基于TRIZ 理論的薄壁類箱體零件加工夾具創新設計研究

龍敦鵬，朱 浩

（湖南有色金屬職業技術學院，湖南 株洲 412000）

引言

箱體零件是機械設備或者某個部件的零件。基于可以連接機器中各種的軸、套等零件，箱體零件能有效保證各個零件之間的傳動關系，并且幫助零件擁有持續的，可以傳遞的驅動力。因此，必須要保證箱體的質量，從而實現機器的運行順利。同時也能減少機器的損耗，延長機器的使用壽命。目前，基于TRIZ 理論的設計被廣泛運用于各種產品設計中。因此，可以利用TRIZ 理論對薄壁類箱體零件加工夾具進行創新設計。

1 箱體零件簡介以及設計要求分析

1.1 箱體零件簡介

箱體類零件的加工質量會直接影響到整個機器的運行情況[1]。如果零件不夠好，一定會磨損機器，甚至導致安全隱患，影響機械的正常運轉。一般而言，箱體零件的壁厚很薄，如果是只有1 cm 厚的箱體，就叫做薄壁箱體。這種薄壁箱體的結構是非常復雜的。加上重量也輕，箱體缺乏一定的剛性。因此，在真正加工箱體時，就需要格外注意加工工藝以及施工過程，以確保對工件加工的質量。

在傳統的箱體零件夾具設計中，有關零件的定位，壓緊力和加工的可達到性，都是非常重要的。壓緊力越大，壓緊效果會越好，但是容易導致工件發生變形，甚至干涉到工件本身的工作。而壓緊力越小，壓緊效果就會越差，工件不易受損，也不會影響到工件的功能實現。因此，為了保證工件的質量，就需要基于工件的設計要求，合理設計出符合工件功能的壓緊力，這樣才能保證工件制造的有效精度[2]。在實際的設計中，夾具設計工人為了找到適合工件的壓緊力，就會操作許多實踐性的實驗。基于實驗的大量數據，設計人員一般都能找到最適合的壓緊力大小范圍。然而，這種基于實驗的方法，缺乏一定的創新設計。尤其是在發展迅速的今天，很容易因為設計不夠先進，導致工件的加工應用不強。浪費人力的同時，也會造成一定的經濟損失，不利于資源的有效利用。因此，需要積極結合先進的理念，結合先進的方法，有效促進工件的創新設計。目前，TRIZ 理論在國外已經得到了廣泛應用，且效果很好，尤其適用于機械工程各種零件的加工。但是在國內應用不廣，還處于起步階段。為了保證箱體零件的加工，設計人員就可以積極采用TRIZ 理論，有效提升薄壁類箱體零件的加工質量。

1.2 箱體零件的設計要求分析

傳統的薄壁類箱體零件加工夾具的定位方式較差。基于一面兩銷，零件加工夾具可以限制住工件的自由度，并最終實現定位的功能。而壓緊工件時，一般會使用到剛性壓板和底部的支撐。然而實際上，因為薄壁類箱體比較脆弱，厚度不夠。這使得加工中工件很容易出現振動的情況，這非常不利于整個零件的運行。因此，在實際的應用過程中，還需要額外加上4 個壓板加強對于工件的預緊力，以避免工件的振動。即使這樣，加工完成后，也很容易發現加工表明的一些振紋，從而影響到整個加工的質量，甚至無法滿足實際的設計要求。因此，就需要重新改進方案，以實現定位和壓緊好箱體零件，同時也要減少對于工件的干涉等不良影響。除此之外，新的方案也需要操作簡單，以有效避免人為因素的影響。

2 建立TRIZ 問題模型

TRIZ 是在技術系統演變過程中出現的新的問題解決系統。在TRIZ 理論中，產品就如同生物系統，也會有一定的規律。所以產品的進化過程就是解決產品本身矛盾的過程。基于發現產品技術中的矛盾解決產品技術中的矛盾，產品才能不斷進步，更加滿足人們的需求。

基于前面對于傳統的零件加工分析，可以發現箱體零件加工夾具系統中的技術矛盾。首先，工件一定要有一定的壓緊力，這樣才能固定好工件[3]。但是因為壓緊力太大，很容易導致工件變形，這不利于工件的運行效率，也會減少工件的使用壽命。二是需要增加工件的剛性。基于輔助支撐，可有效實現增加工件的剛性。但同時因為輔助支撐的存在，反而會影響工件的加工過程。因此，就需要借助于TRIZ 理論，有效描述出工件加工中的問題。同時，再將這個矛盾轉化成TRIZ 理論中的工程參數。基于專家提出的有關工程的各種參數，最后總結出來39 個通用工程參數。具體而言，可以用這39 個通用工程參數定義出箱體零件加工的技術矛盾。

2.1 技術矛盾一

提高的參數：力。即可以通過改善工件的參數，去改變工件受力狀況。

惡化的參數：系統的復雜性。即這會增加系統的復雜性，改變系統結構。

2.2 技術矛盾二

提高的參數：穩定性。即通過增加輔助支撐，可以增加工件的剛性，降低整個工件加工中的振動。

惡化的參數：可制造性。即輔助支撐也會引起不必要的干涉，影響工件加工的可制造性。

至此，已經建立了有關零件加工的TRIZ 理論模型。并且將待解決問題轉換成了問題模型。

3 運用TRIZ 工具產生的解決方案模型

經過研究發現，在所有的專利中，即使其中內容各不相同，但是因為解決問題的思路大相徑庭，因此，研究專家就基于此，研究出了解決問題時常用的40 種創新原理，以有效作為問題解決的思路。

在針對技術問題的矛盾中，TRIZ 發明者確定出39 個工程參數和40 條發明原理，以及發現了工程參數和發明原理之間的對應關系[4]。基于這些基礎，TRIZ 理論能有效解決工程中的一些問題。具體而言，首先，可以確定好技術的問題。然而再根據對照問題沖突矩陣，合理查找到對應的創新原理。之后，再根據對應的創新原理，加上對于矛盾的分析，綜合性考慮整個結構的設計以及技術系統的功能性。這樣通過實際的TRIZ 理論，就可以產生出TRIZ 問題模型的解決辦法，實現有效定位問題的功能，并且最終找到解決問題，以促進工程的更好建設和發展。

4 加工夾具創新方案設計

基于前面的“發現矛盾，找到創新原理，綜合考慮”三個具體的步驟，可以有效找出加工夾具中問題解決的兩個創新原理，即復制原理和事先防范原理。利用這兩種原理，可以改進箱體零件的壓緊機構，并最終設計出新型的環形壓緊機構。同時，為了保證工件的穩定性，還額外增加了輔助支撐結構[5]。具體而言，在新的環形壓緊機構中，夾具底座是被左右支架夾住固定起來的。相比起傳統用4 個壓板支撐的方式，這種左右支架固定的方法更可靠。不僅操作更加簡單，且機構加得更緊，也有效避免了因為壓緊力而讓工件振動變形的不良后果。

而在新的輔助支撐結構中，則有效利用了箱體零件尾部凸起的部分。基于箱體尾部，工件兩邊直接被抱夾，兩側也被固定住。這既能保證工件輔助支撐的效果，也保證了箱體零件的剛性，沒有對零件產生不良影響[6]。

然而，為了真正保證TRIZ 理論的有效應用，還需要綜合性的去考慮到其他因素。除了基本的壓緊機構與輔助支撐外，還要考慮到側向支撐機構等，這樣才能更加有效地保證整個系統的合理性和科學性。保護好零件的同時，也能提升使用性能，

5 結果對比

和傳統的箱體零件加工夾具相比，運用TRIZ 理論改進后的夾具質量更好。不僅尺寸公差和形位公差在設計要求合理的范圍之內，其工件的變形量也減少了很多。比如，工件左端的圓形腔體，變形量基本保持在0.02～0.05 之間，很好地滿足了系統設計的要求。而工件左端電機與軸承的安裝孔同軸度也達到了合理的范圍內。除此之外，工件表面也有很大的改善。相比起以前比較粗糙的表面，如今的工件更加平整光滑。

6 應用TRIZ 理論的注意事項總結

對于設計人員來講，通過應用TRIZ 理論，有效實現了對薄壁類箱體零件加工夾具的創新設計。基于TRIZ 解決問題的理念，保證了薄壁類箱體零件加工的質量穩定性，同時也為箱體零件夾具創新設計提供了很多很好的思路。這不僅有利于我國薄壁類箱體零件加工技術水平的提升，也為相關的加工人員積累了很不錯的夾具設計經驗。對于設計人員來說，利用TRIZ 理論，解決創新設計中問題的效率也非常高且實用性強，很大程度上能減輕工作人員的工作量。但是為了保證TRIZ 應用的效果，必須要加強設計人員的對于TRIZ 的運用技巧和專業知識。尤其是對于剛開始使用TRIZ 理論的設計人員來講，如何將自己傳統的零件加工經驗，和自己的專業知識，以及TRIZ 理論和解決問題的辦法有效結合起來，是非常關鍵的。只有設計人員能夠很好地銜接好三者，才能真正發現薄壁類箱體零件加工的問題，并且有效運用TRIZ 理論去解決問題。

除此之外，在真正應用TRIZ 理論時，薄壁類箱體零件的加工夾具的設計結構依舊不夠好。很多細節以及結構問題都需要反復的實驗，以及基于用戶使用薄壁類箱體零件后的評價與反饋等，合理進行改進和優化。只有能真正優化其結構設計，并且進一步進行科學的試驗研究，才能不斷完善薄壁類箱體零件加工夾具的結構，降低薄壁類箱體零件的生產成本。最關鍵的，經驗的積累也是友好促進TRIZ 創新理論的重要內容。通過需結合工作中的實例，努力在實際中去學習，逐漸基于實踐領會TRIZ 理論精髓，從而實現理論與實踐的有效結合。對于設計人員而言，只有在實踐中不斷進步，加深對于理論的理解和感悟，同時也能基于理論去展開各種零件的加工，才能有效實現TRIZ 理論和薄壁類箱體零件加工夾具設計之間的相互促進。

7 結語

運用TRIZ 理論可以有效促進工件的實用性，同時也能增加工件的剛性，保證工件有效運轉的同時，也能很好地延長工件的使用壽命。對于TRIZ 理論而言，基于“發現矛盾，找到創新原理，綜合考慮”三個具體的步驟，能有效解決工程中的問題，真正實現工程的改進和發展。因此，相關的技術人員一定要積極應用TRIZ 理論，盡量用科學的原理，找到實際解決問題的辦法，以促進技術的發展。