再制造設(shè)計著眼當(dāng)今和未來

【美】 A.Patki

再制造設(shè)計著眼當(dāng)今和未來

【美】 A.Patki

產(chǎn)品的總體成本取決于產(chǎn)品壽命和生產(chǎn)成本。為了降低產(chǎn)品成本，需要在降低成本的同時提高產(chǎn)品壽命。在力求降低碳排放量并改善能量需求的同時，以期可持續(xù)綠色發(fā)展?！霸僦圃臁贬槍@個復(fù)雜矛盾給出了簡單答案。通過再制造可使零件或產(chǎn)品得以多次使用，這比生產(chǎn)新零件更經(jīng)濟(jì)，對最終用戶的價格制定更合理。再制造對能量的需求比初始制造低。再制造可以修復(fù)并利用初始制造系統(tǒng)的大部分部件。再制造的設(shè)計過程是為滿足再制造需求所作出的根本性改變。旨在討論能夠降低成本和可持續(xù)生產(chǎn)成本的再制造設(shè)計。

再制造碳排放質(zhì)量控制

0 前言

再制造在滿足降低總體成本和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展方面比重新制造新部件更有優(yōu)勢。大部分再制造商對再制造部件提供的質(zhì)量保證等同于新部件的質(zhì)量保證。為此，在再制造過程中開發(fā)了許多加工工藝、質(zhì)量保證，以及質(zhì)量控制機(jī)制。人們期待再制造市場在降低成本的同時能培育和創(chuàng)造出更強(qiáng)的可持續(xù)發(fā)展能力[1]。如果在初始制造階段沒有考慮再制造的可能性就會制約這種可持續(xù)發(fā)展能力。

1 再制造

再制造通過滿足部件初始規(guī)格和性能標(biāo)準(zhǔn)來恢復(fù)已用部件的使用壽命。再制造部件通常采用與新建部件相同或類似的質(zhì)量保證機(jī)制[2-3]。

圖1示出了典型的機(jī)械部件再制造加工流程，可根據(jù)部件本身情況和公司內(nèi)部加工流程做出修改。再制造部件比新建部件在生產(chǎn)成本方面有更高的經(jīng)濟(jì)效益，更加便宜的價格更具優(yōu)勢。例如，如果用戶要更換空氣壓縮機(jī)(TF-550系列，可配裝于不同的發(fā)動機(jī)和車型)，那么有3種選擇：(1)使用新部件(全新件)1 500～2 000美元；(2)使用再制造部件500～700美元(核心部分再制造)；(3)使用二手部件約500美元。

再制造部件相對便宜的原因，是因?yàn)閮r格與零件獲得難易程度的相對性成正比。再制造部件是先前用過的總成部件，通過更換磨損部件并按工廠規(guī)格重新裝配后為其帶來新生。僅需要更換某些部件，這樣不會與制造/裝配新部件的成本相同，所耗能量也低于制造全新的零件、組件和總成。

通過在使用壽命結(jié)束時更換必要的部件，整體部件使用壽命可成倍延長?？梢园衙慷螇勖诘拈L度、每段壽命期內(nèi)的再制造成本及每次再制造過程的能量消耗相加，與新購置部件一樣為達(dá)到同樣的整體壽命所消耗的成本相比較，就能更好地理解該舉措的益處。

使用上述TF-550系列壓縮機(jī)進(jìn)行3次再制造，成本費(fèi)用比較如表1所示。

表1 使用TF-550系列壓縮機(jī)再制造部件與使用新部件成本費(fèi)用

通過表1比較了成本費(fèi)用后可得出，再制造部件和再制造過程比維修保養(yǎng)新部件更具優(yōu)勢。根據(jù)研究機(jī)構(gòu)如MacKay和Frost & Sullivan的咨詢結(jié)果，市場上對再制造部件的需求一直在增加。面向制造的設(shè)計(DFM)和面向裝配的設(shè)計(DFA)都優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計過程，使產(chǎn)品研發(fā)過程更加高效。為了使制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力更強(qiáng)，考慮面向再制造的設(shè)計也是勢在必行。

2 面向再制造的設(shè)計

圖2 面向再制造的設(shè)計

面向再制造的設(shè)計就是在設(shè)計過程中理解再制造的意義，并考量必要的元素以改善部件的可再制造性(圖2)。

可以將面向再制造的設(shè)計定義為“部件初始設(shè)計過程中遵從的設(shè)計慣例和規(guī)范，從而可使再制造更靈活、更高效、利用率更高”。

3 利用率

利用率是再制造過程中可重復(fù)利用配件所占的百分比，考慮了零件數(shù)量(總成中可修復(fù)零件數(shù)量所占的百分比)和零件的修復(fù)成本(總成成本中可修復(fù)零件成本所占的百分比)，可修復(fù)件的成本百分比比數(shù)量百分比更重要。例如：如果50%的零件可重復(fù)使用，總成的利用率就是50%。同時如果價值200美元的總成中有160美元的可修復(fù)件，利用率就能提高到80%。

提高利用率就等于提高了盈利性和可持續(xù)發(fā)展性。這是決定部件再制造可行性最重要的標(biāo)準(zhǔn)。

利用率很大程度上取決于使用中的磨損、銹蝕和損壞幾率，同樣還取決于初始部件設(shè)計的可維護(hù)性。設(shè)計的可維護(hù)性僅僅是設(shè)計方法的1個范疇。

1個部件可按照易于維護(hù)和修理的理念來設(shè)計。例如：輕型工裝總成多采用可維護(hù)性設(shè)計，比如，必要時可對保險絲已熔斷的燈泡進(jìn)行修理或更換。

1個部件也可按照將來不能維護(hù)或修理的理念來設(shè)計。有時這種設(shè)計背后有著管理方面的原因。再者就是設(shè)計者和公司的決策。例如：同樣是輕型工裝的例子，其中的輕型燈泡采用了不可維護(hù)性設(shè)計。

接下來將重點(diǎn)闡述如何改善面向再制造/可維護(hù)性的設(shè)計。

4 連接/組件

可以把1個連接或包含2個零件的組件設(shè)計成焊接(或類似工藝)、鎖緊、鉚接、密封等型式。鎖緊比其他工藝更適合于再制造。如果設(shè)計師相對于焊接或密封工藝更多地采用鎖緊工藝，肯定有助于初始部件壽命周期結(jié)束后的再制造。螺紋與接頭也能達(dá)到性能要求，更利于再制造。

密封類總成件常常難以實(shí)施再制造，往往迫使維修人員更換整個組件，隨后大部分都被丟棄，造成了很大的浪費(fèi)。設(shè)計者需要重新考慮密封類總成部件的問題。

5 公差/材料要求

公差和材料應(yīng)該仔細(xì)選擇。部件的壽命終止期和預(yù)期的終止期狀態(tài)需要事先設(shè)計。對摩擦表面的公差控制，需要在達(dá)到壽命周期之后可以繼續(xù)使用該表面或進(jìn)行1次額外的精加工后再使用的要求。有時因?yàn)槠谥芷诘木壒?，選用的材料僅能經(jīng)歷1次壽命周期。因此可以選用能夠被再制造工藝重復(fù)利用的材料。

部件可以多次使用，因而需要考量前一次部件壽命期終止時的尺寸以進(jìn)行尺寸累積分析。通常，摩擦表面在壽命周期結(jié)束時已磨損至不能再用或需要通過額外加工或通過改變另一個配合件尺寸來恢復(fù)到原始尺寸。例如，發(fā)動機(jī)機(jī)身缸體部分，在初次壽命周期末尾可以對該部分機(jī)體做額外加工，從而恢復(fù)到初始尺寸。采用較大尺寸的活塞或活塞環(huán)也是1種選擇。有時采用兩者的結(jié)合也是適宜的方案。所有設(shè)計考量都需要通過設(shè)計驗(yàn)證。

6 再制造壽命和整體壽命

理解和定義部件的新件服務(wù)壽命、再制造壽命(包括多少個再制造周期)，以及整體壽命是十分重要的。零件設(shè)計策略需要適應(yīng)部件整體壽命周期，也需要表達(dá)出設(shè)計驗(yàn)證計劃和報告的意圖。

7 設(shè)計驗(yàn)證

需要考慮部件的再制造并將其加入DFMEA。對設(shè)計驗(yàn)證計劃和報告輸入理想情況也是有必要的。部件總成需要在DFMEA及設(shè)計驗(yàn)證計劃和報告過程中驗(yàn)證拆解、接頭、公差等情況。

圖3 再制造設(shè)計提高利用率并延長部件再制造壽命

8 再制造設(shè)計的優(yōu)勢

再制造設(shè)計的目標(biāo)是提高部件的利用率使其具備被再制造的價值(圖3)。如果部件的壽命周期包括再制造壽命，將降低總體成本。再制造將提高可持續(xù)發(fā)展性。

再制造部件在質(zhì)量方面可以以較低的成本替代新部件。如果再制造部件難以獲得，為節(jié)約成本可以選擇購買二手部件，但二手部件不能提供質(zhì)量保證。縱觀部件的整體壽命，與傳統(tǒng)型設(shè)計部件相比，在再制造設(shè)計中需要投入的成本較低。再制造部件可重復(fù)利用，從而創(chuàng)造更久的整體壽命(表2)。

表2 傳統(tǒng)設(shè)計過程與再制造設(shè)計之間的主要區(qū)別

9 總結(jié)

面向再制造的設(shè)計在部件利用率方面具有巨大的優(yōu)勢。通過采用再制造設(shè)計理念，具有以下特點(diǎn)：

(1) 對越來越多的部件實(shí)施再制造；

(2) 因?yàn)椴考墒褂枚啻?，成本將大大降低，整個壽命周期內(nèi)需要的成本投入也將降低；

(3) 高利用率將獲得更大的可持續(xù)發(fā)展能力；

(4) 組件可持續(xù)發(fā)展能力的改善將更容易維護(hù)。

[1]Nabil N, Michael T. Remanufacturing: a key enabler to sustainable product systems[C]. 13th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering, Leuven, Belgium, 2006.

[2]Steve B, Andrew K. Organising reuse: managing the process of design for remanufacture (DFR)[C]. POMS 18th Annual Conference, Dallas, Texas, U.S.A., 2007：007-0769.

[3]Bras B, Hammond R. Towards design for remanufacturing-metrics for assessing remanufacturability[D]. Systems realization laboratory, the George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia, 30332-0405.

左彤梅 侯曉濰 張?jiān)氯A 譯自 SAE Paper 2016-01-8137

汪格格 編輯

2017-02-24)