夏奎，孟慶龍，何佳穎，郝悅

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

前言

《中國(guó)制造2025》中提出的全面推行綠色制造，進(jìn)一步肯定了汽車(chē)零部件再制造產(chǎn)業(yè)的重要意義。規(guī)劃的出臺(tái)給再制造企業(yè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，對(duì)再制造過(guò)程中的技術(shù)提升，會(huì)有更高的要求。 作為綠色制造的重要組成部分，汽車(chē)再制造產(chǎn)業(yè)應(yīng)該大力發(fā)展低碳環(huán)保的技術(shù)工藝。

目前，歐美國(guó)家的變速箱再制造，處于世界領(lǐng)先水平。他們?cè)谧兯傧涞幕厥阵w系、再制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及銷售和售后等方面，已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，并且具備了足夠的規(guī)模。而我國(guó)變速箱再制造產(chǎn)業(yè)仍處于起步探索階段，在技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)規(guī)模上與歐美國(guó)家仍具有相當(dāng)大的差距。

隨著近年來(lái)我國(guó)汽車(chē)零部件再制造產(chǎn)業(yè)體系的不斷完善，用于汽車(chē)零部件再制造的表面修復(fù)技術(shù)也有了更快的發(fā)展。本文以變速箱為載體，介紹了目前常見(jiàn)的用于汽車(chē)再制造的熱噴涂技術(shù)、電刷鍍技術(shù)、表面強(qiáng)化技術(shù)、電火花沉積技術(shù)、激光再制造技術(shù)等，并總結(jié)了其在變速箱再制造領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 汽車(chē)變速箱再制造

1.1 再制造技術(shù)

再制造工程是以先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段，來(lái)修復(fù)、改造廢舊產(chǎn)品的一系列技術(shù)措施或工程活動(dòng)的總稱[1]。再制造以產(chǎn)品全生命周期為基礎(chǔ)，主要研究的是產(chǎn)品的后半周期，它將對(duì)產(chǎn)品再次使用的性能起到重大作用。

1.2 變速箱的構(gòu)造

以手動(dòng)變速箱為例，變速箱主要由殼體、傳動(dòng)軸、齒輪、同步器和換擋操縱機(jī)構(gòu)等組成。如圖1所示，對(duì)于不同的零件，其失效形式不同，磨損程度也不同，因此在再制造的修復(fù)過(guò)程中，需要采用不同的表面修復(fù)技術(shù)。

圖1 變速箱的結(jié)構(gòu)

1.2.1 汽車(chē)變速箱零件的失效形式

汽車(chē)變速箱在長(zhǎng)期的使用中，零件在載荷作用下超過(guò)了一定的承受范圍，從而喪失了最初規(guī)定的功能，稱之為失效。變速箱零件常見(jiàn)的幾種失效形式如表1所示。

表1 變速箱零件的失效形式

（1）對(duì)于變速箱齒輪而言，失效主要有斷齒、磨損、齒面的膠合和齒面的塑性形變等形式。

（2）對(duì)于變速箱傳動(dòng)軸而言，失效主要有軸頸磨損、塑性形變和斷裂等形式。

（3）對(duì)于變速箱殼體而言，失效主要有變形、裂紋和螺紋孔、軸承孔的磨損等形式。

（4）對(duì)于變速箱軸承而言，失效主要有斷裂、疲勞失效、磨損、密封失效等原因。

（5）對(duì)于變速箱操縱機(jī)構(gòu)而言，由于其操縱頻繁，失效主要有變形、磨損、連接松動(dòng)等。

1.2.2 汽車(chē)變速箱再制造

汽車(chē)變速箱再制造流程如圖2所示，包括拆解工序、清洗工序、檢測(cè)分類工序、再制造加工或升級(jí)改造工序、裝配工序、再檢測(cè)工序等。廢舊的變速箱通過(guò)再制造加工可以使之恢復(fù)到與原產(chǎn)品一樣的技術(shù)性能和產(chǎn)品質(zhì)量[2]。

圖2 再制造流程

2 表面修復(fù)技術(shù)

再制造的表面修復(fù)技術(shù)，就是利用表面工程的原理和方法，運(yùn)用物理、化學(xué)或物理化學(xué)等技術(shù)手段，使得在使用中損傷的金屬表面，恢復(fù)外形尺寸，并且使其使用性能達(dá)到甚至超過(guò)新品的水平。中國(guó)自1999年正式提出再制造的概念以來(lái)，在探索過(guò)程中自主創(chuàng)新出了中國(guó)特色的“表面恢復(fù)和性能提升法”再制造模式[3]。

2.1 熱噴涂技術(shù)

熱噴涂是一種通過(guò)專用設(shè)備把某種固體材料熔化并加速噴射到機(jī)件表面上，形成一種特制薄層，如圖3所示，這種技術(shù)是用來(lái)提高機(jī)件耐蝕、耐磨、耐高溫等性能[4]。熱噴涂技術(shù)可以修復(fù)因磨損、腐蝕而失效的零件，也可以修復(fù)因加工超誤差而報(bào)廢的零件。按照工藝上的差別，熱噴涂可分為火焰類噴涂、電弧類噴涂、電熱法噴涂、激光類噴涂等。

圖3 熱噴涂技術(shù)流程

變速箱中的各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸、軸承座，常因磨損失效；變速箱的箱體，其采用的材料多為鑄鋁合金，常因惡劣的工況造成上下箱體配合面磨損或劃傷。對(duì)于以上零件，可用高速電弧噴涂技術(shù)或者微納米超音速等離子噴涂技術(shù)進(jìn)行很好的修復(fù)。

2.2 電刷鍍技術(shù)

電刷鍍依據(jù)電化學(xué)沉積原理，在能夠?qū)щ娀谋砻娴奶囟ㄎ恢?，以較快的速度沉積一定厚度的涂層[5]。電源的負(fù)極通過(guò)電纜線與刷鍍工件連接，正極通過(guò)電纜線與鍍筆陽(yáng)極連接，陽(yáng)極經(jīng)包裹后與工件的刷鍍表面輕輕接觸，使得含有需沉積金屬離子的鍍液不斷地添加到陽(yáng)極和工件表面之間。在充滿鍍液的陽(yáng)極和工件表面之間形成了一個(gè)“微型電鍍槽”，在工件和陽(yáng)極之間電場(chǎng)力的作用下，帶正電荷的金屬離子向帶負(fù)電荷的基材表面實(shí)施定向遷移;同時(shí)，在基材表面金屬離子獲得電子被還原造成金屬原子，金屬原子在基材表面按一定的規(guī)律沉積形成鍍層，鍍層被“刷”在工件表面上，隨時(shí)間的推移，鍍層厚度不斷增加，直至所需厚度時(shí)止[6]。

電刷鍍技術(shù)可以應(yīng)用在很多變速箱磨損的零部件，對(duì)損傷零件的尺寸精度進(jìn)行快速的修復(fù)。電刷鍍其實(shí)也常用來(lái)修復(fù)變速箱傳動(dòng)軸的花鍵部分。

2.3 表面強(qiáng)化技術(shù)

表面強(qiáng)化技術(shù)指利用熱能、機(jī)械能等使金屬表面得到強(qiáng)化的表面技術(shù)，它不改變材料表面的化學(xué)成分，不增加表面尺寸，僅通過(guò)改變材料表層的組織和應(yīng)力狀態(tài)，來(lái)提高表面硬度、強(qiáng)度、耐磨性、抗疲勞等性能[7]。噴丸強(qiáng)化技術(shù)是表面強(qiáng)化技術(shù)的重要組成部分。

如圖4所示，噴丸強(qiáng)化是高速運(yùn)動(dòng)的彈丸流噴射材料表面并使其表層發(fā)生循環(huán)塑性變形的過(guò)程(此塑性變形層深度通常為0.1～0.8mm)[8]。噴丸強(qiáng)化可顯著提高金屬疲勞壽命，增強(qiáng)抗磨損能力等。目前，在變速箱的滲碳齒輪、彈簧、傳動(dòng)軸等部位，噴丸強(qiáng)化已得到了廣泛的應(yīng)用。

圖4 噴丸強(qiáng)化技術(shù)流程

2.4 電火花沉積

電火花沉積又稱脈沖電弧顯微堆焊，工作過(guò)程如圖5所示，它是將需要沉積的材料做成電極，利用電極在基材表面旋轉(zhuǎn)，電源在電極與基材相接觸的很小的區(qū)域內(nèi)瞬間( 10-6～10-5s) 通過(guò)高密度電流(105～106A /cm2) ，在很小的范圍內(nèi)產(chǎn)生5000～25000K的高溫，使放電區(qū)域內(nèi)的材料高能離子化，電極高速轉(zhuǎn)移到基材表面，并擴(kuò)散到基材表層，從而形成具有冶金結(jié)合的沉積層。微弧堆焊可有效提高零件表面耐磨性、耐蝕性、熱硬性和高溫抗氧化性等但微弧堆焊會(huì)加大表面粗糙度且影響材料的疲勞性能[9]。

圖5 電火花沉積流程

圖6 激光再制造技術(shù)流程

電火花沉積技術(shù)可以對(duì)變速箱零件上的裂紋、凹坑等失效進(jìn)行修復(fù)，幫助其恢復(fù)到零件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。但是該技術(shù)也存在修復(fù)后表面粗糙等缺點(diǎn)。

2.5 激光再制造技術(shù)

激光再制造技術(shù)基礎(chǔ)是激光熔覆。如圖6所示，它是以金屬粉末為材料，在具有零件原型的 CAD/CAM 軟件支持下，CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）控制激光頭，送粉嘴和機(jī)床按指定空間軌跡運(yùn)動(dòng)，光束與粉末同步輸送，形成一支金屬筆，在修復(fù)部位逐層熔覆，最后生成與原型零件近形的三維實(shí)體[10]。激光再制造技術(shù)目前主要針對(duì)零件的尺寸形狀和使用性能進(jìn)行修復(fù)。

對(duì)于一些變速箱中的齒輪，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)磨損甚至斷齒的現(xiàn)象，電鍍、噴涂、堆焊等修復(fù)技術(shù)難以完全恢復(fù)齒輪的性能，采用激光熔覆技術(shù)可以有效的實(shí)現(xiàn)失效齒輪的修復(fù)與再制造，修復(fù)后的齒輪在使用中表現(xiàn)的性能優(yōu)異[11]。各種表面修復(fù)技術(shù)在變速箱再制造上的應(yīng)用如表2所示。

表2 表面修復(fù)技術(shù)在變速箱再制造上的應(yīng)用

變速箱再制造體系中運(yùn)用先進(jìn)的表面工程技術(shù)，對(duì)廢舊變速箱零部件進(jìn)行表面尺寸修復(fù)和性能強(qiáng)化，從而真正意義上實(shí)現(xiàn)和新制造產(chǎn)品具有相同的性能，提高廢舊件的再制造率。

3 結(jié)語(yǔ)

再制造是綠色制造的重要組成部分，確定汽車(chē)零部件再制造的實(shí)施，將節(jié)約能源，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，降低裝備成本，值得在國(guó)內(nèi)推廣。

汽車(chē)零部件再制造產(chǎn)業(yè)在歐美國(guó)家已經(jīng)具備了完善的市場(chǎng)機(jī)制和法律體系，目前隨著政策的開(kāi)放，我國(guó)也在逐步推動(dòng)汽車(chē)再制造的發(fā)展。而表面修復(fù)技術(shù)作為汽車(chē)零部件再制造的核心技術(shù)之一，我國(guó)必須大力發(fā)展，才能適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，在汽車(chē)零部件再制造的激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地。

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