摘要：本文結合汽車發動機再制造產業發展，介紹了汽車發動機再制造工藝流程以及針對典型零件再制造生產而研發的無損檢測評價方法與儀器設備，闡述了無損檢測評價技術在發動機再制造中的任務和作用，分析了無損檢測評價技術發展與再制造產業發展之間相輔相承的關系，提出了再制造發展對無損檢測評價技術的需求，指出無損檢測行業人員與再制造行業人員應緊密合作，一方面加強無損檢測技術在再制造領域的應用，綜合現有成熟無損檢測評價技術解決再制造生產中的問題，另一方面加強無損檢測新技術的研發和應用，不斷解決再制造行業發展中的新需求。

 

 關鍵詞：無損檢測評價；再制造；汽車發動機

 

 近年來，隨著國家節能減排、發展循環經濟相關政策的貫徹實施，再制造工程獲得了良好的發展環境和機遇，我國政府和多家企業大力推動再制造產業化發展^[1]。再制造工程以機電產品全壽命周期理論為指導，以舊件實現性能跨越式提升為目標，以優質、高效、節能、節材、環保為準則，以先進技術和產業化生產為手段對舊件進行修復和改造。再制造的重要特征是再制造產品的質量和性能要達到或超過新品，成本僅是新品的50％左右，節能60％左右，節材70％以上^[2]。隨著再制造產業化發展，如何確保再制造產品的質量已成為行業內共同關注的核心問題之一。再制造的對象是舊件，但舊件很可能會在其表面和內部產生裂紋等缺陷，若只對其進行尺寸檢驗和恢復，而不對其質量進行檢測評估，則難以確保再制造產品滿足服役性能。因此，可以說，舊件質量無損檢測評估是保障再制造產品質量的前提。無損檢測技術由于可在不破壞產品完整性的基礎上實現其質量與性能評價，而在各工業領域獲得了廣泛應用，但是針對機械零部件再制造的無損檢測技術研究還較少，應用還不成熟^[3]。

 

 本文結合近年來汽車發動機再制造生產實踐，介紹針對汽車發動機典型零件再制造生產而研發和應用的無損檢測方法，提出再制造對無損檢測技術發展的需求。

 

 1 汽車發動機再制造概述

 

 汽車再制造產業起源于20世紀30年代的美國，已有80多年的歷史，而我國的汽車再制造產業才剛剛發展了十余年^[4]。但中國特色的再制造與國外采用的尺寸加工換件方法不同，中國特色的再制造是在維修工程和表面工程基礎上發展起來的，它主要基于無損檢測壽命評估技術和先進表面工程技術。目前，國家發改委在汽車再制造領域已經確立了14家再制造示范試點企業，實際上，國內現已有幾十家企業在從事汽車再制造，再制造的汽車零部件已經涉及發動機、發電機、轉向器、啟動機等主要零部件^[5]。其中，汽車發動機的再制造工作開展最早，圖1給出了汽車發動機再制造的典型工藝流程，主要分八個步驟：(1)拆解；(2)清洗；(3)舊件檢測與評估；(4)再制造加工；(5)再制造件質量評估；(6)裝配；(7)整機測試；(8)封裝^[6]。汽車發動機再制造生產中，現階段再制造的零件主要是附加值較高的5種零件，即缸體(Cylinder block)、缸蓋(Cylinder head)、曲軸(Crank shaft)、凸輪軸(Cam shaft)和連桿(Connecting rod)，這5種零件又統稱為“5C”件。另外，對發動機氣門以及啟動機和發電機等零部件也在進行再制造生產。

 

圖1 汽車發動機再制造工藝流程

 

 汽車發動機再制造過程中，舊發動機經拆解和清洗后，目測明顯不合格的零件直接剔除出再制造工藝流程，目測沒有明顯缺陷的舊件進入“舊件檢測評估”程序(主要有尺寸測量、缺陷檢測、殘余應力檢測、性能檢測等)，以確保再制造毛坯質量；再制造后的零件，還需要對再制造涂層質量進行無損檢測評價，以確保再制造產品質量和性能，見圖1。由此可見，無損檢測技術在評判發動機舊件是否可再制造和評判再制造成形件質量方面具有重要作用。

 

 2 無損檢測評估技術在發動機再制造生產中的任務和作用

 

 在現階段的汽車發動機再制造生產中，無損檢測評估技術主要完成如下任務。

 

 (1)發動機舊件缺陷的快速無損檢測。例如：利用磁粉法、渦流法和超聲波法等，實現零件表面和內部裂紋等缺陷的無損檢測。

 

 (2)舊件疲勞損傷程度或剩余壽命的快速無損評估。例如：采用金屬磁記憶技術評估曲軸等特定零件的疲勞損傷程度、快速測定零件應力集中部位及應力集中程度，評判其再制造的可行性與可靠性。

 

 (3)再制造零件涂層質量的快速無損檢驗與評價。例如：采用渦流方法快速測定金屬鍍層的厚度，采用超聲方法檢測涂層／基體結合界面缺陷，采用x-射線衍射法快速測定涂層殘余應力。

 

 通過完成上述任務，無損檢測評估技術在發動機再制造中的重要功能如下：

 

 (1)對舊件進行嚴格篩選，確保再制造毛坯的質量，減少再制造生產中的浪費，提高再制造生產效益。

 

 (2)指導再制造技術方案的制定，提高再制造技術方案的科學性。

 

 (3)對再制造產品嚴格檢驗，評價再制造產品質量與性能，確保再制造產品服役可靠性，為再制造產業的健康發展提供技術支撐。

 

 針對無損檢測評估技術在發動機再制造中的功能作用，可以進一步做如下理解：一般而言，在采用表面工程技術進行尺寸恢復再制造之前，舊件磨損表面要先進行機械預加工，如果表面無明顯缺陷而產生了埋藏缺陷的舊件進入了機械預加工后才發現存在的缺陷，就勢必造成了工時浪費、生產成本增加。同時，如果零件內部存在裂紋等缺陷或者零件已經發生疲勞而尚未產生明顯的表面裂紋，對這類表面無裂紋等缺陷的零件，采用先進再制造技術方法和材料恢復了其尺寸和表面性能，那么，此類再制造件在服役中就存在極大安全隱患，無法保證發動機的工作可靠性。如果對再制造零件涂層不進行檢測評價，僅僅相信再制造成形技術方法和設計的涂層材料，那么再制造工藝和材料的擾動引起的涂層缺陷就被忽略，導致帶缺陷的再制造件進入實際應用，帶來發動機服役安全性問題�？梢哉f，無損檢測評估技術的應用，可以提高再制造產品的質量，有助于消除人們對再制造的疑慮，提高人們對再制造產品的認識。

 

 3 發動機典型舊件無損檢測技術

 

 據不完全統計，目前已有200余種不同的無損檢測方法，其中，最常用的是五大常規方法，即：滲透檢測、磁粉檢測、渦流檢測、超聲檢測和射線檢測。此外，還有多種非常規無損檢測技術方法，如工業CT法、工業內窺鏡檢測法、中子射線照相法、聲發射法、巴克豪森噪聲法和金屬磁記憶法等，在實際再制造生產中，應當根據各檢測方法的特點，針對檢測對象的結構、材質、可能的缺陷特征以及檢測內容和檢測目的等，選用適當的無損檢測評估方法^[7-9]。實踐還表明，在發動機再制造生產巾，很多情況下，一種無損檢測方法不能完成整個零件的檢測任務，而需要多種檢測綜合應用。下面針對發動機曲軸、連桿、缸體、缸蓋、氣門等發動機再制造典型零件，進一步闡述汽車發動機舊件再制造生產中所采用的無損檢測技術方法，見表1。

 

表1 發動機典型零件再制造生產中舊件采用的無損檢測方法

 

 針對表1中的曲軸實例，在原來的再制造生產中，舊曲軸只采用熒光磁粉方法檢測表層是否存在裂紋，而對曲軸內部裂紋、應力集中程度和疲勞損傷情況無法檢測評估。為了提高曲軸再制造質量及其服役安全性，裝備再制造技術國防科技重點實驗室與愛德森(廈門)電子有限公司聯合，針對重載發動機曲軸內部缺陷檢測評價研制出了超聲無損檢測方法(見圖2)以及適合工業應用的檢測儀器和專用超聲檢測探頭，在愛德森(廈門)電子有限公司提供的金屬磁記憶檢測儀器基礎上，通過大量實驗室理論和試驗研究，聯合研制出了曲軸疲勞損傷金屬磁記憶無損檢測評估方法和新型儀器，并研制出了適合再制造工業生產應用的自動化無損檢測工裝(見圖3)。

 

圖2 曲軸超聲檢測原理示意圖

 

圖3 曲軸磁記憶/超聲自動化綜合檢測裝置

 

 針對表1中的發動機缸體實例，在原來的再制造生產中，采用目視觀察和“打水壓”的方法，檢測缸體缸簡壁是否存在明顯可見缺陷、是否發生泄漏(存在穿透性裂紋)，而對存在的非穿遙性裂紋及其裂紋深度、局部應力集中等情況無法檢測，導致再制造缸體存在安全隱患。裝備再制造技術國防科技重點實驗室與愛德森(廈門)電子有限公司聯合，研制出了渦流／磁記憶綜合檢測評估方法及其工業化應用儀器設備(見圖4)，并在再制造生產中獲得了實際應用。

 

圖4 缸體缸筒渦流/磁記憶綜合檢測設備

 

 由表1可以看出，一個零件需要綜合應用多種無損檢測方法的同時，一種具體的無損檢測方法也可以應用于檢測不同的零件，也就是說，無損檢測方法具有通用性，但是針對具體的零件需要研究其具體的檢測工藝方法。例如，正如表1中內容所說明的，在原來的再制造生產中，采用熒光磁粉方法檢測舊連桿和舊曲軸表面及近表面裂紋等缺陷，作者課題組又研發應用渦流方法檢測發動機缸蓋、缸體以及氣門等零件，研究采用超聲方法檢測氣門、曲軸、連桿等零件。

 

 4 再制造產業發展對無損檢測評價技術的需求

 

 目前，無損檢測技術還不能滿足再制造產品質量保障的需求。隨著人們資源能源節約和環境保護意識的增強，再制造產業正快速發展，人們對再制造產品的需求不斷增加，同時對其質量保障提出了更高要求，不僅要對零件再制造前后的形狀尺寸和缺陷進行檢測，而且也應對其殘余應力、組織和性能等進行檢測評估，需要無損檢測在再制造工業生產中發揮更強有力的作用。再制造產業發展對無損檢測評價技術的需求，可概括為如下幾個方面：

 

 (1)零部件殘余應力的無損檢測。零部件在再制造前后不可避免地會產生不同程度的殘余應力。殘余應力會影響再制造工藝實施，導致零部件發生變形，同時會降低零部件力學性能，降低其服役壽命，因此，無損測定殘余應力對于確保再制造零部件的可靠性和安全性具有重要意義。殘余應力的傳統測量方法主要分為機械法和無損檢測法兩大類^[10,11]。機械法測量殘余應力包括取條法、切槽法、剝層法、鉆孔法等，會對工件造成一定的損傷或者破壞，因而不適合再制造生產。無損檢測法主要有X射線法、超聲法和磁性法等，但是，這些無損測定方法有的還不成熟，或者應用范圍有限，或者測定結果尚不夠精確。因此，需要加強殘余應力測定方法及其成熟化應用方面的研究。

 

 (2)零部件性能和組織狀態的無損檢測。零部件性能指標的測定主要通過力學性能測試試驗來完成，這將損傷或破壞工件，且費時費力。隨著無損檢測技術手段發展，材料的某些性能已逐漸可采用無損檢測方法進行測定。采用無損檢測方法還可對零部件的組織狀態進行檢測，最為典型的應用是采用超聲法和振動法評定球墨鑄鐵的球化級別^[12]。但是，在舊件材料組織狀態無損檢測評價方面，尚缺乏有效方法。加強這方面的無損檢測技術研究和應用，對評價舊件的損傷程度與剩余壽命、確保再制造產品質量具有重要意義。

 

 (3)再制造后零件的無損檢測。為確保再制造產品質量，采用無損檢測技術評定再制造產品的可靠性、安全性，是必不可少的，也是今后急需解決的問題。目前，再制造領域無損檢測技術尚主要應用于舊件的檢測評估，而對再制造涂層組織、性能以及涂層結合界面質量等的無損檢測尚缺乏有效的方法。

 

 (4)適合再制造工業生產條件的無損檢測儀器和工裝。再制造產業發展，需要實現高效率、高穩定、自動化無損檢測作業，因此，對無損檢測設備系統的要求較高，應當根據再制造生產產品對象研發和優化儀器設備、專用檢測探頭及檢測工裝。

 

 針對再制造產業發展對無損檢測評價技術的需求，急需無損檢測行業人員與再制造行業人員緊密合作，一方面加強無損檢測技術在再制造領域的應用，綜合現有成熟無損檢測評價技術解決再制造生產中的問題，另一方面加強無損檢測新技術的研發和應用，不斷解決再制造行業發展中提出的新需求。

 

 5 結束語

 

 無損檢測技術具有明確工程應用背景，雖然其很多基本理論尚待完善，但急需如何盡可能利用現有知識完善和發展已有無損檢測方法、研發新的無損檢測技術和儀器，并用于解決工程實踐中急需解決的問題。無損檢測技術在汽車發動機零部件再制造中得到了成功應用，并且具有廣闊的應用前景，但是，無損檢測技術目前尚不能滿足再制造產業的發展需要。再制造產業的需求，將促進無損檢測技術的發展；而無損檢測技術的發展，則能更好保證再制造產品的質量，推動再制造產業發展，兩者是相輔相成的關系�？梢韵嘈�，無損檢測技術將在再制造領域中發揮重要作用。今后數年，如何推動無損檢測評估技術在再制造產業中的應用將成為無損檢測評估技術發展的動力源之一。

 

參考文獻

[1]徐濱士．維修工程的新方向一一再制造工程在中國的發展(一)EJ2．維修與管理．2009：17—19．

[2]徐濱士．裝備再制造工程的理論與技術[M]．北京：國防工業出版社，2007．

[3]劉貴民．無損檢測技術[M]．北京：國防工業出版社，2006．

[4]徐濱士，劉世參，史佩京．再制造工程的發展及推進產業化中的前沿問題[J]．中國表面工程．2008，21(1)：1—7．

[5]邢忠，謝建軍．汽車發動機再制造質量控制及效益分析[J]．機電產品再制造工程學術研討會淪文集．2004．5，濟南：10—17．

[6]徐濱士，劉世參，史佩京．汽車發動機再制造效益分析及對循環經濟貢獻研究EJ]．中國表面工程．2005，18(1)：1—7．

[7] 張俊哲．無損檢測技術與應用[M]．北京：科學出版社，1993．

[8]任吉林，林俊明．電磁渦流檢測[M]．北京：科學出版社，2008．

[9]林俊明．電磁(渦流)檢測技術現狀及發展趨勢[J]．航空制造技術．2004，(3)：40—41．

[10]王丹，徐濱士，董世運．涂層殘余應力實用檢測技術的研究進展口]．金屬熱處理．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，陳鐵群．球墨鑄鐵件無損檢測綜合評價方法[J]．鑄造技術。2006，27(2)：119—121．