基于TRIZ的加工工艺4步骤设计法 - 文章

基于TRIZ的加工工艺4步骤设计法

作者：李有堂崔杰解普

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发明问题解决理论TRIZ(Theory of InventiveProblem Solving，TRIZ)是1946年由前苏联发明家G S Altshuller及其领导的一批研究人员，在分析世界各国专利的基础上提出的一种创新问题解决理论，由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、工具和算法组成。目标是使TRIZ成为指导人们进行创新活动的科学理论，其理论体系非常庞大，技术系统的演化规律是其理论基础，分析工具有理想解分析、物质场模型、矛盾分析、预期失效判定分析、发明问题解决算法等。应用工具有40个发明原理、物理矛盾的4大分离原理、39个工程参数和矛盾矩阵、标准解和知识效应库等。近年来，许多世界级公司如福特、摩托罗拉等也开始应用TRIZ进行产品创新，TRIZ目前已成为解决创新性问题最有力的方法之一。

Altshuller认为技术系统的演变遵循一些重要规律，这些规律对于产品和工艺的开发与创新具有重要的指导作用。目前，TRIZ应用在多种行业中，如成套设备制造、采掘技术、仪器仪表、航空航天工业、医疗技术等等。针对难加工对象的加工工艺问题，基于TRIZ的基本原理，对解决难加工对象的思路和方法进行探讨。

1 加工工艺的4步骤设计法

随着机械工业的迅速发展，新型材料的出现，零件加工难度越来越大，加工精度越来越高。零件的加工工艺路线根据零件的结构特征、材料要求、加工方法、刀具结构、设备状况等因素的不同制定。一般情况下，为了适应现有的技术水平和设备条件资源，面对难加工对象除特种加工外通常采取2种方式。一是分散安排零件的加工方式，这样会造成多次装夹误差，切削余量不均匀，加工不平稳的现象。二是增加加工成本，如运用进口成型刀具或应用加工精度较高的数控机床等，无形当中成本急剧增加，后续问题难以解决。有时甚至会陷入无从下手的窘境。针对这种情况，应用目前能够有效解决创新性问题的方法，提出了基于TRIZ的加工工艺4步骤设计方法。

1.1 明确设计目标并确定最终理想解

(1)明确设计目标清楚设计目标，是完成设计的根本，设计目标就是要做什么。每一个产品都有很多要完成的任务，如结构、尺寸、材料改进、加工优化等等。基于设计方向有异，设计目标相应不同。

(2)确定最终理想解理想解即产品理想化的最终目标。TRIZ理论在解决问题之初，首先抛开各种客观限制条件，通过理想化来定义问题的最终理想解IFR(Ideal Final Result，IFR)，以明确理想解所在的方向和位置，保证在问题解决过程中沿着此目标前进并获得最终理想解，从而避免了传统创新涉及方法中缺乏目标的弊端，提升了创新设计的效率。

这里讨论的明确设计目标，确定最终理想解是面向难加工对象结构要求而言，具体方法如下：首先，定性，指出难加工对象是什么，属于什么范畴；其次，定向，指出难加工对象难点所在；再次，定标，指出解决什么样的问题；最后，定解，最终的结果怎样。

图1说明了确定最终理想解的具体过程。

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图1 确定最终理想解流程

1.2 定义冲突，指出技术矛盾

“冲突”普遍存在于各种产品的设计之中，按传统设计中的“折衷”法，冲突并没有彻底解决。TRIZ则强调运用创造性的思维把冲突彻底消除，设计人员在设计过程中不断的发现并解决冲突是推动产品进化的动力。

(1)难加工对象现有加工方法问题难加工对象大体分为2部分：一是全新的难加工对象，二是现已存在但仍存在问题的难加工对象。现有的难加工对象加工方法的特点，概括为以下几点：①面对全新问题设计人员很难找到突破口；②工序分散，工序流程繁琐；③加工效率低，单道工序加工时间长；④成本投人大；⑤产品合格率不高。

(2)指出技术矛盾 Altshuller对大量的发明专利研究，整理归纳出引起系统冲突和矛盾的39个重要参数，任何一个冲突都可用其中的一对参数来描述。难加工对象针对其难点所在或现有技术的不足，应用39个重要参数描述矛盾冲突。运用TRIZ原理得到部分问题的冲突参数见表1。

表1 部分问题的冲突参数
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1.3 分析技术矛盾

确定技术矛盾冲突之后，必然要寻找解决矛盾的方法，分析过程作为解决问题的关键阶段必不可少。技术矛盾分析可集中在系统分析、功能分析、矛盾分析、资源分析等，对部分分析点做了简要概括，见图2。针对矛盾冲突，应用创新思维，标定最终理想解的方向分析，寻找解决难点问题的突破口。

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图2 技术矛盾分析

1.4 应用TRIZ原理解决矛盾

TRIZ中的发明原理是由专门研究人员对不同领域的已有创新成果进行分析、总结，得到的具有普遍意义的经验，这些经验对指导各领域的创新都有重要参考价值。目前常用的发明原理有40条，实践证明这些原理对于指导设计人员的创新设计具有重要的作用，因此，可以运用TRIZ的40条原理解决技术矛盾分析出的问题。从40条发明创造原理中总结出在工艺设计中常用的21条原理，可以单条原理或多条原理结合使用，组合形成不同的设计方案。

以下是结合工艺设计应用从TRIZ的40条工作原理中选择的21条原理：(1)分割原理；(2)拆出原则；(3)局部性质原则；(4)不对称原则；(5)联合原则；(6)嵌套原理；(7)反质量原则；(8)预先反作用原则；(9)预先作用原则；(10)预先铺垫原则；(11)动态原则；(12)机械振动原则；(13)周期作用原则；(14)连续有益作用原则；(15)中介原则；(16)自我服务原则；(17)复制原则；(18)机械系统的替代原则；(19)利用气动和液压结构的原则；(20)利用多孔材料原则；(21)利用复合材料原则。

2 应用实例

以轿车液压制动主缸补偿孔的加工为例，进一步说明提出的加工工艺4步骤设计法的应用，并重新编排液压制动主缸的加工工艺路线。

2.1 明确设计目标并确定最终理想解

(1)明确设计目标补偿孔(与液压制动主缸主孔相贯，具有卸荷作用和补偿作用的通油孔)结构如图3所示，设计目标是应用加工工艺4步骤方法，设计合理的工装结构，优化加工路线。其中ΦD为液压制动主缸打孔直径。

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图3 补偿孔结构

(2)确定最终理想解制动主缸补偿孔的加工是以加工孔为对象，从局部理想化的角度考虑，对零件定义了图4所示最终理想解。

2.2 补偿孔加工存在的技术矛盾

目前补偿孔加工一般采用2步完成，先钻Φ3和Φ0.7补偿孔→钻、铰和滚光缸体ΦD主孔→顶压加工R0.15圆弧去毛刺→清洗吹风→表面处理。这一工艺路线，带来了新的技术矛盾。加工补偿孔需要2次定位夹紧，容易造成相贯处圆角偏离现象，产品合格率不高，应用TRIZ的39个技术参数描述冲突为可制造性与制造精确性的矛盾。

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图4 补偿孔加工最终理想解

2.3 技术矛盾分析

可制造性与制造精确性的矛盾分析：提高产品合格率，解决相贯孔圆角偏离的问题，考虑的方法是一步完成钻孔和圆角，使工序集中。另外考虑到成本投入、现有资源、人员调配等因素，最适合在普通机床由一人加工完成，工艺路线需要一定的调整。因此，问题集中到工装的改进和工序的调整，可以考虑改进到以下几点：

(1)工序调整，先加工主孔ΦD，再完成补偿孔的加工；
(2)补偿孔的定位基准加工；
(3)工装设计要满足加工要求，突破传统孔加工方式，可考虑由内向外反冲加工孔；
(4)孔加工所需动力来源，工人，电机，或其他方式；
(5)重新编排工艺路线。

2.4 应用TRIZ原理解决矛盾

应用TRIZ 40条发明创新原理中的嵌套原理、利用气动和液压结构的原则、预先作用原则，设计了补偿孔加工的工装结构，ΦD为工装本体直径。

(1)嵌套原理利用TRIZ理论40条创新原理中的嵌套原理。嵌套原理的内容是：①把一个物体放入另一个物体中，进而再把这2个物体放入第3个物体中；②使一个物体穿过另一个物体的空腔。

应用这一原理，设计补偿孔加工工装结构(如图5所示)。工作原理主要是拨叉的应用，当拨叉水平方向前后运动时，带动冲头合件上下运动(如图6所示)。通过调整机床和夹具，使补偿孔与冲头的轴向和径向位置找正，本体3伸入缸体主孔ΦD内，冲头向合件上运动，加工出ΦD孔，冲头上的R0.3圆角，可加工RO.15圆角。这样经过一次定位夹紧加工就可以完成图3的结构要求。

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图5 工装结构
1.冲头合件 2.拔叉 3.本体

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图6 冲头合件运动

(2) 利用气动和液压结构利用TRIZ理论40条创新原理中的利用气动和液压结构的原则，利用气动和液压结构的原则是：用气体结构和液体结构代替物体的固体的部分，如充气和充液的结构，气枕，静液和液体反冲的结构。

工装结构，一个直接问题就是拨叉运动的动力来源。利用气动和液压结构的原则，可应用气压缸，工作时开动气缸，操作人员只需轻轻拨动开关，气压缸即可推动拨叉水平方向运动。

(3)预先作用利用TRIZ理论40条创新原理中的预先作用原则。预先作用原则是：①预先完成要求的作用(整个的或部分的)；②预先将物体安放妥当，使它们能在现场和最方便地点立即完成所需要的作用。

运用预先作用原则的第2条，把设计好的夹具预先安放调整在指定位置，工件准确定位夹紧在夹具上，拨动气缸开关即可以反冲加工补偿孔。

2.5 液压制动主缸工艺路线安排

应用上述设计，重新编排工艺，制定了如下工艺路线：加工缸体定位基准并钻、铰缸体ΦD主孔→钻削Φ3孔并反冲Φ0.7孔和R0.15圆角→滚光缸体ΦD主孔→清洗吹风→表面处理。

缸体定位基准加工要求：法端面上2-Φ8.5 mm孔尺寸加工控制在φ8.50+0.036mm，2个孔与缸体中心距离尺寸控制在40士0.02 mm，缸体毛坯一次装夹完成法兰端面、主孔ΦD的钻铰和定位基准的加工。这部分工序可在车削中心上实现，使缸体定位孔的加工精度和尺寸的一致性得到了保证。

应用改进后的工艺路线，使工序集中，降低加工成本，减少机床和操作人员的使用，同时减少搬运工件次数，大大减轻了工件外表的磕碰问题。

3 结论

TRIZ理论自问世以来，以其良好的可操作性、逻辑严密性和实用性在全球各个领域的创新和创造研究中占据着独特的地位。TRIZ的40个启发性发明原理是解决问题产生创新解的主要工具。将TRIZ理论引入到机械加工领域，应用到零部件加工工艺中，提出了难加工对象工艺工装创新设计的4个基本步骤，对机械加工设计有一定的指导作用，使难加工对象的设计具有一定的方向性，避免了遇到棘手的难加工零件无法入手的尴尬情况，并以轿车液压制动主缸补偿孔加工为实例，验证了加工工艺4步骤方法的应用。

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/13/2010)


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