文/西北稀有金屬材料研究院&稀有金屬特種材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黃旭剛
西北稀有金屬材料研究院 李志年
寧夏科技發(fā)展戰(zhàn)略與信息研究所 韓博
實(shí)踐證明,運(yùn)用TRIZ理論,可有效解決技術(shù)問(wèn)題,加快創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程。近十年,TRIZ理論在中國(guó)獲得快速發(fā)展,因?yàn)槠溆行У膶?shí)踐,以及與大眾創(chuàng)業(yè)萬(wàn)眾創(chuàng)新政策的符合性,成為國(guó)內(nèi)創(chuàng)新領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。TRIZ理論著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾,其目標(biāo)是完全解決矛盾,獲得最終的理想解。TRIZ解決技術(shù)的流程,可用兩個(gè)“轉(zhuǎn)化”來(lái)概括:將實(shí)際技術(shù)問(wèn)題,轉(zhuǎn)化為抽象的問(wèn)題模型;將方向性的解決方案,轉(zhuǎn)化為實(shí)際技術(shù)方法。[1]本文以解決粉冶超大尺寸薄餅件冷等靜壓成型包套破裂的問(wèn)題為例,討論TRIZ在解決工程技術(shù)問(wèn)題中的應(yīng)用。
粉末冶金冷等靜壓工藝,是使用柔性材料制作外殼(包套),填充金屬粉,在常溫條件下進(jìn)行對(duì)外殼(包套)施加高達(dá)300MPa的高壓,金屬粉坯被緊密壓制成型,見圖1。[2]
對(duì)粉冶而言,冷等靜壓成型的尺寸不宜太大,在300mm以內(nèi),超過(guò)該尺寸則容易在等冷靜壓過(guò)程出現(xiàn)開裂、變形等現(xiàn)象,導(dǎo)致不合格。由于航天領(lǐng)域、國(guó)際項(xiàng)目等客戶的特殊需求,需要超大尺寸薄餅形狀的稀有金屬粉冶零件,這種超大超薄金屬粉坯的冷等靜壓成型,是國(guó)際稀有金屬行業(yè)公認(rèn)的難題:尺寸超過(guò)500mm時(shí),在目前的工藝下,作為金屬粉坯包套的橡膠,在冷等靜壓成型過(guò)程中發(fā)生開裂,導(dǎo)致金屬坯開裂,見圖2。
圖1 圖左:等靜壓設(shè)備 圖右:等靜壓原理
圖2 圖左:超大尺寸薄餅粉坯外觀 圖右:包套開裂破損
針對(duì)稀有金屬粉坯包套破損磨損的現(xiàn)狀,運(yùn)用TRIZ的功能分析尋找真正的問(wèn)題點(diǎn);運(yùn)用TRIZ的因果分析尋找問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因;運(yùn)用TRIZ的九屏幕和資源分析尋找可利用的資源,降低解決成本。[3]
功能分析是研究對(duì)象系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及其之間的相互作用,回答各組件“做什么”以及“做的怎么樣”,并按照有用功能、有害功能、不足功能和過(guò)剩功能進(jìn)行劃分。[4]本文中,基于實(shí)現(xiàn)冷等靜壓功能的角度,分析當(dāng)包套/坯料開裂時(shí),技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)成以及各組件的相互作用,構(gòu)建功能模型,見圖3。
圖3 包套開裂時(shí)的功能模型
因果分析是在系統(tǒng)框架下,結(jié)合操作關(guān)聯(lián)性,分析問(wèn)題的根本原因和關(guān)鍵原因,一般不分析技術(shù)之外如制度、人等超系統(tǒng)因素,具有很強(qiáng)的實(shí)用性。[5]本文中運(yùn)用TRIZ工具-因果分析,尋找“包套/坯料開裂”的根本原因。根據(jù)力學(xué)和材料學(xué)知識(shí),包套開裂是橡膠受力超過(guò)其撕裂強(qiáng)度,與力的大小和接觸角度有關(guān)。[6]結(jié)合QC工具中的內(nèi)外因分析方式,可尋找到關(guān)鍵原因。
經(jīng)分析,“包套/坯料開裂”的根本原因有10項(xiàng),結(jié)合工藝專家和技師對(duì)關(guān)聯(lián)性的判斷,其中5項(xiàng)為關(guān)鍵原因,見圖4,重要性如表1。
表1 包套/坯料開裂關(guān)鍵原因表
資源分析的實(shí)質(zhì)就是從系統(tǒng)的高度研究分析資源,合理應(yīng)用資源,提高技術(shù)系統(tǒng)理想度最重要的手段之一。[7]運(yùn)用TRIZ工具-資源分析,尋找工程系統(tǒng)中可利用的資源,為低成本解決問(wèn)題做資源的準(zhǔn)備。使用九屏幕法進(jìn)行資源分析,分析范圍擴(kuò)展到子系統(tǒng)、超系統(tǒng),找到的可利用的資源,見圖5。
獲得方案:根據(jù)橡膠的彈性、延伸率等信息資源,尋找彈性更好的如天然橡膠、塑料材料制作包套。
在TRIZ理論中,解決問(wèn)題工具有多種,例如裁剪、技術(shù)矛盾、物理矛盾、物場(chǎng)模型等工具。[8]本文在前述分析的基礎(chǔ)上,主要應(yīng)用矛盾、剪裁、物場(chǎng)和知識(shí)檢索解決問(wèn)題。在提出方案的過(guò)程,結(jié)合可利用資源,降低解決問(wèn)題的成本。
利用最終理想解,找到解決問(wèn)題的理想目標(biāo)和更本質(zhì)的解決方向。[9]
獲得方案:將包套的圓面改為活塞式能活動(dòng)的部件,減少等靜壓時(shí)包套彈性材質(zhì)的變形程度。
方案:使用激光將粉坯表面微層融化,讓該層替代包套的作用,這樣可以直接對(duì)粉坯加壓。
圖4 包套開裂時(shí)的因果分析
圖5 資源分析與列表
表2 最終理想解
圖6 剪裁模型與方案
圖7 物場(chǎng)模型
從功能不足的組件“包套接縫”入手進(jìn)行剪裁,按照剪裁規(guī)則B“若功能對(duì)象自身執(zhí)行有用的功能,功能載體可被裁剪”,[9]獲得方案,見圖6。
方案:剪去接縫,包套一體化成型,消除接縫和包套強(qiáng)度的不一致,減少不均勻的變形,防止局部變形超限。
選取關(guān)鍵原因2:“包套的圓形薄餅形狀和接縫的存在,導(dǎo)致包套各處強(qiáng)度不均勻”中“接縫的存在”為突破點(diǎn),進(jìn)行物場(chǎng)分析,繪制物場(chǎng)分析模型。
問(wèn)題模型屬于屬于標(biāo)準(zhǔn)解1.2,完整有害的物場(chǎng)模型;可按照根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解1.2.2引入S1或S2的變形來(lái)消除有害作用,獲得方案,見圖7。
方案:在包套上沒(méi)有接縫的地方,間隔性膠粘上橡膠條作為加強(qiáng)筋,達(dá)到和接縫強(qiáng)度一致,包套強(qiáng)度均勻化。
冷等靜壓技術(shù)屬于新興技術(shù),仍處于發(fā)展期,從接縫連接包套的功能角度看,類似于剛性環(huán)鉸接的結(jié)構(gòu),選擇“動(dòng)態(tài)性進(jìn)化法則—向柔性系統(tǒng)或可移動(dòng)系統(tǒng)躍遷的進(jìn)化路線”,獲得方案,見圖8。
方案:將大部分包套一體成型,僅保留很少局部的接縫,包套強(qiáng)度均勻化。
圖8
根據(jù)關(guān)鍵原因2:“包套的圓形薄餅形狀和接縫的存在,導(dǎo)致包套各處強(qiáng)度不均勻”:查閱等靜壓模具知識(shí)[2][10]與結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí),同等條件下,圓形抵抗外力的能力最強(qiáng);同時(shí),強(qiáng)度隨著厚度增加而增加。具體到本項(xiàng)目上,圓餅包套橫截面為圓形,且橫向尺寸遠(yuǎn)超厚度,所以橫向強(qiáng)度遠(yuǎn)大于縱向強(qiáng)度,導(dǎo)致受力時(shí),膠合接縫附近因?yàn)榭v橫面變形程度不一致,產(chǎn)生巨大的剪切力,導(dǎo)致包套破裂。
方案:將包套接縫處,改為斜面的過(guò)度,將橫向/縱向的強(qiáng)度差異導(dǎo)致的剪切力,分散到該斜面,減少剪切力。
方案:將包套橫截面改為方形,方形結(jié)構(gòu)抵抗外力弱于圓形,可以降低與橫向縱向的強(qiáng)度差異,減少剪切力。
制作一體成型的方形包套;各棱角處使用斜面過(guò)渡;在泄壓取料時(shí)分三步泄壓,減小壓力變化的速度,防止微量氣體的膨脹導(dǎo)致的變形。
(1)分別使用常見的普通橡膠、PVC、天然橡膠、硅膠進(jìn)行試驗(yàn):天然橡膠抗拉強(qiáng)度稍低、延展性好,具有優(yōu)勢(shì)。
(2)包套使用一體化方形設(shè)計(jì),且折角處使用斜面過(guò)渡,進(jìn)行三次鹽試驗(yàn)密封良好無(wú)泄漏、坯料無(wú)開裂。
(3)金屬粉坯試驗(yàn)一次成功。
技術(shù)目標(biāo):解決了包套開裂問(wèn)題,成功開發(fā)出超大尺寸薄餅件產(chǎn)品。
經(jīng)濟(jì)效益:以粉末2萬(wàn)/Kg計(jì),產(chǎn)品52Kg價(jià)值110萬(wàn)。四次實(shí)驗(yàn)節(jié)約成本440萬(wàn)。
本文通過(guò)應(yīng)用TRIZ理論,實(shí)踐運(yùn)用TRIZ完成了分析技術(shù)問(wèn)題→轉(zhuǎn)化TRIZ問(wèn)題模型→利用TRIZ工具,提出解決方案模型→結(jié)合資源,獲得解決方案,最后獲得較理想的解決方案。
方案經(jīng)過(guò)實(shí)施驗(yàn)證,確實(shí)可以高效地解決問(wèn)題。這個(gè)實(shí)踐證明了TRIZ在創(chuàng)新和科研方面具有巨大的優(yōu)越性,具有巨大的應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿Α?/p>