基于TRIZ理論無心車床的設(shè)計與仿真

杜春寬，倪曉，陳國美

(1.無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備與汽車工程學(xué)院， 江蘇無錫 214153；2.無錫市新湖冷拔校直機廠， 江蘇無錫 214115)

0 前言

無心車床主要車削較長金屬管、金屬棒等外圓面，去除表面氧化層、脫碳層、銹蝕、裂紋等缺陷，加工尺寸、表面粗糙度和直線度等精度較高，廣泛應(yīng)用在汽車、化工、食品機械等領(lǐng)域。國內(nèi)關(guān)于無心車床設(shè)計的文獻較少，大部分文獻都是關(guān)于傳動機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、主軸、建模仿真等方面的研究。通過專利檢索和網(wǎng)絡(luò)資源收集，發(fā)現(xiàn)無心車床仍以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為主，自動化程度低，難以滿足制造業(yè)向數(shù)字化、智能化、智慧化發(fā)展的需求。本文作者利用TRIZ理論分析技術(shù)矛盾，借助矛盾矩陣查找發(fā)明原理，根據(jù)發(fā)明原理和借鑒普通車床機構(gòu)和無心車床文獻研究成果基礎(chǔ)上，設(shè)計一種新型無心車床。利用主動軸和從動軸的相對運動帶動螺紋盤驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)刀具進給量自動調(diào)整、工件外圓面車削加工和錐面加工，擴大無心車床加工范圍和自動化程度。

1 TRIZ理論及其技術(shù)矛盾分析法

TRIZ理論是根里奇·阿奇舒勒帶領(lǐng)團隊在分析、比較、歸納250萬份高質(zhì)量專利文獻基礎(chǔ)上，總結(jié)出的一套發(fā)明問題解決方法和理論。通過問題分析把實際問題轉(zhuǎn)化成TRIZ問題模型，然后選擇對應(yīng)的TRIZ工具，利用TRIZ工具選擇標(biāo)準(zhǔn)問題解決模型，結(jié)合工程實際經(jīng)驗，創(chuàng)造性提出問題解決方案。TRIZ理論有利于工程技術(shù)人員掌握發(fā)明創(chuàng)造的方式方法，提高創(chuàng)新解決工程問題的能力，在國家制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級過程中得到企業(yè)和科技人員的重視，獲得了廣泛應(yīng)用。TRIZ理論解決問題的流程如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解決問題流程

TRIZ理論認(rèn)為在產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)中都存在矛盾，矛盾的解決使發(fā)明問題得以解決和改進，是發(fā)明創(chuàng)造的核心。TRIZ理論把矛盾分為技術(shù)矛盾、物理矛盾和管理矛盾，管理矛盾在一定條件下可以轉(zhuǎn)化為技術(shù)矛盾或物理矛盾。技術(shù)矛盾是指技術(shù)系統(tǒng)中兩個參數(shù)之間相互制約，某一個參數(shù)提高時，導(dǎo)致了另一個參數(shù)惡化而產(chǎn)生的矛盾，是TRIZ理論問題模型之一。利用技術(shù)矛盾模型解決發(fā)明問題，首先把實際問題轉(zhuǎn)化為通用工程參數(shù)的技術(shù)矛盾，確定欲改善的參數(shù)和被惡化的參數(shù)，再根據(jù)欲改善的參數(shù)和被惡化的參數(shù)在阿奇舒勒矛盾矩陣表中查找推薦的發(fā)明原理(阿奇舒勒矛盾矩陣表格第一列為要改善的參數(shù)、第一行為被惡化的參數(shù)，列和行交匯處表格里的數(shù)字則為可用的發(fā)明原理編號)，再經(jīng)分析、遴選出有益于問題解決的發(fā)明原理，結(jié)合專業(yè)知識和經(jīng)驗，最后確定發(fā)明問題的解決方案。

2 基于TRIZ理論的無心車床創(chuàng)新設(shè)計

2.1 現(xiàn)有無心車床存在的問題

通過整理分析期刊文獻、專利、網(wǎng)絡(luò)資料等，發(fā)現(xiàn)針對無心車床沒有實質(zhì)性的改進設(shè)計，大部分改進是在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行局部優(yōu)化設(shè)計，這使無心車床無法脫離原有結(jié)構(gòu)的限制，使自動控制系統(tǒng)難與其結(jié)合實施，自動化程度低，也降低了無心車床與配套設(shè)備組建自動化、智能化產(chǎn)線的可能性。刀盤是無心車床的核心部件，刀具能否實現(xiàn)自動進給和退刀，直接影響到無心車床的自動化程度?，F(xiàn)有大部分刀盤均是通過凸輪結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)刀具進給，凸輪機構(gòu)是點、線接觸的高副，接觸面小、承載能力低、較易磨損、壽命短，可靠性差；通過凸輪輪廓實現(xiàn)刀具的進給，可控性差，輪廓磨損后，輪廓發(fā)生改變，使進給量控制更加復(fù)雜化，需要人工測量和修正，限制了自動化改造的可行性。

2.2 技術(shù)矛盾分析

改變原有刀盤接觸面積小、易磨損的凸輪結(jié)構(gòu)，就是要重新設(shè)計和制造刀盤，刀具進給由高副接觸向低副接觸轉(zhuǎn)變，增大接觸面，提高使用壽命和可靠性。重新設(shè)計和制造刀盤機構(gòu)，改變了原有簡單的凸輪結(jié)構(gòu)，會增加機構(gòu)的系統(tǒng)復(fù)雜性，同時，設(shè)計和制造需要大量時間來完成。因此，提高刀盤機構(gòu)的可靠性，就會導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜性和時間損失，從而造成了技術(shù)矛盾的出現(xiàn)，可靠性是欲改善的參數(shù)，系統(tǒng)的復(fù)雜性和時間損失是被惡化的參數(shù)。

提高無心車床自動化程度勢必放棄原有車床結(jié)構(gòu)，重新設(shè)計可實施自動控制的車床結(jié)構(gòu)。新的無心車床相對原有成熟無心車床，生產(chǎn)成本增加、可制造性下降，且存在無心車床系統(tǒng)復(fù)雜和難實現(xiàn)的風(fēng)險，所以自動化程度與可制造性和系統(tǒng)復(fù)雜性構(gòu)成了技術(shù)矛盾，自動化程度是欲改善的參數(shù)，可制造性和系統(tǒng)的復(fù)雜性是被惡化的參數(shù)。

2.3 無心車床創(chuàng)新設(shè)計方案

根據(jù)第1組中欲改善參數(shù)可靠性27和被惡化參數(shù)系統(tǒng)的復(fù)雜性36，從阿奇舒勒矛盾矩陣表中查得發(fā)明原理1“分割”、發(fā)明原理13“反向作用”、發(fā)明原理35 “改變物理或化學(xué)參數(shù)”；根據(jù)欲改善參數(shù)可靠性27和被惡化參數(shù)時間損失25，從阿奇舒勒矛盾矩陣表中查得發(fā)明原理10 “預(yù)先作用”、發(fā)明原理30 “柔性殼體或薄膜”和發(fā)明原理4“增加不對稱”，矛盾矩陣分析如表1所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)明原理1和發(fā)明原理10對技術(shù)矛盾的解決是有幫助的，而對刀盤改進設(shè)計幫助不大。采用凸輪機構(gòu)刀盤或組合刀架結(jié)構(gòu)，裝夾車刀的刀架和刀盤基本都是一體的，需要手動調(diào)節(jié)車刀徑向進給量和鎖緊車刀，難以實施自動控制車刀進給量。分割發(fā)明原理中方法“將物體分成容易組裝和拆卸的部分”提示可將刀架與刀盤分離，讓刀盤能夠驅(qū)動刀架實現(xiàn)徑向進給或退刀。通過分析齒輪、帶、鏈、螺紋等各種傳動機構(gòu)發(fā)現(xiàn)，平面螺紋傳動較為合適，類似三爪卡盤結(jié)構(gòu)(見圖2)，主要由平面螺紋盤、三爪卡盤、卡爪刀架和車刀等構(gòu)成，螺紋盤安裝在三爪卡盤內(nèi)部，卡爪刀架安裝在三爪卡盤卡槽內(nèi)，卡槽使卡爪刀架只能做徑向運動?？ㄗΦ都芘c螺紋盤接觸面做成螺紋，并與螺紋盤嚙合，螺紋可驅(qū)動卡爪刀架沿三爪卡盤卡槽做徑向運動。3個卡爪刀架均布在三爪卡盤上，對中性好，且單螺紋有自鎖性，車刀進給量調(diào)整好后，在自鎖作用下，車刀不會運動。此外，由于被加工工件所受徑向力大部分相互抵消，工件彎曲變形量小。卡爪螺紋與螺紋盤嚙合時存在間隙，對車刀精確進給產(chǎn)生影響。根據(jù)預(yù)先作用發(fā)明原理中方法“預(yù)先對物體(全部或部分)施加必要的改變”，可在設(shè)備使用前，對卡爪螺紋與刀盤螺紋間隙進行測量，獲取偏差值，然后通過控制技術(shù)給予補償，從而消除螺紋嚙合產(chǎn)生的誤差。

表1 矛盾矩陣分析結(jié)果

圖2 刀盤結(jié)構(gòu)

根據(jù)第2組中欲改善參數(shù)自動化程度38和被惡化參數(shù)可制造性32,在阿奇舒勒矛盾矩陣表中查得發(fā)明原理1 “分割”、發(fā)明原理26 “復(fù)制”、發(fā)明原理13 “反向作用”。根據(jù)欲改善參數(shù)自動化程度38和被惡化參數(shù)系統(tǒng)的復(fù)雜性36從阿奇舒勒矛盾矩陣中查得發(fā)明原理15“動態(tài)特性”、發(fā)明原理24“借助中介物”和發(fā)明原理10“預(yù)先作用”，如表1所示。分析以上6個發(fā)明原理，發(fā)現(xiàn)發(fā)明原理1和發(fā)明原理15對技術(shù)矛盾的解決是有幫助的，其他4個發(fā)明原理對問題的解決作用不大。原有無心車床主軸和刀盤安裝在一起，刀架安裝在刀盤上，同步轉(zhuǎn)動，而車刀進給和退刀都是獨立進行的，與主軸轉(zhuǎn)動沒有關(guān)系。根據(jù)分割發(fā)明原理1中方法“把一個物體分成相互獨立的部分”和動態(tài)特性發(fā)明原理15中方法“分割物體，使其各部分可以改變相對位置”，把主軸分解成2個獨立軸，并能產(chǎn)生相對運動，一根軸驅(qū)動車刀進行車削，另一根實現(xiàn)車刀進給和退刀，能夠在靜止?fàn)顟B(tài)和運動狀態(tài)調(diào)整車刀進給量，車刀進給不受無心車床狀態(tài)限制，可實現(xiàn)工件外圓面加工和錐面加工，擴大無心車床加工范圍，也為無心車床自動化實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。無心車床雙軸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無心車床雙軸及刀盤結(jié)構(gòu)

2.4 無心車床結(jié)構(gòu)及工作原理

無心機床如圖4所示，主要由機座、車床主體、進給伺服電機、三相異步電機和傳動帶等組成。伺服電機通過同步帶與進給軸相連，驅(qū)動螺紋盤轉(zhuǎn)動；三相異步電動機通過V形帶驅(qū)動主軸帶動三爪卡盤轉(zhuǎn)動，各軸末端裝有旋轉(zhuǎn)編碼器測量轉(zhuǎn)速，并反饋給控制系統(tǒng)。主軸和進給軸轉(zhuǎn)向相同，以主軸轉(zhuǎn)速為參照，控制進給軸轉(zhuǎn)速，通過主軸和進給軸轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)刀具進給和退刀，當(dāng)進給軸轉(zhuǎn)速小于主軸轉(zhuǎn)速時(順時針轉(zhuǎn)動)，實現(xiàn)進給，反之，實現(xiàn)退刀；當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時，刀具相對靜止，按給定的進給量進行切削。

圖4 無心車床裝置

3 切削力學(xué)分析與加工仿真

3.1 切削力學(xué)分析

車削加工合力一般分解成切削力、背向力和進給力3個相互垂直的分力。工件沿軸向進給，3把車刀做高速旋轉(zhuǎn)運動切削工件，車刀對工件施加切削力和背向力，而工件進給對刀具施加軸向力，刀具對工件施加反作用力，即進給力。如圖5(a)所示，3把車刀均勻分布在工件周圍，相隔120°，分別是粗車車刀、半精車車刀和精車車刀，背吃刀量依次減小，即>>，而切削速度、進給量相同。切削力指數(shù)經(jīng)驗計算公式：

式中：為背吃刀量，mm；為進給量，mm/r；為切削速度，mm/s；、、為影響系數(shù)；、、、、、、、、為影響指數(shù)；、、為修正系數(shù)。

圖5 車削受力分析

=++

其中：、、為刀具作用于工件的力臂長度，mm。

3.2 切削加工仿真分析

為進一步驗證無心車床設(shè)計的合理性，利用Deform軟件對切削加工進行模擬仿真，把仿真值與理論計算值進行比較，驗證無心車床車削的可行性。

坯料采用45圓鋼，直徑為100 mm。由于只研究切削力，不研究車刀磨損等，設(shè)置車刀為剛體，不賦予材料。參照《機械加工工藝師手冊》，取主切削速度=200 r/min、進給量=0.3 mm/r,為去除坯料表面氧化皮、刮痕、污物、銹蝕等，以獲取精度較高的工件，3把車刀總的背吃刀量設(shè)為3.5 mm。進行兩次仿真切削，第一次仿真切削：=2 mm、=1 mm、=0.5 mm；第二次仿真切削：=1.6 mm、=1.2 mm、=0.7 mm(為粗加工背吃刀量、為半精加工背吃刀量、為精加工背吃刀量)。

(1)模型建立

Deform軟件自帶的車削仿真模塊是單把車刀對坯料進行切削，不能模擬3把車刀同時切削。為真實模擬無心車床車削過程，自建有限元分析模型?？紤]刀具相對工件的定位和各車刀背吃刀量的不同，在工件模型上設(shè)置好車刀位置、設(shè)計好背吃刀量和進給量。為減少計算機內(nèi)存占用和工件網(wǎng)格劃分時間，提高仿真時效，把模型設(shè)置成空心棒料，且取較短長度，如圖6(a)所示；所設(shè)車刀與工件模型相匹配, 保障切屑截面面積的準(zhǔn)確性，幾何模型如圖6(b)所示。采用Absolute模式對工件進行四面體網(wǎng)格劃分，最小網(wǎng)格尺寸為進給量的1/4，即0.075 mm,Size Ratio為8，網(wǎng)格重新劃分標(biāo)準(zhǔn)為0.7，選用Conjugate Gradient求解器，采用Direct Iteration法求解切削變形。

圖6 幾何模型

(2)切削力矩理論值和仿真值的分析與比較

圖7所示為兩次不同背吃刀量仿真切削力矩。可以看出：在起始階段切削力矩逐步增大且波動大，這是由于車刀逐步切入工件，車刀與工件接觸面增加，摩擦力也逐步增大，在切削過程中，材料由彈性變形向彈塑性、塑性變形轉(zhuǎn)變，變形抗力增強、伴有強烈的振動；當(dāng)車刀完全切入工件后，切屑生成趨于平穩(wěn)，切削力矩也趨于穩(wěn)定，在平穩(wěn)切削過程中存在晶格畸變、加工硬化、網(wǎng)格重新劃分等，切削力矩也存在頻率較高的波動，使載荷曲線呈現(xiàn)“劇烈運動”。

圖7 切削力矩(n=200 r/min,f=0.3 mm/r)

為真實反映切削力矩的仿真值，取車削穩(wěn)定階段21步至100步計算出粗車、半精車和精車切削力矩平均值。從《機械加工工藝師手冊》切削加工分冊查得=2 650，=1、=0.75、=-0.15、=0.94，所以切削力矩載荷==2 491075-015，代入相關(guān)參數(shù)求得切削力矩理論計算值，結(jié)果如表2所示。

表2 主切削力矩的理論計算值與仿真值的比較

從表2中看出：切削力矩的理論計算值和仿真值相比較，單項切削力矩誤差絕對值均在10%以內(nèi)，每次總切削力矩誤差絕對值在5%以內(nèi)，在可接受范圍內(nèi)，驗證了無心車床切削加工的可行性。

4 小結(jié)

(1)TRIZ創(chuàng)新理論能夠為無心車床的改進設(shè)計提供思路和方案，本文作者基于此設(shè)計出了一種雙軸結(jié)構(gòu)、刀具實現(xiàn)自動進給的無心車床。

(2)通過力學(xué)分析，在切削速度和進給量不變的條件下，3把車刀對工件的作用受背吃刀量和車刀對工件力臂的共同影響。在總背吃刀量不變和保證加工質(zhì)量的條件下，可對背吃刀量和力臂長度之間的關(guān)系進行優(yōu)化，找出較好參數(shù)組合。

(3)通過比較切削力矩理論值和仿真值，得到單把車刀切削力矩誤差絕對值在10%以內(nèi)，總切削力矩誤差絕對值在5%以內(nèi)，進一步證明了無心車床加工工件的可行性。