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汽车发动机再制造生产中旧件的无损检测评价技术

09日

汽车发动机再制造生产中旧件的无损检测评价技术

   时间: 2014-05-09

文   董世运,石常亮,董丽虹,徐滨士,林俊明,何鹏

 

 摘要:本文结合汽车发动机再制造产业发展,介绍了汽车发动机再制造工艺流程以及针对典型零件再制造生产而研发的无损检测评价方法与仪器设备,阐述了无损检测评价技术在发动机再制造中的任务和作用,分析了无损检测评价技术发展与再制造产业发展之间相辅相承的关系,提出了再制造发展对无损检测评价技术的需求,指出无损检测行业人员与再制造行业人员应紧密合作,一方面加强无损检测技术在再制造领域的应用,综合现有成熟无损检测评价技术解决再制造生产中的问题,另一方面加强无损检测新技术的研发和应用,不断解决再制造行业发展中的新需求。

 

 关键词:无损检测评价;再制造;汽车发动机

 

 近年来,随着国家节能减排、发展循环经济相关政策的贯彻实施,再制造工程获得了良好的发展环境和机遇,我国政府和多家企业大力推动再制造产业化发展[1]。再制造工程以机电产品全寿命周期理论为指导,以旧件实现性能跨越式提升为目标,以优质、高效、节能、节材、环保为准则,以先进技术和产业化生产为手段对旧件进行修复和改造。再制造的重要特征是再制造产品的质量和性能要达到或超过新品,成本仅是新品的50%左右,节能60%左右,节材70%以上[2]。随着再制造产业化发展,如何确保再制造产品的质量已成为行业内共同关注的核心问题之一。再制造的对象是旧件,但旧件很可能会在其表面和内部产生裂纹等缺陷,若只对其进行尺寸检验和恢复,而不对其质量进行检测评估,则难以确保再制造产品满足服役性能。因此,可以说,旧件质量无损检测评估是保障再制造产品质量的前提。无损检测技术由于可在不破坏产品完整性的基础上实现其质量与性能评价,而在各工业领域获得了广泛应用,但是针对机械零部件再制造的无损检测技术研究还较少,应用还不成熟[3]

 

 本文结合近年来汽车发动机再制造生产实践,介绍针对汽车发动机典型零件再制造生产而研发和应用的无损检测方法,提出再制造对无损检测技术发展的需求。

 

 1 汽车发动机再制造概述

 

 汽车再制造产业起源于20世纪30年代的美国,已有80多年的历史,而我国的汽车再制造产业才刚刚发展了十余年[4]。但中国特色的再制造与国外采用的尺寸加工换件方法不同,中国特色的再制造是在维修工程和表面工程基础上发展起来的,它主要基于无损检测寿命评估技术和先进表面工程技术。目前,国家发改委在汽车再制造领域已经确立了14家再制造示范试点企业,实际上,国内现已有几十家企业在从事汽车再制造,再制造的汽车零部件已经涉及发动机、发电机、转向器、启动机等主要零部件[5]。其中,汽车发动机的再制造工作开展最早,图1给出了汽车发动机再制造的典型工艺流程,主要分八个步骤:(1)拆解;(2)清洗;(3)旧件检测与评估;(4)再制造加工;(5)再制造件质量评估;(6)装配;(7)整机测试;(8)封装[6]。汽车发动机再制造生产中,现阶段再制造的零件主要是附加值较高的5种零件,即缸体(Cylinder block)、缸盖(Cylinder head)、曲轴(Crank shaft)、凸轮轴(Cam shaft)和连杆(Connecting rod),这5种零件又统称为“5C”件。另外,对发动机气门以及启动机和发电机等零部件也在进行再制造生产。

 

图1 汽车发动机再制造工艺流程

 

 汽车发动机再制造过程中,旧发动机经拆解和清洗后,目测明显不合格的零件直接剔除出再制造工艺流程,目测没有明显缺陷的旧件进入“旧件检测评估”程序(主要有尺寸测量、缺陷检测、残余应力检测、性能检测等),以确保再制造毛坯质量;再制造后的零件,还需要对再制造涂层质量进行无损检测评价,以确保再制造产品质量和性能,见图1。由此可见,无损检测技术在评判发动机旧件是否可再制造和评判再制造成形件质量方面具有重要作用。

 

 2 无损检测评估技术在发动机再制造生产中的任务和作用

 

 在现阶段的汽车发动机再制造生产中,无损检测评估技术主要完成如下任务。

 

 (1)发动机旧件缺陷的快速无损检测。例如:利用磁粉法、涡流法和超声波法等,实现零件表面和内部裂纹等缺陷的无损检测。

 

 (2)旧件疲劳损伤程度或剩余寿命的快速无损评估。例如:采用金属磁记忆技术评估曲轴等特定零件的疲劳损伤程度、快速测定零件应力集中部位及应力集中程度,评判其再制造的可行性与可靠性。

 

 (3)再制造零件涂层质量的快速无损检验与评价。例如:采用涡流方法快速测定金属镀层的厚度,采用超声方法检测涂层/基体结合界面缺陷,采用x-射线衍射法快速测定涂层残余应力。

 

 通过完成上述任务,无损检测评估技术在发动机再制造中的重要功能如下:

 

 (1)对旧件进行严格筛选,确保再制造毛坯的质量,减少再制造生产中的浪费,提高再制造生产效益。

 

 (2)指导再制造技术方案的制定,提高再制造技术方案的科学性。

 

 (3)对再制造产品严格检验,评价再制造产品质量与性能,确保再制造产品服役可靠性,为再制造产业的健康发展提供技术支撑。

 

 针对无损检测评估技术在发动机再制造中的功能作用,可以进一步做如下理解:一般而言,在采用表面工程技术进行尺寸恢复再制造之前,旧件磨损表面要先进行机械预加工,如果表面无明显缺陷而产生了埋藏缺陷的旧件进入了机械预加工后才发现存在的缺陷,就势必造成了工时浪费、生产成本增加。同时,如果零件内部存在裂纹等缺陷或者零件已经发生疲劳而尚未产生明显的表面裂纹,对这类表面无裂纹等缺陷的零件,采用先进再制造技术方法和材料恢复了其尺寸和表面性能,那么,此类再制造件在服役中就存在极大安全隐患,无法保证发动机的工作可靠性。如果对再制造零件涂层不进行检测评价,仅仅相信再制造成形技术方法和设计的涂层材料,那么再制造工艺和材料的扰动引起的涂层缺陷就被忽略,导致带缺陷的再制造件进入实际应用,带来发动机服役安全性问题。可以说,无损检测评估技术的应用,可以提高再制造产品的质量,有助于消除人们对再制造的疑虑,提高人们对再制造产品的认识。

 

 3 发动机典型旧件无损检测技术

 

 据不完全统计,目前已有200余种不同的无损检测方法,其中,最常用的是五大常规方法,即:渗透检测、磁粉检测、涡流检测、超声检测和射线检测。此外,还有多种非常规无损检测技术方法,如工业CT法、工业内窥镜检测法、中子射线照相法、声发射法、巴克豪森噪声法和金属磁记忆法等,在实际再制造生产中,应当根据各检测方法的特点,针对检测对象的结构、材质、可能的缺陷特征以及检测内容和检测目的等,选用适当的无损检测评估方法[7-9]。实践还表明,在发动机再制造生产巾,很多情况下,一种无损检测方法不能完成整个零件的检测任务,而需要多种检测综合应用。下面针对发动机曲轴、连杆、缸体、缸盖、气门等发动机再制造典型零件,进一步阐述汽车发动机旧件再制造生产中所采用的无损检测技术方法,见表1。

 

表1 发动机典型零件再制造生产中旧件采用的无损检测方法

 

 针对表1中的曲轴实例,在原来的再制造生产中,旧曲轴只采用荧光磁粉方法检测表层是否存在裂纹,而对曲轴内部裂纹、应力集中程度和疲劳损伤情况无法检测评估。为了提高曲轴再制造质量及其服役安全性,装备再制造技术国防科技重点实验室与爱德森(厦门)电子有限公司联合,针对重载发动机曲轴内部缺陷检测评价研制出了超声无损检测方法(见图2)以及适合工业应用的检测仪器和专用超声检测探头,在爱德森(厦门)电子有限公司提供的金属磁记忆检测仪器基础上,通过大量实验室理论和试验研究,联合研制出了曲轴疲劳损伤金属磁记忆无损检测评估方法和新型仪器,并研制出了适合再制造工业生产应用的自动化无损检测工装(见图3)。

 

图2 曲轴超声检测原理示意图

 

图3 曲轴磁记忆/超声自动化综合检测装置

 

 针对表1中的发动机缸体实例,在原来的再制造生产中,采用目视观察和“打水压”的方法,检测缸体缸简壁是否存在明显可见缺陷、是否发生泄漏(存在穿透性裂纹),而对存在的非穿遥性裂纹及其裂纹深度、局部应力集中等情况无法检测,导致再制造缸体存在安全隐患。装备再制造技术国防科技重点实验室与爱德森(厦门)电子有限公司联合,研制出了涡流/磁记忆综合检测评估方法及其工业化应用仪器设备(见图4),并在再制造生产中获得了实际应用。

 

图4 缸体缸筒涡流/磁记忆综合检测设备

 

 由表1可以看出,一个零件需要综合应用多种无损检测方法的同时,一种具体的无损检测方法也可以应用于检测不同的零件,也就是说,无损检测方法具有通用性,但是针对具体的零件需要研究其具体的检测工艺方法。例如,正如表1中内容所说明的,在原来的再制造生产中,采用荧光磁粉方法检测旧连杆和旧曲轴表面及近表面裂纹等缺陷,作者课题组又研发应用涡流方法检测发动机缸盖、缸体以及气门等零件,研究采用超声方法检测气门、曲轴、连杆等零件。

 

 4 再制造产业发展对无损检测评价技术的需求

 

 目前,无损检测技术还不能满足再制造产品质量保障的需求。随着人们资源能源节约和环境保护意识的增强,再制造产业正快速发展,人们对再制造产品的需求不断增加,同时对其质量保障提出了更高要求,不仅要对零件再制造前后的形状尺寸和缺陷进行检测,而且也应对其残余应力、组织和性能等进行检测评估,需要无损检测在再制造工业生产中发挥更强有力的作用。再制造产业发展对无损检测评价技术的需求,可概括为如下几个方面:

 

 (1)零部件残余应力的无损检测。零部件在再制造前后不可避免地会产生不同程度的残余应力。残余应力会影响再制造工艺实施,导致零部件发生变形,同时会降低零部件力学性能,降低其服役寿命,因此,无损测定残余应力对于确保再制造零部件的可靠性和安全性具有重要意义。残余应力的传统测量方法主要分为机械法和无损检测法两大类[10,11]。机械法测量残余应力包括取条法、切槽法、剥层法、钻孔法等,会对工件造成一定的损伤或者破坏,因而不适合再制造生产。无损检测法主要有X射线法、超声法和磁性法等,但是,这些无损测定方法有的还不成熟,或者应用范围有限,或者测定结果尚不够精确。因此,需要加强残余应力测定方法及其成熟化应用方面的研究。

 

 (2)零部件性能和组织状态的无损检测。零部件性能指标的测定主要通过力学性能测试试验来完成,这将损伤或破坏工件,且费时费力。随着无损检测技术手段发展,材料的某些性能已逐渐可采用无损检测方法进行测定。采用无损检测方法还可对零部件的组织状态进行检测,最为典型的应用是采用超声法和振动法评定球墨铸铁的球化级别[12]。但是,在旧件材料组织状态无损检测评价方面,尚缺乏有效方法。加强这方面的无损检测技术研究和应用,对评价旧件的损伤程度与剩余寿命、确保再制造产品质量具有重要意义。

 

 (3)再制造后零件的无损检测。为确保再制造产品质量,采用无损检测技术评定再制造产品的可靠性、安全性,是必不可少的,也是今后急需解决的问题。目前,再制造领域无损检测技术尚主要应用于旧件的检测评估,而对再制造涂层组织、性能以及涂层结合界面质量等的无损检测尚缺乏有效的方法。

 

 (4)适合再制造工业生产条件的无损检测仪器和工装。再制造产业发展,需要实现高效率、高稳定、自动化无损检测作业,因此,对无损检测设备系统的要求较高,应当根据再制造生产产品对象研发和优化仪器设备、专用检测探头及检测工装。

 

 针对再制造产业发展对无损检测评价技术的需求,急需无损检测行业人员与再制造行业人员紧密合作,一方面加强无损检测技术在再制造领域的应用,综合现有成熟无损检测评价技术解决再制造生产中的问题,另一方面加强无损检测新技术的研发和应用,不断解决再制造行业发展中提出的新需求。

 

 5 结束语

 

 无损检测技术具有明确工程应用背景,虽然其很多基本理论尚待完善,但急需如何尽可能利用现有知识完善和发展已有无损检测方法、研发新的无损检测技术和仪器,并用于解决工程实践中急需解决的问题。无损检测技术在汽车发动机零部件再制造中得到了成功应用,并且具有广阔的应用前景,但是,无损检测技术目前尚不能满足再制造产业的发展需要。再制造产业的需求,将促进无损检测技术的发展;而无损检测技术的发展,则能更好保证再制造产品的质量,推动再制造产业发展,两者是相辅相成的关系。可以相信,无损检测技术将在再制造领域中发挥重要作用。今后数年,如何推动无损检测评估技术在再制造产业中的应用将成为无损检测评估技术发展的动力源之一。

 

参考文献

[1]徐滨士.维修工程的新方向一一再制造工程在中国的发展(一)EJ2.维修与管理.2009:17—19.

[2]徐滨士.装备再制造工程的理论与技术[M].北京:国防工业出版社,2007.

[3]刘贵民.无损检测技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[4]徐滨士,刘世参,史佩京.再制造工程的发展及推进产业化中的前沿问题[J].中国表面工程.2008,21(1):1—7.

[5]邢忠,谢建军.汽车发动机再制造质量控制及效益分析[J].机电产品再制造工程学术研讨会沦文集.2004.5,济南:10—17.

[6]徐滨士,刘世参,史佩京.汽车发动机再制造效益分析及对循环经济贡献研究EJ].中国表面工程.2005,18(1):1—7.

[7] 张俊哲.无损检测技术与应用[M].北京:科学出版社,1993.

[8]任吉林,林俊明.电磁涡流检测[M].北京:科学出版社,2008.

[9]林俊明.电磁(涡流)检测技术现状及发展趋势[J].航空制造技术.2004,(3):40—41.

[10]王丹,徐滨士,董世运.涂层残余应力实用检测技术的研究进展口].金属热处理.2006,31(5):48—52.

[11] Kashiwaya K,Sakamoto H,Inoue Y.Residual stress measurement of induction hardened axle using magnetic sensor[J].Journal of NDI,1987,36(12):894—900.

[12]田代才,陈铁群.球墨铸铁件无损检测综合评价方法[J].铸造技术。2006,27(2):119—121.

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