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1、1,工程机械柴油机再制 造技术的研究,2,摘 要,本文主要介绍了工程机械柴油机曲轴的再制造技术。建设资源节约型社会的核心是节约资源与能源，而对废旧机电产品进行再制造是节约资源的重要手段。因此说“绿色再制造工程”的萌生与发展是历史发展的必然产物，也是今后世界经济发展的大势所趋。文中论述了再制造工程的内涵、学科体系及在循环经济中的地位和作用，介绍了再制造工程中最常用的先进表面工程技术。工程机械柴油机的曲轴是其核心部位，对曲轴的再制造能够大大降低生产柴油机的成本。本文以工程机械柴油机曲轴的再制造为例着重介绍了再制造技术在工程机械柴油机再制造方面的应用及巨大的经济,3,摘 要,效益。关键词：工程机械，
2、柴油机，绿色再制造技术,4,第1章 再制造工程概述,1.1再制造工程的内涵 再制造工程是以机电产品全寿命周期设计和管理为指导，以废旧机电产品实现性能跨越式提升为目标，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，对废旧机电产品进行修复和改造的一系列技术措施或工程活动的总称。简单概括，再制造是废旧机电产品高科技维修的产业化。再制造工程的研究对象为废旧机电产品。再制造是在产品报废后，对报废的产品按照规定的标准、性能指标，通过先进技术手段进行系统加工的过程。再制造过程不但能提高产品的使用寿命，而且可以影响、反馈到产品的设计环节，最终达到全寿命周期费用最小，保证产生最高的效益。,
3、5,第1章 再制造工程概述,1.2再制造工艺流程（1）拆解中直接淘汰旧机中简单、附加值低的易损零件，一般这些零件因磨损、老化等原因不可再制造或者没有再制造价值，装配时直接用新品替换。同时要剔除明显损坏且不可修复的零件。（2）清洗拆解后保留的零件，并根据零件的用途和材料，选择不同的清洗方法，如：高温分解、化学清洗、超声波清洗、振动研磨、液体喷砂、干式喷砂等。（3）对清洗后的零件进行严格地检测判断，检测后的零件可分为三类：可直接用于再制造发动机装配的零件，这类零件80%以上可直接应用；可再制造修复的失效零部件，这类零件可再制造率达80%以上；需用新品替代的淘汰零件。,6,第1章 再制造工程概述,（
4、4）对失效零件可利用表面工程技术进行再制造。（5）将全部检测合格的零部件，严格按照新品生产要求装配成再制造产品。（6）对再制造产品按照新机的标准进行整机性能指标测试，应满足新机设计要求。（7）对新机外表喷漆和包装入库，并根据客户订单发送至客户。,7,第1章 再制造工程概述,8,第1章 再制造工程概述,1.3再制造工程的关键技术 废旧产品的再制造过程是通过各种高新技术来实现的。在这些再制造技术中，有很多是及时吸取最新科学技术成果的关键技术，如先进表面技术、微纳米涂层及微纳米减摩自修复材料和技术、修复热处理技术、再制造毛坯快速成形技术，以及过时产品的性能升级技术等。再制造工程的关键技术所包含的种类
5、十分广泛，其中主要技术是先进表面技术和复合表面技术，主要用来修复和强化废旧零件的失效表面。由于废旧零部件的磨损和腐蚀等失效主要发生在表面上，因而各种各样的表面涂敷技术应用最多。,9,第1章 再制造工程概述,微纳米涂层及微纳米减摩自修复技术是以微纳米材料为基础，通过特定涂敷工艺对表面进行高性能强化和改性，或应用摩擦化学等理论在摩擦损伤表面原位形成自修复膜层，这种技术可以解决许多再制造技术中的难题，并使性能大幅度提高。修复热处理是一种通过恢复内部组织结构来恢复零部件整体性能的特定工艺。再制造毛坯快速成形技术是根据零件几何信息，采用积分堆积原理和激光同轴扫描等方法进行金属的熔融堆积。过时产品的性能升
6、级技术不仅包括通过再制造使产品强化、延寿的各种方法，而且包括产品的改装设计，特别是引进高新技术或嵌入先进的部件使产品性能获得升级的各种方法。除上述这些有特色的技术外，通用的机械加工技术也经常使用。,10,第1章 再制造工程概述,1.5再制造能创造巨大价值的原因（1）机器各部件的使用寿命不相等（2）再制造的技术优于原始制造（3）显著的综合效益,11,第2章 先进表面工程技术,2.1表面工程简介 表面工程，是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需要表面性能的系统工程。2.2表面工程的功能（1）提高耐
7、磨性、耐腐蚀、耐疲劳、耐氧化、防辐射性能；（2）提高表面的自润滑性、自修复性能等；（3）改善表面的传热性或隔热性、导电性或绝缘性等；（4）改善表面的导磁性、磁记忆性或屏蔽性等。,12,第2章 先进表面工程技术,2.3表面工程技术的分类（1）表面改性 表面改性是指通过改变基质表面的化学成分以达到改善表面结构和性能的目的。（2）表面处理 表面处理是不改变基质材料的化学成分，只通过改变表面的组织结构达到改善表面性能的目的。（3）表面涂覆 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适应工况要求、经济性好、环保性好
8、为准则。（4）复合表面工程技术（5）纳米表面工程技术,13,第3章 再制造工程与传统维修的比较,再制造是将大量同类的报废产品回收到工厂拆卸后，按零（部）件的类型进行收集和检测，以有剩余寿命的报废零部件作为再制造毛坯，利用高新技术对其进行批量化修复、性能升级，所获得的再制造产品在技术性能上和质量上都能达到甚至超过原机新品的水平。此外，再制造是规模化的生产模式，它有利于实现自动化和产品的在线质量监控，有利于降低成本、降低资源和能源消耗、减少环境污染，能以最小的投入获得最大的经济效益。机电产品再制造的工艺流程与大修有相似之处，但是两者的效果有明显的区别。第一，再制造是规模化、批量化生产，不同于一般的
9、大修。第二，再制造必须采用先进技术和,14,第3章 再制造工程与传统维修的比较,现代生产管理，包括现代表面工程技术、先进的加工技术、先进的检测技术，这是大修难以全面做到的。第三，再制造不仅是恢复原机的性能还兼有对原机的技术改造，而大修一般不包含技术改造的内容。第四，最主要的不同点是再制造后的产品性能要达到原机新品或超过新品，这是前3条不同点的必然结果，或者说是设置前3条的出发点和归宿点。,15,第4章 工程机械柴油机曲轴再制造,4.1柴油机再制造 柴油机再制造，就是指将已达到使用寿命或者即将大修的汽车柴油发动机进行大批量完全拆解，其基础件（包括缸盖、缸体、曲轴、连杆等）经过化学处理、高温分解、
10、物理清洗等方法，除去内、外表面的油垢、水垢、漆层，然后进行全面检测，对不合格品予以淘汰，将符合要求的零部件加工至与新件完全相同的公差尺寸与范围；而易损件（如轴承、活塞、垫片等）则自然报废，更换上正宗原制造厂配套零部件，按要求装配完成后，对柴油机进行严格地冷磨热试，生产出完全符合新发动机各项标准要求的再制造柴油机。在生产再制造柴油机过程中，所采用的清洗、检测、加工、装配、组装、试验等一系列技术的总和就是柴油机再制造技术。,16,第4章 工程机械柴油机曲轴再制造,4.2曲轴的损伤形式 曲轴受汽缸爆发压力作用是断续式的，受到的扭力作用也是波动的，因此旋转运动中伴随有较为激烈的振动，在工作过程中，可能
11、产生疲劳断裂。特别是发动机使用时间较长，曲轴轴承或连杆轴承支承不良时使曲轴受力发生变化，冲击和振动加大，也是疲劳断裂的重要原因。曲轴使用时间较长，轴颈表面会出现裂纹，裂纹在连杆轴颈和曲轴轴颈上均可出现，多集中在轴颈连接过渡圆角处和油孔处等应力集中的地方。由于曲轴转速较高，曲轴轴承和连杆轴承受力较大，因此磨损是不可避免的。轴承应在压力油下工作，轴承中应有,17,第4章 工程机械柴油机曲轴再制造,油膜，在某些情况下发动机缺少润滑油或者润滑油压力不足，有异物进入轴承中，均会加速轴承的磨损。曲轴的磨损，有主轴颈的磨损和连杆轴颈的磨损，并以连杆轴颈磨损较大，连杆轴颈上侧受压面磨损最大，相比较而言连杆轴颈
12、受力大，轴承滑磨速度更高。4.3曲轴再制造 曲轴是重载装备车辆发动机中价值较高的零件之一，重量约为发动机的10%，成本约为整机的10%20%，所以曲轴的报废将大大降低发动机的再制造附加值。曲轴工作时承受着周期性的气体压力、往复惯性力和离心力的作用，同时还承受拉、压、弯、扭等周期交变应力作用和扭转振动，,18,第4章 工程机械柴油机曲轴再制造,曲轴的磨损是其主要失效形式，主轴颈与连杆轴颈的磨损是不均匀的。基于这些工况分析，认为电弧喷涂高性能涂层可实现曲轴的再制造。高速电弧喷涂是以电弧为热源，将熔化的金属丝材用高速气流雾化，喷射到工件表面形成涂层的一种工艺，与其他热喷涂技术相比，高速电弧喷涂技术具
13、有沉积效率高、能耗低、经济性好、涂层组织致密等优点，尤其是用在再制造与快速成形领域。（1）曲轴再制造的喷涂材料与工艺 根据曲轴的工作条件，分析认为修复曲轴轴颈磨损部位的喷涂层应具备较好的结合强度及适宜的硬度等。过高的涂,19,第4章 工程机械柴油机曲轴再制造,层硬度同时也会加大后续工作的难度，加速对偶件的磨损，涂层硬度过低则会降低再制造曲轴的使用寿命。为此，使用综合性能较好的Fe-Al基复合涂层。（2）自动化高速电弧喷涂 首先，对喷涂运行的路径和喷涂的工艺进行规划设计。采用示教再现方式对机器人运行路径进行规划设计。示教再现方式先在待喷涂零件上选定一些关键点，在示教模式下将喷枪按顺序移动至这些关
14、键点处，并调好姿态，机器人便可按照设定的插补方式沿着关键点运动并连成轨迹，在合适的位置输入喷涂作业命令后，机器人便可以在再现模式下完成喷涂的自动化作业。,20,第4章 工程机械柴油机曲轴再制造,采用的路径编程方案是以变位机装夹曲轴，实现机器人和变位机间的联动，即机器人末端手臂装夹喷枪，喷枪的运动姿态根据变位机带动曲轴的转动而改变。当喷涂主轴颈时，由于主轴颈和变位机转动轴同心，喷枪的运动轨迹为直线平移；当喷涂连杆轴颈时，由于不同心，喷枪的运动轨迹变为椭圆，且随连杆的转动，喷枪始终垂直于轴颈的表面均匀喷涂。程序调试完毕后，进行喷涂试验，设计主要工艺参量如表4.1所示。表4.1 编程设计参量,21,第4章 工程机械柴油机曲轴再制造,图4.1为机器人自动化喷涂曲轴过程照片。结果发现，喷涂很稳定，而且涂层比较均匀，未发现过热现象，轴颈中间和边缘的涂层厚度波动较小，喷涂后的照片如图4.2所示。制备完涂层之后，还需要进行磨削加工。观察涂层加工性能，以及加工后涂层的质量情况，保证加工后曲轴各方面指标达到要求。,22,第4章 工程机械柴油机曲轴再制造,图4.1 机器人自动化喷涂发动机曲轴过程照片,23,第4章 工程机械柴油机曲轴再制造,图4.2 喷涂后的曲轴照片,
