

19、5 激光熔覆 原理 激光熔覆与激光合金化的原理一致，它是利用激光在基体表面覆盖一层具有特定性能的涂覆材料。这类涂覆材料可以是金属和合金，也可以是非金属，还可以是化合物及其混合物。在涂覆过程中，涂覆层与基体表面通过熔合结合在一起，激光熔覆的方式与激光合金化相似。获得的涂层可以提高材料表面的耐蚀、耐磨、耐热、减磨以及其他特性。,五、常用再制造修复技术,5.6 激光冲击强化 原理 工件表面涂上一层不透光材料（涂层），再覆盖一层透光材料（约束层），高功率密度短脉冲（纳秒级）强激光透过约束层照射金属材料表面。涂层在极短时间内产汽化电离成高温高压的等离子体；由于约束层存在，等离子体的膨胀受限，产生向金属内

20、部传播的强冲击波，使金属材料表层发生塑性变形，形成激光冲击强化区；从而改善金属材料的机械性能。,五、常用再制造修复技术,五、常用再制造修复技术,5.6.1 激光冲击强化优点 与其他激光表面处理比较，激光冲击处理的突出优点是没有向材料内部的热传递，因此没有热影响区。5.7 激光熔凝 原理 激光熔凝是将激光束加热工件表面熔化到一定深度，然后自冷使熔层凝固，获得较为细化的均质组织和所需性质的表面改性技术。,五、常用再制造修复技术,5.7.1 激光熔凝 特点 表面熔化时一般不添加任何合金元素，熔凝层与材料基体是天然的冶金结合。在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的组织有较高的硬度、

21、耐磨性和抗蚀性。其熔层薄，热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有时可以不再进行后续磨光而直接使用。,五、常用再制造修复技术,5.8 电刷镀修复技术,五、常用再制造修复技术,电镀修复技术是利用电解方法使电解液中的金属离子在零件表面上还原成金属原子并沉积在零件表面上形成具有一定结合力和厚度镀层的一种方法。电刷镀溶液制备是电刷镀的关键技术之一目前商品化的电刷镀液达130余种合金电刷镀液：二元合金 Ni-P Ni-W Ni-Co Co-Mo Co-W 三元合金 Ni-W-Co Ni-W-P Ni-Fe-W Ni-Fe-Co非晶态电刷镀液：主要集中于Ni基含P、W、Co的镀层，其中的硬质性颗 粒

22、具有弥散增强作用。,5.8.1 电刷镀原理采用专用的直流电源设 备，电源的正极接镀笔，负极接工件镀笔通常采用高纯石墨 块作阳极材料，外包棉 花或涤棉套基本变化过程金属离子在液相中传质，到达阴极表面边界层金属离子穿过阴极表面边界层完成表面转化与阴极的电子交换，金属原子被还原成吸附态金属原子后续表面转化，金属原子结晶,五、常用再制造修复技术,5.8.2 电刷镀镀液 电刷镀镀液的分类预处理液 去除被镀金属表面油污、锈蚀、氧化层和各种杂质 包括电净液、活化液电沉积金属镀液 单金属镀液 合金镀液退镀镀液 从工件表面腐蚀去除金属或多余镀层的溶液钝化和阳极化镀液 在工件表面生成致密氧化膜特殊用途的镀液 在工

23、件表面获得各种特殊功能的表面层，如抛光、染色发黑、防变色等,五、常用再制造修复技术,五、常用再制造修复技术,修复实例,五、常用再制造修复技术,修复实例,五、常用再制造修复技术,修复实例,五、常用再制造修复技术,5.9 喷涂修复技术,5.9.1 热喷涂及其分类,以热源为主分类：1）电弧喷涂、2）火焰喷涂、3）等离子喷涂和 4）特种喷涂。热喷涂：利用热源将喷涂材料加热至熔融状态，并通过气流吹动使其雾化后高速喷射到零件表面，形成特定的涂层，以提高工件的性能的表面技术。热源：气体、液体燃料，电弧、等离子、激光等。材料：金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、塑料等。性能：耐磨、耐热、耐蚀、抗氧化、隔热、

24、导电、绝缘、密封等。,涂层厚度：5 mm 5 mm.,五、常用再制造修复技术,5.9.2 热喷涂的一般原理 实际上就是用一种热源，如电弧、离子弧或燃气燃烧的火焰等将粉状或丝状的固体材料加热熔融或软化，并用热源自身的动力或外加高速气流雾化,使喷涂材料的熔滴以一定的速度喷向经过预处理干净的工件表面。热喷涂过程中，喷涂材料大致经过以下过程,加热,五、常用再制造修复技术,5.9.3 热喷涂基本工艺流程,1、表面净化2、表面预加工3、表面粗化4、预热5、喷涂底层6、喷涂工作层7、喷后处理,5.9.4 电弧喷涂,五、常用再制造修复技术,以电弧为热源，将金属丝熔化并用高速气流雾化，使熔融粒子高速喷到工件表面

25、形成涂层。,电源：V=40V，I=100-400A平的伏安特性。电弧喷涂枪，送丝装置，气体压缩机。电弧喷涂丝材主要有Al,Zn,Cu,Ni,Mo等及其合金，以及碳钢、不锈钢等。,1.空气接头2.手柄开关3.喷枪体4.导电嘴5.金属丝6.挡弧罩,电弧喷涂枪结构图,五、常用再制造修复技术,5.9.5 火焰喷涂,五、常用再制造修复技术,以气体燃烧热为热源，将金属丝或粉末熔化并雾化而进行的喷涂。1.线材火焰喷涂 2.粉末火焰喷涂,1.燃料气(C2H2)2.助燃气(O2)3.气体流量计4.压缩空气 5.空气过滤器 6.空气控制器 7.线材控制装置 8.喷枪,2,1,4,3,5,6,7,8,线材火焰喷涂装

26、置示意图,五、常用再制造修复技术,1.空气通道 2.燃料气体,3.氧气,4.线材或棒材,5.空气罩,6.气体喷嘴,7.燃烧气体,8.熔融材料9.喷涂束流.,6.1 重要技术突破 在理论基础方面，完善了涂层残余应力的计算方法，探索并初步建立了寿命预测评估模型。研究并初步提出了再制造零部件涂层中残余应力的计算方法；以废旧柴油机曲轴为对象，研究了非线性动力学分析模型，探讨了废旧零部件疲劳试验数据与模型分析数据的映射关系，初步建立了剩余寿命预测模型。,六、国内再制造的具体研究成果,6.2 发展、创新了多项再制造关键技术 研究了高温条件下Fe-Al金属间化合物的形成机理，首次将高速电弧喷涂技术与粉芯丝材相结合的方法应用于再制造零部件的表面修复，实现了Fe-Al（基）金属间化合物的制备与涂层成形一体化技术；发明了一种“双通道、双温区”的超音速等离子喷涂新工艺，解决了涂层熔滴的过熔、夹生及烧损问题；利用具有自主知识产权的高能机械化学法，解决了纳米颗粒在多离子溶液体系中的均匀分散与悬浮稳定的难题，实现了纳米电刷镀过程中非导电的纳米颗粒与导电的基质金属镍的高效共沉积；制备了纳米软金属、纳米氧化物及纳米稀土化合物等多种性能优异的纳米减摩自修复添加剂，初步实现了在装备运行过程中纳米自修复添加剂对磨损部位的原位动态自修复。,六、国内再制造的具体研究成果,