基于表面質(zhì)量需求的機(jī)械零件再制造毛坯預(yù)處理工藝優(yōu)化方法

柯慶鏑 田常俊 李 杰 李柏青 翟正樹 詹 偉

1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥，2300092.安徽瑞賽克再生資源技術(shù)股份有限公司，蕪湖，241000

0 引言

再制造是面向全生命周期綠色制造的發(fā)展和延伸，是實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源高效利用的重要方式[1]。我國資源能源短缺、節(jié)能環(huán)保要求提升和日益增長的報(bào)廢機(jī)械裝備、典型大型貴重機(jī)械類裝備與零部件數(shù)量，對再制造技術(shù)發(fā)展提出了迫切需求[2]。目前再制造毛坯的主要來源是廢舊零部件，在其服役過程中會產(chǎn)生多種類型的表面污染物及失效狀態(tài)(如外部沉積物、油垢、積碳、水垢、銹垢、舊漆和防護(hù)層等)，要求現(xiàn)有的再制造預(yù)處理環(huán)節(jié)有效地與后續(xù)檢測分類、修復(fù)、機(jī)加工等工藝環(huán)節(jié)需求相匹配[3]。針對上述問題，CHANG等[4]研究了壓縮機(jī)葉輪葉片上的氧化層對等離子噴焊層的影響，降低了再制造葉片的機(jī)械性能。金湖[5]采用噴砂清理和激光清理等不同的預(yù)處理方式，對葉輪材料FV520B進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)采用的預(yù)處理方式不同，獲得的涂層與基體間的結(jié)合緊密程度及涂層結(jié)合強(qiáng)度均有較大差異。LONG等[6]分析了熔鹽清洗處理效果，為再制造商提供了選擇熔鹽清潔過程最佳參數(shù)的方向。上述研究主要分析了再制造毛坯表面(污染物、表面粗糙度)對后續(xù)修復(fù)工藝的影響，尚未從再制造表面質(zhì)量需求出發(fā)，來分析再制造預(yù)處理工藝規(guī)劃及工藝參數(shù)優(yōu)化問題。

針對上述問題，本文通過調(diào)研再制造毛坯污染物類型及對應(yīng)預(yù)處理方法，構(gòu)建基于表面質(zhì)量需求的再制造預(yù)處理工藝模型，并通過該模型對相應(yīng)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高效且綠色的預(yù)處理工藝過程。

1 再制造毛坯表面質(zhì)量模型

再制造零件的表面預(yù)處理質(zhì)量直接影響其檢測階段表面和內(nèi)部微細(xì)裂紋等失效狀態(tài)的探測，以及損傷的定性和損傷程度的判斷。在修復(fù)過程中，其表面殘留的污染物造成基底與修復(fù)層之間的結(jié)合界面出現(xiàn)孔隙、夾砂等現(xiàn)象，使得表面修復(fù)涂層結(jié)合強(qiáng)度降低。同時(shí)，在加工過程中，也會由于污染物熱效應(yīng)造成加工精度降低或產(chǎn)生各類加工缺陷[7-8]。由此可知，在對再制造毛坯進(jìn)行表面預(yù)處理之前，需要基于其表面污染物類型(表1)及相應(yīng)再制造后續(xù)工藝需求，對再制造預(yù)處理表面質(zhì)量需求進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的最優(yōu)表面預(yù)處理方案，使毛坯表面質(zhì)量滿足后續(xù)再制造工藝要求，從而實(shí)現(xiàn)高效、低成本的再制造工程應(yīng)用模式。

(1)污染物狀態(tài)。若經(jīng)表面預(yù)處理后的再制造毛坯表面污染物去除量不足，對檢測、修復(fù)、機(jī)械加工均會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。結(jié)合清潔度指標(biāo)，預(yù)處理表面狀態(tài)函數(shù)可表示為

ψ1(xD)=(c,δ,…)

(1)

式中，c為去除污染物質(zhì)量百分比；δ為污染物分布狀態(tài)；xD為污染物狀態(tài)變量。

(2)形變層狀態(tài)。表面粗糙度是衡量表面微觀形變的主要指標(biāo)，表面形貌達(dá)不到后續(xù)加工工藝需求時(shí)，表面粗糙度過大或過小均不利于涂層與基體的結(jié)合[11]?；诒砻娲植诙冉y(tǒng)計(jì)指標(biāo)，預(yù)處理表面狀態(tài)函數(shù)可表示為

ψ2(xA)=(Ra，Rz，Ry，…)

(2)

式中，Ra、Rz、Ry均為表面粗糙度的輪廓統(tǒng)計(jì)指標(biāo)；xA為形變層狀態(tài)變量。

(3)變性層狀態(tài)。變性層通常是指再制造毛坯表面的氧化層和疲勞層，其殘留將直接影響修復(fù)階段焊接熔池中夾雜物的產(chǎn)生，進(jìn)而嚴(yán)重降低了再制造產(chǎn)品的機(jī)械性能[4]?；谧冃詫臃治觯A(yù)處理表面狀態(tài)函數(shù)可表示為

表1 再制造毛坯的主要污染物特性及形成機(jī)理[9-10]

ψ3(xO)=(hi，hj，…)

(3)

式中，hi為氧化層殘留平均厚度；hj為疲勞層平均厚度；xO為變性層狀態(tài)變量。

綜上所述，預(yù)處理表面狀態(tài)函數(shù)可表示為

ψ(x)=(ψ1(xD)，ψ2(xA)，ψ3(xO))

(4)

廢舊機(jī)械產(chǎn)品及關(guān)鍵零部件在其整個(gè)服役過程中處于各類不同的工作環(huán)境中，受到不同的載荷影響，其表面的污染物、形變層及變性層也存在較大的不確定性。若預(yù)處理效果不夠，則會顯著影響再制造后續(xù)的檢測與修復(fù)質(zhì)量；但若預(yù)處理效果過好，則易產(chǎn)生預(yù)處理工藝過程中的資源及能源的浪費(fèi)。

因此，為了滿足后續(xù)再制造檢測、修復(fù)等環(huán)節(jié)的預(yù)處理表面質(zhì)量要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效綠色預(yù)處理過程，需獲取再制造毛坯表面污染物、形變層及變性層的狀態(tài)，結(jié)合預(yù)處理表面需求獲取相應(yīng)的預(yù)處理工藝能力需求，可表示為

(5)

綜上所述，在進(jìn)行再制造預(yù)處理前，需明確再制造毛坯表面污染物類型、形變和變性等情況，并研究其表面質(zhì)量分布狀態(tài)，才能對再制造毛坯開展相應(yīng)的預(yù)處理方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化，從而使再制造毛坯表面具備良好的檢測、修復(fù)及機(jī)加工等再制造工藝特性。

2 再制造預(yù)處理工藝分析

2.1 預(yù)處理過程參數(shù)分析

為了便于對整個(gè)預(yù)處理工藝過程各種需求進(jìn)行分析，本文給出了常用的表面預(yù)處理工藝，見表2。將單個(gè)工序作為預(yù)處理工藝過程的基本單元，其中各類過程參數(shù)將影響預(yù)處理工藝能力。過程參數(shù)可分為以下三類：①環(huán)境參數(shù)(PE)：表征環(huán)境狀態(tài)的基本參變量，如環(huán)境溫度等；②介質(zhì)參數(shù)(PM)：表述預(yù)處理介質(zhì)狀態(tài)特征的各種物理量，如清洗劑濃度、清洗溫度、鋼丸硬度等；③工藝參數(shù)(PP)：表征預(yù)處理設(shè)備狀態(tài)的控制變量，如功率、時(shí)間、頻率、壓力等。

表2 常用表面預(yù)處理工藝[12-13]

以工藝單元的主要過程參數(shù)為變量，構(gòu)建工藝單元的預(yù)處理過程模型，通過調(diào)節(jié)主要過程參數(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)控工藝單元的表面預(yù)處理工藝能力、工藝能耗和工藝成本的目的。

2.2 預(yù)處理工藝模型

2.2.1預(yù)處理工藝能力

基于所選取的預(yù)處理工藝類型，結(jié)合文獻(xiàn)[3，6，12-13]及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析工藝單元中各類過程參數(shù)對其表面質(zhì)量的影響關(guān)系，構(gòu)建面向表面污染物、形變層及變性層分布狀態(tài)的再制造毛坯表面預(yù)處理工藝能力函數(shù):

η(x)=f(PE,PM,PP)

(6)

式中，f(·)為與工藝過程參數(shù)相關(guān)的預(yù)處理工藝的能力函數(shù)；(PE，PM，PP)為預(yù)處理工藝過程參數(shù)。

依據(jù)式(5)將再制造預(yù)處理表面質(zhì)量需求作為工藝決策的主要依據(jù)，構(gòu)造基于工藝能力的再制造毛坯表面預(yù)處理工藝過程模型，并獲取最優(yōu)的過程參數(shù)組合。由于預(yù)處理工藝能力與過程參數(shù)之間存在非線性關(guān)系，可采用多元響應(yīng)函數(shù)構(gòu)建該模型[14]，即

(7)

式中，β0是過程參數(shù)的工藝能力系數(shù)；βi為各過程參數(shù)單次方系數(shù)；βii為各過程參數(shù)二次方系數(shù)；βii為兩過程參數(shù)共同作用系數(shù)；φ為實(shí)驗(yàn)值與回歸值的差值。

2.2.2預(yù)處理工藝能耗

表面預(yù)處理過程主要是一個(gè)破壞污染物、變性層與工件表面結(jié)合力的過程，這種破壞力即為清理作用力，且該破壞過程必然伴隨著能量的消耗。表面預(yù)處理工藝總能耗可直觀地表示為清理能耗和提高介質(zhì)[15]能耗的總和，即

(8)

式中，ch為預(yù)處理溶液的比熱容；Q為單個(gè)零件預(yù)處理溶液消耗量；t為預(yù)處理溫度；t0為常溫；n為預(yù)處理時(shí)間T內(nèi)預(yù)處理零件的數(shù)目；ζ為加熱時(shí)能量的轉(zhuǎn)化率；ξ為不同設(shè)備預(yù)處理時(shí)的能量利用率;P為預(yù)處理設(shè)備功率。

2.2.3預(yù)處理工藝成本

表面預(yù)處理工藝過程中各個(gè)環(huán)節(jié)均具有相應(yīng)的成本消耗，可表示為

W(x)=∑?(x)

(9)

基于企業(yè)及文獻(xiàn)調(diào)研，可將表面預(yù)處理工藝成本分為設(shè)備折舊成本、用電成本、人工成本、材料成本和廢物處理成本5個(gè)部分組成[9]，即

(10)

式中，κ為單個(gè)零件總耗時(shí)與單個(gè)零件清洗耗時(shí)的比值；Pr1為單位小時(shí)的設(shè)備折舊費(fèi)用；Pr2為電價(jià)；Pr3為單位小時(shí)的員工成本；Pr4為介質(zhì)價(jià)格；Pr5為廢棄介質(zhì)處理成本。

2.3 表面預(yù)處理過程工藝優(yōu)化

(1)表面質(zhì)量需求。統(tǒng)計(jì)分析廢舊產(chǎn)品中關(guān)鍵零部件表面狀態(tài)，分析再制造毛坯表面初始質(zhì)量(如污染物種類及其分布、磨損狀態(tài)等)。同時(shí)，基于表面質(zhì)量對再制造修復(fù)的影響規(guī)律，結(jié)合其修復(fù)結(jié)構(gòu)的服役性能需求，提出再制造預(yù)處理表面質(zhì)量需求。

(2)工藝優(yōu)化模型。基于再制造毛坯表面初始質(zhì)量，結(jié)合現(xiàn)有預(yù)處理工藝選取合適的工藝類型，并以預(yù)處理工藝單元為研究對象，分析各類工藝過程參數(shù)對工藝能力、工藝能耗和工藝成本的影響關(guān)系，選擇并設(shè)定相關(guān)系數(shù)，構(gòu)建相應(yīng)工藝過程函數(shù)模型。

(3)預(yù)處理工藝優(yōu)化。將預(yù)處理工藝能力函數(shù)模型設(shè)為約束函數(shù)，主要是為了確保再制造毛坯預(yù)處理工藝能力需求；將工藝能耗和工藝成本設(shè)為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)及調(diào)研數(shù)據(jù)，采用合理數(shù)值分析方法，得到工藝過程參數(shù)優(yōu)化值，進(jìn)一步構(gòu)建預(yù)處理工藝優(yōu)化模型。

工藝參數(shù)約束條件為

T∈(T0,Tl)t∈(t0,tl)C∈(C0,Cl)P∈(P0,Pl)…

工藝能力需求應(yīng)滿足：

η(x)≥ψ(x) (η1(xD),η2(xA),η3(xO))≥(ψ1(xD),ψ2(xA),ψ3(xO))

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

式中，xk為過程參數(shù)變量，下標(biāo)k為過程參數(shù)的個(gè)數(shù)；(T0，Tl)、(t0，tl)、(C0，Cl)、(P0，Pl)分別為表面預(yù)處理時(shí)間、預(yù)處理溫度、介質(zhì)濃度和預(yù)處理功率的取值區(qū)域。

基于上述優(yōu)化模型，結(jié)合再制造毛坯表面污染物分布狀態(tài)及預(yù)處理表面質(zhì)量需求，對現(xiàn)有預(yù)處理工藝過程參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)降低工藝能耗和工藝成本的目標(biāo)，形成高效且綠色的再制造表面預(yù)處理工藝過程。

3 案例分析及驗(yàn)證

3.1 表面預(yù)處理工藝實(shí)驗(yàn)

3.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于企業(yè)調(diào)研，由于該款廢舊變速箱殼體表面存在較多含有污染物的毛細(xì)裂紋，給污染物清理造成極大的困難。結(jié)合企業(yè)再制造需求，該款廢舊變速箱殼體再制造表面預(yù)處理的主要任務(wù)是去除其表面污染物，即將污染物狀態(tài)作為表面質(zhì)量主要需求。而在預(yù)處理去除污染物的過程中，需考慮預(yù)處理去除污染物質(zhì)量百分比c、污染物分布狀態(tài)δ等。由于企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐有可操作性的要求，因此將去除污染物質(zhì)量百分比c作為衡量預(yù)處理工藝能力的指標(biāo)，可表示為

η(x)=(η1(xD),η2(xA),η3(xO))=η1(xD)=f(x)=c

結(jié)合企業(yè)需求及文獻(xiàn)調(diào)研，分析檢測所收集的廢舊變速箱殼體表面污染物，設(shè)計(jì)并優(yōu)化后的清洗預(yù)處理工藝流程見圖1，可以看出，復(fù)合預(yù)處理工藝由浸泡清洗、高壓清洗、超聲波清洗、自來水漂洗和超聲波漂洗組成。樣件預(yù)處理前后的對比見圖2?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，超聲波清洗單元內(nèi)各參數(shù)對污染物去除量影響較大，可視為該復(fù)合預(yù)處理工藝的核心工藝，因此本文以超聲波清洗預(yù)處理工藝單元為例，分析并驗(yàn)證上述理論模型的實(shí)用性和優(yōu)越性。再制造毛坯超聲波清洗工藝單元的預(yù)處理表面質(zhì)量需求選擇見表3。

圖1 某款變速箱殼體的清洗預(yù)處理工藝流程Fig.1 Cleaning pretreatment process of a gearbox housing

(a)預(yù)處理前

(b)預(yù)處理后圖2 某款變速箱殼體樣件預(yù)處理對比圖Fig.2 A gearbox housing sample pretreatment contrast

3.1.2超聲清洗工藝實(shí)驗(yàn)

基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)BS ISO 16232-10-2007[16]，可設(shè)定超聲清洗工藝能力為

(11)

式中，m0為前一個(gè)工藝單元清洗后樣件質(zhì)量；m1為經(jīng)超聲波清洗后的樣件質(zhì)量；m2為清潔度合格后的潔凈樣件質(zhì)量。

基于企業(yè)需求及文獻(xiàn)調(diào)研，選取超聲波清洗主要參數(shù)(清洗時(shí)間T，清洗溫度t，清洗液濃度C，清洗功率P)，利用Box-behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)和條件見表4，進(jìn)一步分析超聲波清洗預(yù)處理工藝能力函數(shù),見表5。

表3 再制造毛坯超聲波清洗工藝單元預(yù)處理表面質(zhì)量需求選擇參考

表4 表面處理實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表5 預(yù)處理工藝參數(shù)及預(yù)處理工藝能力數(shù)據(jù)

3.1.3超聲波清洗工藝能力函數(shù)

結(jié)合數(shù)值分析方法，得到超聲波清洗工藝能力擬合函數(shù)如下:

η=XAXT

(12)

基于上述超聲工藝能力擬合函數(shù)，可獲得時(shí)間、溫度、濃度和功率這4個(gè)工藝參數(shù)與超聲波清洗預(yù)處理工藝能力的影響關(guān)系，見圖3。

(a)時(shí)間和濃度對預(yù)處理工藝能力的關(guān)系

(b)溫度和功率對預(yù)處理工藝能力的關(guān)系圖3 對超聲波清洗預(yù)處理工藝能力的影響關(guān)系Fig.3 Influence on ultrasonic cleaning pretreatment process capability

3.2 超聲波清洗能耗分析

在超聲波清洗表面處理工藝過程中，單個(gè)零件消耗的清洗液體積可設(shè)定為

(13)

將式(13)代入式(8)可得

(14)

式中，Q為單個(gè)零件消耗的清洗液體積;V為超聲波清洗槽液體積;Dout為超聲波清洗液排放時(shí)清洗液的污染物含量;Din為剛配好的槽液污染物含量;ε為可循環(huán)利用率。

能耗函數(shù)其余變量的數(shù)值設(shè)定見表6。

表6 能耗函數(shù)其余變量數(shù)值

注：Dout-Din為單個(gè)零件經(jīng)超聲波清洗后，超聲波清洗液濃度差值。

基于企業(yè)及文獻(xiàn)調(diào)研數(shù)據(jù)，選取并設(shè)定參數(shù)(表6)，可得到超聲波清洗能耗函數(shù)如下:

E=[2.094η(t-25)+0.039 7TP]×10-4

(15)

3.3 超聲波清洗成本分析

超聲波清洗的成本主要包括：設(shè)備折舊成本、用電成本、人工成本、材料(主要為清洗液等)成本，廢物(污水)處理成本等，由式(10)、式(13)、式(14)可得單個(gè)零件超聲波清洗的總成本：

(16)

基于表7中的數(shù)據(jù)設(shè)定，可得到超聲波清洗成本函數(shù)如下：

W=η(3.6×10-3+2.407×10-2C+1.863×10-4t)+
3.53×10-6TP+0.091T

(17)

表7 成本函數(shù)變量數(shù)值[17-18]

3.4 約束條件

在再制造廢舊變速箱清洗過程中，超聲波清洗工藝參數(shù)必須在允許的清洗條件范圍內(nèi)選取，根據(jù)文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)可獲得優(yōu)化變量的取值范圍見表8。

表8 優(yōu)化變量的取值范圍

綜上所述，可得超聲波清洗多目標(biāo)優(yōu)化模型如下：

s.t.

式中，ψ為表面質(zhì)量需求。

3.5 超聲波清洗工藝過程模型的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果分析

通過MATLAB對超聲波清洗的多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，獲得表面質(zhì)量需求與能耗、成本的映射關(guān)系見圖4。

(a)表面質(zhì)量需求與能耗的關(guān)系

(b)表面質(zhì)量需求與成本的關(guān)系圖4 表面質(zhì)量需求與工藝能耗、成本之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between surface quality requirements and process energy consumption and cost

由圖4可知，表面質(zhì)量需求與工藝能耗和工藝成本之間近似成正比關(guān)系，因此，企業(yè)對廢舊零部件進(jìn)行表面預(yù)處理時(shí)，需對每個(gè)工藝單元設(shè)定合適的毛坯表面質(zhì)量需求值，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝流程最優(yōu)的能耗及成本?；谄髽I(yè)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將綜合考慮超聲波清洗的超聲工藝能力、工藝能耗和工藝成本獲得的最優(yōu)解與實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合下的目標(biāo)值進(jìn)行對比，見表9。

表9 工藝參數(shù)優(yōu)化前后的結(jié)果對比

由表10可知，通過優(yōu)化后得到的工藝能耗和工藝成本與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)相比均得到大幅度降低，表明采用本文的優(yōu)化方法，可在滿足清潔度的同時(shí)，降低超聲波清洗工藝能耗和工藝成本，也表明了本文建立的優(yōu)化模型具有可行性。

表10 優(yōu)化前后不同表面質(zhì)量需求下各優(yōu)化目標(biāo)降低程度

綜上所述，基于再制造毛坯的表面質(zhì)量需求或預(yù)處理工藝單元的工藝需求，采用本文所提再制造預(yù)處理工藝優(yōu)化方法，可對所選擇的各預(yù)處理工藝單元中的基本工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)預(yù)處理工藝流程的工藝總能耗、工藝總成本和預(yù)處理效率得到大幅度優(yōu)化。

4 結(jié)論

(1)針對再制造毛坯表面污染物分布狀態(tài)的不確定性，分析了再制造毛坯不確定性對表面預(yù)處理工藝的影響，提出了基于毛坯污染物分布狀態(tài)的再制造預(yù)處理工藝需求分析方法。

(2)基于再制造預(yù)處理方法的基本原理及工藝參數(shù)的文獻(xiàn)調(diào)研，量化分析其工藝參數(shù)對其工藝能力的影響程度，并結(jié)合預(yù)處理工藝需求分析構(gòu)建了再制造預(yù)處理工藝過程模型。

(3)分析了預(yù)處理工藝過程中不同工藝參數(shù)與其各類工藝能耗及工藝成本之間的量化映射關(guān)系，提出了基于表面預(yù)處理工藝需求的再制造預(yù)處理過程工藝優(yōu)化方法。

(4)以某型號變速箱殼體為研究對象，選擇超聲波清洗方法研究其預(yù)處理工藝單元，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建其工藝過程模型，并提出相應(yīng)工藝優(yōu)化方案，驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。

本文基于再制造毛坯表面污染物分布狀態(tài)不確定性，構(gòu)建了表面預(yù)處理工藝過程模型并提出了相應(yīng)優(yōu)化方法。但該工藝過程模型針對的是單個(gè)預(yù)處理工藝類型，對復(fù)合預(yù)處理過程應(yīng)用中存在局限性，日后需針對復(fù)合預(yù)處理過程，完善預(yù)處理工藝過程模型及優(yōu)化方法，提升其工業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。