工程機(jī)械變速箱殼體再制造修復(fù)研究及應(yīng)用

鄧杰武，李芬芳

（1.廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州545007；2.柳州滬信汽車科技有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

再制造是一個(gè)將廢舊零部件為毛坯，進(jìn)行專業(yè)化修復(fù)，使其達(dá)到甚至超過(guò)原有新件質(zhì)量、外觀、性能的生產(chǎn)過(guò)程，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要途徑之一。截止2017年底，中國(guó)工程機(jī)械主要產(chǎn)品保有量約為672萬(wàn)-728萬(wàn)臺(tái)，其中裝載機(jī)約為158.6萬(wàn)-171.8萬(wàn)臺(tái)，變速箱是工程機(jī)械傳動(dòng)的主要部件，也是易損件，由于工程機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境及作業(yè)工況多變，每年發(fā)生故障損壞失效的工程機(jī)械變速箱總成數(shù)量巨大，這些失效的變速箱往往被當(dāng)作廢鐵進(jìn)行處理，其中仍可利用的大部分附加值被浪費(fèi)掉，處理過(guò)程同時(shí)消耗大量的能源及人力物力，再制造產(chǎn)業(yè)日益成熟可以有效地解決這一問(wèn)題。通過(guò)集中回收故障損壞失效的變速箱總成，利用專業(yè)化的再制造方式對(duì)其進(jìn)行批量化修復(fù)、技術(shù)改造、性能提升，使得損壞失效的變速箱總成恢復(fù)原有性能，其中變速箱箱殼體為變速箱總成的主要部件，消耗鋼材及能源最多，價(jià)值最高，開展變速箱殼體的再制造是變速箱再制造的基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)工程機(jī)械變速箱箱殼體的失效形式及再制造修復(fù)技術(shù)及工藝過(guò)程研究甚少，本文以工程機(jī)械裝載機(jī)變速箱殼體為研究對(duì)象，分析其主要失效模式，根據(jù)變速箱再制造標(biāo)準(zhǔn)，選擇最合理的再制造修復(fù)技術(shù)及工藝，對(duì)變數(shù)箱箱殼體進(jìn)行修復(fù)。再制造產(chǎn)品比新產(chǎn)品制造過(guò)程節(jié)能60%，平均有70%的材料可以被利用，成本實(shí)際不到原來(lái)的50%，對(duì)環(huán)境的不良影響顯著降低[1]。

1 變速箱箱體失效模式分析

1.1 箱體最大載荷工況受力分析

牽引力和自身重力是變速箱體受力的主要來(lái)源，裝載機(jī)作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器共同工作的輸出轉(zhuǎn)矩傳遞到變速箱軸和齒輪，齒輪嚙合力經(jīng)軸傳到軸承上，軸承與箱體接觸面將力最終傳遞到箱體上。箱殼體主要受力部位，經(jīng)模擬計(jì)算軸承位為變速箱主要受力及失效部位[2]。在實(shí)際工況中各主要受力部位軸承長(zhǎng)期承受載荷，導(dǎo)致軸承失效后損壞解體、其損壞解體的零部件及碎片將軸承位磨損、劃傷，此外在工程機(jī)械作業(yè)過(guò)程中變速箱殼體受外部物體的碰撞，也會(huì)導(dǎo)致箱體一些脆弱部位的崩缺。

1.2 箱殼體失效模式統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)回收變速箱舊件經(jīng)行拆解分選，并對(duì)變速箱舊件箱殼體零部件的完整性、外觀質(zhì)量、產(chǎn)品型號(hào)、生產(chǎn)日期進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)《零件分選工藝》并結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙，重點(diǎn)檢查零件使用后的失效模式及磨損程度。變速箱舊件箱殼體經(jīng)過(guò)使用后，不可避免地會(huì)出現(xiàn)由于疲勞損傷以及非正常受力引起的憑目視無(wú)法檢查出的內(nèi)部缺陷，但這些缺陷可以通過(guò)超聲波手段進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)主要針對(duì)體積較大的零件開展裂紋、疏松缺陷的檢測(cè)，以及對(duì)有焊接工序的零件進(jìn)行焊縫質(zhì)量檢測(cè)，經(jīng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)箱殼體零部件失效模式的收集統(tǒng)計(jì)匯總，造成箱殼體失效報(bào)廢的失效模式統(tǒng)計(jì)匯總?cè)鐖D1所示。

圖1 箱殼體失效模式統(tǒng)計(jì)

從失效模式統(tǒng)計(jì)中可看出箱體主要失效形式為軸承孔位磨損（如圖2和圖3所示）、開裂（如圖5所示）、崩缺（如圖4所示）、螺紋損壞等失效模式（如圖6所示）。

圖2 軸承孔位磨損

圖3 軸承中心油道孔位磨損

圖4 崩缺

圖5 開裂

圖6 螺紋損壞

2 變速箱殼體再制造方案評(píng)估及實(shí)施

2.1 箱殼體舊件預(yù)處理

從舊件拆解下來(lái)的舊箱殼體表面大多是存在較多的油污、厚的粉塵及泥垢等，可采用高溫分解工藝，所采用的設(shè)備為高溫分解爐，脫漆零件只需要放置到爐內(nèi)進(jìn)行封閉脫漆處理即可。利用油漆中高分子有機(jī)聚合物高于300℃隔絕空氣可裂解憔化，高于400℃在有少量空氣情況下可完全氧化的特性，達(dá)到去除油漆層、油污的目的。等待零件冷卻后使用拋丸及有壓力的噴淋設(shè)備清洗掉零件表面油漆裂解殘留的固體粉末，完成預(yù)處理。

2.2 箱殼體軸承位失效、箱殼體凸臺(tái)崩缺失效修復(fù)

2.2.1 修復(fù)方案評(píng)估

箱殼體材質(zhì)為一般為鑄鋼HT200，其硬度為HB160-210，抗拉強(qiáng)度不低于200 MPa，基體組織為珠光體，耐磨性、耐熱均勻性較好、減震性能良好、鑄造性能較好，箱體結(jié)構(gòu)為鑄造成型，型體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，目前可應(yīng)用的成熟再制造技術(shù)有很多，受內(nèi)部空間及材料特性的限制，針對(duì)箱體軸承位失效的修復(fù)，主要可采取的包括超音速火焰噴涂修復(fù)、鑲套修復(fù)、堆焊修復(fù)、電刷鍍修復(fù)等，針對(duì)箱體凸臺(tái)崩缺失效修復(fù)，主要可采取的包括鑲套修復(fù)、堆焊修復(fù)等，各項(xiàng)修復(fù)技術(shù)都有其優(yōu)劣性，通過(guò)CE矩陣從工藝性、成本、質(zhì)量、安全方面對(duì)現(xiàn)有可行性方案進(jìn)行方案評(píng)估分析選出最優(yōu)方案如下表1.

表1 箱殼體軸承位失效、箱殼體凸臺(tái)崩缺失效修復(fù)評(píng)估方案

通過(guò)對(duì)上述失效模式、修復(fù)方案分析，采用鑲套修復(fù)箱殼體軸承位磨損失效及箱殼體凸臺(tái)崩缺失效再制造修復(fù)方案為最優(yōu)方案。

2.2.2 修復(fù)過(guò)程要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

修復(fù)過(guò)程中鑲套的材料的選擇，材料根據(jù)要求，與基體基本一致或近似，必要時(shí)選用比基體性能更好的材料，根據(jù)箱殼體材料性能，保證套有足夠強(qiáng)度，套的外徑應(yīng)保證與孔有適當(dāng)過(guò)盈量，套的內(nèi)徑需根據(jù)后續(xù)加工需求保留合適的加工余量，鑲?cè)牒笤偌庸ぶ烈蟮某叽缂凹夹g(shù)要求，為防止加工過(guò)程及使用過(guò)程中鋼套松動(dòng)，可在套與基體結(jié)合面增加膠粘劑、止動(dòng)銷、緊定螺釘、騎縫螺釘或點(diǎn)焊固定，本修復(fù)方案中綜合考慮工況要求及加工工藝可行性等因素，采用在結(jié)合面鉆孔點(diǎn)焊固定。為防止普通焊接產(chǎn)生的熱變形及材料硬化，本修復(fù)方案中采用冷焊點(diǎn)焊固定的焊接方式。冷焊與傳統(tǒng)的焊接方法相比具有一系列突出優(yōu)點(diǎn)，冷焊時(shí)熱輸入量小，焊縫和熱影響區(qū)小，焊后工件變形小，由于是瞬間完全熔合，又可得到致密性非常好的焊層，結(jié)合力可以承受各種機(jī)加工及各種沖擊力，熱輸入量極少，可以省略鑄鋼件焊接困難需要預(yù)熱保溫等工序得到快速優(yōu)質(zhì)焊層。加工過(guò)程中定位基準(zhǔn)的找取，按原設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或原加工工藝基準(zhǔn)找正失效軸承孔位，原定位基準(zhǔn)因使用過(guò)程中磨損的，需找到其他能與原基準(zhǔn)保持基準(zhǔn)一致性基準(zhǔn)進(jìn)行定位加工，確保修復(fù)后能達(dá)到原零部件間裝配相互位置度要求，凸臺(tái)修復(fù)如果缸套貫穿箱殼體，需要采取密封措施，防止油液滲漏，修復(fù)后效果（如圖7、圖8、圖9所示）。

圖7 箱殼體軸承位失效修復(fù)后

圖8 箱殼體軸承位失效修復(fù)后

圖9 箱殼體凸臺(tái)崩缺失效修復(fù)后

2.2.3 修復(fù)后的檢測(cè)

箱殼體軸承位失效修復(fù)后需檢測(cè)其內(nèi)徑尺寸是否符合設(shè)計(jì)尺寸要求，有位置度要求的需使用測(cè)量設(shè)備檢測(cè)其相關(guān)位置度是否滿足設(shè)計(jì)及裝配要求。

2.3 箱殼體螺紋損壞失效修復(fù)

螺紋損壞主要包括螺紋孔滑牙、銹蝕嚴(yán)重影響到螺紋配合的情況，常用修復(fù)方式有：

（1）堆焊后重新加工，即將原螺紋孔螺牙鉆除，然后將孔堆焊，重新加工螺紋孔。此工藝較為繁瑣，且堆焊質(zhì)量容易影響螺紋孔質(zhì)量，不易操作。

（2）改變連接方式，如采用焊接等工藝進(jìn)行連接，但此工藝改變了原有的連接工藝，特別是固定連接不利于零件的拆解。

（3）螺紋鑲套修復(fù)技術(shù)，即將舊螺紋擴(kuò)大為光孔，再加工一個(gè)大的反螺紋，將一個(gè)內(nèi)外均有螺紋的螺紋套擰入螺孔中，螺紋套內(nèi)螺紋即可恢復(fù)原尺寸，修復(fù)過(guò)程（如下圖10所示）。

圖10 螺紋修復(fù)

2.4 箱殼體裂紋失效修復(fù)

2.4.1 修復(fù)過(guò)程要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

通過(guò)前期的分選檢測(cè)找到裂紋的起止點(diǎn)、裂紋走向及深度，并對(duì)裂紋進(jìn)行標(biāo)記，在裂紋兩端起止點(diǎn)鉆止裂孔，防止裂紋進(jìn)一步延伸，裂紋較深的在裂紋部位開坡口增加焊補(bǔ)強(qiáng)度，根據(jù)箱殼體材料特點(diǎn)，進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后保溫，以減小焊接應(yīng)力和裂紋產(chǎn)生，施焊過(guò)程中可采用小電流、分層、分段、焊補(bǔ)方向控制等方法減少焊接時(shí)的應(yīng)力和變形，焊后需進(jìn)行檢查有無(wú)氣孔、裂紋，焊縫是否致密、牢固。

2.4.2 裂紋修復(fù)后無(wú)損檢測(cè)方法

修復(fù)完成后先進(jìn)行目視檢測(cè)，根據(jù)工藝標(biāo)準(zhǔn)，目測(cè)和直接測(cè)量尺寸進(jìn)行初步檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)咬邊等不合格的外觀缺陷，就要先打磨或修整，之后進(jìn)行聲波檢測(cè)及滲透檢測(cè)。聲波檢測(cè)：通過(guò)超聲波與試件相互作用，對(duì)試件進(jìn)行缺陷檢測(cè)，超聲波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)：適用于金屬、非金屬和復(fù)合材料等多種制件的無(wú)損檢測(cè)，穿透能力強(qiáng)，可對(duì)較大厚度范圍內(nèi)的試件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，靈敏度高，可以檢測(cè)試件內(nèi)部尺寸很小的缺陷，檢測(cè)成本低、速度快，設(shè)備輕便，對(duì)人體及環(huán)境無(wú)害，現(xiàn)場(chǎng)使用方便。液體滲透檢測(cè)：零件表面被施涂含有熒光材料或著色染料的滲透劑后，在毛細(xì)管作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，滲透液可以滲透進(jìn)表面開口缺陷中，經(jīng)去除表面多余滲透液后，再在零件表面施涂顯像劑，同樣，在毛細(xì)管作用下，顯像劑將吸收缺陷中保留的滲透液，滲透液回滲到顯像劑中，在一定的光源下，缺陷處的滲透液痕跡被顯像，從而探測(cè)出缺陷的形貌及分布狀態(tài)，修復(fù)后效果（如圖11和圖12所示）。

圖11 裂紋失效修復(fù)后

圖12 裂紋失效修復(fù)后

3 結(jié)論

本文對(duì)工程機(jī)械某種變速箱箱殼體再制造修復(fù)的工藝及應(yīng)用進(jìn)行研究，從工程機(jī)械變速箱箱殼體再制造背景、再制造意義，箱殼體的失效形式、再制造技術(shù)、再制造修復(fù)工藝及修復(fù)后檢測(cè)等多個(gè)方面進(jìn)行了研究及應(yīng)用，結(jié)合箱殼體舊件失效模式，有針對(duì)性的研究相應(yīng)的再造修復(fù)技術(shù)及工藝，較大地提升了變速箱箱殼體修復(fù)率水平，對(duì)降低制造成本及推進(jìn)綠色發(fā)展，建設(shè)綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)型社會(huì)擁有巨大的企業(yè)效益和社會(huì)效益。