面向再制造的 HT250 毛坯除漆技術及工藝優化

郭琦，李方義，姚帥帥，聶延艷，賈秀杰，李劍峰(山東大學 機械工程學院，高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東 濟南，250061)

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面向再制造的 HT250 毛坯除漆技術及工藝優化

郭琦，李方義，姚帥帥，聶延艷，賈秀杰，李劍峰
(山東大學 機械工程學院，高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東 濟南，250061)

摘要：利用高壓水射流對HT250表面涂層進行清洗，采用Matlab軟件統計圖像像素的手段，研究不同移動速度、清洗壓力及靶距條件下對涂層去除率的影響。通過Design Expert軟件進行方案設計，擬合試驗數據進行回歸方程及建立響應面模型。研究結果表明：當移動速度為1mm/s、清洗壓力為15 MPa、靶距為208 mm時涂層清洗效果最優，在80 mm清洗軌跡上的清洗面積可達15.78Cm2。

關鍵詞：再制造；高壓水射流；涂層清洗；響應面模型

鋼鐵結構通常需要進行防腐蝕處理，表面處理(如涂層)是一種重要的手段[1?2]。當產品無法繼續服役時，需要進行再制造以恢復其性能并達到可持續發展的目的，而再制造首先面臨的重要一環是再制造清洗，清洗質量直接影響了再制造產品的分析檢測、修復加工及裝配等工藝環節[3?4]。機械零部件產品經過長期服役，在表面會形成各種污染物，主要有油污、銹層、表面涂層、無機垢層等[5?6]，產品清洗不徹底，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)也無法及時被發現，產品的可再制造性評價也就無法進行，這時如果盲目地進行再制造，可能會造成不必要的經濟損失[7]。經過對國內工程機械發動機再制造企業的調研，發現再制造發動機清洗過程中比較重要的一個環節是缸體外部涂層的清洗清理。新發動機缸體在鑄造成型后要對表面涂刷一層防銹底漆，因而回收后的舊發動機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程中已經被損壞，但不管損壞與否，都需要去除涂層，以便檢測缺陷及重新進行涂刷。目前，缸體外部涂層多采用高溫焚燒或拋丸進行清理，高溫焚燒會使涂層分解，產生有害物質，拋丸采用的材料(石英砂、蘇打等)消耗較快，成本較高[8]。而利用水射流進行涂層清理時，清洗過后摻雜了不溶雜質的水可以進行過濾，然后循環利用，清洗成本得以降低，相比于其他清洗方式有較大的優勢，是一種高效、環保的綠色清洗技術[9]。本文作者利用高壓水射流對HT250表面涂層進行清洗，采用Matlab軟件統計圖像像素的手段，研究不同移動速度、清洗壓力及靶距條件下對涂層去除率的影響。

1試驗

1.1試驗材料及設備

某發動機再制造公司所生產的發動機缸體材料為鑄鐵HT250，表面涂刷的是水性防銹漆，紅色，主要成分為氧化交聯型水性樹脂。為模擬實際狀況，試驗前鑄造10塊HT250試件，加入碳(3.20%，質量分數，下同)、硅(1.80%)、錳(1.00%)、硫(0.10%)、磷(0.15%)等合金元素，材料密度、抗拉強度、硬度分別為7.3×103kg/cm3，250 MPa和210；長×寬×高為100 mm×100 mm×12 mm，表面粗糙度Ra為2.5，分別對每塊試件的長×寬為100 mm×100 mm的2個表面進行編號。

試驗設備采用自制 RCSM?QX100 型高壓水射流清洗試驗機，水泵壓力可調且最高可達17 MPa，噴嘴采用定點噴射，被清洗件通過三爪卡盤進行裝夾，卡盤可以通過三軸平臺實現位置調節，從而實現被清洗件不同位置處的清洗。

試驗采用昌源牌JTC 2012GG1/4?SS1506FB型噴嘴，此為實心錐形噴嘴，孔徑為2mm，射流發散角度為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：調漆、涂刷試樣→設定壓力、靶距、移動速度→自動清洗→對試樣拍照→用Photoshop對圖片進行灰度處理→用Matlab統計清除面積。

1)按照企業調研情況，對防銹漆兌水，按企業用防銹漆與水質量比為1:1進行稀釋，并對試樣進行均勻涂刷，干膜厚度控制在(70±10)μm，通過數顯式游標卡尺進行測量。

2)操作壓力通過設定在管路中的手柄旋轉調節，并在設備上數字顯示，壓力為噴嘴實際入口壓力；通過旋轉絲杠調節靶距，絲杠螺距為4mm，實際靶距利用卷尺測量。移動速度指射流相對被清洗件的橫向移動速度，通過電機帶動絲杠勻速旋轉進行調節。

3)對試樣進行射流清洗，每個測試面上的直線清洗軌跡均為80 mm，清洗角度為90°。

4)試樣在清洗過后，利用Canon EOS 600D型數碼相機正對試樣被清洗表面進行拍照，光圈值(物鏡焦距/入射光瞳周長)為 5.6，曝光時間為1/60 s，拍攝距離為240 mm。

5)通過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，而后進行黑白處理，將防銹漆的紅色轉換為白色，清洗掉的涂層區域則變為黑色。

6)利用 Matlab 軟件計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?/*計算灰度圖中黑色像素數*/

d=d/b?/*計算黑色像素占比即清除率*/

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

1.3水射流清洗工藝條件的優化

在水射流清洗涂層過程中，選取移動速度、清洗壓力及靶距3個主要因素分別進行單因素試驗，通過響應面法對各因素的協同復合作用進行探索并優化射流清洗工藝以得到最佳清洗參數組合。其中，移動速度影響射流對靶面局部的作用時間、清洗壓力及靶距影響著射流對靶面作用力。

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

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

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

2 結果及分析

2.1單因素試驗

經過單因素試驗，得出各因素對清洗效果的影響情況為：移動速度越慢，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所示為當工作壓力為13 MPa時200 mm靶距處以2 mm/s移動速度進行清洗后的試樣。

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

2.2響應面法擬合清洗方程及優化清洗參數

2.2.1方案安排

在單因素試驗的基礎上(移動速度為2mm/s，清洗壓力為13 MPa、靶距為200 mm時清洗效果最佳)，根據 BOX-Behnken 設計原理[11]，以清除率 R 為響應值，利用Design Expert軟件設計3因素3水平的響應面法試驗方案[12]，因素水平如表1所示。方案選取17個試驗點，其中析因部分試驗點12個，中心點重復試驗次數為5，如表2所示。

表1　因素水平表Table1　Factors and levels

表2Box-Behnken試驗方案Table1　Experiment scheme of Box-Behnken

2.2.2模型分析與結果

根據軟件的分析建議，采取二次(Quadratic)擬合的形式具有最優效果，進而對研究的因素進行方程擬合。方差分析如表3所示。

表3中，P≤0.05的項對R影響顯著，P≤0.01的項對 R 影響極顯著，P＞0.05 的項對 R 影響不顯著，將該項剔除后重新計算。失擬項對應的P越大越好，P＞0.05 說明所得方程與實際擬合中非正常誤差所占比例小，方程表示的R與v和P等項的回歸方程的關系是好的。

去掉方程不顯著項 vp，vL，pL 及 p2，得到其他項的顯著性未改變，失擬項P由0.055 8變為0.076 0，新的擬合方程仍然滿足響應面分析要求。

表3　Box-Behnken設計回歸方程方差分析表Table1　ANOVAtable of Box-Behnken regression equation

根據統計分析結果，可以得到響應面分析擬合方程為

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

在試驗的因素水平范圍內，利用軟件求解方程得到涂層去除的最佳條件：移動速度為1mm/s；工作壓力為15 MPa；靶距為 208 mm，此時涂層去除率為0.158 8。按照這種組合進行5次試驗來驗證結果，得到的結果分別為0.156 8，0.157 2，0.157 8，0.1581和0.159 3，平均值為0.157 8，相對誤差為0.63%，得到的擬合方程對涂層去除率的預測可信度高。

2.2.3響應面圖形分析

對回歸方程中的v 與p，v與 L，p與 L所作的響應面圖分別如圖2～4所示。從圖2可知：當靶距固定時，涂層去除率隨著壓力的減小及移動速度的增大而均減小，響應面呈斜坡形，極值點間落差較大，說明壓力及移動速度變化對涂層去除率的影響較大，這與表4中結果表現一致(v和p的P較小)。從圖3可知：當壓力一定時，涂層去除率隨著移動速度的增大而減小，隨著靶距的增大而先增大后減小，響應面呈斜拱形，在靶距為208 mm左右清洗效果最好。從圖4可知：當移動速度一定時，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，響應面呈斜拱形。

圖2移動速度v與壓力p對涂層去除率的影響Fig.2Effect of traverse speed v and pressure p on decoating rate R

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

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

3　結論

1)當移動速度1mm/s，工作壓力15 MPa，靶距為 208 mm 時，此時涂層去除率為 0.158 8(面積 S 為15.88Cm2)，這與實際試驗結果0.157 8(S為15.78Cm2)相對誤差為0.63%，預測性較好。

2)移動速度越慢，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)本文所得優化工藝參數僅僅針對 HT250 試樣材料的除漆過程。在實際應用中，有些極端工況下的材料涂層表面可能會附著多種污物，會增加清洗難度，材料涂層部分脫落，則降低了清洗難度，因此針對不同情況需要進一步研究。

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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：TP69

文獻標志碼：A

文章編號：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

基金項目(Foundation item)：國家重點基礎研究發展規劃(973 計劃)項目(2011CB013401)；國家自然科學基金資助項目(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，博士生導師，從事綠色制造及再制造研究；E-mail: lifangyi2006@qq.com