李平平，任工昌，陳紅柳，魯麒

(1.陜西科技大學(xué)設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院，陜西西安 710021; 2.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021)

基于TRIZ的注塑機(jī)注射機(jī)構(gòu)及成型工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)

李平平1，任工昌2，陳紅柳1，魯麒2

(1.陜西科技大學(xué)設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院，陜西西安 710021; 2.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021)

為了克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在解決工程設(shè)計(jì)問題的不足，將發(fā)明問題解決理論 (TRIZ)引入注塑機(jī)的機(jī)構(gòu)及注射成型工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)中。在分析注塑機(jī)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況中所存在問題的基礎(chǔ)上，采用TRIZ創(chuàng)新理論分析方法，確定了技術(shù)沖突，應(yīng)用沖突矩陣表得到解決問題的發(fā)明原理，并運(yùn)用TRIZ理論的發(fā)明原理所提供的思路與線索，對(duì)注塑機(jī)的注射機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及模具加熱工藝進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。充分表明了TRIZ理論在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中的有效性及合理性，以及應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可行性和高效性。

創(chuàng)新設(shè)計(jì);注塑機(jī);發(fā)明問題解決理論;技術(shù)沖突;注射機(jī)構(gòu);成型工藝

以TRIZ為核心的概念設(shè)計(jì)方法和工具能夠有效地解決產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，減少市場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間。TRIZ是基于邏輯思維的高層次產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論，其中沖突矩陣與發(fā)明原理是TRIZ中最成熟的工具，能夠幫助設(shè)計(jì)人員通過對(duì)以往的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行重新組合、修改、聯(lián)想、推理及抽象等，形成創(chuàng)新思想及設(shè)計(jì)概念，以完成產(chǎn)品的開發(fā)與創(chuàng)新。

由于當(dāng)前市場(chǎng)上的注塑機(jī)大都存在能耗大、效率低、有污染、以及控制精度及產(chǎn)品精度低，模具的溫度加熱慢及控制難，熔融塑料的注射速度不夠大，產(chǎn)品生產(chǎn)效率低等問題而難以滿足市場(chǎng)發(fā)展要求，因此設(shè)計(jì)與制造新一代節(jié)能環(huán)保高效的注塑機(jī)就成為迫切需要關(guān)注和解決的問題。利用TRIZ中的發(fā)明原理對(duì)注塑機(jī)注射機(jī)構(gòu)及模具的溫度控制工藝進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將會(huì)有效地解決當(dāng)前問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新，得到節(jié)能高效的設(shè)計(jì)方案。

1 TRIZ理論

TRIZ理論是以各學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)為基礎(chǔ)的最具代表性［1－2］的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論，是通過對(duì)世界專利庫(kù)中近250萬件發(fā)明專利的分析，總結(jié)出人類解決技術(shù)難題進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造所遵循的理論和方法［3－4］，能為設(shè)計(jì)師解決問題指明方向，給出創(chuàng)造性方案的產(chǎn)品創(chuàng)新問題解決方法學(xué)。

TRIZ理論是一種建立在技術(shù)系統(tǒng)演變規(guī)律基礎(chǔ)上的問題解決系統(tǒng)，由技術(shù)系統(tǒng)演變的8個(gè)模式、39個(gè)通用工程參數(shù)、40條發(fā)明原理、沖突解決矩陣、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解、發(fā)明問題解決算法 (ARIZ)及工程知識(shí)效應(yīng)庫(kù)等構(gòu)成的理論與方法體系［5－6］。產(chǎn)品進(jìn)化及更新?lián)Q代的實(shí)質(zhì)就是不斷地發(fā)現(xiàn)并不斷合理有效地解決產(chǎn)品沖突的過程［7］。因此，利用TRIZ的沖突矩陣及發(fā)明原理解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的沖突，將推動(dòng)產(chǎn)品向理想化方向進(jìn)化。TRIZ理論解決問題的一般流程如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解決問題的一般流程

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 問題分析

注射成型機(jī)也稱注塑機(jī)，是將熱塑性塑料或熱固性塑料利用成型模具制成各種所需形狀，且能保持原有材料性能的塑料制品的成型設(shè)備［8］。注射裝置、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是注塑機(jī)的心臟。其中，注射裝置由塑化裝置、料斗、計(jì)量裝置、螺桿傳動(dòng)裝置、注塑油缸等組成。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓泵、液壓閥、流量閥、壓力閥等部件組成。普通液壓式注射系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 普通液壓式注射系統(tǒng)

通過對(duì)注塑機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)行情況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，注塑機(jī)液壓系統(tǒng)、注射機(jī)構(gòu)及模具溫度控制工藝目前存在如下問題:

(1)由于成型工藝及不同生產(chǎn)工序的需要，注塑機(jī)在工作過程中要求的流量和壓力往往存在差異，并且經(jīng)常變化，一般采用若干定量泵 (雙泵供油)和節(jié)流閥的不同組合方式來調(diào)節(jié)流量，同時(shí)由多個(gè)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)閥并聯(lián)來控制壓力，以滿足生產(chǎn)工藝，但對(duì)于輸出功率，定量泵及調(diào)節(jié)閥卻不可調(diào)節(jié)。因此，導(dǎo)致了系統(tǒng)組成元件較多，能量利用率低 (能量利用不合理及能量泄漏)，系統(tǒng)發(fā)熱較大，通常需要設(shè)置冷卻系統(tǒng);同時(shí)，在壓力與速度變換過程中產(chǎn)生極大的沖擊和振動(dòng)，造成較大的機(jī)械磨損及噪聲，使系統(tǒng)壽命縮短，穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率差。

(2)在注射成型工藝中，模具溫度是影響制品成型過程和制品質(zhì)量的重要工藝參數(shù)，合理且分布均勻的模具溫度將直接影響塑料在模腔內(nèi)硬化的速度、注射制品的表面及內(nèi)在質(zhì)量、生產(chǎn)效率等［9］。目前，許多注塑機(jī)的模具加熱及溫度控制工藝尚達(dá)不到要求，在對(duì)壓印模的溫度提升方面，效果依舊很不理想，并且產(chǎn)品生產(chǎn)效率低下。模具溫度的不合理致使制件的成型周期較長(zhǎng)，模具的復(fù)原性較差，生產(chǎn)效率低下，尤其對(duì)具有局部凹陷特征及復(fù)雜的薄壁制品復(fù)原性的提高方面具有很大的局限性，對(duì)于微特征孔洞的填充效果方面效果較差等。

2.2 沖突的確定及問題求解

對(duì)問題 (1)進(jìn)行分析，由于注塑機(jī)的定量泵和節(jié)流閥不可調(diào)節(jié)注塑機(jī)的輸出功率，因此導(dǎo)致了多余的能量在擋板、油路中泄漏，造成油溫過高。同時(shí)由于系統(tǒng)元件較多，能量利用不合理，各種閥的磨損及機(jī)械壽命縮短等不良現(xiàn)象;濾油器和管路阻礙液壓油流動(dòng)及泄漏較大，使系統(tǒng)能耗利用效率較低。所以，應(yīng)改善零部件磨損，能量損失、高能耗、低效率等，但將導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜性增強(qiáng)，因此存在著改善物質(zhì)與能量損失與系統(tǒng)復(fù)雜性增強(qiáng)的技術(shù)沖突。

將問題泛化為改進(jìn)的工程參數(shù)“物質(zhì)損失”及惡化工程的參數(shù)“系統(tǒng)的復(fù)雜性”。通過對(duì)沖突矩陣表的查詢，可得到解決這一沖突問題對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，即TRIZ特解，見表1。

表1 沖突矩陣表

對(duì)表1中各發(fā)明原理進(jìn)行分析，原理“28機(jī)械系統(tǒng)替代原理”對(duì)解決該問題具有可行性。

由“28機(jī)械系統(tǒng)替代原理”得到方案的原理啟示為:進(jìn)行系統(tǒng)裁減與替代。應(yīng)用高壓空氣直接推動(dòng)熔融塑料的注射系統(tǒng)替代原有應(yīng)用液壓傳動(dòng)裝置及注射油缸的注射機(jī)構(gòu)。原理為:應(yīng)用電器柜對(duì)線圈中電壓與電流的大小及方向進(jìn)行控制，當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，將在線圈內(nèi)部產(chǎn)生不同大小與方向的磁場(chǎng)。電磁換向閥根據(jù)磁場(chǎng)的變化，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成接通和斷開，進(jìn)而，系統(tǒng)根據(jù)注塑工藝及生產(chǎn)工序的要求，控制高壓氣體以足夠的壓力推動(dòng)一定量的熔融塑料，快速填充到模具型腔中，并對(duì)型腔中的熔融塑料進(jìn)行保壓與定型。創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)原理方案，如圖3所示。

圖3 注射機(jī)構(gòu)系統(tǒng)原理解

對(duì)問題 (2)進(jìn)行分析，較高的模具溫度可以使熔體容易充滿型腔，降低注射壓力［9］，提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量和注射周期，避免塑料過早冷卻，熔接縫融合不良等。但模具溫度過高將導(dǎo)致熔體的黏度變低，制品出現(xiàn)毛邊、縮痕、脫模困難、冷卻時(shí)間延長(zhǎng)等，使產(chǎn)品表面質(zhì)量降低、注射周期增長(zhǎng)，生產(chǎn)效率降低。因此，應(yīng)縮短產(chǎn)品的注射周期，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。同時(shí)，也應(yīng)消除制品的表面質(zhì)量及制品的形變等不良特性及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。

因而，模具溫度是注射成型工藝中的一對(duì)沖突。即存在著產(chǎn)品的生產(chǎn)率與表面及外形質(zhì)量提高與模具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增強(qiáng)等之間的沖突。

進(jìn)行問題標(biāo)準(zhǔn)化處理，選用改善的工程參數(shù)“生產(chǎn)率”，惡化的工程參數(shù)“裝置的復(fù)雜性”及“制造精度”。通過對(duì)沖突矩陣表的查詢，可得到解決這一沖突問題對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，即TRIZ特解，見表2。

表2 沖突矩陣表

對(duì)表2中的各發(fā)明原理進(jìn)行分析，原理“10預(yù)操作原理”及“28機(jī)械系統(tǒng)替代原理”對(duì)解決問題具有可行性。

由原理10得到的啟示為:在填充前對(duì)模具型腔進(jìn)行預(yù)加熱，將模具型腔加熱到一定溫度。

由原理28得到的啟示為:采用高光注射工藝，選用紅外線加熱。這樣可均勻全面的進(jìn)行加熱，同時(shí)也可對(duì)極小區(qū)域局部加熱，并且具有加熱溫度高、速度快、溫度容易控制、節(jié)省能源、無噪聲和灰塵污染，可極大地縮短成型周期，改善填充性能，提高制品的表面及內(nèi)在質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)論

在產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中，使用常規(guī)的方法往往無法解決，而TRIZ理論是基于邏輯的高層次的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，可以幫助設(shè)計(jì)者克服心理慣性和已有的傳統(tǒng)概念，消除沖突，快速高效地得到創(chuàng)新的解決方案。增加了決策方案的科學(xué)性及方案的合理性，同時(shí)也降低了設(shè)計(jì)的盲目性。

在TRIZ理論的指導(dǎo)下，成功地運(yùn)用TRIZ中的沖突矩陣及發(fā)明原理進(jìn)行了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。應(yīng)用高壓空氣直接推動(dòng)熔融流體的注射方式替代原有液壓驅(qū)動(dòng)的注射系統(tǒng);應(yīng)用高光注射技術(shù)及采用紅外線輻射加熱。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品的表面及內(nèi)在質(zhì)量得到了質(zhì)的提高;系統(tǒng)的可靠性、系統(tǒng)復(fù)雜性、環(huán)境污染、噪聲及工作性能不穩(wěn)定等不良特征從根本上得到了改善與提高。

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Innovation Design of Injection Organization and Injection Molding Process of Injection Molding Machine Based on TRIZ

LI Pingping1，REN Gongchang2，CHEN Hongliu1，LU Qi2
(1.College of Art and Design，Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an Shaanxi 710021，China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an Shaanxi 710021，China)

In order to overcome the shortcomings of the traditional design method to solve engineering design problems，the inventive problem solving theory(TRIZ)was introduced into the innovative design of the institutions and injection molding process of the injection molding machine.On the basis of the analysis of the problems existed in the actual production operation of the injection molding machine，the TRIZ innovation and theoretical analysis method were used to determine the technical conflict，the conflict matrix table was applied to solve the problem of the principles of the invention，and the ideas and clues provided by the principles of invention of TRIZ theory were used to get the innovative design of the injection organization and hydraulic system of the injection molding machine，and mold heating process.The effectiveness and rationality of TRIZ theory in product conceptual design are fully demonstrated，as well as the feasibility and efficiency of innovative design applied in the field of engineering.

Innovative design;Injection molding machine;TRIZ;Technical conflict;Injection organization;Injection molding process

TH122

A

1001－3881(2014)9－081－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.022

2013－04－23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51175314);“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 (2012BAF02B01)

李平平 (1987—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論，產(chǎn)品創(chuàng)新理論。E－mail:2467887671@ qq.com。