文献综述

                     ------------再制造机床关键部件剩余寿命预测

 

  机床再制造领域第一项国家标准《绿色制造金属切削机床再制造技术导则》已经获批，有望近期正式“上岗”。

 “该标准是一个基础标准，它的核心内容是对企业生产再制造机床的流程做出详细规定，同时重点对一些核心指标提出要求，对于从事机床再制造的企业，能起到很好的指导作用。”标准主要起草人、中国机电装备制造维修与改造技术协会副理事长、重庆大学绿色制造技术研究所所长曹华军表示。

　目前，我国新机床产品开发能力与水平持续提升，在高端数控机床的一些核心制造领域也已经取得重要突破。但是，机床再制造的发展步伐却十分缓慢，与我国机床工业大国的地位很不相称。2009年12月，工信部公布首批机电产品再制造试点单位，其中包括5家机床再制造试点企业。2010年5月，发改委、科技部等11部门将机床等列为推进再制造产业发展的重点领域。

　“我国以前很多的机床再制造，是在维修与改造基础上发展起来的，很多企业对机床再制造并没有完整的认识，设备、流程等很不规范，质量也没有保证，客观上制约了市场对再制造机床产品的认同，阻碍了机床再制造产业的发展。”曹华军说，首个国标的出台，对于规范企业的生产流程，提供了规范，也为其他相关标准的出台，奠定了基础。

  再制造的内容有在产品设计阶段，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。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整加工及质量控制等。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。表面工程技术又包括： 喷涂修复技术，电刷镀修复技术，激光修复技术，纳米表面工程技术。主要用于轴类及一些贵重零件修复技术。

  需要独立解决的科学和技术问题：1、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；2、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；3、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；4、工艺标准更严格再制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。

  表面工程技术：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。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。

  表面工程技术分为：表面改性，表面处理，表面涂覆，复合表面技术，纳米表面工程。（一）、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。表面改性技术有：1、扩散渗入：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；2、离子注入：非金属离子注入，金属离子注入，复合离子注入；3、转化膜技术：电化学转换膜，化学转换膜，金属着色技术。（二）、表面处理：1、表面淬火处理：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；2、表面变形处理：喷丸，辊压，孔挤；3、表面纳米加工技术。（三）、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）、复合表面工程技术，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。（五）、 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，并为表面工程技术的复合开辟了新的途径。

  在进行再制造时要对机械进行评估：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。2、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。

  常用的再制造技术有：激光修复技术，电刷镀修复技术，喷涂修复技术。

  作为循环经济和绿色制造的典范，再制造近年来在全世界大受欢迎，也成为国家重点扶持和大力发展的产业之一，包括汽车零部件、机床等多个行业，都在积极进行再制造产业的探索与发展。

　曹华军告诉笔者，与汽车零部件等产业的再制造不同，机床再制造属于整机产品再制造，作为一个有着悠久历史的制造产业，机床虽然在智能化、数字化等方面发展迅速，但在机械动作方面，并没有很大的改变，这为再制造提供了很好的发挥空间，一个机床产品80%的资源都可重复利用，其再制造出来的产品，有可能比新机床的性能和质量还要好。

　资料显示，目前，我国机床保有量达800多万台。若保守估计，按3%的年机床报废淘汰率计算，每年将有20多万台机床报废、闲置、技术性或功能性淘汰，约占每年我国新机床产量（40万~50万台）的一半左右。在“十二五”期间，将有100多万台机床面临各种形式的报废。这些机床都可以通过再制造重新循环再利用，从而形成了巨大的市场需求。

　据了解，欧美发达国家机床再制造已成为再制造产业的重要组成部分，美国有300多家专业从事机床再制造的企业，而且这些再制造企业又针对大型多功能机、齿轮加工机、金属切削机床等不同的机床产品进行了专业化的分类。德国、日本等也广泛开展了机床再制造业务。

在理论基础方面，完善涂层残余应力的计算方法，探索并初步建立寿命预测评估模型。研究并初步提出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，初步建立剩余寿命预测模型。