基于TRIZ理論改進(jìn)一體門鈕設(shè)計(jì)

李潤林

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

產(chǎn)品創(chuàng)新的每個階段都存在很多問題需要解決,依據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚪鉀Q其中的一些問題,但不能解決困難問題,這些不能解決的問題成為產(chǎn)品或過程創(chuàng)新的障礙[1]。TRIZ理論的名稱源自于俄文“發(fā)明問題解決理論”轉(zhuǎn)換成拉丁文的詞頭縮寫,其本意為發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造問題并解決問題。該理論是由蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒自 1946年開始同上千位研究人員經(jīng)過多年努力,對 200 多萬份專利進(jìn)行分析與總結(jié),對其中具有代表性的4萬份專利進(jìn)行深入研究,總結(jié)創(chuàng)新發(fā)明的規(guī)律法則,綜合多學(xué)科多領(lǐng)域而獲得的一種發(fā)明問題解決理論的方法[2]。本文基于TRIZ理論嘗試對一體門鈕進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 背景介紹

傳統(tǒng)雷達(dá)天線往往采用機(jī)械掃描方式搜索和跟蹤空中目標(biāo),經(jīng)常要求天線在方位作360°連續(xù)旋轉(zhuǎn),俯仰方向有限轉(zhuǎn)動。這時就需要通過一種專用的微波連接器件——旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(或稱轉(zhuǎn)動鉸鏈)在旋轉(zhuǎn)天線和固定設(shè)備之間建立可靠的連接通道[3]。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是天線和饋線之間微波信號傳輸?shù)臉屑~,一種單路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由波導(dǎo)、外導(dǎo)體、一體門鈕、門鈕、匹配塊、端蓋等組成,其中一體門鈕主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖1 單路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 一體門鈕主要尺寸

微波信號傳輸衰減是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的重要指標(biāo)之一。為減小微波信號傳輸衰減,在設(shè)計(jì)時一般選用電導(dǎo)率高的非鐵磁性材料,如銀、銅、金、鋁、鎢、鎳等,其電導(dǎo)率相應(yīng)按序降低。綜合考慮材料電導(dǎo)率、成本及加工性能,選用黃銅棒(H62-M)設(shè)計(jì)一體門鈕。一體門鈕主要用于微波信號傳輸時的波形變換,其結(jié)構(gòu)、形狀尺寸和位置通過實(shí)驗(yàn)及相應(yīng)的三維電磁場軟件進(jìn)行仿真計(jì)算模擬后確定,不可隨意更改。微波信號傳輸時集膚深度很小,僅為微米量級,若零件表面粗糙度、清潔度較差,零件傳輸表面不平度大于集膚深度或表面氧化都將使衰減劇增。

2 問題描述

2.1 定義技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)至同軸線的波形變換,完成微波信號在天線和饋線之間穩(wěn)定可靠傳輸。

2.2 現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的工作原理

利用波導(dǎo)至同軸線的波形變換,旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并能保持內(nèi)部空間一致的結(jié)構(gòu)特性,實(shí)現(xiàn)微波信號從固定不動部分(發(fā)射和接收機(jī))與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部分(天線和饋源)之間的傳輸。

2.3 當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)存在的問題

◇ 材料為黃銅棒(H62-M),直徑細(xì)小,剛性差、拉彎力弱,并存在因材料自身重量下垂的彎曲現(xiàn)象;

◇ 在切削過程中,一體門鈕受熱伸長會產(chǎn)生彎曲變形;

◇ 由于切削時刀具所產(chǎn)生的軸向切削力易使一體門鈕發(fā)生彎曲,從而引起振動,影響尺寸加工精度和表面粗糙度;

◇ 采用跟刀架、中心架等輔助夾具,增加了加工難度,也會影響加工精度;

◇ 該零件軸長度與軸徑比為64(192÷3),屬超細(xì)長軸類零件(即軸長度與軸徑比大于25的軸類零件),每次走刀切削時間長,刀具磨損和一體門鈕尺寸變化大,在加工過程中易發(fā)生顫抖、零件彎曲等現(xiàn)象,嚴(yán)重時會影響零件的尺寸加工精度、表面粗糙度以及零件外觀。

2.4 問題出現(xiàn)的條件

問題主要集中在一體門鈕加工難度大,出現(xiàn)的條件和時間如下:

◇ 材料為黃銅棒(H62);

◇ 軸長度與長徑比大(64),屬超細(xì)長軸類零件;

◇ 加工精度、粗糙度要求高;

◇ 車削時刀具所產(chǎn)生的軸向切削力將加劇零件的顫抖、彎曲現(xiàn)象,普通車床加工難以完成。

2.5 現(xiàn)有解決方案及其缺點(diǎn)

◇ 更換材料:適用材料有限(銀-銅-金-鋁-鎢-鎳);

◇ 更改結(jié)構(gòu)尺寸:不能更改,否則影響性能;

◇ 降低加工精度、粗糙度要求:不能降低,否則衰減增大,性能下降;

◇ 加工方式:結(jié)構(gòu)形式不變的情況下其他加工方式不適用,否則易產(chǎn)生彎曲、竹節(jié)形、多邊形、表面粗糙等缺陷。

2.6 新系統(tǒng)要求

易加工成型,保證一體門鈕外形尺寸、精度、粗糙度,滿足系統(tǒng)使用要求。

3 問題分析

3.1 “因果分析”

采用根原因分析法(因果鏈分析法)進(jìn)行分析,如圖3所示。

圖3 根原因分析框圖

3.2 理想解分析

理想解:選用材料電導(dǎo)率高、價(jià)格便宜、可車削成型,并能滿足系統(tǒng)使用要求。

次理想解:選用材料價(jià)格便宜、易加工成型,經(jīng)表面處理后零件表層電導(dǎo)率高,且能滿足系統(tǒng)使用要求。

4 問題解決

4.1 技術(shù)沖突解決過程

4.1.1 沖突描述

為了提高一體門鈕的導(dǎo)電性,可以選用材料銀(電導(dǎo)率最高的常用金屬材料),但銀材質(zhì)偏軟、強(qiáng)度更低,同樣不易保證加工精度和表面粗糙度,增大了加工難度;且銀價(jià)格更高,導(dǎo)致一體門鈕加工的經(jīng)濟(jì)成本增高。

4.1.2 轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突

TRIZ理論中的39個通用工程參數(shù)是連接具體問題和TRIZ的橋梁。借助于39個通用技術(shù)參數(shù),可以將一個具體問題轉(zhuǎn)化并表達(dá)為標(biāo)準(zhǔn)的TRIZ問題,從而將實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的沖突轉(zhuǎn)化為一般或標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)沖突[1]。根據(jù)4.1.1節(jié),通過查詢TRIZ理論中39個通用工程參數(shù)表便可得到如下改進(jìn)和惡化的參數(shù):

改進(jìn)的參數(shù):22能量損失(減小衰減,即選用高電導(dǎo)率材料);

惡化的參數(shù):14強(qiáng)度;29制造精度;31物體產(chǎn)生的有害因素;32可制造性。

4.1.3 查找沖突矩陣

查找沖突矩陣,得到發(fā)明原理如表1所示。

表1 查沖突矩陣得到的發(fā)明原理

4.1.4 依據(jù)發(fā)明原理得到問題解

選定發(fā)明原理如表2所示。

表2 發(fā)明原理

方案1,依據(jù)No.2分離發(fā)明原理,得到解:將內(nèi)導(dǎo)體從一體門鈕分離出去,改為內(nèi)導(dǎo)體和門鈕底座;

方案2,依據(jù)No.21緊急行動發(fā)明原理,得到解:提高切削速度,選用高速車床加工;

方案3,依據(jù)No.22變有害為有益發(fā)明原理,得到解:選用電導(dǎo)率高、強(qiáng)度高的材料;

方案4,依據(jù)No.26復(fù)制發(fā)明原理,得到解:利用電鍍法將高電導(dǎo)率的銀復(fù)制到一體門鈕表面;

方案5,依據(jù)No.35參數(shù)變化發(fā)明原理,得到解:減小一體門鈕的軸徑比;熱處理提高黃銅(H62)的硬度、強(qiáng)度;選用高電導(dǎo)率以及硬度、強(qiáng)度更高的其他材料;選用合適的切削參數(shù),使用跟刀架,減小零件加工過程中的彎曲、抖動等。

4.2 物理沖突解決過程

4.2.1 沖突描述

為了減小電磁波能量衰減,須選擇高電導(dǎo)率的材料;為了保證加工精度和表面粗糙度,須選擇電導(dǎo)率低(強(qiáng)度高)的材料(從常用金屬材料分析,電導(dǎo)率低的金屬材料通常強(qiáng)度高),即一體門鈕所選用的材料電導(dǎo)率既要高又要低。

4.2.2 分離原理

依據(jù)4.2.1節(jié),采用整體與部分的分離原理,查詢TRIZ理論中的40條發(fā)明原理,與該分離原理對應(yīng)的發(fā)明原理有12、28、31、32、35、36、38、39、40,如表3所示。

表3 發(fā)明原理

根據(jù)選定的發(fā)明原理,可得到解決方案如下:

方案1,依據(jù)與分離原理對應(yīng)的No.12發(fā)明原理,得到解:將一體門鈕設(shè)計(jì)成等直徑;

方案2,依據(jù)與分離原理對應(yīng)的No.35發(fā)明原理,得到解:減小一體門鈕的軸徑比;熱處理提高黃銅(H62)的硬度、強(qiáng)度;選用高電導(dǎo)率以及硬度、強(qiáng)度更高的其他材料;選用合適的切削參數(shù),使用跟刀架,減小零件加工過程中的彎曲、抖動等;

方案3,依據(jù)與分離原理對應(yīng)的No.36發(fā)明原理,得到解:通過熱處理改變設(shè)計(jì)材料狀態(tài),提高材料強(qiáng)度;

方案4,依據(jù)與分離原理對應(yīng)的No.40發(fā)明原理,得到解:將原設(shè)計(jì)材料(黃銅棒H62)改為復(fù)合材料(表面有銀涂層的高強(qiáng)度材料)。

5 創(chuàng)新解評估

匯總上述得到的若干創(chuàng)新解如表4所示,然后通過綜合評價(jià)確定最優(yōu)解:更換材料,并將一體門鈕設(shè)計(jì)為兩個零件,分別加工后再銷接成型,如圖4所示。

表4 解決方案匯總

圖4 改進(jìn)后內(nèi)導(dǎo)體和門鈕底座外形示意圖

綜合考慮材料的電導(dǎo)率、強(qiáng)度、硬度及加工成本,選擇常用的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼35,并在加工成型后鍍一層超過微米量級的銀層,即可取得相當(dāng)于銀波導(dǎo)的良好效果。鋼35具有良好的強(qiáng)度、韌性以及切削加工性能,能夠滿足零件的加工精度、粗糙度要求。

將一體門鈕設(shè)計(jì)改進(jìn)分為兩個零件:內(nèi)導(dǎo)體和門鈕底座,減小軸徑比,降低加工難度。內(nèi)導(dǎo)體備料后將材料校直,在利用車床進(jìn)行粗加工和去應(yīng)力處理后,改由磨床精加工,采用中心架支撐(開式中心架),保證中心架上垂直支撐塊和水平支撐塊與工件成一個理想外圓接觸,周期性調(diào)整中心架位置,保證了其加工精度及粗糙度要求。門鈕底座利用車床進(jìn)行加工成型。內(nèi)導(dǎo)體和門鈕底座采用徑向銷接成型,然后利用車床以內(nèi)導(dǎo)體外徑為基準(zhǔn),精加工門鈕外形尺寸成形,再用線切割去掉內(nèi)導(dǎo)體端部的多余部分,并整體進(jìn)行表面鍍銀處理,從而保證了加工精度、粗糙度,提高了一體門鈕表面電導(dǎo)率,滿足了設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

針對原設(shè)計(jì)一體門鈕高軸徑比加工難度大的問題,利用TRIZ理論分析獲得多個解決方案,通過綜合評估獲得一體門鈕改進(jìn)設(shè)計(jì)的最優(yōu)解,大大簡化了一體門鈕加工成型難度,滿足旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的使用要求。TRIZ被稱為發(fā)明問題解決理論,能夠有效幫助設(shè)計(jì)師簡化遇到的困難技術(shù)問題,為科研生產(chǎn)中難題的解決提供了方法和途徑。