徐滨士:面向生态文明建设的再制造工程及应用

来源:二局科学道德办公室   发表时间:2014-01-09

[ 字号  ]

来源:中国科学报 时间:2014-01-06

 

    再制造作为我国循环经济与国际可持续发展的重要技术支撑之一,其重要作用和关键技术在未来20年后仍是重点发展领域。

 

    党的十八大提出建设生态文明,再制造符合国家发展战略。国家“十二五”发展规划确定以科学发展为主题,以加快转变经济发展方式为主线。再制造产业已成为我国的战略性新兴产业,成为节能环保产业的重要组成。

 

    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”的自主创新的再制造产业模式。

 

    再制造的内涵及特点

 

    到目前为止,发达国家经过了近百年的时间完成了狩猎文明向农业文明、农业文明向工业文明的两次转型,第三次转型由工业文明向生态文明转型,尚处于初级阶段。

 

    1978年十一届三中全会开始的经济体制改革全面提高了社会主义经济效率,创造了更多的物质财富,促进经济增长,是我国从农业文明向工业文明转型的里程碑。

 

    改革开放后高强度的工业文明建设使我国的经济持续高速增长了35年,创造了人类经济史上的奇迹。但西方国家早期对自然资源掠夺性开采和污染物随意排放等导致的生态急剧退化和环境严重污染等一系列弊端,也在我国重现。因此,迫切需要进行第二次改革。

 

    第一次改革提出“不管黑猫白猫,抓到老鼠就是好猫”,第二次改革则应提出“不管黑猫白猫,污染环境就不是好猫”。

 

    近年来,国家提出大力发展循环经济,并于2004年召开“全国循环经济工作会”,再制造引起高度重视。

 

    党的十八大提出:将生态文明建设与经济建设、政治建设、文化建设、社会建设并列,“五位一体”地建设中国特色的社会主义。特别提出,我国资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化,必须要把生态文明建设放在突出地位,坚持节约资源和保护环境的基本国策。

 

    绿色低碳的再制造将为经济发展方式转变提供技术支撑,是促进生态文明建设的途径之一。

 

    中国自主创新再制造的重要特征

 

    再制造是废旧机电产品高技术维修改造和产业化,其重要特征是:再制造后的产品质量和性能不低于新品,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,旧件再制造率低。

 

    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。

 

    举例来说,车辆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60年代,由于堆焊修复会变形,大修技术条件规定必须报废。进入80年代,通过采用等离子喷涂及自熔剂合金新材料,完成了行星框架的再制造。经6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。

 

    再制造具有巨大的效益。比如,近年来,宝钢公司突破传统的备件采购模式和日本的备件管理模式,采用激光技术在现场对轧辊、叶片等大型贵重机械类零部件进行再制造,提高了产品质量和可靠性,延长了产品使用寿命,减少了备件库存,节能节材效果显著。已创造经济利润1000万元,节约采购和库存保管经费10亿元。

 

    另外,根据统计,2011年我国仅14家汽车再制造企业的再制造产值规模就已达25亿元。

 

    2013年,《国务院关于印发循环经济发展战略及近期行动计划的通知》中提出,到2015年末,实现年再制造发动机80万条,变速箱、启动机、发电机等800万件,工程机械、矿山机械、农用机械等20万台套,实现再制造产值500亿~800亿元。

 

    国家政策与再制造的发展

 

    2005年,国务院颁发的21号、22号文件中均指出:国家将“支持废旧机电产品再制造”,并把“绿色再制造技术”列为“国务院有关部门和地方各级人民政府要加大经费支持力度的关键、共性项目之一”。

 

    2009年1月,《中华人民共和国循环经济促进法》正式生效。该法在第2、第40及第56条中六次阐述再制造,标志着再制造已进入国家法律。

 

    该法第40条指出:“国家支持企业开展机动车零部件、工程机械、机床等产品的再制造。”2010年5月,国家发改委、科技部、工信部、公安部、财政部、商务部等11个部委联合下发《关于推进再制造产业发展的意见》,指导全国加快再制造的产业发展,并将再制造产业作为国家新的经济增长点予以培育。

 

    2010年10月,国务院发布《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,推进战略型新兴产业发展。

 

    战略性新兴产业是指以重大技术突破和重大发展需求为基础,对经济社会全局和长远发展具有重大引领带动作用,知识技术密集、物质资源消耗少、成长潜力大、综合效益好的产业。

 

    节能环保产业被列为七大重点发展领域之一,再制造是节能环保产业的重要内容。

 

    2011年3月,国家发布《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》。《纲要》明确要求,未来五年中,应“推进再制造产业发展;开发应用再制造关键技术,推广循环经济典型模式。

 

    自主创新的再制造质量控制与关键技术

 

    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。

 

    1.再制造产品的质量控制。其中,再制造毛坯的质量控制,必须通过寿命评估预测技术来实现。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。

 

    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。

 

    2.再制造的支撑技术。需要注意的是,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。

 

    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阶段:复合应用两种或多种表面技术,起到“1+1>2”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。

 

    3.自动化表面工程技术。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,开发了自动化表面工程技术,进一步提高了表面涂层的性能和再制造质量。

 

    其中,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。自动化高速电弧喷涂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。

 

    a.自动化纳米颗粒复合电刷镀技术。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。通过自主创新,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。

 

    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。

 

    b.自动化高速电弧喷涂技术。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,它的喷涂速度高,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高等特点,可以制备耐磨、防腐及生物相容性涂层。

 

    自主创新的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艺参数,实现自动喷涂作业的智能控制。

 

    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。

 

    c.自动化微束等离子弧熔覆技术。自动化微束等离子弧熔覆技术则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。

 

    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。

 

    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完成了磨损失效严重的齿轮和凸轮轴等零件的再制造,解决了再制造过程中熔覆层开裂、基体局部过热、熔覆尺寸精度保证和性能提升等难题。

 

    再制造产业发展的前沿问题

 

    展望未来,中国的再制造应从四个方面予以重点突破,即研究再制造质量控制的科学基础,创新再制造成形加工的关键技术,制定再制造的行业标准,探索加强国内外再制造技术的交叉融合。

 

    (1)研究再制造质量控制的科学基础。寿命评估是再制造质量控制的核心研究内容,建立准确的再制造寿命预测模型,需要深入研究探索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,以揭示产品寿命演变规律的科学本质。

 

    (2)创新再制造先进成形加工的关键技术。需要不断创新研发用于再制造的先进表面工程技术群,使再制造零件表面涂层的强度更高、寿命更长,确保再制造产品的质量不低于和超过新品。现已开发成功纳米表面工程技术和自动化表面工程技术,除对它们进一步完善外,还需研发生物表面工程技术等新的方向。

 

    (3)制定再制造的行业标准。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,在一定程度上阻碍了再制造的广泛应用。应尽早建立系统、完善的再制造工艺技术标准、质量检测标准等体现再制造走向规范化的标准体系。

 

    (4)加强国内外再制造的交叉融合。借鉴国外再制造产业发展模式,加快推进国内再制造产业发展;借鉴国外再制造逆向物流与信息化管理手段,完善国内再制造流通管理;发展中国自主创新的表面工程与修复技术,加强再制造工艺手段的应用;探索加强中国自主创新的再制造质量控制方法与标准交叉融合。

 

    2011年,中国机械工程学会组织30余名院士、100余位专家编写出版了面向未来20年的《中国机械工程技术路线图》,指出2030年我国机械制造技术主要方向为“绿色、智能、超常、融合、服务”。

 

    可以想见,再制造作为我国循环经济与国际可持续发展的重要技术支撑之一,其重要作用和关键技术在未来20年后仍是重点发展领域。

 

    作者简介:

 

    徐滨士,中国工程院院士,装备维修工程、表面工程和再制造工程领域知名专家,曾任装甲兵工程学院副院长。

版权所有:中国工程院  网站标识码:bm50000001  备案号:京ICP备14021735号-3  京公网安备 11010202008133号
地址:北京市西城区冰窖口胡同2号  邮政信箱:北京8068信箱  邮编:100088  工程院位置图
电话:8610-59300000  传真:8610-59300001  邮箱:bgt@cae.cn