再制造设计着眼当今和未来

【美】 A.Patki

再制造设计着眼当今和未来

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产品的总体成本取决于产品寿命和生产成本。为了降低产品成本，需要在降低成本的同时提高产品寿命。在力求降低碳排放量并改善能量需求的同时，以期可持续绿色发展。“再制造”针对这个复杂矛盾给出了简单答案。通过再制造可使零件或产品得以多次使用，这比生产新零件更经济，对最终用户的价格制定更合理。再制造对能量的需求比初始制造低。再制造可以修复并利用初始制造系统的大部分部件。再制造的设计过程是为满足再制造需求所作出的根本性改变。旨在讨论能够降低成本和可持续生产成本的再制造设计。

再制造碳排放质量控制

0 前言

再制造在满足降低总体成本和实现可持续发展方面比重新制造新部件更有优势。大部分再制造商对再制造部件提供的质量保证等同于新部件的质量保证。为此，在再制造过程中开发了许多加工工艺、质量保证，以及质量控制机制。人们期待再制造市场在降低成本的同时能培育和创造出更强的可持续发展能力[1]。如果在初始制造阶段没有考虑再制造的可能性就会制约这种可持续发展能力。

1 再制造

再制造通过满足部件初始规格和性能标准来恢复已用部件的使用寿命。再制造部件通常采用与新建部件相同或类似的质量保证机制[2-3]。

图1示出了典型的机械部件再制造加工流程，可根据部件本身情况和公司内部加工流程做出修改。再制造部件比新建部件在生产成本方面有更高的经济效益，更加便宜的价格更具优势。例如，如果用户要更换空气压缩机(TF-550系列，可配装于不同的发动机和车型)，那么有3种选择：(1)使用新部件(全新件)1 500～2 000美元；(2)使用再制造部件500～700美元(核心部分再制造)；(3)使用二手部件约500美元。

再制造部件相对便宜的原因，是因为价格与零件获得难易程度的相对性成正比。再制造部件是先前用过的总成部件，通过更换磨损部件并按工厂规格重新装配后为其带来新生。仅需要更换某些部件，这样不会与制造/装配新部件的成本相同，所耗能量也低于制造全新的零件、组件和总成。

通过在使用寿命结束时更换必要的部件，整体部件使用寿命可成倍延长。可以把每段寿命期的长度、每段寿命期内的再制造成本及每次再制造过程的能量消耗相加，与新购置部件一样为达到同样的整体寿命所消耗的成本相比较，就能更好地理解该举措的益处。

使用上述TF-550系列压缩机进行3次再制造，成本费用比较如表1所示。

表1 使用TF-550系列压缩机再制造部件与使用新部件成本费用

通过表1比较了成本费用后可得出，再制造部件和再制造过程比维修保养新部件更具优势。根据研究机构如MacKay和Frost & Sullivan的咨询结果，市场上对再制造部件的需求一直在增加。面向制造的设计(DFM)和面向装配的设计(DFA)都优于传统设计过程，使产品研发过程更加高效。为了使制造业的可持续发展能力更强，考虑面向再制造的设计也是势在必行。

2 面向再制造的设计

图2 面向再制造的设计

面向再制造的设计就是在设计过程中理解再制造的意义，并考量必要的元素以改善部件的可再制造性(图2)。

可以将面向再制造的设计定义为“部件初始设计过程中遵从的设计惯例和规范，从而可使再制造更灵活、更高效、利用率更高”。

3 利用率

利用率是再制造过程中可重复利用配件所占的百分比，考虑了零件数量(总成中可修复零件数量所占的百分比)和零件的修复成本(总成成本中可修复零件成本所占的百分比)，可修复件的成本百分比比数量百分比更重要。例如：如果50%的零件可重复使用，总成的利用率就是50%。同时如果价值200美元的总成中有160美元的可修复件，利用率就能提高到80%。

提高利用率就等于提高了盈利性和可持续发展性。这是决定部件再制造可行性最重要的标准。

利用率很大程度上取决于使用中的磨损、锈蚀和损坏几率，同样还取决于初始部件设计的可维护性。设计的可维护性仅仅是设计方法的1个范畴。

1个部件可按照易于维护和修理的理念来设计。例如：轻型工装总成多采用可维护性设计，比如，必要时可对保险丝已熔断的灯泡进行修理或更换。

1个部件也可按照将来不能维护或修理的理念来设计。有时这种设计背后有着管理方面的原因。再者就是设计者和公司的决策。例如：同样是轻型工装的例子，其中的轻型灯泡采用了不可维护性设计。

接下来将重点阐述如何改善面向再制造/可维护性的设计。

4 连接/组件

可以把1个连接或包含2个零件的组件设计成焊接(或类似工艺)、锁紧、铆接、密封等型式。锁紧比其他工艺更适合于再制造。如果设计师相对于焊接或密封工艺更多地采用锁紧工艺，肯定有助于初始部件寿命周期结束后的再制造。螺纹与接头也能达到性能要求，更利于再制造。

密封类总成件常常难以实施再制造，往往迫使维修人员更换整个组件，随后大部分都被丢弃，造成了很大的浪费。设计者需要重新考虑密封类总成部件的问题。

5 公差/材料要求

公差和材料应该仔细选择。部件的寿命终止期和预期的终止期状态需要事先设计。对摩擦表面的公差控制，需要在达到寿命周期之后可以继续使用该表面或进行1次额外的精加工后再使用的要求。有时因为疲劳周期的缘故，选用的材料仅能经历1次寿命周期。因此可以选用能够被再制造工艺重复利用的材料。

部件可以多次使用，因而需要考量前一次部件寿命期终止时的尺寸以进行尺寸累积分析。通常，摩擦表面在寿命周期结束时已磨损至不能再用或需要通过额外加工或通过改变另一个配合件尺寸来恢复到原始尺寸。例如，发动机机身缸体部分，在初次寿命周期末尾可以对该部分机体做额外加工，从而恢复到初始尺寸。采用较大尺寸的活塞或活塞环也是1种选择。有时采用两者的结合也是适宜的方案。所有设计考量都需要通过设计验证。

6 再制造寿命和整体寿命

理解和定义部件的新件服务寿命、再制造寿命(包括多少个再制造周期)，以及整体寿命是十分重要的。零件设计策略需要适应部件整体寿命周期，也需要表达出设计验证计划和报告的意图。

7 设计验证

需要考虑部件的再制造并将其加入DFMEA。对设计验证计划和报告输入理想情况也是有必要的。部件总成需要在DFMEA及设计验证计划和报告过程中验证拆解、接头、公差等情况。

图3 再制造设计提高利用率并延长部件再制造寿命

8 再制造设计的优势

再制造设计的目标是提高部件的利用率使其具备被再制造的价值(图3)。如果部件的寿命周期包括再制造寿命，将降低总体成本。再制造将提高可持续发展性。

再制造部件在质量方面可以以较低的成本替代新部件。如果再制造部件难以获得，为节约成本可以选择购买二手部件，但二手部件不能提供质量保证。纵观部件的整体寿命，与传统型设计部件相比，在再制造设计中需要投入的成本较低。再制造部件可重复利用，从而创造更久的整体寿命(表2)。

表2 传统设计过程与再制造设计之间的主要区别

9 总结

面向再制造的设计在部件利用率方面具有巨大的优势。通过采用再制造设计理念，具有以下特点：

(1) 对越来越多的部件实施再制造；

(2) 因为部件可使用多次，成本将大大降低，整个寿命周期内需要的成本投入也将降低；

(3) 高利用率将获得更大的可持续发展能力；

(4) 组件可持续发展能力的改善将更容易维护。

[1]Nabil N, Michael T. Remanufacturing: a key enabler to sustainable product systems[C]. 13th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering, Leuven, Belgium, 2006.

[2]Steve B, Andrew K. Organising reuse: managing the process of design for remanufacture (DFR)[C]. POMS 18th Annual Conference, Dallas, Texas, U.S.A., 2007：007-0769.

[3]Bras B, Hammond R. Towards design for remanufacturing-metrics for assessing remanufacturability[D]. Systems realization laboratory, the George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia, 30332-0405.

左彤梅 侯晓潍 张月华 译自 SAE Paper 2016-01-8137

汪格格 编辑

2017-02-24)