郭琦，李方義，姚帥帥，聶延艷，賈秀杰，李劍峰(山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南，250061)

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面向再制造的 HT250 毛坯除漆技術(shù)及工藝優(yōu)化

郭琦，李方義，姚帥帥，聶延艷，賈秀杰，李劍峰
(山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南，250061)

摘要：利用高壓水射流對(duì)HT250表面涂層進(jìn)行清洗，采用Matlab軟件統(tǒng)計(jì)圖像像素的手段，研究不同移動(dòng)速度、清洗壓力及靶距條件下對(duì)涂層去除率的影響。通過(guò)Design Expert軟件進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸方程及建立響應(yīng)面模型。研究結(jié)果表明：當(dāng)移動(dòng)速度為1mm/s、清洗壓力為15 MPa、靶距為208 mm時(shí)涂層清洗效果最優(yōu)，在80 mm清洗軌跡上的清洗面積可達(dá)15.78Cm2。

關(guān)鍵詞：再制造；高壓水射流；涂層清洗；響應(yīng)面模型

鋼鐵結(jié)構(gòu)通常需要進(jìn)行防腐蝕處理，表面處理(如涂層)是一種重要的手段[1?2]。當(dāng)產(chǎn)品無(wú)法繼續(xù)服役時(shí)，需要進(jìn)行再制造以恢復(fù)其性能并達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的，而再制造首先面臨的重要一環(huán)是再制造清洗，清洗質(zhì)量直接影響了再制造產(chǎn)品的分析檢測(cè)、修復(fù)加工及裝配等工藝環(huán)節(jié)[3?4]。機(jī)械零部件產(chǎn)品經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期服役，在表面會(huì)形成各種污染物，主要有油污、銹層、表面涂層、無(wú)機(jī)垢層等[5?6]，產(chǎn)品清洗不徹底，不光影響了潔凈度與美觀度，而且表面上的缺陷(破損、裂紋等)也無(wú)法及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品的可再制造性評(píng)價(jià)也就無(wú)法進(jìn)行，這時(shí)如果盲目地進(jìn)行再制造，可能會(huì)造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失[7]。經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)再制造企業(yè)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)清洗過(guò)程中比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是缸體外部涂層的清洗清理。新發(fā)動(dòng)機(jī)缸體在鑄造成型后要對(duì)表面涂刷一層防銹底漆，因而回收后的舊發(fā)動(dòng)機(jī)表面除存在積累的污物外，還存在涂層，并且有可能在使用過(guò)程中已經(jīng)被損壞，但不管損壞與否，都需要去除涂層，以便檢測(cè)缺陷及重新進(jìn)行涂刷。目前，缸體外部涂層多采用高溫焚燒或拋丸進(jìn)行清理，高溫焚燒會(huì)使涂層分解，產(chǎn)生有害物質(zhì)，拋丸采用的材料(石英砂、蘇打等)消耗較快，成本較高[8]。而利用水射流進(jìn)行涂層清理時(shí)，清洗過(guò)后摻雜了不溶雜質(zhì)的水可以進(jìn)行過(guò)濾，然后循環(huán)利用，清洗成本得以降低，相比于其他清洗方式有較大的優(yōu)勢(shì)，是一種高效、環(huán)保的綠色清洗技術(shù)[9]。本文作者利用高壓水射流對(duì)HT250表面涂層進(jìn)行清洗，采用Matlab軟件統(tǒng)計(jì)圖像像素的手段，研究不同移動(dòng)速度、清洗壓力及靶距條件下對(duì)涂層去除率的影響。

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料及設(shè)備

某發(fā)動(dòng)機(jī)再制造公司所生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體材料為鑄鐵HT250，表面涂刷的是水性防銹漆，紅色，主要成分為氧化交聯(lián)型水性樹脂。為模擬實(shí)際狀況，試驗(yàn)前鑄造10塊HT250試件，加入碳(3.20%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、硅(1.80%)、錳(1.00%)、硫(0.10%)、磷(0.15%)等合金元素，材料密度、抗拉強(qiáng)度、硬度分別為7.3×103kg/cm3，250 MPa和210；長(zhǎng)×寬×高為100 mm×100 mm×12 mm，表面粗糙度Ra為2.5，分別對(duì)每塊試件的長(zhǎng)×寬為100 mm×100 mm的2個(gè)表面進(jìn)行編號(hào)。

試驗(yàn)設(shè)備采用自制 RCSM?QX100 型高壓水射流清洗試驗(yàn)機(jī)，水泵壓力可調(diào)且最高可達(dá)17 MPa，噴嘴采用定點(diǎn)噴射，被清洗件通過(guò)三爪卡盤進(jìn)行裝夾，卡盤可以通過(guò)三軸平臺(tái)實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)被清洗件不同位置處的清洗。

試驗(yàn)采用昌源牌JTC 2012GG1/4?SS1506FB型噴嘴，此為實(shí)心錐形噴嘴，孔徑為2mm，射流發(fā)散角度為15°，由不銹鋼和黃銅制成。

1.2清洗工藝

制定被清洗件的清洗工藝如下：調(diào)漆、涂刷試樣→設(shè)定壓力、靶距、移動(dòng)速度→自動(dòng)清洗→對(duì)試樣拍照→用Photoshop對(duì)圖片進(jìn)行灰度處理→用Matlab統(tǒng)計(jì)清除面積。

1)按照企業(yè)調(diào)研情況，對(duì)防銹漆兌水，按企業(yè)用防銹漆與水質(zhì)量比為1:1進(jìn)行稀釋，并對(duì)試樣進(jìn)行均勻涂刷，干膜厚度控制在(70±10)μm，通過(guò)數(shù)顯式游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量。

2)操作壓力通過(guò)設(shè)定在管路中的手柄旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，并在設(shè)備上數(shù)字顯示，壓力為噴嘴實(shí)際入口壓力；通過(guò)旋轉(zhuǎn)絲杠調(diào)節(jié)靶距，絲杠螺距為4mm，實(shí)際靶距利用卷尺測(cè)量。移動(dòng)速度指射流相對(duì)被清洗件的橫向移動(dòng)速度，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)絲杠勻速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3)對(duì)試樣進(jìn)行射流清洗，每個(gè)測(cè)試面上的直線清洗軌跡均為80 mm，清洗角度為90°。

4)試樣在清洗過(guò)后，利用Canon EOS 600D型數(shù)碼相機(jī)正對(duì)試樣被清洗表面進(jìn)行拍照，光圈值(物鏡焦距/入射光瞳周長(zhǎng))為 5.6，曝光時(shí)間為1/60 s，拍攝距離為240 mm。

5)通過(guò)Photoshop軟件截取拍攝圖片中試樣有效面積，即試樣表面100 mm×100 mm的范圍，而后進(jìn)行黑白處理，將防銹漆的紅色轉(zhuǎn)換為白色，清洗掉的涂層區(qū)域則變?yōu)楹谏?/p>

6)利用 Matlab 軟件計(jì)算圖片中黑色面積占總面積的比例[10]，代碼如下：

I=imread('D:Figures to operateFigure1.tif')?/*讀取圖片*/

i=rgb2gray(I)?/*轉(zhuǎn)換圖像為灰度圖*/

a=imhist(i)?

b=sum(a)?

c=0?

d=0?

forC=1:1:255?

d=d+a(c)?

end?/*計(jì)算灰度圖中黑色像素?cái)?shù)*/

d=d/b?/*計(jì)算黑色像素占比即清除率*/

得到清除率R后，實(shí)際清除面積即為R×100 mm ×100 mm=10 000R mm2。

1.3水射流清洗工藝條件的優(yōu)化

在水射流清洗涂層過(guò)程中，選取移動(dòng)速度、清洗壓力及靶距3個(gè)主要因素分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)各因素的協(xié)同復(fù)合作用進(jìn)行探索并優(yōu)化射流清洗工藝以得到最佳清洗參數(shù)組合。其中，移動(dòng)速度影響射流對(duì)靶面局部的作用時(shí)間、清洗壓力及靶距影響著射流對(duì)靶面作用力。

1)移動(dòng)速度的單因素試驗(yàn)：選擇4塊試件進(jìn)行清洗，工作壓力設(shè)定為13 MPa，在靶距為200 mm處分別進(jìn)行2，4，6和8 mm/s的勻速移動(dòng)清洗。

2)清洗壓力的單因素試驗(yàn)：選擇4塊試件進(jìn)行清洗，工作壓力分別設(shè)定為4，7，10和13 MPa，在靶距為200 mm處進(jìn)行2 mm/s的勻速移動(dòng)清洗。

3)靶距的單因素試驗(yàn)：選擇6塊試件進(jìn)行清洗，工作壓力設(shè)定為13 MPa，在靶距分別為50，100，150，200，250和300 mm處進(jìn)行2 mm/s的勻速移動(dòng)清洗。

2 結(jié)果及分析

2.1單因素試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)單因素試驗(yàn)，得出各因素對(duì)清洗效果的影響情況為：移動(dòng)速度越慢，清洗效果越好；清洗壓力越大，清洗效果越好；隨著靶距增大，清洗效果先變好后變差，較好處位于200 mm。

圖1所示為當(dāng)工作壓力為13 MPa時(shí)200 mm靶距處以2 mm/s移動(dòng)速度進(jìn)行清洗后的試樣。

圖1　清洗后的試樣Fig.1　Workpiece afterCleaning process

2.2響應(yīng)面法擬合清洗方程及優(yōu)化清洗參數(shù)

2.2.1方案安排

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上(移動(dòng)速度為2mm/s，清洗壓力為13 MPa、靶距為200 mm時(shí)清洗效果最佳)，根據(jù) BOX-Behnken 設(shè)計(jì)原理[11]，以清除率 R 為響應(yīng)值，利用Design Expert軟件設(shè)計(jì)3因素3水平的響應(yīng)面法試驗(yàn)方案[12]，因素水平如表1所示。方案選取17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中析因部分試驗(yàn)點(diǎn)12個(gè)，中心點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)為5，如表2所示。

表1　因素水平表Table1　Factors and levels

表2Box-Behnken試驗(yàn)方案Table1　Experiment scheme of Box-Behnken

2.2.2模型分析與結(jié)果

根據(jù)軟件的分析建議，采取二次(Quadratic)擬合的形式具有最優(yōu)效果，進(jìn)而對(duì)研究的因素進(jìn)行方程擬合。方差分析如表3所示。

表3中，P≤0.05的項(xiàng)對(duì)R影響顯著，P≤0.01的項(xiàng)對(duì) R 影響極顯著，P＞0.05 的項(xiàng)對(duì) R 影響不顯著，將該項(xiàng)剔除后重新計(jì)算。失擬項(xiàng)對(duì)應(yīng)的P越大越好，P＞0.05 說(shuō)明所得方程與實(shí)際擬合中非正常誤差所占比例小，方程表示的R與v和P等項(xiàng)的回歸方程的關(guān)系是好的。

去掉方程不顯著項(xiàng) vp，vL，pL 及 p2，得到其他項(xiàng)的顯著性未改變，失擬項(xiàng)P由0.055 8變?yōu)?.076 0，新的擬合方程仍然滿足響應(yīng)面分析要求。

表3　Box-Behnken設(shè)計(jì)回歸方程方差分析表Table1　ANOVAtable of Box-Behnken regression equation

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，可以得到響應(yīng)面分析擬合方程為

R=0.019115+9.723 68×10?3v+2.593 75×10?3p+0.256 9×10?3L?5.093 42×10?3v2?2.227 37×10?6L2

在試驗(yàn)的因素水平范圍內(nèi)，利用軟件求解方程得到涂層去除的最佳條件：移動(dòng)速度為1mm/s；工作壓力為15 MPa；靶距為 208 mm，此時(shí)涂層去除率為0.158 8。按照這種組合進(jìn)行5次試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證結(jié)果，得到的結(jié)果分別為0.156 8，0.157 2，0.157 8，0.1581和0.159 3，平均值為0.157 8，相對(duì)誤差為0.63%，得到的擬合方程對(duì)涂層去除率的預(yù)測(cè)可信度高。

2.2.3響應(yīng)面圖形分析

對(duì)回歸方程中的v 與p，v與 L，p與 L所作的響應(yīng)面圖分別如圖2～4所示。從圖2可知：當(dāng)靶距固定時(shí)，涂層去除率隨著壓力的減小及移動(dòng)速度的增大而均減小，響應(yīng)面呈斜坡形，極值點(diǎn)間落差較大，說(shuō)明壓力及移動(dòng)速度變化對(duì)涂層去除率的影響較大，這與表4中結(jié)果表現(xiàn)一致(v和p的P較小)。從圖3可知：當(dāng)壓力一定時(shí)，涂層去除率隨著移動(dòng)速度的增大而減小，隨著靶距的增大而先增大后減小，響應(yīng)面呈斜拱形，在靶距為208 mm左右清洗效果最好。從圖4可知：當(dāng)移動(dòng)速度一定時(shí)，涂層去除率隨著壓力的減小而減小，隨著靶距的增大而先增大后減小，響應(yīng)面呈斜拱形。

圖2移動(dòng)速度v與壓力p對(duì)涂層去除率的影響Fig.2Effect of traverse speed v and pressure p on decoating rate R

圖3　移動(dòng)速度v與靶距L對(duì)涂層去除率的影響Fig.3　Effect of traverse speed v and standoff distance L on decoating rate R

圖4壓力p與靶距L對(duì)涂層去除率的影響Fig.4Effect of pressure p and standoff distance L on decoating rate R

3　結(jié)論

1)當(dāng)移動(dòng)速度1mm/s，工作壓力15 MPa，靶距為 208 mm 時(shí)，此時(shí)涂層去除率為 0.158 8(面積 S 為15.88Cm2)，這與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果0.157 8(S為15.78Cm2)相對(duì)誤差為0.63%，預(yù)測(cè)性較好。

2)移動(dòng)速度越慢，清洗效果越好；清洗壓力越大，清洗效果越好；隨著靶距增大，清洗效果先變好后變差。

3)本文所得優(yōu)化工藝參數(shù)僅僅針對(duì) HT250 試樣材料的除漆過(guò)程。在實(shí)際應(yīng)用中，有些極端工況下的材料涂層表面可能會(huì)附著多種污物，會(huì)增加清洗難度，材料涂層部分脫落，則降低了清洗難度，因此針對(duì)不同情況需要進(jìn)一步研究。

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(編輯 羅金花)

Decoating technology and process optimization of blank HT250 based on remanufacturing

GUO Qi,LI Fangyi,YAO Shuaishuai,NIE Yanyan,JIA Xiujie,LI Jianfeng
(Key Laboratory of High Efficiency andClean Mechanical Manufacture,Ministry of Education,Mechanical Engineering School,Shandong University,Jinan 250061,China)

Abstract:HT250 surfaceCoating was removed by high-pressure waterjet.The decoating rates under different traverse speeds,cleaning pressures and target distances were studied byCounting image pixels with Matlab.With the experiment scheme designed by the software Design Expert,the experimental data were fitted and the response surface models were built.The results show that the traverse speed of1mm/s,cleaning pressure of15 MPa and the standoff distance of 208 mm are found to be the optimum.The decoating area along 80 mm ofCleaning trajectoryCan reach15.78Cm2.

Key words:remanufacturing? high-pressure waterjet?coatingCleaning? response surface methodology

中圖分類號(hào)：TP69

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672?7207(2016)01?0077?05

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.012

收稿日期：2015?01?17；修回日期：2015?03?17

基金項(xiàng)目(Foundation item)：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973 計(jì)劃)項(xiàng)目(2011CB013401)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375278)(Project(2011CB013401)supported by the National Basic Research Development Program(973 Program)ofChina? Project(51375278)supported by the National Natural Science Foundation ofChina)

通信作者：李方義，教授，博士生導(dǎo)師，從事綠色制造及再制造研究；E-mail: lifangyi2006@qq.com