2017年, 第30卷, 第4期 刊出日期:2017-04-19
  

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    第16届全国荷电粒子源粒子束会议论文
  • 差崴·差庸,李慧,俞良登,任峰,坎万纳·提拉萨,维来通·提拉派特,提帕万·乌冬拉
    中国表面工程. 2017, 30(4): 1-7.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170221003
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    宝石业是泰国的重要产业之一,但大多数宝石并不完美且带有缺陷,常采用玻璃填充的方法来处理。但该方法填充的宝石含有有毒重金属,因此急需开发新的宝石改性技术。离子束是近来发展起来的新技术,可以用来处理玻璃填充的宝石并可以去除其含有的有毒金属。文中采用泰国本地的玻璃填充红宝石样品先经80 kV加速的氮离子束注入至1017 ions/cm2剂量,然后分别在泰国清迈和中国武汉用2 MeV和1.7 MeV的质子束做弹性背散射光谱分析。研究了离子束处理前后,玻璃填充宝石的金属杂质、含量及其分布。两地的分析结果互相印证、共同揭示了宝石中主要的有毒金属是铅,铅的浓度经离子束处理后约为0.15%,比离子束处理前降低了20倍,且铅在宝石中的分布是均匀的。结果表明:离子束是一种有效的处理玻璃填充宝石的方法。
  • 赵渭江,付东坡,巩玲华,杨向军,丁杏芳,刘克新
    中国表面工程. 2017, 30(4): 8-13.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170221002
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    Duhocamis(双空心阴极金属离子源)是在GSI间热阴极PIG离子源基础上,利用空心阴极圆筒取代空心阳极圆筒,磁镜场取代均匀磁场的强流金属离子源。通过系列变化空心阴极与间热阴极电源电压的弧放电试验,了解其对离子源工作及金属等离子体形成的贡献和影响。试验结果分别给出了空心阴极与间热阴极弧放电特性曲线,它们的弧压对弧流关系具有不同的弧阻抗特性;通过磁分析器对等离子体中各种离子成分比例的分析,进一步显示出空心阴极与间热阴极弧放电两者相互强化和联动的协同效应;尤其空心阴极电位从零开始变化的弧放电试验,揭示了离子源从PIG空心阳极放电向双空心阴极放电转换的过程;协同效应不仅证实空心阴极作为赖以产生金属离子的溅射电极,而且对于确立离子源工作模式与优化产生所需金属离子的放电条件至关重要。
  • 褚莹洁,仇猛淋,胥密,郑力,王广甫,殷鹏
    中国表面工程. 2017, 30(4): 14-18.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170226003
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    为研究材料辐照损伤的产生机制和缺陷的实时演变过程,在GIC4117串列加速器原有的低能负离子注入平台基础上加装光谱测量系统,实现具有“charge-up free”优点的负离子激发发光在线测量。利用20 keV H-轰击羟基含量为20 μg/g,1 100 μg/g的石英玻璃测量其发射光谱,研究离子束辐照前后样品的吸收光谱。离子轰击过程中,发光中心数目随剂量先增加后缓慢衰减至平衡状态;蓝色和红色波段发光峰发光产额比可能受表面结构的影响稳定在3~4之间,低于MeV H+激发产额比。辐照前后吸收光谱反映的缺陷浓度变化与离子激发石英玻璃光谱强度变化一致。羟基含量较高的石英玻璃,发射光谱强度较低,吸收光谱强度辐照前后相对变化较小,对应产生的弗伦克尔缺陷数目较少。
  • 田灿鑫,刘怡飞,李助军,邹伟全,杨兵,付德君
    中国表面工程. 2017, 30(4): 19-26.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170220005
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    为了寻求发动机核心部件活塞环上电镀硬铬的替代技术,采用自行设计的离子源增强阴极电弧离子镀系统,在W18Cr4V高速钢试块上制备了不同厚度的CrN涂层,用XRD、SEM分析涂层的晶体结构、表面形貌和厚度;利用显微硬度计和球盘式摩擦仪分析了涂层厚度对力学性能的影响。结果表明:随着厚度的增加,CrN涂层结晶结构没有明显变化,2.5 μm厚CrN涂层硬度达1 900 HV0.05,最低摩擦因数0.6,最低磨损速率2.664×10-6 mm3/N·m。对CrN涂层和电镀硬铬ASL817钢质活塞环进行珩磨测试,在珩磨2 400次之后,CrN涂层钢质活塞环出现较大孔洞(50 μm),但没有涂层脱落,具有良好的附着力,工作间隙变化不大;电镀硬铬活塞环涂层磨损较CrN涂层严重,工作间隙开始变大;珩磨12 000次后电镀硬铬活塞环工作间隙达到允许最大值,CrN涂层活塞环依保持正常工作间隙,耐磨性更好。
  • 第十一届全国表面工程大会论文
  • 魏永强,宗晓亚,蒋志强,田修波
    中国表面工程. 2017, 30(4): 27-35.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170222001
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    电弧离子镀所制备薄膜中的大颗粒缺陷是研究热点之一,文中利用尘埃等离子体的理论,以Ti大颗粒为研究对象,对电弧离子镀中大颗粒空间传输过程中的受力进行了分析,主要包括重力、离子拖曳力、热泳力、电场力等4种类型,对其影响规律、作用大小以及综合表现进行了总结,为有效避免大颗粒在薄膜表面的沉积概率提出了理论依据。通过对大颗粒传输过程中的空间受力的计算,发现大颗粒受到自身重力、热泳力、电场力和离子拖曳力的综合作用是影响其在薄膜表面数目变化的主要原因。
  • 聂婷婷,李小英,田林海,董汉山
    中国表面工程. 2017, 30(4): 36-44.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170310001
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    为提高奥氏体不锈钢的表面硬度和耐磨性并赋予其良好的抗菌性能,应用改进的活性屏离子渗氮技术(ASPN)对AISI 316不锈钢进行了银氮(Ag-N)共渗处理。用SEM、EDS、XRD、TEM、辉光放电光谱仪(GDOES)表征复合共渗层的成分和组织结构。对不锈钢基体(SS)和复合共渗层的显微硬度、空气和腐蚀介质中的磨损性能、抗腐蚀性能以及对金黄色葡萄球菌(S.aureus)的抗菌性能进行了分析。结果表明,Ag-N复合共渗处理后形成的复合共渗层连续致密,主要由Ag掺杂S相纳米结构沉积层和S相扩散层构成。复合共渗层表面硬度较基材提高了约3~4倍,干摩擦条件下的磨损量较基体最高降低了约84.6%。复合共渗处理后试样在人工模拟体液(SBF)中的耐蚀性较基体不锈钢略有降低,比磨损率较基体降低了约35%。抗菌试验表明,复合共渗层与金黄色葡萄球菌(S.aureus)接触12 h后,达到了100%的杀菌率。
  • 黄祖江,李智,蒋智秋,董婉冰,杨文芬,李伟洲
    中国表面工程. 2017, 30(4): 45-55.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170219001
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    为了优化渗铝铌合金的微弧氧化工艺和了解复合涂层的抗热腐蚀性能,利用粉末包埋渗法在铌合金基体上制备渗铝层,再通过调整微弧氧化电参数以及添加剂Y(NO33的含量获得Al2O3陶瓷膜外层,确定最佳工艺参数。以最佳工艺制备复合涂层(MAO-Y/Al/C103),与不含Y(NO33制备的MAO/Al/C103进行对比,研究其抗热腐蚀性。结果表明:以微弧氧化膜层的硬度和厚度为主要评价指标,获得最佳参数为电压380 V,频率400 Hz,占空比10%,处理时间30 min。添加Y(NO33可获得均匀规则的多孔形貌;含与不含Y(NO33制备的试样相结构一致,都由NbAl3和γ-Al2O3相组成。经900 ℃混合熔融盐中热腐蚀50 h,MAO/Al/C103和MAO-Y/Al/C103试样都生成Al2O3和NaNbO3相,其热腐蚀增重量分别为55.71 mg/cm2和45.59 mg/cm2。MAO-Y/Al/C103试样由于在热腐蚀阶段有更多的NaNbO3生成以及微弧氧化微孔大幅减小,表现出更优异的抗热腐性。
  • 李乐,陈汪林,蔡飞,张林,张世宏
    中国表面工程. 2017, 30(4): 56-63.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170215001
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    以磷酸铝铬溶液和Cr2O3粉末为原料制备了一种封孔剂,并对WC-12Co热喷涂涂层进行封孔处理。利用XRD、SEM、EDS以及TG-DSC分别对磷酸铝铬的物相、封孔前后涂层表面形貌、固化特性和耐热性能进行检测分析。利用动电位极化电化学测试和热震试验分别对封孔前后涂层的抗腐蚀性和固化后的磷酸铝铬层的抗热震性能进行研究。结果表明:磷酸铝铬的固化温度在250 ℃左右,在700 ℃内体系无任何热效应发生,材料具有良好的耐热性能。固化后涂层表面致密,磷酸铝铬对涂层孔隙具有良好的填充作用,明显降低了涂层的孔隙率。封孔后的涂层具有较高的自腐蚀电位和较小的腐蚀电流密度,涂层耐蚀性显著提高。在450 ℃下进行热震试验,当热震次数一定时(热循环100次),添加填料的磷酸铝铬层的剥落面积低于未添加填料的磷酸铝铬层,表现出较高的抗热震性能。
  • 何柏林,邓海鹏,魏康
    中国表面工程. 2017, 30(4): 64-70.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170307002
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    采用超声冲击工艺对转向架用SMA490BW钢对接接头焊趾表面进行冲击处理,研究了超声冲击对接头超高周疲劳性能的影响。借助金相显微镜、SEM和TEM研究了冲击层金相组织、冲击前后焊趾处的形貌及表层金属晶粒细化程度。运用有限元软件计算焊接接头的应力分布,采用X射线应力仪对冲击前后焊趾表层的应力进行了测量和分析。结果表明,在5×106循环周次下,冲击态接头和焊态接头的疲劳强度分别为206 MPa和153 MPa,经冲击处理后疲劳强度提高了34.6%。在1×108循环周次下,冲击态接头的疲劳强度为195 MPa,与焊态接头的141 MPa相比提高了38.3%。在240 MPa的应力水平下,焊接接头经超声冲击处理后的疲劳寿命提高了7倍。经冲击处理的焊趾部位的应力集中系数下降了19.1%,其表面的残余拉应力得到消除,并转变为有益的残余压缩应力,焊趾表层组织得到明显细化,这3个方面均对提高焊接接头疲劳性能起到了积极贡献。
  • 王明政,王成彪,康嘉杰,朱丽娜,岳文,付志强
    中国表面工程. 2017, 30(4): 71-77.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170216002
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    针对钛合金耐磨性差的问题,利用激光技术在TC4钛合金样品表面刻蚀出具有不同形状、间距和宽度(直径)的织构,基于CSM球盘式摩擦磨损试验机研究织构形状参数对钛合金在油润滑条件下摩擦学性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)观察钛合金表面织构的微观形貌及磨痕形貌,利用白光干涉仪测试表面织构和磨痕的三维轮廓并通过计算得到磨损率。结果表明,网格型织构的摩擦因数比沟槽型和点阵型织构更小并且更稳定。织构的间距和宽度(直径)等形状参数显著影响钛合金的磨损性能。原始表面抛光钛合金样品磨损率高于表面织构处理后样品,原始钛合金样品的磨损机制主要为磨粒磨损和粘着磨损,而由于表面织构能起到收集磨屑,储存润滑油的作用,从而显著提升了钛合金的耐磨性。
  • 王璋,蔡振兵,孙阳,吴松波,朱旻昊
    中国表面工程. 2017, 30(4): 78-86.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170220004
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    针对防护涂层在受动载时的磨损问题,在动能控制模式的冲击试验机上,通过动力学响应考察了Cr-DLC涂层的冲击磨损行为。响应包括冲击力波形和冲击动能的能量耗散,并以其基体304不锈钢作为对比材料。结果表明:材料的动力学响应差异反映了其抗冲击性的优劣。相同试验条件下,Cr-DLC涂层的冲击力峰值和能量吸收率分别低于304不锈钢约42.0%~51.8%和18.6%~20.8%。此外,还发现在冲击动能相同的情况下,调整速度或质量将会对动力学行为产生显著的影响。质量增大,冲击力峰值降低、接触时间延长;而增加速度仅提升冲击力峰值。通过动力学响应可定性的判断材料抗冲击性能,且与实际磨损结果有较好的吻合。Cr-DLC涂层由于其优异的抗冲击磨损性能以及良好化学稳定性,使其磨痕表面仅有少量的磨损剥落,且磨损氧化现象不明显;304不锈钢的冲击损伤形貌为典型的剥层磨损,材料去除和氧化反应首先发生在表面的剥层。
  • 李辉,杜建华,王浩旭,杨宏伟
    中国表面工程. 2017, 30(4): 87-93.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170215002
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    为研究碳纤维织物增强树脂基摩擦材料在摩擦过程中的温度分布规律,以评价此类材料的耐热性能。采用有限元分析与单胞模型相结合的方法,分别建立浅交弯联、浅交直联和深交联3种结构的碳纤维织物增强树脂基摩擦材料有限元模型,模拟特定工况下的摩擦副热传导过程,分析织物结构和编织密度对温度分布的影响规律。结果表明:在摩擦副接合过程中,摩擦温度先升高后降低,摩擦结束时刻的最高温度出现在对偶片中心对称面处;相同编织密度时,浅交弯联织物结构导热性能最优,其摩擦温度峰值最低(仅为168.5 ℃,其他两种结构摩擦材料的摩擦峰值温度分别为178.0 ℃和172.1 ℃);随纬纱编织密度的增加,浅交弯联碳纤维织物增强树脂基摩擦材料中碳纤维体积分数增大,导热性能变优,摩擦峰值温度降低。
  • 表面工程
  • 姜铸峰,吴一,邹正光,于文霖,杨山山,明艺珍
    中国表面工程. 2017, 30(4): 94-100.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170127001
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    在立方氮化硼聚晶复合材料制备中,为改善晶体相的偏聚,其思路之一便是将晶体相与粘接相预先制备成带有核-壳结构的原料。先采用Pirnaha溶液对cBN进行羟基化改性,改善其亲水性,使其容易分散并带有电荷的基础上,再用Stober法进行硅氧包覆处理,在氨水和少量水的作用下,以乙醇作为分散剂,用TEOS硅氧烷为原料,在室温条件下反应,利用水解-凝胶法让硅醇以非自发形核的方式在cBN粉体表面聚合,并对试验结果进行TEM,SEM,EDS,XRD,FTIR表征。结果表明,通过对立方氮化硼粉体进行硅氧纳米涂层包核处理,成功得到了立方氮化硼-氧化硅微/纳米核壳结构,包核形貌良好,包覆层厚度可由TEOS加入量的不同而调节。对无机材料核壳结构制备和立方氮化硼与结合剂的均布有实际意义。
  • 卢金龙,黄婷,肖荣诗
    中国表面工程. 2017, 30(4): 101-107.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20161220002
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    Ti基底三维微纳米结构TiO2(3D-TiO2)具有比表面积大、光捕获能力强、电荷传输快、可循环利用的优点,在光催化领域具有重要的研究意义和应用前景。采用飞秒激光刻蚀复合NaOH水热法制造Ti基底3D-TiO2,并研究飞秒激光刻蚀的微阵列结构对3D-TiO2光催化性能的影响。采用激光共聚焦显微镜(LSCM)、SEM、TEM、XRD对3D-TiO2进行表征分析,并对3D-TiO2在紫外光照下进行甲基橙降解性能测试。结果表明,复合方法制备的3D-TiO2由飞秒激光刻蚀的微阵列和NaOH水热法制备的TiO2纳米线组成。与采用NaOH水热法直接在平整Ti表面制备的TiO2纳米线相比,3D-TiO2的染料吸附能力提升100%,光催化性能提升37%。微阵列结构尺寸对3D-TiO2的性能具有明显影响,随着微阵列宽度的减小或高度的增加,3D-TiO2的比表面积增大、入射光反射率降低、光催化性能提高。
  • 孔令豪,陈常东,张平余,何强
    中国表面工程. 2017, 30(4): 108-116.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20161217001
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    针对热转变材料制备成本高昂的问题,用一种低成本的修饰-加热-再修饰的方法实现了磷铜片表面的浸润性的快速转变。用蒸馏水浸渍的方法在磷铜片表面制备了致密的Cu2O纳米棒,经十二烷基硫醇表面改性后表现出优异的超疏水性能。同时,将制备好的磷铜片在160 ℃的烘箱保存30 min,该表面浸润性可实现从超疏水到亲水的快速转变,并且转变后的表面经十二烷基硫醇重新修饰后可恢复其超疏水特性。结果表明,制备好的磷铜片在加热过程中产生了大量的RS-SR化合物,RS-SR化合物经乙醇冲洗脱离磷铜片表面导致表面碳含量降低,最终导致表面浸润性的转变。该工作提供了一种制备热浸润性快速转变材料的简单方法,在微控制和智能器件领域具有潜在应用。
  • 吴瑛,雷丽萍,曾攀
    中国表面工程. 2017, 30(4): 117-126.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170131001
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    喷丸工艺通过改变试件的表面形貌、微观组织及残余应力等表面完整性可以影响裂纹的萌生和扩展;对于存在缺陷的试件,喷丸的作用机制和影响结果有所不同。采用白光干涉仪、SEM、XRD及显微硬度计等对单边带缺口的H13钢薄板试样喷丸前后的表面完整性进行了测定。并借助原位SEM开展了系列裂纹扩展试验,分析了喷丸对试样疲劳寿命、裂纹扩展速率以及疲劳断口特征的影响。研究结果表明,虽然残余压应力诱发裂纹闭合,但由于喷丸后表面粗糙度的大幅提高增强了缺口效应,表面加工硬化使得韧性有所降低,以及残余应力在加载过程中发生松弛等因素,喷丸后单边带缺口试样的裂纹萌生过程缩短,疲劳寿命降低,且裂纹扩展速率的变化较小。喷丸前后疲劳断口形貌均为准解理特征,喷丸后断口近表面处的撕裂棱特征消失。
  • 沈剑云,尹刚刚,姜波,徐西鹏
    中国表面工程. 2017, 30(4): 127-133.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170108002
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    在微粉金刚石磨具的制备过程中,金刚石热损伤和磨粒与结合剂间界面特性是影响磨具性能的主要因素。利用电铸与钎焊相结合的工艺把表面镀钛和未镀钛两种微粉金刚石磨料制备成磨具,并将其用于氧化铝陶瓷的磨削试验。通过对钎焊后金刚石磨粒与钎料的界面分析,磨削力、磨粒脱落率以及工件表面粗糙度的比较,探讨磨粒表面镀钛对钎焊微粉金刚石磨具性能的影响。结果表明,镀钛微粉金刚石表面镀层在钎焊过程中对微粉金刚石起到包裹隔离的作用,可以降低微粉金刚石的热损伤和石墨化;在利用两种钎焊微粉金刚石磨具磨削氧化铝陶瓷时,镀钛微粉金刚石磨具的磨削力较小,磨料的脱落率也较少,且工件表面粗糙度值更低。综合比较,磨粒表面镀钛后,可以减弱微粉金刚石的热损伤,提高磨具的磨削性能。
  • 迟静,李敏,王淑峰,李建楠,赵健,吴杰
    中国表面工程. 2017, 30(4): 134-141.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170217004
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    分别以TiC粉和Ti+C粉为原料,采用外加法和原位法制备了TiC/Ni激光熔覆涂层,分析了TiC生成方式对涂层物相组成、微观组织、硬度和磨损性能的影响。结果表明,涂层的物相组成不受生成方式的影响;但Ti+C质量分数高于30%时,原位法涂层无法成型,而外加法可获得40%TiC的涂层。外加法涂层中TiC以原料TiC为主,少量溶解析出的结晶TiC;而原位法涂层中TiC全部为结晶析出,分布更加均匀,颗粒细小,枝晶数量增多。原位法涂层的平均硬度和耐磨性均优于相同TiC含量的外加法涂层;涂层中TiC含量(质量分数)由20%增至30%时,涂层硬度升高,耐磨性下降,生成方式引起的磨损性能差异由5%降至0.6%。
  • 李斌,冶银平,万宏启,陈磊,陈建敏
    中国表面工程. 2017, 30(4): 142-149.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170220001
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    为研制兼具环保性和良好摩擦学性能的水性粘接固体润滑涂层,以去离子水作为分散介质,水性聚酰胺酰亚胺为粘结剂,二硫化钼为润滑剂,加以适量的润湿分散剂采用油漆喷涂工艺研制水性粘结固体润滑涂层,探究了粘结剂的固化温度以及润滑剂的含量对涂层力学和摩擦学性能的影响。结果表明,当固化温度为270 ℃时粘结剂可以完全固化,且此时涂层具有较高的显微硬度。涂层的摩擦因数随着润滑剂与粘结剂质量比的增大逐渐降低,而显微硬度和耐磨寿命呈现出先增大后减小的趋势,当润滑剂和粘结剂的质量比为1.7时,涂层具有较高的硬度和良好的抗磨减摩性能,此时耐磨寿命达到187 m/μm,稳定阶段的摩擦因数为0.11。
  • 再制造工程
  • 姜兴宇,宋博学,李丽,代明明,张皓垠
    中国表面工程. 2017, 30(4): 150-159.
    https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20170105001
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    基于目前大多数再制造机床仅注重机床本身性能的恢复,从未无法达到预期市场竞争力的问题,结合顾客需求和废旧机床再制造设计,构建了再制造设计参数决策框架,并充分考虑顾客需求与再制造设计参数之间的不确定性,应用模糊非线性回归法分析顾客需求与再制造设计参数之间以及不同再制造设计参数之间的模糊相关关系。同时,针对基于传统模糊非线性回归法的规划方程不具备处理模糊关系的能力,导致规划结果与实际情况偏离的情况,将模糊度融入规划方程,构建基于改进模糊非线性回归法的废旧机床再制造设计参数规划方程。以某机床再制造企业的废旧CAK6163的再制造设计过程为例,应用改进的再制造设计规划方程对其再制造设计参数进行规划。结果表明,由改进的规划方程得到的再制造设计参数,相对于传统规划方程,能够获得更高的顾客满意度,进而有效提升了再制造机床的市场竞争力。