汽車發(fā)動機(jī)再制造技術(shù)應(yīng)用探索

孫維漢，徐素明，陳俊武，武文娟

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇南京 210032)

長期以來，降低汽車發(fā)動機(jī)維修成本與延長發(fā)動機(jī)使用壽命一直是汽車發(fā)動機(jī)維修與制造企業(yè)的追求。為此，相關(guān)企業(yè)開展了大量的研究，以提高發(fā)動機(jī)可靠性、維修性、保障性。各種先進(jìn)的理論與維修思想在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用也不斷推動著這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論的再制造理論能保證產(chǎn)品被最大限度地利用，再制造技術(shù)在機(jī)電工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用也為其在汽車發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展提供了參考。

1 再制造工程

1.1 再制造工程概念

徐濱士院士將再制造工程定義為：以裝備全壽命周期設(shè)計(jì)和管理為指導(dǎo)，以裝備實(shí)現(xiàn)性能跨越式提升為目標(biāo)，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為準(zhǔn)則，以先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段，對裝備進(jìn)行修復(fù)和改造的一系列技術(shù)措施或工程活動的總稱。再制造可以最大限度地保留裝備的附加值，有利于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展，符合我國建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型國家的要求，具有非常好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益［1］。

1.2 再制造與大修

作為一種先進(jìn)的理念，再制造工程與目前廣泛使用的維修的區(qū)別在于：再制造是采用先進(jìn)的技術(shù)手段和現(xiàn)代化的生產(chǎn)管理方法，對到壽或報(bào)廢發(fā)動機(jī)的批量化處理，再制造不僅要恢復(fù)原機(jī)的性能，還兼有對原機(jī)的技術(shù)改造，再制造后得到的發(fā)動機(jī)性能要達(dá)到新品甚至超過新品。大修則是對單臺發(fā)動機(jī)進(jìn)行維護(hù)修理，具有隨機(jī)性、原位性、應(yīng)急性的特點(diǎn)，大修后的發(fā)動機(jī)性能逐漸降低，達(dá)不到新品的技術(shù)指標(biāo)［2］。

2 汽車發(fā)動機(jī)實(shí)施再制造的原因及目標(biāo)

一個(gè)成熟型號汽車發(fā)動機(jī)的產(chǎn)量至少是幾十萬臺，甚至幾百萬、上千萬臺。這些發(fā)動機(jī)從開始生產(chǎn)到最后報(bào)廢，至少要經(jīng)歷近十幾年的時(shí)間。這期間，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料、新工藝、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，使得汽車發(fā)動機(jī)再制造成為可能。

2.1 再制造原因

汽車發(fā)動機(jī)是耐用品，壽命長達(dá)15～20年，且在發(fā)動機(jī)的整個(gè)壽命周期中工作可靠，性能穩(wěn)定。一般汽車發(fā)動機(jī)報(bào)廢時(shí)技術(shù)上還處于良好狀態(tài)，在使用上仍留有較大裕度。發(fā)動機(jī)是按標(biāo)準(zhǔn)化要求批量生產(chǎn)的，同一型號發(fā)動機(jī)零部件之間可以替換。報(bào)廢發(fā)動機(jī)殘余附加值高，大部分部件還有利用價(jià)值，部分零件甚至可以直接使用。

發(fā)動機(jī)部件失效多發(fā)生在部件的表面，失效形式多表現(xiàn)為磨損、變形、裂紋、斷裂掉塊等。目前各種成熟的再制造技術(shù)，特別是先進(jìn)的表面工程技術(shù)，不僅可以修復(fù)以上各種失效，而且使提升部件性能也成為可能。另外，再制造汽車發(fā)動機(jī)的成本也只是制造全新同型發(fā)動機(jī)的一半左右。

2.2 再制造目標(biāo)

從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，對報(bào)廢的汽車發(fā)動機(jī)，采用各種先進(jìn)的再制造技術(shù)恢復(fù)部件尺寸、性能，針對部件的失效形式，利用多種表面工程技術(shù)對關(guān)鍵零部件進(jìn)行表面強(qiáng)化，提高部件的耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等性能，使發(fā)動機(jī)再制造后性能達(dá)到或超過新機(jī)的水平，服役時(shí)間延長一倍以上［3］。

3 汽車發(fā)動機(jī)再制造方案

根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)的制造規(guī)范，任何部件因采用新設(shè)計(jì)、新材料、新工藝，可能影響發(fā)動機(jī)性能或結(jié)構(gòu)變化的改動都必須經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證。對汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)行升級再制造，不可避免地要使用許多新材料、新工藝，從節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用、縮短試驗(yàn)周期的目的出發(fā)，進(jìn)行再制造時(shí)應(yīng)區(qū)分關(guān)鍵部件和非關(guān)鍵部件。對關(guān)鍵部件，應(yīng)分析對其實(shí)施再制造的可行性，并綜合考慮各具體技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和社會效益。對非關(guān)鍵部件，應(yīng)采用壽命預(yù)測技術(shù)對其進(jìn)行壽命評估，以決定其能否繼續(xù)使用或更換后的非關(guān)鍵部件是否需要進(jìn)行再制造加工等。根據(jù)水桶理論，將非關(guān)鍵部件的剩余壽命與關(guān)鍵部件中壽命最短的部件的壽命進(jìn)行對比，若非關(guān)鍵部件壽命低于壽命最短的關(guān)鍵部件的壽命，就可以進(jìn)行再制造強(qiáng)化，否則不再進(jìn)行再制造處理［4］。

汽車發(fā)動機(jī)再制造的總體方案是：在對發(fā)動機(jī)進(jìn)行完全拆解清洗后，檢測各部件的技術(shù)狀態(tài)，將部件分成直接利用件、可再制造件和報(bào)廢件三類。直接利用件不作處理，報(bào)廢件由新件或進(jìn)行過再制造加工的新件更換，可再制造件進(jìn)行再制造加工，最后按新品的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測裝配并整機(jī)進(jìn)行測試。其再制造工藝流程如圖1所示。

圖1 汽車發(fā)動機(jī)再制造工藝流程

4 再制造實(shí)施

從圖1可以看出，再制造實(shí)施需要經(jīng)過拆解、清洗、檢測、再制造加工、檢測、裝配、整機(jī)測試等多個(gè)步驟，其中的關(guān)鍵技術(shù)包括部件清洗技術(shù)、無損檢測技術(shù)和部件再制造技術(shù)。

4.1 部件清洗

部件的清潔度對再制造技術(shù)的實(shí)施有很大影響。應(yīng)根據(jù)部件污染情況的不同使用不同的清潔方法，如用汽油等有機(jī)溶劑清洗發(fā)動機(jī)部件表面的雜質(zhì)、油脂和污垢，用化學(xué)方法清洗部件表面的銹蝕和涂層，用化學(xué)清洗液與噴丸相結(jié)合的方法去除積炭等。

4.2 部件檢測

部件清洗后，應(yīng)借助先進(jìn)的檢測設(shè)備對部件的完整性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，以掌握部件的準(zhǔn)確信息。使用較多是各種無損檢測技術(shù)，如超聲波檢測、滲透檢測、磁粉檢測、渦流檢測和射線檢測、光學(xué)顯微檢測等，這些先進(jìn)的技術(shù)不僅能發(fā)現(xiàn)部件表面的裂紋、燒傷，還能檢測出部件內(nèi)部的損傷。

4.3 關(guān)鍵部件再制造

發(fā)動機(jī)缸體、中間軸、凸輪軸、曲軸等是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，對發(fā)動機(jī)的再制造有決定性影響。它們的失效包括磨損、變形、裂紋、燒蝕、斷裂掉塊等，由于發(fā)動機(jī)缸體、中間軸、凸輪軸、曲軸等的工況和材料不盡相同，它們的失效形式和原因也不盡相同，因此針對發(fā)動機(jī)缸體、中間軸、凸輪軸、曲軸等的再制造技術(shù)也不盡相同?？傮w而言，可采用堆焊技術(shù)、釬焊技術(shù)、激光熔覆技術(shù)、電刷鍍和電弧噴涂技術(shù)等表面工程技術(shù)恢復(fù)部件表面尺寸和形狀，使用熱靜壓技術(shù)恢復(fù)部件內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，使用噴丸強(qiáng)化技術(shù)提高其抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕性能，使部件具備新品的性能和質(zhì)量，然后，再針對部件制造材料、工作環(huán)境、工作形式等具體情況進(jìn)行升級再制造。

由于篇幅的限制，本文以球墨鑄鐵曲軸再制造為例介紹常見再制造技術(shù)的特點(diǎn)。

4．3．1 常見再制造技術(shù)介紹

在曲軸修復(fù)方面采用的技術(shù)主要有修復(fù)尺寸法、堆焊、激光熔鑄、電刷鍍和電弧噴涂技術(shù)等表面工程技術(shù)。

修復(fù)尺寸法是修復(fù)配合副零件磨損的一種常用方法，它是將待修配合副中的一個(gè)零件利用機(jī)械加工的方法，使其恢復(fù)正確形狀并獲得新的修理尺寸，然后選配具有相應(yīng)尺寸的另一個(gè)零件與之相配，恢復(fù)配合性質(zhì)的一種修理方法。對于磨損量不大的曲軸，可采用磨削的方法，使其達(dá)到修理尺寸。在再制造領(lǐng)域中，通過產(chǎn)品改造升級形成新產(chǎn)品的過程中常采用此方法實(shí)現(xiàn)。

堆焊是在金屬材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蝕等特殊合金層的一種工藝方法。當(dāng)曲軸軸頸磨損超限，不能按最后一級修理尺寸磨削修理時(shí)，可采用振動堆焊的方法來增補(bǔ)磨損表面后再磨削。但堆焊技術(shù)對前處理要求較高，如果處理不當(dāng)，容易產(chǎn)生裂紋和氣孔，導(dǎo)致曲軸報(bào)廢。也有人采用激光焊接技術(shù)處理曲軸，雖然減少了裂紋和氣孔的出現(xiàn)，但是增加了曲軸修復(fù)的成本。

激光熔鑄技術(shù)對磨損軸類零件的修復(fù)具有結(jié)合性強(qiáng)、無加工變形和表面硬度高、抗磨性能好等優(yōu)點(diǎn)。但由于在熔鑄過程中，激光的作用時(shí)間甚短，曲軸會有殘余應(yīng)力產(chǎn)生，通常要使用特種合金粉末或梯度功能材料，大大限制了熔鑄材料的選擇范圍。電刷鍍技術(shù)在曲軸修復(fù)中也常有采用，鍍層與基體具有較高的結(jié)合強(qiáng)度，鍍層無需后續(xù)磨拋光處理。但鍍層中往往存在微裂紋，影響鍍層本身的性能。另外鍍層的硬度通常較高，大大降低了鍍層的綜合應(yīng)用性能，無法保證發(fā)動機(jī)整體的使用性能。

熱噴涂技術(shù)是在機(jī)械制造和設(shè)備維修中廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)表面工程技術(shù)。目前，它已廣泛地應(yīng)用于制造各種功能性涂層和機(jī)械零部件的修復(fù)中。改變熱噴涂工藝和熱噴涂材料可以制備減磨、耐磨、耐腐蝕、抗高溫氧化、熱障功能、催化功能、電磁屏蔽吸收、導(dǎo)電絕緣、遠(yuǎn)紅外輻射等功能涂層?，F(xiàn)在，很多批量產(chǎn)品已經(jīng)采用熱噴涂技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，熱噴涂技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn)已被越來越多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員所認(rèn)識。涂層的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)加工已融入到一些關(guān)鍵零部件從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工到質(zhì)量控制全過程之中，熱噴涂已從傳統(tǒng)意義上的單純修復(fù)發(fā)展成為現(xiàn)代制造業(yè)中舉足輕重的一項(xiàng)新品制造加工技術(shù)工藝過程。熱噴涂設(shè)備與機(jī)械手配合能夠形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，通過研制新型熱噴涂材料和優(yōu)化熱噴涂工藝可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)曲軸再制造。

4．3．2 曲軸的再制造

由于發(fā)動機(jī)曲軸是配合件，如果曲軸再制造后表層的性能大于或低于新品曲軸的性能都會影響發(fā)動機(jī)的整體使用性能，所以在選擇熱噴涂材料時(shí)需要嚴(yán)格控制噴涂層的性能。采用熱噴涂技術(shù)修復(fù)再制造球墨鑄鐵發(fā)動機(jī)曲軸時(shí)，常采用的方案有兩種：一是直接噴涂不銹鋼絲或碳鋼絲;二是先噴涂NiAl合金絲或合金粉，然后噴涂不銹鋼絲或碳鋼絲。噴涂不銹鋼絲或碳鋼絲后，往往由于涂層應(yīng)力較大，影響涂層的結(jié)合強(qiáng)度，再制造后的曲軸在工作中容易脫落。在修復(fù)過程中人們對于出現(xiàn)脫層現(xiàn)象的修復(fù)品，通常是除掉涂層重新噴涂。這樣涂層質(zhì)量的穩(wěn)定性無法保證，故無法成為曲軸再制造的理想材料。

為了改善涂層的結(jié)合強(qiáng)度，在修復(fù)或再制造領(lǐng)域人們通常通過兩步來完成球墨鑄鐵曲軸表面涂層的制備。先噴涂NiAl合金絲或合金粉形成打底層，再噴涂不銹鋼絲或碳鋼絲形成工作層。NiAl合金在噴涂過程中發(fā)生放熱反應(yīng)，大大提高了其與底材的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)形成粗糙的表面，有利于后續(xù)工作層的附著，從而解決了單獨(dú)噴涂鋼絲或碳鋼絲出現(xiàn)的結(jié)合強(qiáng)度低、涂層易脫落的缺陷。但這種方法增加了涂層的制備工序，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)過程中降低了生產(chǎn)效率，增加了成本。

再制造的特點(diǎn)決定了汽車零部件再制造所用的熱噴涂材料既要滿足涂層的性能要求又能一步完成涂層的制備，可以采用粉芯絲材制備技術(shù)開發(fā)再制造用的絲材，即通過改變成分含量可以調(diào)節(jié)涂層的硬度，同時(shí)添加Ni粉和Al粉，用于提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)一步制備發(fā)動機(jī)曲軸表面涂層。涂層的金相圖貌如圖2所示。

圖2 涂層的微觀形貌

5 再制造評價(jià)

發(fā)動機(jī)再制造方案的評價(jià)是通過對再制造后發(fā)動機(jī)部件和整機(jī)性能的試驗(yàn)檢測來獲得的。具體評價(jià)方法包括部件循環(huán)、疲勞定壽試驗(yàn)、損傷容限定壽試驗(yàn)和整機(jī)定壽試驗(yàn)。部件試驗(yàn)用于檢驗(yàn)再制造部件的壽命是否達(dá)到了新件的壽命;整機(jī)長期試車用于檢測發(fā)動機(jī)性能變化和主要零部件的磨損情況。在整機(jī)長期試驗(yàn)過程中，可對發(fā)動機(jī)在各種工況下的轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)振動值、燃油消耗量等的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行采集監(jiān)控。發(fā)動機(jī)性能變化評價(jià)參數(shù)可參照同型號全新發(fā)動機(jī)來制定［5］。

發(fā)動機(jī)磨損程度的檢測，可在耐久性試驗(yàn)完成后，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行完全拆解，檢查再制造部件的磨損量、涂層的完好性，要求磨損量不大于經(jīng)同樣試驗(yàn)的新機(jī)部件的磨損量，涂層無明顯脫落。

6 結(jié)束語

由于條件限制，文章中所涉及的檢測、再制造及評價(jià)技術(shù)并沒有試驗(yàn)或設(shè)備支撐，因而文章更傾向于理論方面的研究。發(fā)動機(jī)再制造方案是對已有發(fā)動機(jī)再制造相關(guān)理論的總結(jié)，對汽車再制造工藝有一定指導(dǎo)的作用;但同時(shí)也有一定的局限性，需要相關(guān)試驗(yàn)支撐或根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行改進(jìn)。因而后續(xù)工作將盡可能和相關(guān)企業(yè)聯(lián)合做些試驗(yàn)，以進(jìn)一步完善再制造的相關(guān)理論。

［1］ 徐濱士，李仁涵，梁秀兵．綠色再制造工程的進(jìn)展［J］．中國表面工程，2001，14(2)：1-4．

［2］ 李健，侯獻(xiàn)軍．汽車再制造工程的發(fā)展與展望［J］．汽車科技，2009(2)：9-12．

［3］ 劉繼偉．中國汽車再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究［J］．改革與戰(zhàn)略，2011，27(4)：134-136．

［4］ 高衛(wèi)民，彭岳華．低成本汽車產(chǎn)品開發(fā)方法研究［J］．汽車科技，2008(6)：31-33．

［5］ 楊明，陳銘．再制造發(fā)動機(jī)全生命周期評估［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)，2006，23(3)：8-10．