基于TRIZ的注塑機注射機構及成型工藝創新設計

李平平，任工昌，陳紅柳，魯麒

(1.陜西科技大學設計與藝術學院，陜西西安 710021; 2.陜西科技大學機電工程學院，陜西西安 710021)

基于TRIZ的注塑機注射機構及成型工藝創新設計

李平平1，任工昌2，陳紅柳1，魯麒2

(1.陜西科技大學設計與藝術學院，陜西西安 710021; 2.陜西科技大學機電工程學院，陜西西安 710021)

為了克服傳統設計方法在解決工程設計問題的不足，將發明問題解決理論 (TRIZ)引入注塑機的機構及注射成型工藝創新設計中。在分析注塑機實際生產運行情況中所存在問題的基礎上，采用TRIZ創新理論分析方法，確定了技術沖突，應用沖突矩陣表得到解決問題的發明原理，并運用TRIZ理論的發明原理所提供的思路與線索，對注塑機的注射機構、液壓系統及模具加熱工藝進行了創新設計。充分表明了TRIZ理論在產品概念設計中的有效性及合理性，以及應用于工程設計領域進行創新設計的可行性和高效性。

創新設計;注塑機;發明問題解決理論;技術沖突;注射機構;成型工藝

以TRIZ為核心的概念設計方法和工具能夠有效地解決產品開發設計中的關鍵問題，進行產品創新設計，提高產品質量，降低成本，減少市場的響應時間。TRIZ是基于邏輯思維的高層次產品創新設計理論，其中沖突矩陣與發明原理是TRIZ中最成熟的工具，能夠幫助設計人員通過對以往的知識與經驗進行重新組合、修改、聯想、推理及抽象等，形成創新思想及設計概念，以完成產品的開發與創新。

由于當前市場上的注塑機大都存在能耗大、效率低、有污染、以及控制精度及產品精度低，模具的溫度加熱慢及控制難，熔融塑料的注射速度不夠大，產品生產效率低等問題而難以滿足市場發展要求，因此設計與制造新一代節能環保高效的注塑機就成為迫切需要關注和解決的問題。利用TRIZ中的發明原理對注塑機注射機構及模具的溫度控制工藝進行創新設計，將會有效地解決當前問題，實現設計方案的創新，得到節能高效的設計方案。

1 TRIZ理論

TRIZ理論是以各學科領域知識為基礎的最具代表性［1－2］的產品創新設計理論，是通過對世界專利庫中近250萬件發明專利的分析，總結出人類解決技術難題進行發明創造所遵循的理論和方法［3－4］，能為設計師解決問題指明方向，給出創造性方案的產品創新問題解決方法學。

TRIZ理論是一種建立在技術系統演變規律基礎上的問題解決系統，由技術系統演變的8個模式、39個通用工程參數、40條發明原理、沖突解決矩陣、76個標準解、發明問題解決算法 (ARIZ)及工程知識效應庫等構成的理論與方法體系［5－6］。產品進化及更新換代的實質就是不斷地發現并不斷合理有效地解決產品沖突的過程［7］。因此，利用TRIZ的沖突矩陣及發明原理解決產品設計中的沖突，將推動產品向理想化方向進化。TRIZ理論解決問題的一般流程如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解決問題的一般流程

2 應用實例

2.1 問題分析

注射成型機也稱注塑機，是將熱塑性塑料或熱固性塑料利用成型模具制成各種所需形狀，且能保持原有材料性能的塑料制品的成型設備［8］。注射裝置、液壓傳動系統是注塑機的心臟。其中，注射裝置由塑化裝置、料斗、計量裝置、螺桿傳動裝置、注塑油缸等組成。液壓傳動系統主要由液壓泵、液壓閥、流量閥、壓力閥等部件組成。普通液壓式注射系統如圖2所示。

圖2 普通液壓式注射系統

通過對注塑機在實際生產中的運行情況調查發現，注塑機液壓系統、注射機構及模具溫度控制工藝目前存在如下問題:

(1)由于成型工藝及不同生產工序的需要，注塑機在工作過程中要求的流量和壓力往往存在差異，并且經常變化，一般采用若干定量泵 (雙泵供油)和節流閥的不同組合方式來調節流量，同時由多個遠程調節閥并聯來控制壓力，以滿足生產工藝，但對于輸出功率，定量泵及調節閥卻不可調節。因此，導致了系統組成元件較多，能量利用率低 (能量利用不合理及能量泄漏)，系統發熱較大，通常需要設置冷卻系統;同時，在壓力與速度變換過程中產生極大的沖擊和振動，造成較大的機械磨損及噪聲，使系統壽命縮短，穩定性及生產效率差。

(2)在注射成型工藝中，模具溫度是影響制品成型過程和制品質量的重要工藝參數，合理且分布均勻的模具溫度將直接影響塑料在模腔內硬化的速度、注射制品的表面及內在質量、生產效率等［9］。目前，許多注塑機的模具加熱及溫度控制工藝尚達不到要求，在對壓印模的溫度提升方面，效果依舊很不理想，并且產品生產效率低下。模具溫度的不合理致使制件的成型周期較長，模具的復原性較差，生產效率低下，尤其對具有局部凹陷特征及復雜的薄壁制品復原性的提高方面具有很大的局限性，對于微特征孔洞的填充效果方面效果較差等。

2.2 沖突的確定及問題求解

對問題 (1)進行分析，由于注塑機的定量泵和節流閥不可調節注塑機的輸出功率，因此導致了多余的能量在擋板、油路中泄漏，造成油溫過高。同時由于系統元件較多，能量利用不合理，各種閥的磨損及機械壽命縮短等不良現象;濾油器和管路阻礙液壓油流動及泄漏較大，使系統能耗利用效率較低。所以，應改善零部件磨損，能量損失、高能耗、低效率等，但將導致系統的復雜性增強，因此存在著改善物質與能量損失與系統復雜性增強的技術沖突。

將問題泛化為改進的工程參數“物質損失”及惡化工程的參數“系統的復雜性”。通過對沖突矩陣表的查詢，可得到解決這一沖突問題對應的發明原理，即TRIZ特解，見表1。

表1 沖突矩陣表

對表1中各發明原理進行分析，原理“28機械系統替代原理”對解決該問題具有可行性。

由“28機械系統替代原理”得到方案的原理啟示為:進行系統裁減與替代。應用高壓空氣直接推動熔融塑料的注射系統替代原有應用液壓傳動裝置及注射油缸的注射機構。原理為:應用電器柜對線圈中電壓與電流的大小及方向進行控制，當線圈中的電流發生變化時，將在線圈內部產生不同大小與方向的磁場。電磁換向閥根據磁場的變化，在規定的時間內完成接通和斷開，進而，系統根據注塑工藝及生產工序的要求，控制高壓氣體以足夠的壓力推動一定量的熔融塑料，快速填充到模具型腔中，并對型腔中的熔融塑料進行保壓與定型。創新設計后的系統原理方案，如圖3所示。

圖3 注射機構系統原理解

對問題 (2)進行分析，較高的模具溫度可以使熔體容易充滿型腔，降低注射壓力［9］，提高產品的表面質量和注射周期，避免塑料過早冷卻，熔接縫融合不良等。但模具溫度過高將導致熔體的黏度變低，制品出現毛邊、縮痕、脫模困難、冷卻時間延長等，使產品表面質量降低、注射周期增長，生產效率降低。因此，應縮短產品的注射周期，提高產品的生產效率。同時，也應消除制品的表面質量及制品的形變等不良特性及系統結構復雜性。

因而，模具溫度是注射成型工藝中的一對沖突。即存在著產品的生產率與表面及外形質量提高與模具的結構復雜性增強等之間的沖突。

進行問題標準化處理，選用改善的工程參數“生產率”，惡化的工程參數“裝置的復雜性”及“制造精度”。通過對沖突矩陣表的查詢，可得到解決這一沖突問題對應的發明原理，即TRIZ特解，見表2。

表2 沖突矩陣表

對表2中的各發明原理進行分析，原理“10預操作原理”及“28機械系統替代原理”對解決問題具有可行性。

由原理10得到的啟示為:在填充前對模具型腔進行預加熱，將模具型腔加熱到一定溫度。

由原理28得到的啟示為:采用高光注射工藝，選用紅外線加熱。這樣可均勻全面的進行加熱，同時也可對極小區域局部加熱，并且具有加熱溫度高、速度快、溫度容易控制、節省能源、無噪聲和灰塵污染，可極大地縮短成型周期，改善填充性能，提高制品的表面及內在質量等優點。

3 結論

在產品的創新設計過程中，使用常規的方法往往無法解決，而TRIZ理論是基于邏輯的高層次的產品創新設計方法，可以幫助設計者克服心理慣性和已有的傳統概念，消除沖突，快速高效地得到創新的解決方案。增加了決策方案的科學性及方案的合理性，同時也降低了設計的盲目性。

在TRIZ理論的指導下，成功地運用TRIZ中的沖突矩陣及發明原理進行了產品創新設計。應用高壓空氣直接推動熔融流體的注射方式替代原有液壓驅動的注射系統;應用高光注射技術及采用紅外線輻射加熱。經過實驗證明，創新設計后的系統的生產效率、產品的表面及內在質量得到了質的提高;系統的可靠性、系統復雜性、環境污染、噪聲及工作性能不穩定等不良特征從根本上得到了改善與提高。

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Innovation Design of Injection Organization and Injection Molding Process of Injection Molding Machine Based on TRIZ

LI Pingping1，REN Gongchang2，CHEN Hongliu1，LU Qi2
(1.College of Art and Design，Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an Shaanxi 710021，China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an Shaanxi 710021，China)

In order to overcome the shortcomings of the traditional design method to solve engineering design problems，the inventive problem solving theory(TRIZ)was introduced into the innovative design of the institutions and injection molding process of the injection molding machine.On the basis of the analysis of the problems existed in the actual production operation of the injection molding machine，the TRIZ innovation and theoretical analysis method were used to determine the technical conflict，the conflict matrix table was applied to solve the problem of the principles of the invention，and the ideas and clues provided by the principles of invention of TRIZ theory were used to get the innovative design of the injection organization and hydraulic system of the injection molding machine，and mold heating process.The effectiveness and rationality of TRIZ theory in product conceptual design are fully demonstrated，as well as the feasibility and efficiency of innovative design applied in the field of engineering.

Innovative design;Injection molding machine;TRIZ;Technical conflict;Injection organization;Injection molding process

TH122

A

1001－3881(2014)9－081－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.022

2013－04－23

國家自然科學基金資助項目 (51175314);“十二五”國家科技支撐計劃項目 (2012BAF02B01)

李平平 (1987—)，男，碩士研究生，研究方向為機械設計及理論，產品創新理論。E－mail:2467887671@ qq.com。