工程機械變速箱殼體再制造修復研究及應用

鄧杰武，李芬芳

（1.廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007；2.柳州滬信汽車科技有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

再制造是一個將廢舊零部件為毛坯，進行專業化修復，使其達到甚至超過原有新件質量、外觀、性能的生產過程，是發展循環經濟的重要途徑之一。截止2017年底，中國工程機械主要產品保有量約為672萬-728萬臺，其中裝載機約為158.6萬-171.8萬臺，變速箱是工程機械傳動的主要部件，也是易損件，由于工程機械結構復雜，工作環境及作業工況多變，每年發生故障損壞失效的工程機械變速箱總成數量巨大，這些失效的變速箱往往被當作廢鐵進行處理，其中仍可利用的大部分附加值被浪費掉，處理過程同時消耗大量的能源及人力物力，再制造產業日益成熟可以有效地解決這一問題。通過集中回收故障損壞失效的變速箱總成，利用專業化的再制造方式對其進行批量化修復、技術改造、性能提升，使得損壞失效的變速箱總成恢復原有性能，其中變速箱箱殼體為變速箱總成的主要部件，消耗鋼材及能源最多，價值最高，開展變速箱殼體的再制造是變速箱再制造的基礎。目前國內對工程機械變速箱箱殼體的失效形式及再制造修復技術及工藝過程研究甚少，本文以工程機械裝載機變速箱殼體為研究對象，分析其主要失效模式，根據變速箱再制造標準，選擇最合理的再制造修復技術及工藝，對變數箱箱殼體進行修復。再制造產品比新產品制造過程節能60%，平均有70%的材料可以被利用，成本實際不到原來的50%，對環境的不良影響顯著降低[1]。

1 變速箱箱體失效模式分析

1.1 箱體最大載荷工況受力分析

牽引力和自身重力是變速箱體受力的主要來源，裝載機作業時，發動機和液力變矩器共同工作的輸出轉矩傳遞到變速箱軸和齒輪，齒輪嚙合力經軸傳到軸承上，軸承與箱體接觸面將力最終傳遞到箱體上。箱殼體主要受力部位，經模擬計算軸承位為變速箱主要受力及失效部位[2]。在實際工況中各主要受力部位軸承長期承受載荷，導致軸承失效后損壞解體、其損壞解體的零部件及碎片將軸承位磨損、劃傷，此外在工程機械作業過程中變速箱殼體受外部物體的碰撞，也會導致箱體一些脆弱部位的崩缺。

1.2 箱殼體失效模式統計分析

對回收變速箱舊件經行拆解分選，并對變速箱舊件箱殼體零部件的完整性、外觀質量、產品型號、生產日期進行檢測，根據《零件分選工藝》并結合產品設計圖紙，重點檢查零件使用后的失效模式及磨損程度。變速箱舊件箱殼體經過使用后，不可避免地會出現由于疲勞損傷以及非正常受力引起的憑目視無法檢查出的內部缺陷，但這些缺陷可以通過超聲波手段進行檢測。該檢測主要針對體積較大的零件開展裂紋、疏松缺陷的檢測，以及對有焊接工序的零件進行焊縫質量檢測，經對生產過程中對箱殼體零部件失效模式的收集統計匯總，造成箱殼體失效報廢的失效模式統計匯總如圖1所示。

圖1 箱殼體失效模式統計

從失效模式統計中可看出箱體主要失效形式為軸承孔位磨損（如圖2和圖3所示）、開裂（如圖5所示）、崩缺（如圖4所示）、螺紋損壞等失效模式（如圖6所示）。

圖2 軸承孔位磨損

圖3 軸承中心油道孔位磨損

圖4 崩缺

圖5 開裂

圖6 螺紋損壞

2 變速箱殼體再制造方案評估及實施

2.1 箱殼體舊件預處理

從舊件拆解下來的舊箱殼體表面大多是存在較多的油污、厚的粉塵及泥垢等，可采用高溫分解工藝，所采用的設備為高溫分解爐，脫漆零件只需要放置到爐內進行封閉脫漆處理即可。利用油漆中高分子有機聚合物高于300℃隔絕空氣可裂解憔化，高于400℃在有少量空氣情況下可完全氧化的特性，達到去除油漆層、油污的目的。等待零件冷卻后使用拋丸及有壓力的噴淋設備清洗掉零件表面油漆裂解殘留的固體粉末，完成預處理。

2.2 箱殼體軸承位失效、箱殼體凸臺崩缺失效修復

2.2.1 修復方案評估

箱殼體材質為一般為鑄鋼HT200，其硬度為HB160-210，抗拉強度不低于200 MPa，基體組織為珠光體，耐磨性、耐熱均勻性較好、減震性能良好、鑄造性能較好，箱體結構為鑄造成型，型體結構較復雜，目前可應用的成熟再制造技術有很多，受內部空間及材料特性的限制，針對箱體軸承位失效的修復，主要可采取的包括超音速火焰噴涂修復、鑲套修復、堆焊修復、電刷鍍修復等，針對箱體凸臺崩缺失效修復，主要可采取的包括鑲套修復、堆焊修復等，各項修復技術都有其優劣性，通過CE矩陣從工藝性、成本、質量、安全方面對現有可行性方案進行方案評估分析選出最優方案如下表1.

表1 箱殼體軸承位失效、箱殼體凸臺崩缺失效修復評估方案

通過對上述失效模式、修復方案分析，采用鑲套修復箱殼體軸承位磨損失效及箱殼體凸臺崩缺失效再制造修復方案為最優方案。

2.2.2 修復過程要點及注意事項

修復過程中鑲套的材料的選擇，材料根據要求，與基體基本一致或近似，必要時選用比基體性能更好的材料，根據箱殼體材料性能，保證套有足夠強度，套的外徑應保證與孔有適當過盈量，套的內徑需根據后續加工需求保留合適的加工余量，鑲入后再加工至要求的尺寸及技術要求，為防止加工過程及使用過程中鋼套松動，可在套與基體結合面增加膠粘劑、止動銷、緊定螺釘、騎縫螺釘或點焊固定，本修復方案中綜合考慮工況要求及加工工藝可行性等因素，采用在結合面鉆孔點焊固定。為防止普通焊接產生的熱變形及材料硬化，本修復方案中采用冷焊點焊固定的焊接方式。冷焊與傳統的焊接方法相比具有一系列突出優點，冷焊時熱輸入量小，焊縫和熱影響區小，焊后工件變形小，由于是瞬間完全熔合，又可得到致密性非常好的焊層，結合力可以承受各種機加工及各種沖擊力，熱輸入量極少，可以省略鑄鋼件焊接困難需要預熱保溫等工序得到快速優質焊層。加工過程中定位基準的找取，按原設計基準或原加工工藝基準找正失效軸承孔位，原定位基準因使用過程中磨損的，需找到其他能與原基準保持基準一致性基準進行定位加工，確保修復后能達到原零部件間裝配相互位置度要求，凸臺修復如果缸套貫穿箱殼體，需要采取密封措施，防止油液滲漏，修復后效果（如圖7、圖8、圖9所示）。

圖7 箱殼體軸承位失效修復后

圖8 箱殼體軸承位失效修復后

圖9 箱殼體凸臺崩缺失效修復后

2.2.3 修復后的檢測

箱殼體軸承位失效修復后需檢測其內徑尺寸是否符合設計尺寸要求，有位置度要求的需使用測量設備檢測其相關位置度是否滿足設計及裝配要求。

2.3 箱殼體螺紋損壞失效修復

螺紋損壞主要包括螺紋孔滑牙、銹蝕嚴重影響到螺紋配合的情況，常用修復方式有：

（1）堆焊后重新加工，即將原螺紋孔螺牙鉆除，然后將孔堆焊，重新加工螺紋孔。此工藝較為繁瑣，且堆焊質量容易影響螺紋孔質量，不易操作。

（2）改變連接方式，如采用焊接等工藝進行連接，但此工藝改變了原有的連接工藝，特別是固定連接不利于零件的拆解。

（3）螺紋鑲套修復技術，即將舊螺紋擴大為光孔，再加工一個大的反螺紋，將一個內外均有螺紋的螺紋套擰入螺孔中，螺紋套內螺紋即可恢復原尺寸，修復過程（如下圖10所示）。

圖10 螺紋修復

2.4 箱殼體裂紋失效修復

2.4.1 修復過程要點及注意事項

通過前期的分選檢測找到裂紋的起止點、裂紋走向及深度，并對裂紋進行標記，在裂紋兩端起止點鉆止裂孔，防止裂紋進一步延伸，裂紋較深的在裂紋部位開坡口增加焊補強度，根據箱殼體材料特點，進行焊前預熱和焊后保溫，以減小焊接應力和裂紋產生，施焊過程中可采用小電流、分層、分段、焊補方向控制等方法減少焊接時的應力和變形，焊后需進行檢查有無氣孔、裂紋，焊縫是否致密、牢固。

2.4.2 裂紋修復后無損檢測方法

修復完成后先進行目視檢測，根據工藝標準，目測和直接測量尺寸進行初步檢驗，發現咬邊等不合格的外觀缺陷，就要先打磨或修整，之后進行聲波檢測及滲透檢測。聲波檢測：通過超聲波與試件相互作用，對試件進行缺陷檢測，超聲波檢測的優點：適用于金屬、非金屬和復合材料等多種制件的無損檢測，穿透能力強，可對較大厚度范圍內的試件內部缺陷進行檢測，靈敏度高，可以檢測試件內部尺寸很小的缺陷，檢測成本低、速度快，設備輕便，對人體及環境無害，現場使用方便。液體滲透檢測：零件表面被施涂含有熒光材料或著色染料的滲透劑后，在毛細管作用下，經過一段時間，滲透液可以滲透進表面開口缺陷中，經去除表面多余滲透液后，再在零件表面施涂顯像劑，同樣，在毛細管作用下，顯像劑將吸收缺陷中保留的滲透液，滲透液回滲到顯像劑中，在一定的光源下，缺陷處的滲透液痕跡被顯像，從而探測出缺陷的形貌及分布狀態，修復后效果（如圖11和圖12所示）。

圖11 裂紋失效修復后

圖12 裂紋失效修復后

3 結論

本文對工程機械某種變速箱箱殼體再制造修復的工藝及應用進行研究，從工程機械變速箱箱殼體再制造背景、再制造意義，箱殼體的失效形式、再制造技術、再制造修復工藝及修復后檢測等多個方面進行了研究及應用，結合箱殼體舊件失效模式，有針對性的研究相應的再造修復技術及工藝，較大地提升了變速箱箱殼體修復率水平，對降低制造成本及推進綠色發展，建設綠色循環經濟型社會擁有巨大的企業效益和社會效益。