现代加工技术在设备维修中的应用（一）

吕德龙

一、快速逆向工程技术在设备维修中的应用

维修零件再制造过程是一个对报废零部件尺寸恢复，以及性能恢复或提升的过程。随着CAD、CAE、CAM等计算机辅助技术受到人们越来越多的重视，传统的基于经验和试错法的设计制造方法正走向基于知识的现代化设计制造的前沿领域。由于再制造毛坯大多是表面发生了磨损、腐蚀或损伤的报废零部件，毛坯的几何尺寸以及结构形状在再制造之前一般并不确切知道。因此，再制造毛坯的测量与评价是进行现代化再制造的首要前提，而研究该过程的定量化、精确化、可视化具有重要意义。

维修零件从产品数字化模型重建的角度，逆向工程可狭义地定义为将产品原型转化为数字化模型的有关计算机辅助技术、数字化测量技术和几何模型重构技术的总称。提出了一种基于逆向工程进行再制造毛坯的建模与分析的方法，该方法贯穿考虑了再制造全过程的特点，能有效地指导工程实际。以下着重通过实例讲解相关的关键技术。

1.维修零件基本思路与步骤

基于逆向工程技术的再制造毛坯建模分析方法的基本思路是，首先通过数字化测量和预处理技术获得再制造毛坯表面的数字化模型，然后以此数字化模型与标准零件CAD模型进行3D配准比较抽取出再制造模型，并以可视化的差值图和再制造模型来分析零件的完整性，最后结合具体的修复工艺进一步指导毛坯的再制造成形。维修零件基本步骤如下：

（1）标准零件CAD模型的建立。有三种情况：只有尺寸图纸时，可正向设计创建零件的CAD模型；有标准零件实物时，通过逆向工程获得零件的CAD模型；只有再制造毛坯时，则直接进行下一步骤，然后根据未破损部位的特征重构标准零件的CAD模型。

（2）逆向工程技术获取再制造毛坯的数字化模型。主要过程包括：损伤零件表面的数字化测量；测量点云的预处理。

（3）再制造模型的抽取。是通过3D模型的配准比较来实现的：首先将再制造毛坯的数字化模型与标准零件CAD模型在同一坐标系下定位配准，然后计算两模型表面上各处的差异，最后提取出具有缺损量的缺损位置作为再制造模型。

（4）再制造模型的评价分析。将差异结果与再制造模型分别以彩色差值图、三维立体模型的形式显示到屏幕和打印到纸上,实现对再制造毛坯的可视化评价和人机交互分析。

2.再制造毛坯的数字化测量

（1）数字化测量设备。按照测量仪与被测物体是否接触,数字化测量设备分为接触式与非接触式。目前，逆向工程中常用的测量设备有三坐标测量机（CMM）、激光三维数字化仪和工业CT机等。由于测量原理的不同,各种设备各有优劣。选择何种数字化设备应综合考虑再制造毛坯的大小、形状、精度等因素。

再制造毛坯的实例处理为轴面磨损的坦克扭力轴、齿面损伤的圆锥齿轮等,采用了装备再制造国家重点实验室研发的“机器人+扫描仪+变位机”的数字化测量装置。扫描仪为加拿大Lumenera公司生产的Lu050型三维激光扫描仪，扫描精度0.048mm，量测景深30.0mm；夹持扫描仪运动来变换扫描范围的机器人为ABB公司的IRB2400/16机器人，具有6个自由度，单向姿态可重复度为0.06mm；变位机是零件装卡装置，承载能力9800N，重复定位精度0.lmm。

（2）测量前处理。在应用测量设备进行数据获取前，有许多实际问题必须要解决。

①标定与精度问题

所有的测量方法都要标定。采用“机器人+扫描仪+变位机”进行测量时，标定分为内部标定和外部标定。内部标定是指确定三维激光扫描仪中物点到像点的非线性关系，是获取物体三维坐标的关键，直接影响到测量数据的精度；外部标定是确定扫描仪、运动装置、装卡装置的相互关系，扫描路径的移动误差也会降低测量精度。

②确定扫描区域

测量前,应首先分析被测毛坯的形状，同时结合所用设备的特性参数（景深、测量精度等），并充分考虑测量的可及性等,确定需要扫描的区域。

再制造毛坯的扫描区域除损伤部位外,还需选择适当的未损伤或损伤程度较轻的区域或具有基本特征（如:平面、柱面、球面等）的区域。这些区域的点云将用于测量点云的多视拼合、模型配准等,以保证评价分析的精度。

③零件表面处理

为防止数据失真,达到最佳的扫描精度,在扫描之前应对再制造毛坯表面进行清洁；有时在被测量表面还要均匀地喷上白漆或显影剂。

④规划扫描方式

测量前，一般还需要规划出扫描方式。根据工件的结构特点，判断是采用旋转测量还是平面测量、自动测量还是手动测量等。采用分区扫描策略，每次扫描较小的范围，通过拼合形成最终结果，可降低绝对误差；多方位的扫描，则能有效克服物体形状复杂而造成的遮挡问题。

（3）测量过程。

再制造毛坯之一：轴面严重磨损的坦克扭力轴。该扭力轴轴向半径约30mm，靠近轴头部位的轴面发生了严重的磨损。

a.扫描区域：磨损轴面、未发生磨损的部分轴面以及轴头端面。未磨损轴面可拟合圆柱面，轴头端面数据可拟合平面，用来与标准模型配准。

b.扫描方式：扫描端面时，采用平面测量方式；扫描轴面时，采用旋转测量方式。由于轴头的长度较长，还将采用分区扫描策略分两次进行。最终获得的数据有三部分。

再制造毛坯之二：齿面破损的锥齿轮。该锥齿轮多个齿的齿面上有损伤现象。

a.扫描区域：除了齿面外，还包括背锥面和齿轮端面，将作为点云拼合、拟合、配准的依据。

b.扫描方式：齿轮端面采用平面测量方式；显然锥齿轮为旋转结构，可采用旋转扫描同时得到轮齿数据和背锥面。

3.再制造毛坯的点云预处理

点云的预处理技术是为获得满意的点云而进行的一些必要的处理，包括降噪处理、数据精简、点云拼合和点云分割等。再制造毛坯的点云预处理技术是充分结合再制造的特点进行的。

（1）点云降噪。为了去除或降低误差和噪声，需要对点云进行滤波或称平滑滤波。对再制造毛坯点云进行平滑时应该针对区域进行，避免对整块点云进行平滑操作。为了提高模型配准的精度，可以在点云特征识别与分割后，对基本特征区域（平面、圆柱面等）进行平滑操作。

（2）点云精简。激光扫描测量会产生过于密集的点数据。点云的精简，即在保证不丢失毛坯型面特征和保证配准能准确进行的前提下,尽量滤除不必要的数据点。实行分区精简是个有效方法，即零件上未缺损区域的点云密度可以设置得相对小些，缺损区域的点云密度应该设置得大些，对不能判明是否缺损的区域要按缺损区域处理。

随着再制造工程的发展,针对再制造毛坯的模型分析正成为研究的热点。由于再制造毛坯具有不确定性和复杂性的特点，对其测量和评价应该以定量化、精确化、可视化为目标。本文提出的一种新方法,即基于逆向工程技术实现再制造毛坯的数字化建模和可视化分析的方法,为实现这一目标探索了一条可行的通道。

逆向工程又称反求工程，是现代设计方法中的一门新兴的技术。它以先进产品设备的实物、软件或影像作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入的分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的先进产品。逆向工程技术不是简单的复制和模仿，而是运用相关技术手段对产品进行工程分析、再设计等创新处理，从而使产品表现出更加优良的性能，缩短新产品的开发周期，提高设计开发效率。

二、表面强化技术在设备维修中的应用

表面强化技术种类繁多，常用于零件的表面技术概括起来有三大类：表面组织转化技术、表面涂镀层技术和表面合金化技术。各大类中又包括不同种具体的方法，下面分别介绍其原理、特点和应用。

1.表面组织转化技术

即不改变材料的表面成分，只通过改变表面组织结构特征或应力状况来改变材料性能，常用的有火焰表面淬火、激光相变硬化等。

（1）火焰表面淬火工艺是利用氧-乙炔（或其他可燃气体）火焰，将材料表面加热至临界温度并快速冷却的淬火，使表面2～10mm厚度范围内硬度和高耐磨性提高。该工艺一般在装配后进行，可简化模具零件的制造工序，保证模具的装配精度，便于模具的补焊修复。但是要求操作人员技术娴熟，模具材料淬火性能好，结构复杂、寿命要求高的模具不适宜采用。7CrSiMnMoV等专用火焰表面淬火模具钢的研制成功，使该工艺在汽车覆盖件大型模具制造中占据了主导位置，也可用于其他一般的冷作模、塑料模和橡胶模中，取代T8A、T10A，模具寿命可提高1～3倍。

（2）激光相变硬化是以高能量的激光束快速扫描待处理表面，使其温度迅速升高到相变点以上，激光移开后，通过冷态基体材料的快速热传导瞬间自冷淬火，形成厚度0.1～1.0mm的光亮且细化的表面相变硬化层，其硬度较常规淬火可提高15%～20%，表层残余压应力可提高其疲劳强度。作为模具制造的最后工序，它不需回火；具有高度局部性、可强化内腔及侧壁等传统工艺难处理部位，因此工件变形小；但要求材料表面预先进行调质和“黑化”处理。常用于冲裁模凸模切削刃侧面强化及凹摸刃口的直线强化，如对GCr15制造的冲孔模进行激光相变硬化处理，硬化层为0.94mm，最高硬度980HV，相对耐磨性提高10倍；由于照射面积小，相邻两强化带间存在回火软化现象，对要求大面积淬火的模具，其应用受到限制。

2.表面涂镀层技术

即利用外加涂层或镀层的性能使基体性能优化，基体不参与或很少参与涂层反应。包括涂层技术和镀层技术。

（1）涂层技术。利用各种热源将金属或非金属涂层材料加热到熔化或半熔化状态，喷射或涂敷在待处理表面，形成以机械结合或冶金结合为主的耐磨、耐热或耐蚀等功能性涂层。它包括热喷涂、热喷焊和堆焊技术，方法多样和操作灵活；涂层厚度可控且范围大（零点几到几十毫米）；涂层材料种类多，可依使用要求选用；热源和涂层材料不同，则所得涂层性能各异。既可用于新模具制造，又可用于旧模具修复。如不锈钢拉延模具表面高速火焰喷涂WC-Co涂层后，修模频率由500件/次降到7000件/次，寿命由原来的3万件提高了3～8倍，不锈钢制品质量改善；生产汽车风扇带轮盖的Cr12MoV钢拉延模等离子喷涂高硬度的镍基自熔合金后，寿命提高了10倍以上，产品几乎无拉毛现象；对过早出现裂纹和磨损的金属型活塞模具型芯（40Cr），用耐热焊丝R41，TIG焊进行堆焊修复，堆焊层热强性优于母材，修复后的模具投入生产，运行良好。

（2）镀层技术。按反应物质形态可分为化学溶液沉积（电镀和化学镀）和气相沉积（物理气相沉积PVD和化学气相沉积CVD）。

电镀利用电解的方式使金属或合金沉积在待处理表面，以形成均匀、致密、结合力良好的金属层。传统的镀铬技术工艺成熟，质量稳定，镀层厚可达数百微米，硬度可达1000 HV，耐热性好（空气中500℃无氧化，热硬性好），耐腐蚀。如镀硬铬后，钢制模具表面寿命可提高3～5倍；膨胀石膏模表面导电化处理后镀硬铬性能可提高十几倍，在小批量试制性产品的模具制造中具有实用价值。

电刷镀是电镀技术新发展，通过饱吸电解液包套的阳极与作为阴极的工件表面接触，作相对运动，电解沉积形成镀层。它设备简单，现场常温施镀，镀层沉积速度可达槽镀的10倍，镀层厚度可达0.2～0.5mm，结合力强，广泛用于模具制造中局部性能的改善以及修复加工超差和尺寸磨损，尤其适于修补一些大型不易搬运的模具（如汽车大型覆盖件模具）。如用电刷镀修复加工超差的塑料风扇叶模具，它既节约资金，又能满足尺寸精度和光洁度要求；Ni-Co-ZrO2复合电刷镀层用于农机条播机旋耕刀辊锻模（模辊锻毛坯温度为1050℃）模具寿命可提高2.5倍以上，并使锻造的旋耕刀表面粗糙度和外观质量明显提高。

化学镀也称无电解镀，无外加电流而是借助适当的还原剂，使欲镀金属阳离子还原沉积到待处理表面.化学镀镍磷合金镀层硬度可达550～1100HV，摩擦系数小，极少有粘模和拉伤现象，耐腐蚀性优于不锈钢，若引入SiC、PTFE或Cu等形成复合镀层性能更佳，可镀零件形状不受限制，而且成本低、效率高，是各种模具表面强化的新途径，特别适用于塑料模或橡胶模、玻璃模、电木模、压铸模和拉深模等。如45#钢表面化学镀镍磷合金取代不锈钢作为异型材挤塑定型模板用材，正常使用5年以上，仍保持良好状态。

离子镀PVD技术中，模具表面处理应用的主要是离子镀TiC及TiN超硬膜。它是借助于一种惰性气体的辉光放电使金属或合金蒸汽离子化，离子经电场加速而沉积在阴极基体上。由于处理温度低于500℃，工件变形小，沉积硬度可达1500～2000HV。由于目前设备昂贵，膜层厚一般只有1～3μm，只用于一些受载荷不大的精密、长寿命模具。如将由Cr12MoV钢制作的PVC塑料注射成型模具，经常规热处理后进行PVD法沉积TiN强化处理，耐磨性及耐盐雾腐蚀性能提高，使模具表面不会发生点蚀而引起粘模，使用寿命比原来提高2～4倍，塑件表面光滑，质量好。不过由于绕镀性差，不能沉积直径小于3mm的深孔及窄的沟槽。

CVD在高温下借助空间气相化学反应在基体表面上沉积形成结合强度和硬度高、摩擦系数小、抗高温氧化性好的固态膜层，厚度可达5～20μm，CVD绕镀性好，可用于型腔复杂的模具表面处理。模具表面CVD涂层常为TiC、TiN、Ti（C，N）和a-Al2O3等，也可沉积金刚石或类金刚石。由Cr12MoV和9CrSi钢制作的切边模、挤压模、拉深模、拔丝模和弯曲模，经CVD法沉积TiN 强化处理，硬度1800～2450 HV，使用寿命提高3倍以上。但由于基体温度高（800～1200℃），工件变形大，对回火温度低的模具钢应用受到了一定限制。

W11.02-04

（待续）