基于Triz 理論的航空用圓形墊圈成形工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)

中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 (遼寧 110034) 王 環(huán) 朱國(guó)棟

圓形墊圈是置于螺栓、螺釘或螺母的支撐面與聯(lián)接零件表面之間，起著增大被聯(lián)接零件接觸表面面積、降低單位面積壓力和保護(hù)被聯(lián)接零件表面不被損壞作用的零件。飛機(jī)零部件間存在大量不同規(guī)格的鈑金墊圈，其常規(guī)方法主要通過沖切模具，采用沖切方式加工獲得。而在研制生產(chǎn)階段，為滿足飛機(jī)零部件各種改型設(shè)計(jì)，需要大量規(guī)格各異的墊圈，若采用常規(guī)的沖切工藝加工，需增加大量的墊圈沖切模具加工成本，模具的研制和生產(chǎn)周期也影響了墊圈產(chǎn)品的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期;同時(shí)模具質(zhì)量的好壞，將直接影響鈑金墊圈的質(zhì)量。墊圈類零件雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其外形特殊不易裝夾，目前除沖切加工外，國(guó)內(nèi)尚無較好替代方法，在生產(chǎn)急需且模具損壞的情況下，有些企業(yè)用常規(guī)或數(shù)控機(jī)械加工的方法加工墊圈，但材料利用率和加工效率低，且數(shù)控加工成本相對(duì)較高。

為解決圓形墊圈沖切加工成本、周期和精度問題，本文首先介紹了Triz 理論及航空用圓形墊圈常規(guī)加工工藝，通過分析墊圈制造成本的影響因素，結(jié)合Triz 理論解決問題的流程，建立墊圈制造技術(shù)的技術(shù)沖突表達(dá)，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，總結(jié)出一套適合于小批量、高精度生產(chǎn)航空用圓形墊圈的制造方法。

1.Triz 理論概述

Triz 的含義是“發(fā)明問題解決理論”，是由前蘇聯(lián)科學(xué)家里奇·阿奇舒勒(G.S.Altshuller)通過分析研究250 萬件專利所創(chuàng)立的高效解決復(fù)雜技術(shù)問題的產(chǎn)生創(chuàng)新方法和解決方案的技術(shù)。經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展，Triz 已經(jīng)形成了一套較為完整的理論體系和工具箱。Triz 理論體系主要包括以下幾方面的內(nèi)容:創(chuàng)新思維方法與問題分析方法、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、技術(shù)與物理矛盾解決原理、發(fā)明問題標(biāo)準(zhǔn)解法和發(fā)明問題解決算法Ariz。

在Triz 創(chuàng)新理論體系中，提出用于描述沖突的39 個(gè)通用工程參數(shù)和用于解決沖突的40 個(gè)發(fā)明原理，從而建立了沖突解決矩陣。在實(shí)際復(fù)雜技術(shù)問題的解決中，通過將問題抽象為系統(tǒng)、通過因果分析和資源分析，將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問題，并找出問題技術(shù)矛盾，在沖突矩陣中找到發(fā)明原理解，通過將標(biāo)準(zhǔn)解后處理從而轉(zhuǎn)化為具體解。應(yīng)用沖突矩陣解決問題的一般過程如附圖所示。

Triz 理論解決問題的一般流程圖

2.現(xiàn)有成形工藝矛盾的建立

(1)常規(guī)墊圈的制造工藝。在航空零件研制中，墊圈制造流程主要包括:沖切模具的設(shè)計(jì)制造、下料和沖切、去毛刺和表面處理。每個(gè)墊圈的生產(chǎn)成本低，但模具的設(shè)計(jì)制造成本較高且周期較長(zhǎng)(一般來說1 個(gè)月左右)。

由于沖裁變形的特點(diǎn)，不僅沖出的零件帶有毛刺，而且在零件切斷面還有3 個(gè)特征區(qū)，即圓角帶、光亮帶與斷裂帶。圓角帶是沖裁過程中由于纖維的彎曲與拉伸而形成的，軟材料比硬材料的圓角大。光亮帶是塑剪變形時(shí)，在毛料一部分相對(duì)于另一部分移動(dòng)過程中，凸、凹模側(cè)壓力F 將毛坯壓平而形成的光亮垂直斷面。斷裂帶是由刃口處的微裂紋在拉應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展而形成的撕裂面，使沖裁件斷面粗糙不光滑，且有斜度。因此，沖切零件的邊緣并不規(guī)則，在精度要求高的情況下，需要進(jìn)一步修整邊緣確保精度。

沖切墊圈的質(zhì)量很大程度上取決于模具的精度和間隙，在新材料和厚度較大的墊圈加工中，經(jīng)常出現(xiàn)邊緣質(zhì)量和精度不合格情況，從而將增加模具返修成本和工期成本，給零組件的按時(shí)交付造成壓力。

(2)墊圈制造技術(shù)的技術(shù)沖突表達(dá)。在飛機(jī)研制中，飛機(jī)構(gòu)造更改頻繁，通常采用非常規(guī)墊圈。如果按常規(guī)批量生產(chǎn)墊圈的加工方式制造，需針對(duì)每個(gè)規(guī)格墊圈設(shè)計(jì)制造相應(yīng)的沖切模具，極大增加了墊圈制造成本。同時(shí)由于航空用墊圈的精度要求高，厚板沖切成形的墊圈邊緣易起刺。經(jīng)分析，為滿足小批量、多規(guī)格、低成本和高精度墊圈的制造，需從制造墊圈的沖切模具、加工方式等進(jìn)行改善。

如果要降低墊圈的生產(chǎn)成本，即提高沖切方式的通用性，則需惡化墊圈的生產(chǎn)率;同時(shí)如果提升墊圈的制造精度，則需減小對(duì)板材的沖切力。將上述涉及參數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)進(jìn)行描述，即可建立改善和惡化的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，并將其代入矛盾矩陣中，從而得到表1 所示的標(biāo)準(zhǔn)原理解。

通過分析圓形墊圈的成形工藝，結(jié)合表1 給出的標(biāo)準(zhǔn)解，可得出可能改進(jìn)方案如表2 所示。從表2可知，降低墊圈生產(chǎn)成本和提高墊圈制造精度主要可從墊圈的制造工藝、改善墊圈加工工藝和沖切模具優(yōu)化3 個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

表1 矛盾沖突及標(biāo)準(zhǔn)原理解

表2 標(biāo)準(zhǔn)解的可能改進(jìn)方案

3.基于Triz 的圓形墊圈加工工藝設(shè)計(jì)

結(jié)合表2 可能改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)出一套適合于小批量、高精度生產(chǎn)航空用圓形墊圈的制造方法，詳細(xì)制造工藝步驟如下:

(1)根據(jù)墊圈尺寸，截取方形的墊片。

(2)將數(shù)量眾多的方形墊片重疊放置，并用焊條將四角焊合。

(3)根據(jù)墊圈內(nèi)徑尺寸，選用車床車取相應(yīng)孔徑尺寸的內(nèi)孔。

(4)根據(jù)內(nèi)徑尺寸車取心棒，保證外徑與墊圈內(nèi)徑配合，精度根據(jù)墊圈的尺寸精度進(jìn)行選擇。

(5)將墊圈穿入心棒并裝夾緊，根據(jù)墊圈外徑尺寸車外圓，從而得到墊圈外徑。

(6)拆除心棒，從而獲得墊圈?，F(xiàn)已成功申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利(專利號(hào):ZL20110204331.3)。

通過與沖切工藝獲得墊圈相比，該方法通過焊接較容易獲得，相對(duì)于沖切模節(jié)約了大量的成本和周期。研制批或小批量發(fā)生更改時(shí)，可以快速響應(yīng)，制造新零件而不需重新制造工裝。而車削獲得的零件分離面的表面質(zhì)量和精度遠(yuǎn)高于沖切獲得的表面質(zhì)量和精度，尤其是在厚墊圈(厚度2 mm 以上的材料)和精度要求高的墊圈的加工中，使用本方案加工比沖切的方案更具優(yōu)勢(shì)。本方法可廣泛用于機(jī)械、航空及汽車等裝備制造行業(yè)。

4.結(jié)語

(1)應(yīng)用Triz 理論對(duì)小批量、高精度墊圈加工工藝存在的問題進(jìn)行分析和求解，設(shè)計(jì)出了一套適合于小批量、高精度生產(chǎn)航空用圓形墊圈的加工工藝。

(2)本文僅定性地提出了解決問題的方法，在具體加工過程中，焊接工藝參數(shù)及機(jī)加工藝參數(shù)的取值，還需由工藝人員根據(jù)原材料、加工設(shè)備及加工環(huán)境等影響因素進(jìn)一步確定。