在粉冶大尺寸薄餅件冷等靜壓技術(shù)中的應(yīng)用研究

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。

1 描述問(wèn)題

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

2 分析問(wèn)題

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]

2.1 功能分析

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

2.2 因果分析

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

2.3 資源分析

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。

3 解決問(wèn)題

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。

3.1 最終理想解

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

3.2 裁剪

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。

3.3 物場(chǎng)模型

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。

3.4 進(jìn)化法則

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。

3.5 知識(shí)庫(kù)/科學(xué)效應(yīng)

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。

4 方案與效果

4.1 經(jīng)過(guò)對(duì)所有方案的整理和評(píng)價(jià)，獲得綜合方案

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。

4.2 方案實(shí)施

（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。

4.3 效益

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)。

5 結(jié)論

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>