船用銅合金螺旋槳鑄件成型凝固順序控制問題應(yīng)用TRIZ理論解決方案

李普澤 于霄雷 朱晶 權(quán)林林 臧大偉

摘要：船用銅合金螺旋槳澆鑄成型過程中，經(jīng)常存在金屬液體凝固順序不可控現(xiàn)象，導(dǎo)致鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定。針對該問題應(yīng)用TRIZ理論進(jìn)行研究，采用TRIZ理論的沖突解決理論，得出兩種解決方案，最后確定最佳解決方案為通過在鑄件周圍合理分布冷鐵，在冷鐵中間加裝進(jìn)氣管路，從而實(shí)現(xiàn)螺旋槳鑄造凝固順序智能控制。

關(guān)鍵詞：TRIZ;沖突解決理論;沖突矩陣;凝固順序控制

1? 工程問題描述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對鑄造產(chǎn)品精度以及鑄件的性能要求越來越高，因此提高鑄造工作效率、加快鑄件冷卻速度、促進(jìn)鑄件晶粒細(xì)化、提升鑄件力學(xué)性能的工作十分必要。螺旋槳的材料通常是鎳鋁青銅，對于這種體收縮率較大的合金，對凝固順序和凝固速度的控制是影響鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

現(xiàn)有澆注成型方法往往通過增加鑄件尺寸余量、增設(shè)補(bǔ)縮冒口、安放隨型冷鐵以及控制澆注次數(shù)等方法，盡可能提升產(chǎn)品鑄造質(zhì)量。但鑄件尺寸余量增加會導(dǎo)致后續(xù)機(jī)械加工難度與周期增加，使原材料利用率降低，整體成本大幅增加。安放補(bǔ)縮冒口及隨型冷鐵，又會增加冒口及隨型冷鐵的加工工序，進(jìn)一步導(dǎo)致成型周期及成本增加。如若出現(xiàn)內(nèi)部先冷卻，外部金屬液沒有及時填補(bǔ)的情況，鑄件中就會出現(xiàn)縮松、氣孔等質(zhì)量問題，嚴(yán)重影響鑄件的力學(xué)性能。

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，應(yīng)用TRIZ理論進(jìn)行研究，采用TRIZ理論的沖突解決理論，得出相應(yīng)解決方案。該項研究為國家科技部“基于超大型智能原油船創(chuàng)新方法集成應(yīng)用示范”（編號2018IM040200）科研多創(chuàng)新方法應(yīng)用項目的部分研究內(nèi)容，是基于大型船用螺旋槳制造過程的創(chuàng)新方法應(yīng)用示范。

2? TRIZ概述

TRIZ理論是G.S.Altshuller等人自1946年開始，在研究世界各國大量高水平專利的基礎(chǔ)上，提出的具有完整體系的發(fā)明問題解決理論。20世紀(jì)80年代中期以后，隨著蘇聯(lián)的解體，有些TRIZ專家移居發(fā)達(dá)國家，逐漸把該理論介紹給世界，對產(chǎn)品的開發(fā)與創(chuàng)新領(lǐng)域產(chǎn)生了重要影響。G.S.Altshuller堅信解決發(fā)明問題的基本原理是客觀存在的，這些客觀存在可以被整理而形成一套理論，掌握該理論的人不僅可以提高發(fā)明成功率、縮短發(fā)明周期，也可使發(fā)明問題的解具有可預(yù)見性。該理論的核心是回答發(fā)明問題解決的過程、支持工具等難題，使設(shè)計者或問題解決人員能運(yùn)用前人在不同領(lǐng)域創(chuàng)新的知識和經(jīng)驗，快速、高效地解決自己的問題。

任何問題的解決過程都包含兩部分：問題分析和問題解決。因此，TRIZ包含用于問題分析的分析工具、用于系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的基于知識的工具和理論基礎(chǔ)。技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化模式或定律是TRIZ的基礎(chǔ)，這些模式包含用于工程系統(tǒng)進(jìn)化的基本規(guī)律，理解這些模式可以增強(qiáng)人們解決問題的能力。TRIZ分析工具包含ARIZ算法、物質(zhì)-場分析、沖突分析和功能分析，這些工具用于模型的建立、分析和轉(zhuǎn)換。TRIZ基于知識的工具包括40條發(fā)明原理、76個標(biāo)準(zhǔn)解和效應(yīng)數(shù)據(jù)庫，都是在積累人類創(chuàng)新經(jīng)驗和大量專利的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的【1】。

3? 基于本題目的TRIZ解題過程研究

3.1 問題背景和描述

3.1.1 問題的背景

澆注成型過程中金屬液體凝固是影響螺旋槳毛坯的關(guān)鍵性步驟，也是鑄造成型中的特殊過程。為了降低螺旋槳鑄件尺寸余量，減少鑄件缺陷，實(shí)現(xiàn)鑄件精密鑄造，在澆注前希望鑄造砂模具有較高溫度，合理降低金屬溶液充型過程中的溫度降低速度，從而實(shí)現(xiàn)澆注過程中的穩(wěn)定充型，金屬溶液保持較強(qiáng)流動性，有利于合金中夾渣的上浮與流動。在澆注之后，又希望砂模能夠較快降低溫度，從而促進(jìn)凝結(jié)縮短工期。因此，對砂模溫度、合金凝固速度始終存在著具有一定沖突的技術(shù)要求。

3.1.2 問題的描述

①定義技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

船用銅合金螺旋槳鑄件成型凝固順序控制技術(shù)系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)螺旋槳鑄件成型過程中，有效控制砂型模具溫度，鑄件凝固順序、速度，從而實(shí)現(xiàn)促進(jìn)材料性能提升，降低鑄件縮孔、冷隔及夾渣缺陷，縮短產(chǎn)品工期。由于銅合金溶液處于封閉的環(huán)境里不易觀察和控制、工程量較大并且澆注凝固過程一次成型，中途不易更改等原因，導(dǎo)致上述功能不易實(shí)現(xiàn)。

②現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的工作原理

螺旋槳鑄件成型過程通常采用底注式澆注，合金溶液按照重力澆注的方式依次進(jìn)入直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道，從而進(jìn)入槳轂和葉型腔體，依次填充槳轂小端、槳葉、槳轂大端、冒口。保證夾渣上浮至冒口部分，并且表層形成一層氧化膜保護(hù)內(nèi)部溶液不被氧化。待澆注完成，通常采用自然冷卻凝固的方式，形成螺旋槳毛坯鑄件。

③當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)存在的問題

對于形狀復(fù)雜的船用螺旋槳，例如葉片屬于細(xì)長型、葉尖部具有擾流端板結(jié)構(gòu)的KAPPEL型螺旋槳，葉尖較薄，易凝固，容易形成葉型填充不完全葉片就凝固的現(xiàn)象。對于大型及超大型螺旋槳，槳葉直徑大，槳轂葉根部位置厚大，內(nèi)部不易凝固，易出現(xiàn)縮孔缺陷。

④問題或類似問題的現(xiàn)有解決方案及其缺點(diǎn)

針對此類產(chǎn)品現(xiàn)有解決方案是加大產(chǎn)品鑄件余量、增設(shè)澆注通道、根據(jù)澆注需要更改產(chǎn)品形狀，在獲得較好鑄件后，根據(jù)產(chǎn)品尺寸依靠后續(xù)機(jī)械加工獲得合格產(chǎn)品，產(chǎn)品制造工期、生產(chǎn)成本相對普通產(chǎn)品提高20%～30%以上，市場競爭力較差。

⑤新系統(tǒng)的要求

實(shí)現(xiàn)螺旋槳鑄件成型過程中，保證毛坯鑄件質(zhì)量，避免出現(xiàn)澆不到、冷隔、縮孔、縮松及夾渣缺陷，有效控制砂型模具溫度，鑄件凝固順序、速度的功能，解決現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的需求沖突。提升螺旋槳質(zhì)量性能的同時，降低超大型及復(fù)雜特殊螺旋槳產(chǎn)品的制造周期及成本，提升產(chǎn)品市場競爭力。

3.2 問題分析

對技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行功能分析和因果分析，建立功能模型（圖1），進(jìn)而分析系統(tǒng)功能不能有效實(shí)現(xiàn)的根原因，建立根原因映射圖（圖2），進(jìn)而確定沖突區(qū)域，即砂型及合金溶液在澆注過程中冷卻速度過快。

根據(jù)上述的功能及根原因分析，進(jìn)行理想解分析。銅合金螺旋槳鑄件成型凝固順序控制系統(tǒng)的理想狀態(tài)是有效控制凝固順序，根據(jù)計算機(jī)模擬分析結(jié)果對應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)砂模溫度既高又低，凝固速度既快又慢，凝固順序?qū)崿F(xiàn)與計算機(jī)模擬分析結(jié)果一致。創(chuàng)造條件的可用資源包括砂型、托蓋板、澆注系統(tǒng)、傳感器、溫度控制系統(tǒng)、溫度控制介質(zhì)，依據(jù)理想解分析得到方案為：通過某種溫度控制系統(tǒng)有效控制砂型溫度 。

3.3 問題解決

本次問題采用沖突解決理論，首先分析系統(tǒng)的技術(shù)沖突，主要步驟如下。

①沖突描述：為了提高鑄件質(zhì)量，保證金屬溶液較強(qiáng)流動性，實(shí)現(xiàn)澆注過程中的穩(wěn)定充型，需要降低合金溶液降溫速度，但這樣做會導(dǎo)致凝結(jié)速度較慢，工期增加。

②轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突：

改善的參數(shù)：強(qiáng)度、溫度;

惡化的參數(shù)：運(yùn)動物體作用時間、物體產(chǎn)生的有害因素。

③查找沖突矩陣，得到如下發(fā)明原理：24中介物、3局部質(zhì)量。

④依據(jù)選定的發(fā)明原理，得到問題的解。

3.3.1 依據(jù)No.24發(fā)明原理-中介物的解決方案

通過在鑄件周圍合理分布“降溫介質(zhì)”管路（圖3），結(jié)合鑄件成型理論模擬分析數(shù)值，通過控制開關(guān)閥門的先后順序以及通流介質(zhì)的溫度和流量大小，實(shí)現(xiàn)螺旋槳鑄件的順序凝固智能控制。

3.3.2 依據(jù)No.3發(fā)明原理-局部質(zhì)量的解決方案

通過在鑄件周圍局部安放冷鐵（圖4），參考上個方案的思路，在冷鐵中間加裝進(jìn)氣管路，根據(jù)計算機(jī)分析溫度傳感器數(shù)據(jù)情況，控制氣路電磁閥開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)螺旋槳鑄造凝固順序智能控制。合理的合金溶液凝固順序，可以有效提升鑄件質(zhì)量，減少縮孔、縮松等鑄造缺陷，提升鑄件強(qiáng)度。

3.4 創(chuàng)新解評估

項目組分別將沒有任何降溫裝置的方案和兩種降溫方案在螺旋槳樣件上進(jìn)行了工程試驗（圖5、圖6），驗證兩種方法的凝固順序控制效果。

為實(shí)際獲得降溫規(guī)律，選取5個凝固的典型位置的砂型中安置測溫傳感器，分別為槳轂大端上對應(yīng)該葉片的止口位置、相鄰兩葉片葉縫中間位置處、葉根最大厚度位置、0.7半徑截面的葉片最大厚度處和0.975半徑截面的葉片最大厚度處，監(jiān)測其降溫效果，測溫點(diǎn)分布見圖7。

經(jīng)過96小時的降溫觀察，獲得無降溫裝置、使用降溫介質(zhì)管路裝置（方案一）及使用冷鐵控制管路裝置（方案二）的降溫規(guī)律曲線見圖8。

試驗結(jié)果顯示：總體按照（5）、（4）、（3）、（2）至（1）的順序凝固;放置降溫裝置，采用兩種降溫方案的（3）、（4）和（5）測量點(diǎn)的溫度降低速度明顯加快;采用降溫方案但是沒有安放降溫裝置的位置（1）和（2）與無降溫裝置的方案相比降溫速度變化不大;兩種降溫方案相比，由于降溫介質(zhì)管路的放置比冷鐵管路放置的更為密集，所以降溫效果稍好，總體降溫效果相差不大。從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)冷鐵控制方案比降溫介質(zhì)管路的成本更低、生產(chǎn)效率更高。

4? 結(jié)論

（1）第一種解決方案是在鑄件周圍分布降溫介質(zhì)管路，通過控制通流介質(zhì)的溫度和流量大小，實(shí)現(xiàn)螺旋槳鑄件的順序凝固控制。該方案效果良好，但礙于降溫介質(zhì)的選擇及管路鋪設(shè)的成本和效率問題，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)應(yīng)用較為困難。

（2）第二種解決方案是在鑄件附近合理分布冷鐵，通過在冷鐵中間加裝進(jìn)氣管路，從而實(shí)現(xiàn)螺旋槳鑄造凝固順序智能控制，該方案效果良好，并切實(shí)可行。

（3）綜合評價兩種解決方案，確定最優(yōu)解為在冷鐵中間加裝進(jìn)氣管路的第二種解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 檀潤華. TRIZ及應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新過程與方法 [M].北京：高等教育出版社，2010：11.