基于热喷涂的再制造技术研究综述**1

张 毅 乌日开西·艾依提 赵晓龙

(新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐 830047)

进入21世纪，在全球变暖、环境污染日趋严重的大环境下，实现可持续发展战略，循环利用资源已成为主流发展道路。再制造工程是为了满足节能减排，实现产业的可持续发展，重复利用报废零件资源而产生的一项产业化的工程，结合计算机仿真、路径规划、信息控制等相关技术，使废旧零件重新发挥出新零件的功能，减少废品零件对周边环境的影响，钝化尖锐的资源短缺和巨大资源需求之间的矛盾，提高废旧零件的利用率。利用于再制造工程中的常见的技术有电刷镀修复、熔融再制造、热喷涂再制造等技术，其中以热喷涂技术在再制造工程中应用最为广泛。再制造工程不仅可为企业节约大笔资金，产生非常大的经济效益，还符合目前节能减排、循环经济的需求，热喷涂再制造相关技术的研究具有非常重要的现实意义和广阔的应用前景。目前，热喷涂技术已在机械、石油、医疗、航天、船舶等方面得到了广泛应用，并发挥了重要作用。

1 热喷涂行业发展现状

热喷涂技术是利用某种热源将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速的气流使其改变原有的状态，雾化为极小的液滴，喷射到经过预处理的材料表面，形成附着牢固的表面层，使之具有某些强化的表面性能的加工方法［1］。

来自中国表面工程协会的统计数据表明:中国热喷涂产业输出产值已从2002年的12亿元上升到2008年的59.52亿元，同比增长29.9%。截至2009年8月底，这一市场规模已达51.62亿元，同比增长了25.5%，统计数据还表明中国热喷涂产业每年都在以20%以上的速率增长。就国内环境来说，中国热喷涂仅占GDP的0.056‰。这些数据表明中国潜在的热喷涂市场巨大，潜在市场已经吸引了许多外国热喷涂公司进行投资，同时也带动本土热喷涂技术的发展［2］。

2 再制造热喷涂的种类及特点

2.1 火焰喷涂再制造技术

火焰喷涂再制造技术的原理是利用火焰将金属与非金属熔融，利用高速气流使其雾化，喷射到基体表面形成涂层。由于其涂层具有多孔性，孔隙率较高，因此，通过火焰喷涂再制造的零件具有储油润滑和减磨性能。由于涂层存在结合强度不高、基体表面准备条件高的不利因素，在普通火焰喷涂基础上发展了超音速火焰喷涂。超音速火焰喷涂的焰流速度高、喷涂后涂层致密、结合强度高、孔隙率小，克服了普通火焰喷涂的弊端，更多地被使用于再制造过程，例如运用于修复尺寸产生误差的模具，修正误差的同时，又增强其抗磨性，使模具更耐用［3－4］。

2.2 电弧喷涂再制造技术

电弧喷涂再制造技术是利用电弧加热喷涂材料，具有加热温度高、速度快、对环境污染小、成本低等特点。在普通电弧喷涂基础上在电弧方式和喷涂速度上加以改进，研制出超音速电弧喷涂(High Velocity Oxy fuel，简称HVOF)，与普通电弧喷涂相比，既具有普通电弧喷涂的优点，又有涂层致密、高速高效、成本低、设备使用寿命长等特点［1］。超音速电弧喷涂被用于机器人自动化高速电弧喷涂的开发，装甲兵工程学院开发出一套机器人自动化高速电弧喷涂系统，使利用电弧喷涂修复曲轴变得更加容易，修复效果更好［5］。北京科技大学材料科学与工程学院利用高速电弧喷涂，在Zn基涂层、Al基涂层、Zn－Al基涂层、Ni基涂层上进行研究，分析了不同基涂层的防腐蚀效果［6］。

2.3 等离子喷涂再制造技术

等离子喷涂再制造技术是采用直流驱动的等离子电弧将喷涂材料熔融，并高速喷向待再制造的零件表面，修复缺损和提高表面质量的方法。由于其高温高速的特性，等离子焰流能熔化难熔金属、陶瓷、金属陶瓷复合材料等喷涂材料，具有涂层结合力强、孔隙率低等特点［7］。装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室已成功研制出了低功率、小气体流量的高效性能超音速等离子喷涂系统(HEPJet)［6］。

J.Kitamura等人对新的电磁加速等离子喷涂系统进行了研究，开发完成了大流量脉冲粉注射器并利用其进行碳化硼的喷涂，实验得出涂层具有高附着力，这对再制造产业具有一定的指导意义，突破了一般热喷涂再制造涂层结合力不够、涂层易掉等缺陷［8］。

综合热喷涂应用于再制造在国内的发展现状，集中于回转零件，如轴类、轧辊等零件。较常见的热喷涂再制造设备主要分为两种:一是将喷涂设备与切割机床相结合的再制造设备;二是利用机械臂控制喷枪，实现再制造过程。这样不仅拓展了原有设备的功能，还节约了成本，实现节能、低成本的生产过程。第一类再制造喷涂设备主要用于加工回转零件;第二类再制造喷涂设备的加工特点是可完成复杂曲面的修复过程，可实现多坐标联动的加工状态，技术含量更高。

3 喷涂轨迹研究

运用多轴联动控制机构或机器人来控制喷枪的运动轨迹，实现对待修复零件的再制造过程。

3.1 根据不同加工条件确定轨迹

Suh S H等人通过求解以涂层厚度均匀性和喷涂时间之间的加权为目标泛函极值问题来自动优化喷枪的移动轨迹［9］。Sheng等人按照工件的几何特性，提出了喷枪三维空间路径设计的相关原则，并指出确定生成喷枪路径的关键因素是两个喷涂行程形成涂层重叠的宽度［10］。

3.2 根据面片划分确定轨迹

Chen等人对工件使用三角面片分割的方法进行造型，利用平面上的喷涂涂层效果结合涂层重叠宽度进行进一步优化后生成喷枪轨迹［11］。Athar等人提出利用Gauss－Bonnet定理对工件表面进行分割面片的方法进行喷涂轨迹规划［12］。Sheng等人提出针对复杂曲面使用曲面分片的方法优化喷涂路径效果更好［13］。

3.3 根据优化路径算法确定轨迹

Girma等人研究了复杂曲面分片后的运用遗传算法和蚁群算法对喷枪轨迹的优化组合问题［14］。Deng等对具有大角度表面工件的喷涂路径优化方法进行了系统的研究［15］。张海鸥等对等离子熔射快速制模中机器人运动轨迹生成方法进行了研究，阐明了快速制模与机器人喷涂结合优化的问题［16］。曾勇等根据面片的边界几何特征对喷枪路径进行了规划，提出了用变偏距的方法优化Z型路径模式［17］。

4 离线编程系统的研究

在离线编程系统上有一些研究单位和公司做了大量的研究，并开发了相关软件，如美国SIMA公司开发的机器人仿真与离线编程软件包SimStatio，国内有清华大学研制的仿真系统ROBSM，哈尔滨工业大学开发的机器人弧焊自动离线编程与仿真系统ACADOLP等等［18－20］。由于我国在喷涂机器人喷涂轨迹方面的研究起步较晚，并且研究的深度和广度也不及国外，喷涂机器人及相关编程系统的技术不完善，在实际使用中，效果往往差强人意。目前，国内企业使用的机器人基本上还是引进国外通用工业机器人，尽管有些工业机器人还有专用的离线编程仿真系统，但由于其核心技术严格保密，使国内的技术开发人员难以对底层信息进行开发，如无法将新的优化算法加入系统、无法进行喷涂过程的在线监控反馈等，这将难以适应国内的生产条件和流程。针对这些问题，国内有些研究机构研发了专用的机器人喷涂系统，如西安交通大学开发的具有自主知识产权的金属电弧喷涂和电刷镀专用机器人，采用三维CAD模型为控制系统的输入，系统自动编程即可完成曲面的电弧喷涂和电刷镀两种作业［21］，已在快速模具制造方面得到了运用。

对热喷涂的相关研究主要有喷涂技术、喷涂材料和喷涂方式等方面的内容，在原有热喷涂加工的技术上加入新的技术，使之喷涂更适合实现再制造的过程，扩展喷涂材料运用范围。有关热喷涂再制造技术最新的研究方向侧重于喷涂材料沉积率、涂层结合强度和复杂曲面热喷涂自动修复再制造技术的研究，特别是将机器人的离线编程技术运用于自动修复技术中，提高加工质量、修复效果。

5 利用热喷涂技术的再制造工艺展望

热喷涂技术已经经过了几十年的发展并趋于成熟，已被再制造市场所广泛应用，随着再制造技术的不断发展，对应用于再制造技术中的热喷涂技术要求更趋于完善。综合国内再制造行业发展，运用于再制造行业中的热喷涂技术还需要在以下几个方面进行发展和完善:(1)对热喷涂技术应用与再制造产业中的广泛性做深入研究。我国再制造产业正处于一个上升阶段，热喷涂技术的种类运用在再制造产业中还全面，能利用热喷涂技术修复的零件的种类十分有限，对复杂外形的缺损零件的修复再制造的技术尚不成熟。在今后的热喷涂再制造发展过程中，可以针对各种形式的热喷涂的优势，发展多种形式热喷涂再制造技术，以实现各种零件的热喷涂再制造过程。(2)加强热喷涂材料的研究，强化附着力，减小孔隙率、氧化率，有效减少加工后处理，提高再制造修复效率。特别是利用复合材料进行再制造，综合多种材料的优势，填补孔隙，有效降低孔隙率。可利用颗粒大小不同、熔点不同、互不侵溶性等，制备涂层，提高再制造效果，同时又提升防滑耐磨性能，如舰艇甲板的修复喷涂。(3)强化学习国际先进再制造技术能力，结合我国生产环境及水平，创新适合于我国的再制造生产工艺和设备。牛津大学和福特汽车公司在过去的7年里一直在研究和共同开发大型喷涂成型的设备以用于规模化生产，特别是对于汽车上冲压金属板进行表面处理，解决了成本、时间和应用软件之间的冲突。我国热喷涂行业可借助国外发展趋于成熟的系统模式，制定出属于我国热喷涂再制造的生产标准，规范生产加工流程，加强生产管理。

［1］万春锋，代新雷.几种新型热喷涂技术［J］.机械工程与自动化，2012(3):206－208.

［2］Liu Xianjun.Arc spraying in China［J］.Technical Note，1999(10):40－43.

［3］鲍君峰，崔颖，侯玉柏，等.超音速热喷涂技术的发展与现状［J］.热喷涂技术，2011，3(4):18 －21.

［4］张祥林，李伟，赵杰，等.超音速火焰喷涂技术在模具修复中的应用［J］.模具工业，2010，36(9):62 －65.

［5］梁秀兵，陈永雄，白金元，等.自动化高速电弧喷涂技术再制造发动机曲轴［J］.中国表面工程，2010，23(2):112 －116.

［6］楼淼，胡永乐，强文江，等.高速电弧喷涂层在钢结构防腐蚀中的作用及应用现状［J］.材料保护，2011，44(3):54 －46.

［7］王海军.热喷涂工程师指南［M］.北京:国防工业出版社，2010.

［8］Kitamura J，Usuba S，Kakudate Y，et al.Boron carbide coating by electromagnetically accelerated plasma spraying［J］.Peer Reviewed，2001(12):70－76.

［9］Suh S H，Woo I K，Noh S K.Development of automatic trajectory planning system(ATPS)for spray painting robots［C］.IEEE International Conference on Robotics and Automation，USA:Sacramento，1991:1948－1955.

［10］Sheng W H，Xi N，Song M，et al.Automated CAD －guided robot path planning for spray painting of compound surfaces［C］.IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems，Japan:Tankamutsa，2000:1918－1923.

［11］Chen H P，Sheng WH，Xi N，et al.Automated robot trajectory planning for spray painting of free form surfaces in automotive manufacturing［C］.IEEE International Conference on Robotics and Automation，USA:Washington DC，2002:450－455.

［12］Atkar N P，Choset H，Rizzi A A.Towards optimal coverage of 2－ dimensional surfaces embedded inR3:choice of start curve［C］.IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems，USA:Las Vegas，2003:3581 －3587.

［13］Sheng W H，Xi N，Chen H P.Surface partitioning in automated cad guided tool planning for additive manufacturing［C］.IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems，USA:Las Vegas，2003:2072 －2077.

［14］Girma S T，Sheng W.Robot path integration in manufacturing processes:genetic algorithm versus ant colony optimization［J］.IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics－Part A:Systems and Humans，2008:38(2):278－287.

［15］Deng S H，Cai Z H，Fang D D，et al.Application of robot offline programming in thermal spraying［J］.Surface ＆ Coatings Technology，2012(206):3875－3882.

［16］张海鸥，郭明亮，王桂兰.等离子熔射快速制模中机器人运动轨迹生成方法及实践［J］.机械科学与技术，2005(10):1135－1137.

［17］曾勇，龚俊，陆保印.面向复杂曲面的喷涂机器人喷枪路径的规划［J］.机械科学与技术，2010(5):675 －679.

［18］Craig John J.Arc welding simulation simplifies programming［J］.Robotics World，1987(3):24－25.

［19］范锡恩.机器人仿真系统［C］.全国第二届机器人学术会议论文集863项目专集，1989:250－253.

［20］何广忠，杨胜群，吴林，等.机器人弧焊离线编程系统中的设备建模［J］.焊接学报，2004，25(1):84 －88.

［21］卢秉恒，朱东波，何中云，等.金属电弧喷涂快速制造汽车覆盖件模具专用机器人［P］.ZL03134501.8，2004－4 －14.