摘要：廢舊產品在進行再制造加工前，要進行再制造性評價和再制造工藝設計。而產品的再制造特性主要是由產品設計階段決定，廢舊產品的再制造特性又決定了產品能否進行壽命末端再制造。文中主要探討了產品再制造設計的影響因素、廢舊產品再制造特性評價及再制造加工建模等內容。通過再制造設計的研究，可以為開展科學的再制造提供依據；最大限度地挖掘廢舊產品中的蘊含的財富和信息；實現資源的可持續發展戰略。

 

 關鍵詞：再制造工程；再制造設計；再制造特性

 

 0引言

 

 隨著人類生活水平的顯著提高，物質財富得到空前豐富，但產品廢棄物的日益增長和資源的日益缺乏也給人類發展帶來巨大壓力。面對大量廢舊產品造成的環境污染和原生資源短缺等嚴峻問題，人們提出了資源循環的概念^[1]。再制造工程作為一種對產品附加值（包括能量、勞動、材料）的最優化資源回收循環方式，在全世界范圍內應運而生^[2-3]。通過采用表面工程等先進技術進行再制造，可以實現產品的“循環使用”。同時先進技術在再制造中的利用可以完成產品的性能升級和功能改造，使得再制造產品成為原產品的更高級形式，實現產品的“與時俱進”，使產品的壽命周期具有明顯的升階循環特點。再制造設計作為再制造工程的重要組成部分，對其開展深入研究能夠有效地促進再制造工程的發展和應用。

 

 1  再制造設計的概念及內涵

 

 產品壽命末端回收設計（Design for-of-life）作為面向環境設計的重要組成部分，隨著法律法規的建立、人們環保意識的增強以及經濟利益的驅動，漸漸得到了廣泛的重視。再制造設計作為其中的重要組成部分，也得到了廣泛的研究。

 

 再制造設計，是指根據再制造工程要求，運用科學決策方法，進行新產品的再制造特性設計、廢舊產品的再制造特性評價及再制造加工的仿真，最終形成最優化再制造方案的過程。再制造設計具有明顯的階段特點，主要包括新產品設計開發階段和廢舊產品再制造前的決策階段。再制造性作為產品的重要屬性，主要在產品設計階段確定，但也會隨著產品本身的服役狀況、再制造技術發展狀況、產品的位置信息而動態發展著。所以廢舊產品的再制造性評價具有動態性、個體性、地域性、時間性等特點。通過進行正確的再制造特性評價，可以根據 不同的產品特點，對再制造的經濟性進行預算，對環保、資源的影響程度進行評估，并對具體的技術 單元進行確定，從而形成廢舊資源的最優化再制造方案，實現再制造全過程中資源回收最大化、生態污染最小化、再制造產品最優化的目的，為廢舊產品的再制造利用提供科學依據。

 

 2  新產品的再制造設計

 

 產品的再制造性設計主要是指在產品設計階段對產品的再制造性進行考慮，并提出再制造性指標和要求，使得產品在壽命末端具有良好的再制造性。其中設計階段的再制造性與產品的可維修性、可靠性、保障性具有密切的相互關系。影響再制造性的是產品再制造的各個階段，產品再制造的全過程包括廢舊產品的回收、拆解、分類、清洗、修復或升級、裝配、檢測等^[4]。在產品設計階段就考慮產品的再制造性，能夠顯著地提高產品在壽命末端的再制造能力，文獻[5]認為設計階段可以決定產品 2/3的再制造性^[6]。

 

 2.2  再制造特性設計的分析

 

 目前對新品再制造設計的研究還只是處在通過末端的再制造加工過程，向設計過程反饋在什么情況下產品有利于再制造，尚處于定性分析階段，還沒有形成科學的再制造性設計體系，例如尚未確定再制造性指標、沒有形成再制造性的分配及評價方法、沒有形成再制造性驗證方案等等。但再制造性作為產品的本身特性，與可靠性、維修性等具有非常緊密的聯系，今后也必將可以參照可靠性及維修性設計的內容，建立再制造性的設計體系。根據目前定性研究情況，再制造性設計主要應考慮以下幾個方面。

 

 易于運輸性：雖然大多數時候并不將廢舊產品的收集作為再制造的主要步驟，但其直接為再制造 提供了不同品質的原料，而且收集費用一般占再制造總體費用很大比重，所以對再制造具有至關重要的影響。產品設計過程必須考慮末端產品的運輸性，使得產品更經濟、安全地運輸到再制造工廠。例如對于大的產品，在裝卸時需要使用叉式升運機的，要設計出足夠的底部支撐面；盡量減少產品突出的部分，以避免在運輸出碰壞，并可以節約貯存時的效率。

 

 易于拆解性：拆解是再制造的必須步驟，如果設計過程中沒有考慮拆解性，則可能使得再制造拆解過程成為勞動密集型過程，降低再制造的經濟性。再制造的拆解不同于再循環，需要保證拆解過程中造成盡量少的零件損壞。目前對提高產品的拆解性提出了很多要求，例如減少接頭的數量和類型，減少產品的拆解深度，避免使用永固性的接頭，考慮接頭的拆解時間和效率。目前一些公司已經認識到了這些問題，現在開始使用卡式接頭、模塊化零件、插入式接頭。這種類型更容易拆解，減少了裝配和拆解的時間，但也增加了拆解過程中不可修復類故障的發生，增加了再制造費用。因為卡銷類連接情況下，一旦損壞，則整修零件需要報廢。因此，盡管卡銷類接頭在生產和加工過程中具有明顯的優點，但原制造商仍然考慮使用螺釘和相似的連接，尤其是在接頭容易損壞的部件。

 

 易于分類性：零件分類的正確與否，直接影響到再制造產品的質量。易于分類的零件也可以明顯的降低再制造總體時間。為了使拆解后的零件易于分類，設計時要采用標準化的零件，盡量減少零件的種類。對相似的零件設計時應該進行標記，增加零件的類別特征，減少零件分類時間。

 

 易于清洗性：清洗是再制造中重要的一步，而且是勞動力集中的一步，易于清洗的零件可以顯著地提高再制造的經濟性�？蛇_性是清洗難易程度的關鍵，目前存在的清洗方法包括超聲波清洗法、水或溶劑清洗法等。設計時應該使外面的部件具有易清洗且適合清洗的表面特征，例如采用平整表面，采用合適的表面材料和涂料，減少表面在清洗過程中的損傷概率等。

 

 易于修復（升級）性：再制造過程中一個重要的部分是對原制造產品的修復和升級，以使之達到新品的質量，并能夠使再制造產品具有一定的市場競爭力。因再制造依賴于零部件的再利用，設計時要增加零部件的可靠性，減少材料和結構的磨損和斷裂，防止零部件的臟污和腐蝕；采用易于替換的標準化零部件和可以改造的結構并預留模塊接口，增加升級性；采用模塊化設計，通過模塊替換或者增加模塊而升級再制造產品。

 

 易于裝配性：再制造零件裝配成再制造產品是保證再制造產品質量的重要一環，對再制造時間也具有明顯的影響。采用模塊化設計和零部件的標準化設計明顯有利于裝配的進行。據估計，再制造設計中如果拆解時間能夠減少10%，通常裝配時間則可以減少5%。另外，再制造系統中的產品可能被多次拆解和再裝配，所以設計的產品應有較高的連接質量。

 

 新品的設計是一個綜合的考慮過程，需要綜合分析功能、經濟、環境、材料等多種因素，必須將產品末端的再制造的考慮作為整體的一部分，進行系統考慮，保證產品壽命末端的再制造能力，以實現產品的最佳化回收。

 

 3  廢舊產品的再制造特性評價

 

 3.1  廢舊產品再制造特性概念及其影響因素

 

 由于再制造屬于新興學科，再制造設計是近年來新提出的概念，而且處于嘗試階段，以往生產的產品大多沒有考慮再制造特性。當該類廢舊產品送至再制造工廠后，首先要對產品的再制造特性進行評價，判斷其能否進行再制造。再制造特性是指經技術、經濟和環境等因素綜合分析后，廢舊產品所具有的通過維修或改造，恢復或超過原產品性能的能力。再制造特性的設計和評價是決定產品是否利于再制造的前提，是再制造理論研究中的首要問題。國外已經開展了對產品再制造特性評價的研究叭影響再制造性的因素錯綜復雜，可歸納如圖1所示的幾個方面。

 

 由圖示可知，再制造的技術可行性、經濟可行性、環境可行性、產品服役性等影響因素的綜合作用決定了廢舊產品的再制造特性，而且四者之間也相互產生影響。

 

 再制造特性的技術可行性要求廢舊產品進行再制造加工在技術及工藝上可行，可以通過原產品恢復或者升級來達到恢復或者提高原產品性能的目的，而不同的技術工藝路線又對再制造的經濟性、環境性和產品的服役性產生影響。

 

 再制造特性的經濟可行性是指進行廢舊產品再制造所投入的資金小于其綜合產出效益（包括經濟 效益、社會效益和環保效益），即確定該類產品進行再制造是否“有利可圖”，這是推動某種類廢舊產品進行再制造的主要動力。

 

圖1  廢舊產品的再制造特性及其影響因素

 

 再制造特性的環境可行性是指對廢舊產品再制造加工過程本身及生成后的再制造產品在社會上利用后所產生的影響小于原產品生產及使用所造成的環境污染成本。

 

 再制造產品的服役性主要指再制造加工生成的再制造產品其本身具有一定的使用性，能夠滿足相應市場需要，即再制造產品是具有一定時間效用的廣品。

 

 通過以上4個對廢舊零件再制造特性的評價后，可為再制造加工提供技術、經濟和環境綜合考慮后的最優方案，并為在產品設計階段進行面向再制造的產品設計提供技術及數據參考，指導新產品設計階段的再制造考慮。正確的再制造性評價還可為推廣再制造產品種類、增加投資者信心提供科學的依據。

 

 3.2  再制造特性評價步驟

 

 由以上概念及相互關系可知，廢舊產品的再制造特性評價是一個綜合的系統工程，研究其評價體系及方法，建立再制造性評價模型，這是科學開展再制造工程的前提。不同種類的廢舊產品其再制造性一般不同，即使同類型的廢舊產品，因為產品的工作環境及用戶不同，其導致廢舊產品的方式也多種多樣，如部分產品是自然損耗達到了使用壽命而報廢，部分產品是因為特殊原因（如火災、地震及 偶然原因）而導致報廢，部分產品是因為技術、環境或者擁有者的經濟原因而導致報廢，不同的報廢原因導致了同類產品具有不同的再制造性值。

 

 對再制造性值的判斷，可以通過采集大量影響產品再制造的技術性、經濟性、環境性和服役性等信息，構建包括非線性多影響因素的數據集；利用模糊數學和數理統計方法，對模糊因素進行分析量化；通過定性和定量相結合、模糊評判、綜合權衡等方法，確定廢舊產品再制造的經濟、技術、環境的評價指標及權衡因子，建立較為完善的再制造性評價模型。廢舊產品的再制造性評價流程，可以采取如圖2所示的流程：

 

圖2  廢舊產品再制造特性評價流程

 

 4  失效零件再制造加工模型的建立

 

 鑒于廢舊產品的特殊性，其零件原始幾何和性能參量的獲取是恢復零件至原尺寸的前提。當再制造生產由原產品制造商進行時，生產商擁有獨特的原產品數據庫，可以從中提取原始零件的幾何及性能模型，通過與當前識別后獲取的缺損零件幾何模型的對比，可以生成零件的待加工模型。根據加工模型，通過控制加工方式，可以將零件恢復至原幾何尺寸狀態，保持產品的完好性。

 

 例如，磨損機械零件自動堆焊模型的形成，主要包括以下幾個步驟：固定零件；識別磨損零件；測量零件磨損量；分析測量數據并生成堆焊模型。在此步驟中，是以磨損零件外表面可能存在的一些在使用中留下的沒有磨損的點作為對工作區零件進行空間定位的參考點，此情況能夠保證零件修復后的精度；如果磨損零件外表面沒有這些參考點，那么零件的空間定位則應以磨損量最少的點為參考點，此情況下，只有在系統軟件的協助下才能完成對工件的空間定位。定位后，應用激光傳感器測量頭測量零件，將測量結果與存儲在系統數據庫中零件的名義尺寸或者對新品的測量結果進行比較，得到零件的缺損模型，進而可生成加工模型^[7]。圖3是將工件測量結果同系統數據庫中的名義尺寸比較時確定零件再制造模型的示意圖。

 

圖3  確定零件再制造模型的示意圖

 

 另外，在因技術封鎖或者原零件的幾何尺寸模型丟失的情況下，進行再制造加工首先需要求出原零件的原始幾何尺寸模型，即在不能獲取廢舊零件原始幾何尺寸和測量基準的情況下，研究廢舊零件的機械學、摩擦學等行為及所喪失的零件信息，并通過采取接觸式和非接觸式測量技術，挖掘蘊含在廢舊產品中的幾何形貌、整體強度等信息，利用反求方法獲得零件設計時的幾何形貌和整體強度，得出產品的原始幾何模型及性能模型；然后再通過與當前缺損模型的對比，同時對服役條件分析及表面性能檢測，研究獲得再制造零件摩擦學等表面性能 和力學性能的再制造加工模型。其原理如圖4所示。

 

圖4  缺損零件再制造加工模型反求思路

 

 5  結語

 

 在產品技術更新速度加快、技術類淘汰產品比例加大的今天，根據再制造的特點，對新產品和廢舊產品進行再制造設計，可以實現廢舊產品的科學資源化利用，滿足不同的消費市場。本文明確了再制造設計中的3個重要方面，即新產品的再制造特性設計、廢舊產品的再制造特性評價及再制造加工模型的建立，并對研究內容及方法進行了分析，為今后再制造設計的研究提供了初步的發展思路。

 

參考文獻

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