應(yīng)用Triz理論提升零件沖銷精度

薛銳

天津天海同步科技有限公司 天津 301600

近年來隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，汽車零部件不僅要做到質(zhì)量可靠、技術(shù)先進(jìn)、輕量化及低碳化等，而且制造成本也要有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，否則企業(yè)很難生存下去。在這種背景下，企業(yè)必須要?jiǎng)?chuàng)新，走持續(xù)創(chuàng)新的道路，公司在新技術(shù)、新工藝、新材料方面下大力度研究，以下介紹出口零部件板材沖壓的過程，在技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)，降低制造成本。

如圖1所示的離合器盤（又稱鎖止板），應(yīng)用在汽車變速器內(nèi)，作用為止動(dòng)行星齒圈。離合器盤通過焊接工藝與離合器體焊接為一體式結(jié)構(gòu)。如果先將離合器盤做成成品，再做焊接連接方案，焊接變形就會(huì)對(duì)離合器盤的銷子位置度及平面度造成一定的影響。如果先做焊接連接方案，再做沖銷方案，就會(huì)導(dǎo)致物流成本高，而且容易產(chǎn)生沖壓裂紋。以下重點(diǎn)討論如何解決焊接變形及沖銷流程方案的問題解決過程。

圖1 離合器盤

存在問題

問題所在技術(shù)系統(tǒng)為離合器體總成制造系統(tǒng)，其功能為生產(chǎn)離合器體總成。實(shí)現(xiàn)該功能的約束主要是制造成本?，F(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)工作原理如圖2所示，系統(tǒng)包括離合器盤、離合器體、離合器體總成，其連接方式為焊接。

圖2 離合器體總成制造系統(tǒng)原理

當(dāng)前該制造系統(tǒng)存在以下問題：

1）離合器體與離合器盤采用二氧化碳保護(hù)焊，焊接產(chǎn)生的高熱量造成焊接變形嚴(yán)重，影響離合器盤的沖壓銷子的位置度。

2）離合器盤銷子與離合器體外花鍵的同軸度偏大，進(jìn)而造成應(yīng)用端同步結(jié)構(gòu)的異常磨損。

類似問題的現(xiàn)有解決方案：降低焊接變形量，例如焊接過程采用風(fēng)扇空冷的方式。這種解決方案的優(yōu)點(diǎn)是可以解決一定的粘接變形問題；缺點(diǎn)是無法有效解決焊接變形問題。

而新系統(tǒng)的要求如下：

1）用于連接離合器盤及離合器體的連接工序，對(duì)離合器盤的沖壓銷子無影響。

2）離合器盤的銷子與離合器體的外花鍵同軸度控制在0.25mm以內(nèi)。

3）制造成本降低，固定投入少。

以下通過問題分析、問題解決及方案評(píng)估，對(duì)制造方案提升進(jìn)行系統(tǒng)研究[1]。

問題分析

1.功能分析與功能模型

系統(tǒng)組件及各組件之間的相互作用關(guān)系見表1。

表1 系統(tǒng)組件分析

現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的功能模型如圖3所示。其中，圓角矩形框?yàn)橹破?，矩形框?yàn)橄到y(tǒng)組件，六角矩形（六邊形）為超系統(tǒng)組件。虛線箭頭表示作用不足，波浪線箭頭表示有害作用，實(shí)線箭頭表示期望作用或標(biāo)準(zhǔn)作用。

圖3 現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的功能模型

基于該功能模型，進(jìn)行了系統(tǒng)的功能分析、系統(tǒng)元件及其之間的相互關(guān)系的描述，得出導(dǎo)致“焊接變形”問題的功能因素。并在已建立的功能模型圖中選擇以下目標(biāo)問題：如何減少焊接對(duì)離合器盤銷子位置度的影響，如何徹底解決變形。因果分析鏈如圖4所示。

圖4 因果分析鏈

2.沖突區(qū)域確定（問題關(guān)鍵點(diǎn)確定）

基于因果鏈分析，初步選擇了3個(gè)沖突區(qū)域的幾個(gè)關(guān)鍵問題作為問題解決的出發(fā)點(diǎn)：特定工藝；冷卻方式為自然空冷；特定連接方式；離合器盤的沖壓供方與離合器體供方距離較遠(yuǎn)。

3.理想解分析

理想解有助于拋開事物的表象，直至問題的核心和最終目標(biāo)。以下從最終理想解、次理想解結(jié)合5W分析法，初步分析得到解決方案。

1）設(shè)計(jì)的最終目的是什么？離合器體總成中的銷子正常止動(dòng)。

2）理想解是什么？制造合格產(chǎn)品，成本為零。

3）達(dá)到理想解的障礙是什么？現(xiàn)工程制造方法不能滿足要求。

4）出現(xiàn)這種障礙的結(jié)果是什么？精度不合格，零件不能正常止動(dòng)。

5）不出現(xiàn)這種障礙的條件是什么？創(chuàng)造這些條件存在的可用資源是什么？改變特定工藝、降低焊接熱量、供方距離縮短；可用資源：改變連接方式、改變焊接冷卻方式、焊接順序（見表2）。依據(jù)理想解分析得到方案為：改變二氧化碳保護(hù)焊連接方式、替換冷卻方式、改變焊接工藝順序。

表2 可用資源分析

問題求解

1.選取“特定工藝”為入手點(diǎn)，分別采用物理沖突理論工具對(duì)問題進(jìn)行求解

為了“焊接可靠”，需要 “焊接熔深參數(shù)”變“深”，但又為了“零件變形小”，需要“焊接熔深參數(shù)”變“淺”?？紤]到該參數(shù)在不同的“時(shí)間”（空間、時(shí)間段、不同條件下及系統(tǒng)層次上）具有不同的特性，因此該沖突可以從“時(shí)間”（空間、時(shí)間段、條件、整體與部分）上進(jìn)行分離。選用4條分離原理（空間分離、時(shí)間分離、基于條件的分離、整體與部分分離）當(dāng)中的“ 時(shí)間分離”原理，得到解決方案。

方案1。采用電子束焊接，不再應(yīng)用焊絲（條），真空條件下，將高能電子束作為加工熱源，用高能量密度的電子束轟擊離合器盤及離合器體接口處的金屬，使其快速熔融，然后迅速冷卻，兩種零件融化在一起。

方案2。采用激光焊接，不再應(yīng)用焊絲（條），利用高能量密度的激光束作為熱源，激光輻射加熱離合器盤及離合器體接口處，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池，兩種零件融化在一起。

2.選取“冷卻方式為自然空冷”為入手點(diǎn)，分別采用物質(zhì)-場(chǎng)模型工具對(duì)問題進(jìn)行求解

物質(zhì)-場(chǎng)分析從組件之間相互作用及功能實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)構(gòu)建物質(zhì)-場(chǎng)模型，包括完整有效、完整有害、不完整物質(zhì)-場(chǎng)模型等，通過物質(zhì)場(chǎng)模型分析，可以引用標(biāo)準(zhǔn)解工具進(jìn)行問題求解[2]。針對(duì)冷卻問題，可構(gòu)建如圖5所示物質(zhì)-場(chǎng)模型。

圖5 物質(zhì)-場(chǎng)模型

根據(jù)所建問題的物質(zhì)-場(chǎng)模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，得到標(biāo)準(zhǔn)解為No.14：S2通過F1作用于S3，S3再通過F2作用于S1，把單一的模型變換成一串聯(lián)的模型（見圖6）。

圖6 基于No.14標(biāo)準(zhǔn)解的物質(zhì)場(chǎng)模型

方案3。依據(jù)No.14標(biāo)準(zhǔn)解，得到問題的解如下：二氧化碳保護(hù)焊產(chǎn)生的熔池，由自然空冷改為流動(dòng)的水來冷卻熔池周邊的材質(zhì)，達(dá)到帶走熱量，進(jìn)而降低焊接變形的目的（焊接冷卻原理見圖7）。

圖7 焊接冷卻原理

方案4。依據(jù)No.14標(biāo)準(zhǔn)解，得到問題的解如下：二氧化碳保護(hù)焊產(chǎn)生的熔池，由自然空冷改為流動(dòng)的油來冷卻熔池周邊的材質(zhì)，達(dá)到帶走熱量，進(jìn)而降低焊接變形的目的。

方案5。依據(jù)No.14標(biāo)準(zhǔn)解，得到問題的解如下：二氧化碳保護(hù)焊產(chǎn)生的熔池，由自然空冷改為液氮來冷卻熔池周邊的材質(zhì)，達(dá)到帶走熱量，進(jìn)而降低焊接變形的目的。

3.選取“特定連接方式”為入手點(diǎn)，采用技術(shù)沖突理論對(duì)問題進(jìn)行求解

為了減少焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量對(duì)離合器盤造成的變形影響，需要減少焊接熱量產(chǎn)生，但是這樣做會(huì)導(dǎo)致焊接熔深不夠，焊接強(qiáng)度低。

轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突為：

1）改善的參數(shù)：32可制造性。

2）惡化的參數(shù)：14強(qiáng)度。

通過查找沖突矩陣，得到No.1 分割原理、No.3 局部質(zhì)量原理、No.10 預(yù)先作用原理以及No.32 顏色變化原理。

方案6。依據(jù)發(fā)明原理No.3 局部質(zhì)量原理：將離合器盤的里孔及離合器體止口設(shè)計(jì)成花鍵結(jié)構(gòu)，采用花鍵連接方案，取消焊接方案，徹底解決焊接帶來的變形影響。

方案7。依據(jù)發(fā)明原理No.3 局部質(zhì)量原理：將離合器盤的里孔及離合器體止口設(shè)計(jì)成鍵槽結(jié)構(gòu)，采用鍵槽連接方案，取消焊接方案，徹底解決焊接帶來的變形影響。

4.選取“離合器盤的沖壓供方與離合器體供方距離較遠(yuǎn)”為入手點(diǎn)，采用物理沖突理論對(duì)問題進(jìn)行求解

為了“制造成本”，需要參數(shù)“制造距離”變“短”，但又為了“質(zhì)量可靠”，需要參數(shù)“制造距離”變“長(zhǎng)”。選用4條分離原理（空間分離、時(shí)間分離、基于條件的分離、整體與部分分離）當(dāng)中的“ 時(shí)間分離”原理，得到解決方案。

方案8。離合器盤的沖銷供方由同一供方制造，采用先焊接后沖銷的技術(shù)路線，規(guī)避焊接對(duì)離合器盤銷子位置度的影響及制作成本的上漲。

結(jié)語

依據(jù)第三部分問題求解，通過技術(shù)可行性、質(zhì)量穩(wěn)定性、固定投入及投入使用周期等綜合考慮，企業(yè)的選擇方案可是多種的，需要視企業(yè)自身情況而考慮。