零件无限寿命设计下的可回收性质量评价方法

摘要

本发明涉及一种零件无限寿命设计下的可回收性质量评价方法，包括：1.回收零件的强度设计富裕量估算；2.回收零件的磨损、腐蚀等表面质量评价；3.零件的硬度、频率、刚度等机械特性测试；4.回收零件的制造工艺意外缺陷检测；5.回收零件的剩余强度和剩余寿命评价。可用于机械产品在无限寿命设计和粗放经验设计情况下，机械产品报废后零部件回收再制造的质量评价。使机械产品报废后零部件回收再制造节约资源、能源和减少环境污染，再制造产品要比原制造产品成本低50％、节能60％、节材70％，具有巨大的经济价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种零件无限寿命设计下的可回收性质量评价方法，用于机械产品在无限寿命设计和粗放经验设计情况下，机械产品报废后零部件回收再制造的质量评价。

背景技术

报废机械零件再制造具有巨大的经济价值，能够节约资源、能源和减少环境污染，再制造产品要比原制造产品成本低50％、节能60％、节材70％，再制造具有巨大的经济价值，能够节约资源、能源和减少环境污染。回收零件再制造的前提是其具有足够的剩余强度和剩余寿命。现有的可回收性评价多是经验的，基于摩擦、磨损等表面质量特性评价，不涉及机械疲劳失效的零部件。

发达国家的机械设计经历了经验设计、抗疲劳设计、可靠性设计和轻量化设计，我国机械设计水平还是以传统S-N曲线为基础的经验和类比设计，安全系数选取较高，零件危险部位的最高应力都小于零件的静强度和疲劳强度，零部件属于无限寿命设计，产品报废时许多零部件还具有相当可观的剩余寿命。

发明内容

本发明根据我国具体机械产品的无限寿命设计方法，提出一种零件无限寿命设计下的可回收性质量评价方法，用于预测和评价零件无限寿命设计下的可回收表面质量、可回收内在质量。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种零件无限寿命设计下的可回收性质量评价方法，具体步骤为：

(1)回收零件的强度设计富裕量估算：

根据材料的静强度、疲劳强度和工艺强化影响系数或零件的强度试验，获取零件的静强度、疲劳强度等；根据零件的极限载荷，计算零件的危险部位最大静应力和疲劳应力；回收零件的强度设计富裕量为零件的强度与危险部位最大应力之差或之比，强度设计安全系数为强度与最大应力之比；

(2)回收零件的表面质量评价：

回收零件的表面质量评价包括外观腐蚀、裂纹、变形检查，以及磨损、尺寸、形位、粗糙度、光滑度检测；根据回收零件的具体功能和特征，回收零件的表面质量检测指标采用定量指标或定性指标；回收零件的磨损、腐蚀表面质量评价是依据表面质量来判断回收零件是否满足再制造要求，当检测出的表面质量满足可回收性要求时，则进行下一步回收零件的硬度、频率、刚度等机械特性测试；如果检测出的表面质量不满足可回收要求，则进行材料回收；

(3)零件的机械特性测试：

零件的机械特性测试包括原始零件和回收零件的硬度、频率、刚度机械特性测试；硬度、频率、刚度机械特性测试需要结合零件的失效形式和受力分析结果，其中回收零件的硬度测试位置是危险部位的硬度，频率测试是通过自由或工作模态试验测试，刚度测试是沿着容易产生裂纹的方向进行测试；如果回收零件的硬度、频率、刚度机械特性没有变化或变化在传感器测试精度范围内，可以说明回收零件无疲劳损伤，满足可回收性要求；如果回收零件的硬度、频率、刚度机械特性测试结果有变化且变化小于10％，则回收零件可能受到了疲劳损伤，回收零件可能进入有限寿命，偏安全的情况下放弃回收再制造；如果回收零件的硬度、频率、刚度机械特性测试结果有变化且变化大于10％，则进行下一步回收零件的制造工艺意外缺陷检测；

(4)回收零件的制造工艺意外缺陷检测：

回收零件的工艺意外检测是检测相关零件无损伤的情况下，原始零件由于各种意外原因造成的失误，对于工艺意外缺陷通过修复工艺进行评价，如果难以修复，则进行材料回收；如果容易修复，则进行再制造修复，满足可回收性要求；

(5)回收零件的剩余强度和剩余寿命评价：

回收零件的剩余强度和剩余寿命评价是判断回收零件的是否满足可回收性要求，对于无限寿命设计的零件，当回收零件的表面质量满足要求、且回收零件的硬度、频率、刚度机械特性和原始零件的硬度、频率、刚度机械特性相比没有发生变化时，可以认为回收零件的剩余强度和剩余寿命没有变化，满足可回收性要求；当回收零件的硬度、频率、刚度机械特性变化很大，相关零件无损伤，回收零件的机械特性变化属于可以修复的工艺意外缺陷，则认为回收零件的剩余强度和剩余寿命满足可回收性要求；其它情况都属于不满足可回收性要求，进行材料回收和报废。

本发明的有益效果是：本发明的零件无限寿命设计下的可回收性质量评价方法，可用于机械产品在无限寿命设计和粗放经验设计情况下，机械产品报废后零部件回收再制造的质量评价。使机械产品报废后零部件回收再制造节约资源、能源和减少环境污染，再制造产品要比原制造产品成本低50％、节能60％、节材70％，再制造具有巨大的经济价值。

附图说明

图1为原始和回收的某工程机械液压油缸活塞杆体示意图；

图2为活塞杆耳环图；

图3为活塞缸耳环台阶图；

图4为活塞杆螺纹处图；

图5为本发明的零件无限寿命设计下的可回收性质量评价方法流程框图。

具体实施方式

如图5所示，本发明的零件无限寿命设计下的可回收性质量评价方法，包括：

1.回收零件的强度设计富裕量估算；

2.回收零件的磨损、腐蚀等表面质量评价；

3.零件的硬度、频率、刚度等机械特性测试；

4.回收零件的制造工艺意外缺陷检测；

5.回收零件的剩余强度和剩余寿命评价。

实例例：

以原始和回收的某工程机械液压油缸活塞杆体为对象，如图1所示。在图1活塞杆中，001#是原始未使用的新活塞杆，002#、003#和004#是回收的活塞杆。活塞杆体包括杆身和耳环，耳环和杆身为一体式锻件，活塞杆杆身直径为55mm，材料45号钢，热处理调质处理并进行表面淬火，表面硬度50-55HRC，淬火深度1-3mm；杆身镀硬铬，深度0.05-0.06mm；液压缸的工作压力为20MPa，极限压力25MPa。

1、回收零件的强度设计富裕量估算：

根据材料的静强度、疲劳强度和工艺强化影响系数或零件的强度试验，获取零件的静强度、疲劳强度等；根据零件的极限载荷，计算零件的危险部位最大静应力和疲劳应力；回收零件的强度设计富裕量为零件的强度与危险部位最大应力之差或之比，强度设计安全系数为强度与最大应力之比。

对于本例，液压油缸在极限25MPa压力下，活塞杆的最大静等效应力为79MPa，活塞杆材料的抗拉强度为852MPa，活塞杆静强度设计安全系数为10.2；假设活塞杆拉压对称最大应力为最大静等效应力为79MPa，活塞杆材料的拉压对称循环疲劳极限约为288MPa，活塞杆疲劳强度设计安全系数为3.47，活塞杆属于无限寿命设计。

2、回收零件的磨损、腐蚀等表面质量评价：

回收零件的表面质量评价主要包括外观检查(腐蚀、裂纹、变形等)，磨损、尺寸、形位、粗糙度、光滑度等检测。根据回收零件的具体功能和特征，回收零件的表面质量检测指标可以定量的指标，也可以是定性的指标；不同零件的表面质量退化形式和表面质量检测内容等也不相同。回收零件的磨损、腐蚀等表面质量评价是依据表面质量来判断回收零件是否满足再制造要求。当检测出的表面质量满足可回收性要求时，则进行下一步回收零件的硬度、频率、刚度等机械特性测试；如果检测出的表面质量不满足可回收要求，则进行材料回收。

对于本例活塞杆表面质量评价过程包括：(1)通过外观和尺寸检查，没有发现活塞杆破损和尺寸变化，没有裂纹、磨损和变形；(2)回收活塞杆表面002#一处磕碰，一处划伤，回收活塞杆表面003#和004#各一处磕碰；(3)通过尺寸测试活塞杆耳环没有明显磨损，如图2所示；(4)活塞杆耳环台阶，没有发现裂纹。如图3所示；(5)活塞杆螺纹尺寸都满足设计要求，杆体螺纹无裂纹、无磨损，如图4所示。对于回收活塞杆002#、003#、004#，表面质量评价结果没有发现杆体变形，杆体没有裂纹，活塞杆耳环内轴承没有发现明显磨损或磨损不均匀，耳环台阶处没有裂纹和损伤，杆体螺纹没有裂纹和损伤，但杆体有磕碰及划伤，但均可修复。经分析本例回收活塞杆通过表面质量评价，可以进行下一步内在质量评价。

3、零件的硬度、频率、刚度等机械特性测试：

零件的硬度、频率、刚度等机械特性测试包括原始零件和回收零件的硬度、频率、刚度等机械特性测试。硬度、频率、刚度等机械特性测试需要结合零件的失效形式和受力分析结果，其中回收零件的硬度测试位置是危险部位的硬度，频率测试是通过自由或工作模态试验测试，刚度测试是沿着容易产生裂纹的方向进行测试。如果回收零件的硬度、频率、刚度等机械特性没有变化(或变化在传感器测试精度范围内)，可以说明回收零件无疲劳损伤，满足可回收性要求；如果回收零件的硬度、频率、刚度等机械特性测试结果有变化且变化小于10％，则回收零件可能受到了疲劳损伤，回收零件可能进入有限寿命，偏安全的情况下不建议回收再制造；如果回收零件的硬度、频率、刚度等机械特性测试结果有变化且变化大于10％，则进行下一步回收零件的制造工艺意外缺陷检测。

对于本例，通过对活塞杆体的模态试验，获得回收活塞杆以及新活塞杆的固有频率结果如表1所示。

表1 各活塞杆固有频率

注：*表示频率超过了传感器线性范围，作为参考。

回收的活塞杆与全新活塞杆相比变化率如表2所示。

表2 回收活塞杆频率变化率

阶数回收杆2回收杆3回收杆41+0.167％-0.239％+0.181％2+0.241％-0.109％+0.231％3*-3.222％-1.474％-1.377％4*+0.016％-0.323％-0.187％5*-1.974％-2.239％-2.274％6*-0.228％-0.463％-0.679％

根据上述结果可知回收杆的前2阶固有频率与新杆相比，固有频率变化率均在0.25％以内，在传感器误差允许范围内。所以认为回收杆的固有频率与新杆相比没有变化。

原始和回收活塞杆硬度测试结果如表3所示

表3 试验测量的硬度值(单位：HRA)

从表3中可以看出，测得的回收杆件002#、003#、004#的表面硬度分别为61.9、61.8、61.9，其与新件的表面硬度79.2相比分别降低了21.7％、21.9％、21.7％，需要进行下一步回收零件的制造工艺意外缺陷检测。

4、回收零件的制造工艺意外缺陷检测；

回收零件的工艺意外检测主要是检测相关零件无损伤的情况下，原始零件由于各种意外原因造成的失误，例如未淬火、装配失误等。对于工艺意外缺陷通过修复工艺进行评价，如果难以修复，则进行材料回收；如果容易修复，则进行再制造修复，满足可回收性要求。

对于本例，活塞杆和相关的零件没有回收明显的损伤，根据对比可知回收的活塞杆测试硬度值与未经淬火活塞杆的硬度值相近，所以判断回收活塞杆硬度低于新杆的原因是未经过淬火工艺所致，同时与活塞杆002#、003#、004#存在软拉伤的情况正好对应。该缺陷为可修复缺陷，即进行淬火处理即可，满足可回收性要求。

5、回收零件的剩余强度和剩余寿命评价。

回收零件的剩余强度和剩余寿命评价是判断回收零件的是否满足可回收性要求。对于无限寿命设计的零件，当回收零件的表面质量满足要求、且回收零件的硬度、频率、刚度等机械特性和原始零件的硬度、频率、刚度等机械特性相比没有发生变化时，可以认为回收零件的剩余强度和剩余寿命没有变化，满足可回收性要求；当回收零件的硬度、频率、刚度等机械特性变化很大，相关零件无损伤，回收零件的机械特性变化属于可以修复的工艺意外缺陷，则认为回收零件的剩余强度和剩余寿命满足可回收性要求；其它情况都属于不满足可回收性要求，进行材料回收和报废。