基于TRIZ 的鋁卷產品冷軋折印改善方法研究

朱玉濤，伍志銘，郝成罡，陳小玲，李永春，賈桂龍2，，黃 奎2，

（1.廣西廣投新材料集團有限公司，廣西 南寧 530031；2.廣西容創新材料產業研究院有限公司，廣西賀州 542899；3.廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031；4.廣西正潤新材料科技有限公司，廣西 賀州 542899）

隨著時代的飛速發展，鋁制產品的市場需要日益增加。相較于不銹鋼制品，鋁制品能通過陽極氧化著色而有呈色多樣化，迎合年輕人對個性色彩的需求，受到了市場歡迎；相較于塑料，鋁制品優勢顯著，除了金屬獨有的光澤及觸感所營造出的高端氣息之外，在硬度、耐用性、散熱、可回收性等方面均更勝一籌。但由于鋁材質很軟，在生產過程中，表面容易產生損傷缺陷，嚴重影響了外觀質量，因而對鋁卷產品生產過程中的質量管控提出了較高的要求。

折印是冷軋生產過程中比較常見的表面質量缺陷，如圖1 所示，產生原因：帶頭部位凸起使帶材所受到的應力超過屈服極限而發生塑性形變。表現為：與軋制方向垂直的橫向條紋在開卷由卷材外圈至內圈逐漸嚴重，出現周期逐漸縮短，肉眼均可見，嚴重部分有明顯手感。通過矯直機矯直雖然能有所減輕，但不能完全消除[1]，如圖2 所示。在產品開發試制階段，多批次產品卷取后表面產生折印，因為外觀問題導致無法交付客戶使用。

圖1 廣西南南鋁加工有限公司鋁卷產品折印情況

圖2 折印產生機理示意圖

TRIZ(拉丁文Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch)理論被稱作系統化的創新方法學，是目前國際社會公認的既全面又系統地論述解決發明創造、實現技術創新的新理論創新設計思路。TRIZ 作為解決發明過程中出現問題的一種非常有效的理論，其針對問題點的所在進行分析，進而采取不同的解決方式。目前TRIZ 以實效性和可操作性得到了大力推廣和廣泛應用。因此，為解決鋁卷產品的折印問題，運用TRIZ 理論構建了鋁卷產品折印問題的解題模型，并對折印問題進行系統分析，以獲得理想的解決方案[2-3]。

1 系統分析

針對存在的問題，需要增加功能分析模塊。通過對打底折印系統進行功能分析，最終確定了打底料頭、卷曲張力2 大有害功能并進行相應的功能分析[4]，如圖3所示。

圖3 折印產生功能分析圖

為確定鋁卷產品折印產生的具體原因，對鋁卷產品進行全面質量分析，如圖4 所示。

圖4 鋁卷產品折印因果圖

由圖4 可知，導致鋁卷產品產生折印的主要原因是：（1）帶頭厚度沒有厚度過渡造成帶頭位置凸起產生折印；（2）卷曲張力過大，使帶頭位置局部受力過大，產品淬火后比較軟，容易在帶頭位置形成變形產生折印；（3）打底超厚，因為來料頭尾超厚，導致打底的時候打底厚度大于正常厚度，造成帶頭凸起加劇產生折??；（4）打底帶材端面尖角，使得帶材局部應力集中，產生折印。因此，要改善鋁卷產品的打底折印問題，首先考慮從關鍵問題入手，通過TRIZ 工具分析，尋求解決方案。

2 解決方案

2.1 帶頭厚度無梯度變化的解決方案

由于軋制時，料頭料尾軋制時處于失張的狀態，不能保證軋制頭料很好地形成錐形，因此無法通過軋制來保證打底帶頭厚度的梯度變化。通過物場分析得到解決方案：引入多層階梯式毛氈S3，將鋁卷帶頭與套筒之間的硬接觸，轉化為毛氈與帶頭之間的軟接觸，有效避免料頭凸起產生折印問題，得到解決方案：在帶頭位置引入多層階梯式毛氈（S3），卷曲時將帶頭對準毛氈，通過多層階梯式毛氈，使帶頭與鋁卷的接觸形成階梯式的厚度過渡，有效避免了卷曲時帶頭與鋁卷之間造成的凸起，如圖5 所示。

圖5 帶頭厚度無梯度變化解決方案

2.2 卷曲張力過大的解決方案

卷曲時必須保證一定的張力才能使卷材完成卷曲。如果卷曲張力過小，會造成卷曲錯層、松卷等問題，造成表面缺陷；如果卷曲張力過大，會造成粘傷等表面缺陷[5]。這是一對矛盾，通過引入TRIZ 理論中物理矛盾的問題解決方法——空間分離的分割原理，對內外圈的張力使用進行分割，得到解決方案：打底時先使用小張力進行卷曲，避免大張力下，帶頭受力過大頂到鋁卷產生變形。當用小張力完成助卷時，再采用正常的張力進行卷曲，避免外圈卷曲出現錯層或松卷的情況，既避免了打底帶頭局部受力過大，又保證了卷材的卷曲質量，如圖6 所示。

圖6 卷曲張力過大解決方案

2.3 軋制頭尾超厚過多的解決方案

軋制頭尾超厚主要是因為冷軋機軋制時頭尾沒有張力作用，軋制力只能手動調節，精度不高且調整緩慢，因此無法保證頭尾厚度達到所需的目標厚度。在保證成品率的情況下，一般采用切除超厚部分的方法盡量降低頭尾料的厚度。通過對系統使用九屏幕法進行資源分析，找到了鋁合金卷材超系統-單機架自動軋機-全自動連軋機，從而得到解決方案。軋機的超系統-全自動連軋機通過全自動控制頭尾軋制，保證頭尾厚度達到目標厚度；通過二級系統設置，將頭尾料軋至目標厚度以下，卷曲過程避免了頭尾超厚而局部凸起繼而造成鋁卷變形成折印的情況，如圖7 所示。

圖7 打底超厚解決方案

2.4 打底帶材端面尖角的解決方案

鋁材的帶頭經過加工剪切，成長方體，而在卷曲過程中，長方體的直角部位形成尖角，與外圈的帶材表面接觸，造成尖角部位應力集中在尖上，尖角部位對卷面造成塑性變形。因此，解決的問題變為：如果增大卷面抵抗變形的能力，從技術矛盾的角度分析，改善的參數是強度，惡化參數是可制造性。查找矛盾矩陣得到四個對應的創新發明原理：3 局部質量原理、10 預先作用原理、11 預先應急措施原理和32 改變顏色原理。解決方案為：采用第3 個發明原理，通過優化局部質量，將帶頭應力集中的尖角進行打磨，打磨成圓弧狀，使得帶頭部分接觸受力更均勻，消除形狀而產生的有害因素，減輕打底應力過于集中的問題，如圖8 所示。

圖8 打底帶材端面尖角解決方案

3 方案評價

以上4 個方案分析了鋁卷產品出現折印缺陷的不同原因，通過物場模型的新物質去除有害作用法、物理矛盾空間分離分割原理、資源分析九屏幕法、技術矛盾分析局部質量原理等不同手段綜合解決了鋁卷產品的折印問題，4 個方案彼此獨立，但可以組合并行，一起實施。

綜上所述，采用4 個方案并行的方式形成最終的解決方案，即通過物場模型方法得到多層階梯式毛氈，使帶頭與鋁卷間接觸形成階梯厚度過渡方案；通過物理矛盾方法得到打底時采用分段張力控制減輕打底層的受力的方案；通過資源分析方法采用全自動控制頭尾軋制，保證整卷鋁卷厚度一致的方案；通過技術矛盾方法得到打磨帶頭應力集中的尖角，使接觸面受力均勻的方案。多聚并行，使得鋁卷產品的折印問題得到有效解決。

4 結語

本研究應用了TRIZ 理論作為現場問題的解決方法，對鋁卷產品的折印問題進行剖析分解研究，通過物理矛盾分析、資源分析、物場模型和技術矛盾等解題工具，有效地解決了由帶頭厚度無梯度變化、卷曲張力過大、軋制頭尾超厚過多和打底帶材端面尖角這四個造成打底折印的問題，進而減少了鋁卷產品折印的產生，降低了產品折印不良率，為解決生產中出現的實際問題提供了良好的理論思路與方法。