DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.012

面向再制造的HT250毛坯除漆技术及工艺优化

郭琦，李方义，姚帅帅，聂延艳，贾秀杰，李剑峰

(山东大学 机械工程学院，高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东 济南，250061)

摘要：利用高压水射流对HT250表面涂层进行清洗，采用Matlab软件统计图像像素的手段，研究不同移动速度、清洗压力及靶距条件下对涂层去除率的影响。通过Design Expert软件进行方案设计，拟合试验数据进行回归方程及建立响应面模型。研究结果表明：当移动速度为1 mm/s、清洗压力为15 MPa、靶距为208 mm时涂层清洗效果最优，在80 mm清洗轨迹上的清洗面积可达15.78 cm²。

关键词：再制造；高压水射流；涂层清洗；响应面模型

中图分类号：TP69       文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)01-0077-05

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 and Clean Mechanical Manufacture, Ministry of Education,

Mechanical Engineering School, Shandong University, Jinan 250061, China)

Abstract: HT250 surface coating was removed by high-pressure waterjet. The decoating rates under different traverse speeds, cleaning pressures and target distances were studied by counting 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 of 1 mm/s, cleaning pressure of 15 MPa and the standoff distance of 208 mm are found to be the optimum. The decoating area along 80 mm of cleaning trajectory can reach 15.78 cm².

Key words: remanufacturing; high-pressure waterjet; coating cleaning; response surface methodology

钢铁结构通常需要进行防腐蚀处理，表面处理(如涂层)是一种重要的手段^[1-2]。当产品无法继续服役时，需要进行再制造以恢复其性能并达到可持续发展的目的，而再制造首先面临的重要一环是再制造清洗，清洗质量直接影响了再制造产品的分析检测、修复加工及装配等工艺环节^[3-4]。机械零部件产品经过长期服役，在表面会形成各种污染物，主要有油污、锈层、表面涂层、无机垢层等^[5-6]，产品清洗不彻底，不光影响了洁净度与美观度，而且表面上的缺陷(破损、裂纹等)也无法及时被发现，产品的可再制造性评价也就无法进行，这时如果盲目地进行再制造，可能会造成不必要的经济损失^[7]。经过对国内工程机械发动机再制造企业的调研，发现再制造发动机清洗过程中比较重要的一个环节是缸体外部涂层的清洗清理。新发动机缸体在铸造成型后要对表面涂刷一层防锈底漆，因而回收后的旧发动机表面除存在积累的污物外，还存在涂层，并且有可能在使用过程中已经被损坏，但不管损坏与否，都需要去除涂层，以便检测缺陷及重新进行涂刷。目前，缸体外部涂层多采用高温焚烧或抛丸进行清理，高温焚烧会使涂层分解，产生有害物质，抛丸采用的材料(石英砂、苏打等)消耗较快，成本较高^[8]。而利用水射流进行涂层清理时，清洗过后掺杂了不溶杂质的水可以进行过滤，然后循环利用，清洗成本得以降低，相比于其他清洗方式有较大的优势，是一种高效、环保的绿色清洗技术^[9]。本文作者利用高压水射流对HT250表面涂层进行清洗，采用Matlab软件统计图像像素的手段，研究不同移动速度、清洗压力及靶距条件下对涂层去除率的影响。

1  试验

1.1  试验材料及设备

某发动机再制造公司所生产的发动机缸体材料为铸铁HT250，表面涂刷的是水性防锈漆，红色，主要成分为氧化交联型水性树脂。为模拟实际状况，试验前铸造10块HT250试件，加入碳(3.20%，质量分数，下同)、硅(1.80%)、锰(1.00%)、硫(0.10%)、磷(0.15%)等合金元素，材料密度、抗拉强度、硬度分别为7.3×10³ kg/cm³，250 MPa和210；长×宽×高为100 mm×100 mm×12 mm，表面粗糙度R_a为2.5，分别对每块试件的长×宽为100 mm×100 mm的2个表面进行编号。

试验设备采用自制RCSM-QX100型高压水射流清洗试验机，水泵压力可调且最高可达17 MPa，喷嘴采用定点喷射，被清洗件通过三爪卡盘进行装夹，卡盘可以通过三轴平台实现位置调节，从而实现被清洗件不同位置处的清洗。

试验采用昌源牌JTC 2012GG1/4-SS1506FB型喷嘴，此为实心锥形喷嘴，孔径为2 mm，射流发散角度为15°，由不锈钢和黄铜制成。

1.2  清洗工艺

制定被清洗件的清洗工艺如下：调漆、涂刷试样→设定压力、靶距、移动速度→自动清洗→对试样拍照→用Photoshop对图片进行灰度处理→用Matlab统计清除面积。

1) 按照企业调研情况，对防锈漆兑水，按企业用防锈漆与水质量比为1:1进行稀释，并对试样进行均匀涂刷，干膜厚度控制在(70±10) μm，通过数显式游标卡尺进行测量。

2) 操作压力通过设定在管路中的手柄旋转调节，并在设备上数字显示，压力为喷嘴实际入口压力；通过旋转丝杠调节靶距，丝杠螺距为4 mm，实际靶距利用卷尺测量。移动速度指射流相对被清洗件的横向移动速度，通过电机带动丝杠匀速旋转进行调节。

3) 对试样进行射流清洗，每个测试面上的直线清洗轨迹均为80 mm，清洗角度为90°。

4) 试样在清洗过后，利用Canon EOS 600D型数码相机正对试样被清洗表面进行拍照，光圈值(物镜焦距/入射光瞳周长)为5.6，曝光时间为1/60 s，拍摄距离为240 mm。

5) 通过Photoshop软件截取拍摄图片中试样有效面积，即试样表面100 mm×100 mm的范围，而后进行黑白处理，将防锈漆的红色转换为白色，清洗掉的涂层区域则变为黑色。

6) 利用Matlab软件计算图片中黑色面积占总面积的比例^[10]，代码如下：

I=imread('D:\Figures to operate\Figure 1.tif'); /*读取图片*/

i=rgb2gray(I); /*转换图像为灰度图*/

a=imhist(i);

b=sum(a);

c=0;

d=0;

for c=1:1:255;

d=d+a(c);

end; /*计算灰度图中黑色像素数*/

d=d/b; /*计算黑色像素占比即清除率*/

得到清除率R后，实际清除面积即为R×100 mm×100 mm=10 000R mm²。

1.3  水射流清洗工艺条件的优化

在水射流清洗涂层过程中，选取移动速度、清洗压力及靶距3个主要因素分别进行单因素试验，通过响应面法对各因素的协同复合作用进行探索并优化射流清洗工艺以得到最佳清洗参数组合。其中，移动速度影响射流对靶面局部的作用时间、清洗压力及靶距影响着射流对靶面作用力。

1) 移动速度的单因素试验：选择4块试件进行清洗，工作压力设定为13 MPa，在靶距为200 mm处分别进行2，4，6和8 mm/s的匀速移动清洗。

2) 清洗压力的单因素试验：选择4块试件进行清洗，工作压力分别设定为4，7，10和13 MPa，在靶距为200 mm处进行2 mm/s的匀速移动清洗。

3) 靶距的单因素试验：选择6块试件进行清洗，工作压力设定为13 MPa，在靶距分别为50，100，150，200，250和300 mm处进行2 mm/s的匀速移动清洗。

2  结果及分析

2.1  单因素试验

经过单因素试验，得出各因素对清洗效果的影响情况为：移动速度越慢，清洗效果越好；清洗压力越大，清洗效果越好；随着靶距增大，清洗效果先变好后变差，较好处位于200 mm。

图1所示为当工作压力为13 MPa时200 mm靶距处以2 mm/s移动速度进行清洗后的试样。

图1  清洗后的试样

Fig. 1  Workpiece after cleaning process

2.2  响应面法拟合清洗方程及优化清洗参数

2.2.1  方案安排

在单因素试验的基础上(移动速度为2 mm/s，清洗压力为13 MPa、靶距为200 mm时清洗效果最佳)，根据BOX-Behnken设计原理^[11]，以清除率R为响应值，利用Design Expert软件设计3因素3水平的响应面法试验方案^[12]，因素水平如表1所示。方案选取17个试验点，其中析因部分试验点12个，中心点重复试验次数为5，如表2所示。

表1  因素水平表

Table 1  Factors and levels

表2  Box-Behnken试验方案

Table 2  Experiment scheme of Box-Behnken

2.2.2  模型分析与结果

根据软件的分析建议，采取二次(Quadratic)拟合的形式具有最优效果，进而对研究的因素进行方程拟合。方差分析如表3所示。

表3中，P≤0.05的项对R影响显著，P≤0.01的项对R影响极显著，P＞0.05的项对R影响不显著，将该项剔除后重新计算。失拟项对应的P越大越好，P＞0.05说明所得方程与实际拟合中非正常误差所占比例小，方程表示的R与v和P等项的回归方程的关系是好的。

去掉方程不显著项vp，vL，pL及p²，得到其他项的显著性未改变，失拟项P由0.055 8变为0.076 0，新的拟合方程仍然满足响应面分析要求。

表3  Box-Behnken设计回归方程方差分析表

Table 3  ANOVA table of Box-Behnken regression equation

根据统计分析结果，可以得到响应面分析拟合方程为

R=0.019 115+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

在试验的因素水平范围内，利用软件求解方程得到涂层去除的最佳条件：移动速度为1 mm/s；工作压力为15 MPa；靶距为208 mm，此时涂层去除率为0.158 8。按照这种组合进行5次试验来验证结果，得到的结果分别为0.156 8，0.157 2，0.157 8，0.158 1和0.159 3，平均值为0.157 8，相对误差为0.63%，得到的拟合方程对涂层去除率的预测可信度高。

2.2.3  响应面图形分析

对回归方程中的v与p，v与L，p与L所作的响应面图分别如图2~4所示。从图2可知：当靶距固定时，涂层去除率随着压力的减小及移动速度的增大而均减小，响应面呈斜坡形，极值点间落差较大，说明压力及移动速度变化对涂层去除率的影响较大，这与表4中结果表现一致(v和p的P较小)。从图3可知：当压力一定时，涂层去除率随着移动速度的增大而减小，随着靶距的增大而先增大后减小，响应面呈斜拱形，在靶距为208 mm左右清洗效果最好。从图4可知：当移动速度一定时，涂层去除率随着压力的减小而减小，随着靶距的增大而先增大后减小，响应面呈斜拱形。

图2  移动速度v与压力p对涂层去除率的影响

Fig. 2  Effect of traverse speed v and pressure p on decoating rate R

图3  移动速度v与靶距L对涂层去除率的影响

Fig. 3  Effect of traverse speed v and standoff distance L on decoating rate R

图4  压力p与靶距L对涂层去除率的影响

Fig. 4  Effect of pressure p and standoff distance L on decoating rate R

3  结论

1) 当移动速度1 mm/s，工作压力15 MPa，靶距为208 mm时，此时涂层去除率为0.158 8(面积S为15.88 cm²)，这与实际试验结果0.157 8(S为15.78 cm²)相对误差为0.63%，预测性较好。

2) 移动速度越慢，清洗效果越好；清洗压力越大，清洗效果越好；随着靶距增大，清洗效果先变好后   变差。

3) 本文所得优化工艺参数仅仅针对HT250试样材料的除漆过程。在实际应用中，有些极端工况下的材料涂层表面可能会附着多种污物，会增加清洗难度，材料涂层部分脱落，则降低了清洗难度，因此针对不同情况需要进一步研究。

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(编辑  罗金花)

收稿日期：2015-01-17；修回日期：2015-03-17

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展规划(973计划)项目(2011CB013401)；国家自然科学基金资助项目(51375278) (Project(2011CB013401) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(51375278) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：李方义，教授，博士生导师，从事绿色制造及再制造研究；E-mail: lifangyi2006@qq.com