基于TRIZ 理論的薄壁類箱體零件加工夾具創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

龍敦鵬，朱 浩

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

引言

箱體零件是機(jī)械設(shè)備或者某個(gè)部件的零件?；诳梢赃B接機(jī)器中各種的軸、套等零件，箱體零件能有效保證各個(gè)零件之間的傳動(dòng)關(guān)系，并且?guī)椭慵碛谐掷m(xù)的，可以傳遞的驅(qū)動(dòng)力。因此，必須要保證箱體的質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器的運(yùn)行順利。同時(shí)也能減少機(jī)器的損耗，延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命。目前，基于TRIZ 理論的設(shè)計(jì)被廣泛運(yùn)用于各種產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。因此，可以利用TRIZ 理論對(duì)薄壁類箱體零件加工夾具進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1 箱體零件簡(jiǎn)介以及設(shè)計(jì)要求分析

1.1 箱體零件簡(jiǎn)介

箱體類零件的加工質(zhì)量會(huì)直接影響到整個(gè)機(jī)器的運(yùn)行情況[1]。如果零件不夠好，一定會(huì)磨損機(jī)器，甚至導(dǎo)致安全隱患，影響機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。一般而言，箱體零件的壁厚很薄，如果是只有1 cm 厚的箱體，就叫做薄壁箱體。這種薄壁箱體的結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的。加上重量也輕，箱體缺乏一定的剛性。因此，在真正加工箱體時(shí)，就需要格外注意加工工藝以及施工過(guò)程，以確保對(duì)工件加工的質(zhì)量。

在傳統(tǒng)的箱體零件夾具設(shè)計(jì)中，有關(guān)零件的定位，壓緊力和加工的可達(dá)到性，都是非常重要的。壓緊力越大，壓緊效果會(huì)越好，但是容易導(dǎo)致工件發(fā)生變形，甚至干涉到工件本身的工作。而壓緊力越小，壓緊效果就會(huì)越差，工件不易受損，也不會(huì)影響到工件的功能實(shí)現(xiàn)。因此，為了保證工件的質(zhì)量，就需要基于工件的設(shè)計(jì)要求，合理設(shè)計(jì)出符合工件功能的壓緊力，這樣才能保證工件制造的有效精度[2]。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，夾具設(shè)計(jì)工人為了找到適合工件的壓緊力，就會(huì)操作許多實(shí)踐性的實(shí)驗(yàn)?；趯?shí)驗(yàn)的大量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員一般都能找到最適合的壓緊力大小范圍。然而，這種基于實(shí)驗(yàn)的方法，缺乏一定的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。尤其是在發(fā)展迅速的今天，很容易因?yàn)樵O(shè)計(jì)不夠先進(jìn)，導(dǎo)致工件的加工應(yīng)用不強(qiáng)。浪費(fèi)人力的同時(shí)，也會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，不利于資源的有效利用。因此，需要積極結(jié)合先進(jìn)的理念，結(jié)合先進(jìn)的方法，有效促進(jìn)工件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。目前，TRIZ 理論在國(guó)外已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，且效果很好，尤其適用于機(jī)械工程各種零件的加工。但是在國(guó)內(nèi)應(yīng)用不廣，還處于起步階段。為了保證箱體零件的加工，設(shè)計(jì)人員就可以積極采用TRIZ 理論，有效提升薄壁類箱體零件的加工質(zhì)量。

1.2 箱體零件的設(shè)計(jì)要求分析

傳統(tǒng)的薄壁類箱體零件加工夾具的定位方式較差?；谝幻鎯射N，零件加工夾具可以限制住工件的自由度，并最終實(shí)現(xiàn)定位的功能。而壓緊工件時(shí)，一般會(huì)使用到剛性壓板和底部的支撐。然而實(shí)際上，因?yàn)楸”陬愊潴w比較脆弱，厚度不夠。這使得加工中工件很容易出現(xiàn)振動(dòng)的情況，這非常不利于整個(gè)零件的運(yùn)行。因此，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，還需要額外加上4 個(gè)壓板加強(qiáng)對(duì)于工件的預(yù)緊力，以避免工件的振動(dòng)。即使這樣，加工完成后，也很容易發(fā)現(xiàn)加工表明的一些振紋，從而影響到整個(gè)加工的質(zhì)量，甚至無(wú)法滿足實(shí)際的設(shè)計(jì)要求。因此，就需要重新改進(jìn)方案，以實(shí)現(xiàn)定位和壓緊好箱體零件，同時(shí)也要減少對(duì)于工件的干涉等不良影響。除此之外，新的方案也需要操作簡(jiǎn)單，以有效避免人為因素的影響。

2 建立TRIZ 問(wèn)題模型

TRIZ 是在技術(shù)系統(tǒng)演變過(guò)程中出現(xiàn)的新的問(wèn)題解決系統(tǒng)。在TRIZ 理論中，產(chǎn)品就如同生物系統(tǒng)，也會(huì)有一定的規(guī)律。所以產(chǎn)品的進(jìn)化過(guò)程就是解決產(chǎn)品本身矛盾的過(guò)程?；诎l(fā)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)中的矛盾解決產(chǎn)品技術(shù)中的矛盾，產(chǎn)品才能不斷進(jìn)步，更加滿足人們的需求。

基于前面對(duì)于傳統(tǒng)的零件加工分析，可以發(fā)現(xiàn)箱體零件加工夾具系統(tǒng)中的技術(shù)矛盾。首先，工件一定要有一定的壓緊力，這樣才能固定好工件[3]。但是因?yàn)閴壕o力太大，很容易導(dǎo)致工件變形，這不利于工件的運(yùn)行效率，也會(huì)減少工件的使用壽命。二是需要增加工件的剛性。基于輔助支撐，可有效實(shí)現(xiàn)增加工件的剛性。但同時(shí)因?yàn)檩o助支撐的存在，反而會(huì)影響工件的加工過(guò)程。因此，就需要借助于TRIZ 理論，有效描述出工件加工中的問(wèn)題。同時(shí)，再將這個(gè)矛盾轉(zhuǎn)化成TRIZ 理論中的工程參數(shù)?；趯＜姨岢龅挠嘘P(guān)工程的各種參數(shù)，最后總結(jié)出來(lái)39 個(gè)通用工程參數(shù)。具體而言，可以用這39 個(gè)通用工程參數(shù)定義出箱體零件加工的技術(shù)矛盾。

2.1 技術(shù)矛盾一

提高的參數(shù)：力。即可以通過(guò)改善工件的參數(shù)，去改變工件受力狀況。

惡化的參數(shù)：系統(tǒng)的復(fù)雜性。即這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.2 技術(shù)矛盾二

提高的參數(shù)：穩(wěn)定性。即通過(guò)增加輔助支撐，可以增加工件的剛性，降低整個(gè)工件加工中的振動(dòng)。

惡化的參數(shù)：可制造性。即輔助支撐也會(huì)引起不必要的干涉，影響工件加工的可制造性。

至此，已經(jīng)建立了有關(guān)零件加工的TRIZ 理論模型。并且將待解決問(wèn)題轉(zhuǎn)換成了問(wèn)題模型。

3 運(yùn)用TRIZ 工具產(chǎn)生的解決方案模型

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在所有的專利中，即使其中內(nèi)容各不相同，但是因?yàn)榻鉀Q問(wèn)題的思路大相徑庭，因此，研究專家就基于此，研究出了解決問(wèn)題時(shí)常用的40 種創(chuàng)新原理，以有效作為問(wèn)題解決的思路。

在針對(duì)技術(shù)問(wèn)題的矛盾中，TRIZ 發(fā)明者確定出39 個(gè)工程參數(shù)和40 條發(fā)明原理，以及發(fā)現(xiàn)了工程參數(shù)和發(fā)明原理之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[4]?；谶@些基礎(chǔ)，TRIZ 理論能有效解決工程中的一些問(wèn)題。具體而言，首先，可以確定好技術(shù)的問(wèn)題。然而再根據(jù)對(duì)照問(wèn)題沖突矩陣，合理查找到對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新原理。之后，再根據(jù)對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新原理，加上對(duì)于矛盾的分析，綜合性考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及技術(shù)系統(tǒng)的功能性。這樣通過(guò)實(shí)際的TRIZ 理論，就可以產(chǎn)生出TRIZ 問(wèn)題模型的解決辦法，實(shí)現(xiàn)有效定位問(wèn)題的功能，并且最終找到解決問(wèn)題，以促進(jìn)工程的更好建設(shè)和發(fā)展。

4 加工夾具創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)

基于前面的“發(fā)現(xiàn)矛盾，找到創(chuàng)新原理，綜合考慮”三個(gè)具體的步驟，可以有效找出加工夾具中問(wèn)題解決的兩個(gè)創(chuàng)新原理，即復(fù)制原理和事先防范原理。利用這兩種原理，可以改進(jìn)箱體零件的壓緊機(jī)構(gòu)，并最終設(shè)計(jì)出新型的環(huán)形壓緊機(jī)構(gòu)。同時(shí)，為了保證工件的穩(wěn)定性，還額外增加了輔助支撐結(jié)構(gòu)[5]。具體而言，在新的環(huán)形壓緊機(jī)構(gòu)中，夾具底座是被左右支架夾住固定起來(lái)的。相比起傳統(tǒng)用4 個(gè)壓板支撐的方式，這種左右支架固定的方法更可靠。不僅操作更加簡(jiǎn)單，且機(jī)構(gòu)加得更緊，也有效避免了因?yàn)閴壕o力而讓工件振動(dòng)變形的不良后果。

而在新的輔助支撐結(jié)構(gòu)中，則有效利用了箱體零件尾部凸起的部分?；谙潴w尾部，工件兩邊直接被抱夾，兩側(cè)也被固定住。這既能保證工件輔助支撐的效果，也保證了箱體零件的剛性，沒(méi)有對(duì)零件產(chǎn)生不良影響[6]。

然而，為了真正保證TRIZ 理論的有效應(yīng)用，還需要綜合性的去考慮到其他因素。除了基本的壓緊機(jī)構(gòu)與輔助支撐外，還要考慮到側(cè)向支撐機(jī)構(gòu)等，這樣才能更加有效地保證整個(gè)系統(tǒng)的合理性和科學(xué)性。保護(hù)好零件的同時(shí)，也能提升使用性能，

5 結(jié)果對(duì)比

和傳統(tǒng)的箱體零件加工夾具相比，運(yùn)用TRIZ 理論改進(jìn)后的夾具質(zhì)量更好。不僅尺寸公差和形位公差在設(shè)計(jì)要求合理的范圍之內(nèi)，其工件的變形量也減少了很多。比如，工件左端的圓形腔體，變形量基本保持在0.02～0.05 之間，很好地滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。而工件左端電機(jī)與軸承的安裝孔同軸度也達(dá)到了合理的范圍內(nèi)。除此之外，工件表面也有很大的改善。相比起以前比較粗糙的表面，如今的工件更加平整光滑。

6 應(yīng)用TRIZ 理論的注意事項(xiàng)總結(jié)

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)講，通過(guò)應(yīng)用TRIZ 理論，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄壁類箱體零件加工夾具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)?；赥RIZ 解決問(wèn)題的理念，保證了薄壁類箱體零件加工的質(zhì)量穩(wěn)定性，同時(shí)也為箱體零件夾具創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了很多很好的思路。這不僅有利于我國(guó)薄壁類箱體零件加工技術(shù)水平的提升，也為相關(guān)的加工人員積累了很不錯(cuò)的夾具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，利用TRIZ 理論，解決創(chuàng)新設(shè)計(jì)中問(wèn)題的效率也非常高且實(shí)用性強(qiáng)，很大程度上能減輕工作人員的工作量。但是為了保證TRIZ 應(yīng)用的效果，必須要加強(qiáng)設(shè)計(jì)人員的對(duì)于TRIZ 的運(yùn)用技巧和專業(yè)知識(shí)。尤其是對(duì)于剛開(kāi)始使用TRIZ 理論的設(shè)計(jì)人員來(lái)講，如何將自己傳統(tǒng)的零件加工經(jīng)驗(yàn)，和自己的專業(yè)知識(shí)，以及TRIZ 理論和解決問(wèn)題的辦法有效結(jié)合起來(lái)，是非常關(guān)鍵的。只有設(shè)計(jì)人員能夠很好地銜接好三者，才能真正發(fā)現(xiàn)薄壁類箱體零件加工的問(wèn)題，并且有效運(yùn)用TRIZ 理論去解決問(wèn)題。

除此之外，在真正應(yīng)用TRIZ 理論時(shí)，薄壁類箱體零件的加工夾具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)依舊不夠好。很多細(xì)節(jié)以及結(jié)構(gòu)問(wèn)題都需要反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，以及基于用戶使用薄壁類箱體零件后的評(píng)價(jià)與反饋等，合理進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。只有能真正優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且進(jìn)一步進(jìn)行科學(xué)的試驗(yàn)研究，才能不斷完善薄壁類箱體零件加工夾具的結(jié)構(gòu)，降低薄壁類箱體零件的生產(chǎn)成本。最關(guān)鍵的，經(jīng)驗(yàn)的積累也是友好促進(jìn)TRIZ 創(chuàng)新理論的重要內(nèi)容。通過(guò)需結(jié)合工作中的實(shí)例，努力在實(shí)際中去學(xué)習(xí)，逐漸基于實(shí)踐領(lǐng)會(huì)TRIZ 理論精髓，從而實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有效結(jié)合。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，只有在實(shí)踐中不斷進(jìn)步，加深對(duì)于理論的理解和感悟，同時(shí)也能基于理論去展開(kāi)各種零件的加工，才能有效實(shí)現(xiàn)TRIZ 理論和薄壁類箱體零件加工夾具設(shè)計(jì)之間的相互促進(jìn)。

7 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用TRIZ 理論可以有效促進(jìn)工件的實(shí)用性，同時(shí)也能增加工件的剛性，保證工件有效運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，也能很好地延長(zhǎng)工件的使用壽命。對(duì)于TRIZ 理論而言，基于“發(fā)現(xiàn)矛盾，找到創(chuàng)新原理，綜合考慮”三個(gè)具體的步驟，能有效解決工程中的問(wèn)題，真正實(shí)現(xiàn)工程的改進(jìn)和發(fā)展。因此，相關(guān)的技術(shù)人員一定要積極應(yīng)用TRIZ 理論，盡量用科學(xué)的原理，找到實(shí)際解決問(wèn)題的辦法，以促進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。