摘要：应用TRIZ 理论和亿维讯研发的计算机辅助创新(CAI) 软件Pro/Innovator 5. 0 对问题进行分析和创新后,只需对刃具的干磨工艺系统进行简单改造, 就可以有效降低磨削表面温度, 减小磨削时的振动, 解决磨削效率低和刃磨表面粗糙的问题, 大幅提高工人操作的安全性和砂轮的耐用度。
1 工况背景及问题描述
刀具刃部表面质量是决定刀具耐用度的关键指标之一, 通常要求都在Ra0. 2- 0. 4 以上。刃磨工艺系统就是对淬火后的车刀、铣刀、滚刀以及丝锥、钻头刀等各类刀具进行刃部磨削所必备的最终精加工工艺系统, 直接形成并决定刃部质量。一种典型的刃磨工艺系统如图1 所示。
图1 典型刃磨工艺系统
由于刀具刃部型面复杂, 为便于操控, 刃磨工艺系统多采用干式磨削, 即用旋转砂轮直接磨削刀具刃部表面, 不浇注冷却液。因此, 干式刃磨工艺系统本身不带冷却液系统。干式刃磨工艺系统的组成如图2 所示, 磨削过程是由砂轮上的刚玉砂锋利的锐棱对刀具零件进行切割来完成的。由于系统结构简单, 操作灵活方便而在刀具制造业中得到广泛应用。
干式刃磨工艺系统本身不带冷却液供应, 并使砂轮悬伸出来, 这带来了两个严重的问题。其一, 干式磨削时所产生的磨削热不易散发, 磨削表面温度很高, 容易出现表面退火、烧伤等现象致使刃磨的刀具报废, 严重影响磨削效率, 因而加工中的吃刀量不能太大; 其二, 由于所刃磨的刀具一般经过了热处理, 硬度高、型面余量分布不均匀, 砂轮悬伸磨削时振动大, 磨削表面粗糙( 往往达不到Ra0. 4 以上) , 致使刀具刃部表面质量不合格, 并且过大的振动还容易引起砂轮破损, 影响工人操作安全和砂轮耐用度。
图2 干式刃磨工艺系统的组成
本文借助TRIZ 理论和亿维讯( IWINT) 开发的计算机辅助创新(CAI) 软件Pro/ Innovator5. 0, 给出了问题解决方案。
2 解决思路和关键步骤
2. 1 分析磨削效率问题
干式刃磨工艺系统本身不方便使用冷却液, 砂轮的砂粒在切削过程中缺乏润滑, 摩擦力增大, 型面因热处理变形造成余量分布不均匀, 磨削表面质量差, 砂轮易破损。而且干式磨削所刃磨的刀具一般经过了热处理, 淬火后的硬度很高, 砂轮悬伸磨削时振动大。同时, 由于对金属的切除会使砂轮出现粘屑堵塞现象, 妨碍了砂轮磨削过程中的自锐能力, 砂粒在磨钝后既不易自动破碎产生新的锋利的切削刃, 也不易自动从砂轮粘结剂处脱落, 致使切削过程中的摩擦力加剧, 产生大量不易散发的磨削热, 导致磨削表面温度很高, 限制了加工中的切削用量, 从而严重降低了磨削效率。如果要使用冷却液, 刃磨工艺系统就需要增加密闭的冷却液隔离系统、循环系统, 并改进操控系统等来保证工人的正常操作, 十分复杂, 操作也不方便。因此, 要设法改善的技术参数是不浇注冷却液所引起的有害因素, 而由此带来的问题将使刃磨工艺系统变得复杂。
(1) 将技术矛盾的两方面抽象为软件分析所需要的技术参数
改善的参数: 31 物体产生的有害因素。
恶化的参数: 36 系统的复杂性。
(2) 由技术矛盾矩阵中得到相应的创新原理
如图3 所示, 在创新软件Pro/ Innovator5. 0 中, 利用矛盾矩阵对应第31 行第36 列得到3 条创新原理所构成的解集: 19、1、31, 它们分别对应: 周期性作用、分割和多孔材料。
图3 在Pro/ Innovation 5. 0 中利用矛盾矩阵查找创新原理
(3) 依据提供的创新原理分析问题并寻求解决方案
在解决问题的过程中, 可以应用TRIZ 创新原理31(多孔材料原理) 。并且在该创新原理后面所给出的实例中, 还找到了可供参照的TRIZ 创新原理实例, 即树脂对磨石粘接剂孔眼的填充防止粒子对孔眼的阻塞(见图4) 。
应用多孔材料原理并参照该创新实例, 考虑在砂轮的孔眼中事先填充某种固体润滑物质, 既能对磨削过程起润滑作用, 减小摩擦发热, 又能防止磨削过程中砂轮孔眼的粘屑堵塞现象, 改善砂轮的自锐能力,保持砂粒切削刃的锋利, 进一步减小摩擦发热。
图4 Pro/ Innovation 中应用多孔材料原理的实例
于是, 利用软件的解决方案查询功能, 通过关键词查询: solid < AND> lubricant, 在得到的诸多方案中, 找到可参照的解决方案: 喷涂团聚粉颗粒将固体润滑剂送入等离子体涂层中。如图5 所示, 该方案中提到的固体润滑剂, 包括二硫化钼、氮化硼、氟化锂化合物或石墨等都可选用。
图5 Pro/ Innovation5. 0 中的解决方案查询功能
进一步利用软件的专利查询功能, 通过查询问题输入: 向砂轮中填充固体润滑剂( fill solid lube into grinding wheel) , 如图6 所示, 得到美国专利中利用油填充固体润滑剂的相关信息:
“美国专利# 6567212, Vibration damping device for microscopes and microscope with a vibrat ion damping device, 05/ 20/ 2003 专利权人: Leica Microsystems Heidelberg GmbH (Mannheim, DE) 发明人: Engelhardt; Johann ( Bad Schoenborn,DE) ; Storz; Rafael ( Bammental, DE)”
图6 Pro/ Innovation 中的专利查询功能
因此, 可以考虑向砂轮中浸渗用油稀释后的固体润滑剂的填充方式。稀释剂可以选择受热易于气化的切削油, 向其中添加细粒度的石墨或二硫化钼粉剂等固体润滑剂, 搅匀后, 将硬度适中的砂轮浸渗其中。这样不仅能利用砂轮孔眼的毛细效应吸附切削油与固体润滑剂的混合液, 还适当地湿润了砂轮,在磨削中能起润滑减摩作用, 同时借助摩擦热使得切削油气化, 带走大量切削热, 能有效降低切削区温度, 改变干式磨削为半湿磨削, 并不影响工人操作。这样一来, 磨削效率问题得到了有效解决。
2. 2 分析磨削表面质量问题
(1) 提取待解决问题的技术矛盾
如果要改变砂轮的悬臂安装方式, 提高砂轮杆的刚性并增加砂轮的磨削强度, 这样会影响到砂轮对刀具复杂刃部形状的适应性, 从而使很多刀具的端齿侧刃由于受干涉而无法刃磨。因此, 需要改善的技术参数是强度, 而由此带来的是砂轮对刀具复杂刃部形状的适应性变差的问题。
(2) 将技术矛盾的两方面抽象为软件分析所需要的技术参数
改善的参数: 14 强度。
恶化的参数: 35 适应性、通用性。
(3) 由技术矛盾矩阵中得到相应的创新原理
在Pro/ Innovator5. 0 中, 利用矛盾矩阵对应第14行第34 列得到3 条创新原理所构成的解集: 15、3、32, 分别对应动态特性原理、局部质量原理和颜色改变原理。
(4) 依据提供的创新原理分析问题并寻求解决方案
在解决问题过程中, 可以应用TRIZ 创新原理15( 动态特性原理) 和3( 局部质量原理) 。结合这两个原理, 可以考虑对砂轮局部进行改进, 使砂轮针对余量的变化有一定适应性, 能够适当做出动态调整,避免引起砂轮杆过大振动和带振强制磨削而导致砂轮破碎。
改进砂轮的目的是要减振, 利用软件的解决方案查询功能, 通过功能非结构化查询: decrease vibration, 在得到的几个方案中, 可参照特例解决方案:泡沫橡胶减小振动。从方案附加信息可知, 氯丁( 二烯) 橡胶可用作泡沫橡胶。因此, 可以得到问题的类比解决方案为在砂轮与砂轮杆之间添加泡沫橡胶减振套(见图7) 。
图7 添加泡沫橡胶减振套的干式刃磨工艺系统
采用了泡沫橡胶减振套, 砂轮在磨削余量发生变化情况下具备了一定的弹性调整适应能力, 能够减小砂轮杆的颤动, 改善磨削表面质量, 避免强振动磨削所导致的砂轮破碎。至此, 磨削表面粗糙问题可以得到有效解决。
3 生成备选方案
利用Pro/ Innovator 5. 0 还可以生成备选方案: 在砂轮的孔眼中事先填充固体润滑物质; 选用石墨、二硫化钼等固体润滑剂; 改变干式磨削为半湿磨削; 在砂轮与砂轮杆之间添加泡沫橡胶减振套。
4 方案评价
应用Pro/ Innovation 5. 0 软件的方案评价模块,选择基于专利权重的客观评价, 辅助备选方案的选择, 结果如表1 所示。
5 结语
应用TRIZ 理论和亿维讯研发的计算机辅助创新软件Pro/ Innovat ion5. 0, 通过对刃具干磨工艺系统现存问题进行深入分析, 并在软件强大知识库的支撑下, 创新性地获得了刃具干磨工艺系统解决方案。只要将现存工艺系统稍加改造并运用该方案, 就可以有效降低刀具磨削表面温度, 减小磨削时的振动,解决磨削效率低和刃磨表面粗糙的问题, 提高了操作安全性和砂轮耐用度。该方案经某航天企业实际应用表明, 效果十分明显, 可供相关企业进行技术升级改造时参考。
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