基于TRIZ設計解決大型薄壁盤形鑄鋼件的翻轉變形問題

文/寧夏職業技術學院 羅永 寧夏科技發展戰略和信息研究所 韓博

基于TRIZ設計解決大型薄壁盤形鑄鋼件的翻轉變形問題

文/寧夏職業技術學院 羅永 寧夏科技發展戰略和信息研究所 韓博

1.引言

采礦業是國民經濟發展的基礎性產業，礦山機械在礦業發展中不斷發展進步。自工業革命起，礦山機械經過多年的發展，已經集成現代多種科學技術成果，形成了數字化控制、集約化模塊化生產、成套全流程組裝生產、高度集成的機電液一體化的系統性機械工程。通過多年的發展，礦機制造業已成為我國重型機械工業體系的重要一環，是我國工業實力和礦產開發能力的重要標志。改革開放30多年來，我國礦山機械制造業經歷了引進、消化、吸收國外先進技術、合作設計和合作制造、自主設計的發展道路，特別是在實施《國務院關于加快振興裝備制造業若干意見》的推動下，礦山機械制造業基本實現了兩大轉變：一是產品開發由仿制型向自主創新型轉變；二是經濟運行由粗放型向效益型轉變。市場需求在帶動礦山機械制造業經濟增長的同時，更促進了整個行業的技術進步，涌現了一批具有自主知識產權的重大新產品。基于礦山機械的快速發展，寧夏職業技術學院通過設計與實驗攻克大型異形螺紋的精加工，滿足技術與使用要求，提升行業產業的競爭力。

本文主要論述了利用TRIZ創新方法對大型薄壁盤形曲面鑄鋼件翻轉過程中變形問題的解決。該工件直徑12.5米，壁厚5厘米。由于鑄件直徑大、壁薄、撓度大，在翻件的過程中容易變形，造成工件的報廢或者返修，嚴重影響著生產效率和質量。

2.系統的工作原理及主要問題

圓錐破碎機（圖1）作為礦山機械的主要產品，主要包含以下3中產品：主機架（圖1-1），錐體（圖1-2）、調節環（圖1-3）、短頭/立柱（圖1-4）。這4種產品中，每一種產品都有1～2處精度要求非常高的部位，比如，主機架關鍵部位在于主軸孔和驅動軸孔的加工，調節環和短頭/立柱主要在異形螺紋的加工。

本課題主要針對大型礦機盤形件，由于其質量大、直徑長，超過了公路運輸的寬度限額，因此分為兩半進行機械加工，分別加工好后運輸到口岸，組裝好再通過海上交通工具運往國外。組裝時是通過螺栓實現無間隙的精密配合。

圖1 主機架裝配圖

圖1-1 完成包裝的主機架

圖1-2 裝配過程中的錐體

圖1-3 完成裝配的調節環

圖1-4 完成裝配的短頭立柱

該礦機件的精密機械加工需要加工內腔外壁（圖2）和內腔（圖3）兩面，兩面的加工過程原理：毛坯件 → 振動時效→ 劃線 → 找準找正 → 鏜銑面鉆孔 →翻件加工另一面。要求加工精度達到0.05mm，采用數控鏜銑床、通過積分編程程序控制機床加工，加工后進行測量誤差不大。

加工完內腔之后進行翻件，由于配合處精度要求不超過0.05mm，因此稍微的變形將影響精密配合。由于條件限制，吊件翻轉過程中很容易出現變形的現象，從而使兩半鑄件無法實現精密配合。目前的調運翻轉是通過簡單的吊車用吊帶拴在吊把上進行調運翻轉，翻件過程中當鑄件位置達到一定的空間位置時，就會出現局部變形。

圖2 礦機件外壁示意圖

圖3 礦機件內腔示意圖

3.系統分析

針對以上問題，采用系統分析方法對系統進行全面分析。通過完備性法則分析得知，外部控制為人，系統的能量源為機械能，動力裝置為電機，傳動裝置為吊車的吊帶，執行裝置為吊車的吊鉤以及盤件上的吊把，最終的產品為精加工工件。通過系統完備性法則分析，可以梳理清楚該調運翻件系統的關鍵操作：即通過吊帶帶動吊鉤對工件吊把進行調動和翻轉。厘清系統功能，對于后續的分析解決問題提供清晰的思路。

對于該系統，進行系統組件分析，組件間的相互作用分析并建立功能模型圖如下：

通過功能模型，確定有問題的組件和有問題的功能，應用功能裁剪進行創新。有問題的組件和功能：吊把對于加工件的吊運翻轉導致鑄件的局部變形。裁剪可以向以下兩個方向考慮：1）裁剪掉吊把對于工件的吊運作用，將不會導致局部變形；2）裁剪掉翻運的功能，將不會產生這種問題。

從功能模型圖中可以看出吊把和支墊物是系統中存在的較大的問題，如果剪裁掉吊把和支墊物，系統不會出現問題，那么從剪裁吊把開始。

通過以上裁剪方式可以得到方案一：裁剪掉吊把對于工件的吊運作用，用中心孔或者其他方式替代吊把的作用。

4.矛盾分析

對于該問題來說，可以通過技術矛盾（Technical Contradiction，TC）分析如下：分析1：如果翻轉工件力量大，那么可以進行鑄件的翻轉，實現第二個面的加工，但是翻轉會造成變形； 分析2：如果翻轉工件力量小，那么不會造成鑄件的變形，但是不能實現鑄件的翻轉，從而不能實現第二個面的加工。

因此通過矛盾矩陣表以及相應的發明原理，可以得到方案二：再次分割鑄件，使鑄件重力足夠小，而且拉力分散在整個鑄件上而在翻轉時不會導致變形。

對于該問題來說，可以通過物理矛盾（Engineering Contradiction，EC）分析如下：

分析1：翻轉力應該大，以滿足翻轉要求 ；分析2：翻轉力應該小， 以滿足工件質量的要求。使用系統級別分離原理得到方案三：設計吊具，使工件整體受力比較大，能夠滿足翻轉的要求；分散到鑄件上每一部分的力又非常小，不至于造成鑄件變形。

5.結論

綜上，方案一具有效率高、適用性好、成本低的特點，可以滿足精加工最終交貨質量要求；方案二不具有可操作性，又難以達到顧客要求的交貨質量；方案三則需要工裝，雖然可以一定程度減小變形，但是需要重新設計與制作工裝，增加了成本，經濟性差。

所以，我們最終選擇使用方案一裁剪掉吊把對于工件的吊運作用，用中心孔替代吊把的作用對工件進行調運翻轉，通過分散受力，避免工件的變形，從而保證了配合面的精度要求，保障了產品質量。

責編/劉紅偉

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