基于TRIZ理論的水基切削液定時加注系統設計

1. 現狀分析

數控機床對機械零件進行車削、鉆削、銑削和磨削等加工時，多數配置單機用水基冷卻裝置，以滿足迅速降低加工溫度、穩定工件加工尺寸、延長刀具使用壽命、減少停機換刀時間、減小切削力、降低加工表面粗糙度值、有效清除加工區的切屑或微粒及防止已加工表面銹蝕等要求。一般情況下，操作者先將適量的清水注入機床的冷卻裝置，再注入定量的切削液后，形成該機床所用的水基切削液。此種添加方式不僅會造成切削液濃度不穩定，濃度過低時產品發生銹蝕，濃度過高時切削液使用浪費；還會影響車間現場的定置管理，每臺或多臺機床的附近懸掛/散放塑料軟管。

針對上述情況，需要設計一套水基切削液定時加注系統，既要保證切削液濃度的一致性，又可避免切削液浪費；既能美化現場，又要做到隨用隨加；既可整合現場的全部冷卻裝置，又不影響單機冷卻的運行。

2. TRIZ參數橋優化設計

由TRIZ理論原理知，基于技術沖突“參數橋”的創新發明求解過程通常包括三個主要步驟，即工程問題標準化（上橋）、查沖突矩陣取得發明原理（過橋）和運用發明原理優化設計（下橋），如圖1所示。

（1）工程問題標準化。為便于使用阿奇舒勒沖突矩陣解決切削液加注問題，首先要將前述工程問題用TRIZ理論中2003版的48個通用工程參數（39個工程參數新增了9個）來描述，也就是把一般的領域問題轉化為TRIZ標準問題。擬保證切削濃度的一致性，故選擇35號工程參數（可靠性）為待改善的參數；擬避免切削液浪費，故選擇25號工程參數（物質損失）為待改善的參數；擬美化現場，故選擇39號工程參數（美觀）為待改善的參數；擬整合現場全部冷卻裝置，故選擇33號工程參數（兼容性/可連通性）為待改善的參數。在原有基礎上增設水基切削液定時加注系統后，現場冷卻系統將會出現2個惡化的參數，即45號工程參數（系統的復雜性）和46號工程參數（控制和測量的復雜性）。

（2）查沖突矩陣取得發明原理。根據得到的5個改善參數和2個惡化參數，查2003版沖突矩陣表，可得到水基切削液定時加注系統設計的發明原理，如附表所示。

圖1 TRIZ的技術沖突“參數橋”

（3）運用發明原理優化設計。綜合附表的發明原理及其設計方案，確定在車間現場安裝水基切削液集中加注站，經單相自吸泵將預先配置好的水基切削液輸送至每個冷卻裝置處，由各自的操作者通過對應的截止閥控制切削液的添加與關閉。同時，系統加裝定時控制環節，以減少自吸泵的無效運行。

（4）定時加注系統設計。所設計的水基切削液定時加注系統主要由集中加注站和定時加注控制柜兩部分組成。其中，集中加注站包括儲液箱、單相自吸泵、卸荷管、截止閥及各連接管路等，如圖2所示；定時加注控制柜包含3極斷路器DZ47-60 C16、2極斷路器DZ47-60 C3、不帶燈常開按鈕IDEC ABW110G、Omron自動復位型定時器H3AM-NS-B、交流接觸器CJX1-9/22及相應線路等，如圖3所示。

3. 使用方法

定時加注系統運行前，操作者需要根據儲液箱內液面位置，預先按規定比例配置好水基切削液并注滿儲液箱。

操作者合上控制柜內斷路器QF0和QF1，使AC220V分別接至交流接觸器KM及導線L21。按下常開按鈕SB，接觸器KM的線圈與定時器KT的線圈均通入AC220V，KM常開觸點閉合使SB自鎖，KT工作且可動指針倒計時。

隨KM線圈得電，KM主觸點閉合，自吸泵的電動機M0接入AC220V后運轉。儲液箱內切削液經管路和截止閥送至目標冷卻裝置。待切削液加注預設定時到達，KT的限時接點3～4斷開，KM線圈失電，SB自鎖復位。隨KM線圈失電，KM主觸點斷開，M0停轉，切削液停止供應。切削液定時加注的一個循環周期結束。

水基切削液定時加注系統設計發明原理一覽表

圖2 水基切削液集中加注站結構示意

圖3 水基切削液定時加注控制原理

4. 結語

依據TRIZ理論中技術沖突“參數橋”，優化水基切削液定時加注系統的設計。通過使用該套定時加注系統，切削液的添加過程不再出現泄漏，冷卻裝置附近的現場趨于美觀，自吸泵的損壞頻次由6次/年降為幾乎不損壞，維修費用每年節約0.8萬元，電力無謂消耗每年節約1.5萬元。該項目在大批量生產現場具有一定的應用價值。

[1] 張明勤，張士軍，陳繼文，等.TRIZ應用綜合例析－軸頸磨損防護與修復[M]. 北京：機械工業出版社，2012.