沈洪雷，劉天軍，袁毅

(1.常州工學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇常州213002;2.重慶工商大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶400067;3.制造裝備機構(gòu)設(shè)計與控制重慶市重點實驗室，重慶 400067)

聚合物動態(tài)成型加工就是將物理力場直接作用于聚合物的成型加工過程，其基本原理是將振動產(chǎn)生的應(yīng)力場作用于聚合物成型的某個過程 (塑化、注射或擠出、保壓或冷卻)，從而在聚合物的主要剪切流動上疊加一個附加應(yīng)力，使材料處于組合應(yīng)力的狀態(tài)下，強化聚合物加工中的物理和化學(xué)現(xiàn)象。大量研究證明，動態(tài)成型技術(shù)可以:(1)提高聚合物塑化效果和組份的均勻性;(2)降低聚合物熔體的黏度，改善其流動性;(3)控制聚合物熔體的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，如聚合物的結(jié)晶和取向，從而改善制品的力學(xué)和物理性能等;(4)消除聚合物加工中出現(xiàn)的如熔接痕、凹陷、氣孔、翹曲等缺陷。總之，通過振動剪切取向和誘導(dǎo)作用，可影響熔體成型時的流動狀態(tài)和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程，生產(chǎn)出傳統(tǒng)塑料成型工藝無法得到的高強度、高性能的制品［1－3］。因此，動態(tài)成型成為聚合物加工成型新方法之一，其相關(guān)技術(shù)也成為國內(nèi)外研究的重點。

TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)是由前蘇聯(lián)發(fā)明家G S Altshuller帶領(lǐng)一批研究人員，對全世界近250萬件專利進行系統(tǒng)研究分析、總結(jié)后提出的，基于知識的、面向人的、系統(tǒng)化的方法學(xué)和發(fā)明問題解決理論。該理論包括:技術(shù)系統(tǒng)進化法則、物質(zhì)－場分析原理、沖突解決原理、發(fā)明問題解決算法 (ARIZ)以及工程效應(yīng)知識庫等［4－5］。國內(nèi)關(guān)于TRIZ的研究與應(yīng)用主要集中在概念設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計方面，李平平等［6］應(yīng)用TRIZ對注塑機注射機構(gòu)進行了創(chuàng)新設(shè)計，而關(guān)于動態(tài)成型裝置優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用還未曾見到報道。文中就利用TRIZ的沖突解決原理、物－場分析原理對動態(tài)成型裝置進行設(shè)計研究。

1 TRIZ原理

1.1 沖突解決原理

TRIZ沖突解決原理主要包括物理沖突和技術(shù)沖突。物理沖突是指一個子系統(tǒng)或系統(tǒng)組件為了完成某種功能，應(yīng)該具有某種性質(zhì)，但又表現(xiàn)出了一種相反的性質(zhì)。技術(shù)沖突是指一個功能作用同時產(chǎn)生有害效應(yīng)和有益效應(yīng)兩種，也可以指有害效應(yīng)的消除或有益效應(yīng)的引入導(dǎo)致一個或幾個子系統(tǒng)變壞。TRIZ提出了描述技術(shù)沖突的39個通用工程參數(shù)和解決技術(shù)沖突的40項發(fā)明原理，然后構(gòu)建一個39×39的矛盾矩陣表，矩陣中的第一行代表39個需要改進的工程參數(shù)，第一列代表39個引起惡化的工程參數(shù)，行列交叉構(gòu)成技術(shù)矛盾，交叉處列出了解決技術(shù)矛盾所推薦的發(fā)明原理的系列號，解決了設(shè)計過程中選擇發(fā)明原理的難題［4－7］。

1.2 物－場分析原理

TRIZ物－場分析原理認為，任何系統(tǒng)功能都可以分解為3個基本元素:兩個物質(zhì)和一個是場，當且僅當這3個元素以適當?shù)姆绞浇M合，才能有效實施一個作用，它們就構(gòu)成了物－場基本模型。如圖1所示，物質(zhì)S2施加作用，為作用體;物質(zhì)S1接受作用，為被作用體;S2通過F作用于S1實現(xiàn)相應(yīng)的功能。通過物－場分析可以將發(fā)明問題構(gòu)建成TRIZ標準化模型，然后利用76個標準解的方法，對模型3個元素進行改變或調(diào)整，以消除沖突或有害效應(yīng)，從而解決技術(shù)系統(tǒng)中的問題。76個標準解分為5類，其中第1類適合于不完整模型和有害功能模型;第2類和第3類適合于作用不足的物場模型;第4類適合于檢測和測量的功能模型;第5類為前4類提供使用標準［7］。

圖1 物－場模型

2 TRIZ 理論應(yīng)用［7－10］

2.1 問題分析

在目前動態(tài)成型加工中，施加振動的方式有機械振動、超聲波振動和氣體振動等幾種。其中超聲波振動主要通過電磁裝置產(chǎn)生，雖然頻率高，但振動能量太小，多適用于微動態(tài)成型;氣動振動也因其控制精度等原因，適用范圍有所限制;而機械振動由于控制方便、形式多樣而成為研究振動動態(tài)成型的常用方式。機械振動的動力源主要以油缸驅(qū)動為主，主要結(jié)構(gòu)形式有螺桿加振和模具 (輔助裝置)內(nèi)加振。如圖2所示為常用的螺桿加振結(jié)構(gòu)示意圖，將螺桿2與振動油缸4連接，在塑化或注射、保壓階段，通過螺桿將振動油缸產(chǎn)生的軸向脈動傳遞到聚合物熔體。模具內(nèi)加振 (如單點和多點加振)結(jié)構(gòu)中將油缸設(shè)置在模具外的輔助結(jié)構(gòu)中，如圖3分別為多點液壓模內(nèi)加振結(jié)構(gòu)示意圖，通過微機控制的電磁閥實現(xiàn)將油缸壓力波動產(chǎn)生的振動引入模腔，實現(xiàn)動態(tài)成型。

圖2 液壓式螺桿加振示意圖

圖3 多點液壓式模具加振示意圖

利用油缸產(chǎn)生振動的裝置主要存在如下一些問題:

(1)油缸在螺桿、模具或輔助裝置結(jié)構(gòu)中的緊湊性有所欠缺，尤其對于微型動態(tài)成型的驅(qū)動實現(xiàn)有較大的難度。

(2)油路的工作必須配合各種閥的調(diào)節(jié)，會存在油壓泄漏，加劇閥的磨損，同時也會造成油溫過高、工作噪聲大等現(xiàn)象。

(3)油壓的控制會存在一定響應(yīng)滯后，從而導(dǎo)致振動應(yīng)力場的振動頻率、振幅難于精確控制。

因此研發(fā)頻率、振幅精確可調(diào)、振動能量大、結(jié)構(gòu)簡單緊湊的動態(tài)驅(qū)動裝置對提高塑料制品的性能有良好的應(yīng)用前景和現(xiàn)實意義。

2.2 利用TRIZ沖突解決原理分析設(shè)計問題

對于問題 (1)，應(yīng)該改善振動裝置的三維空間和安裝尺寸，但同時可能會導(dǎo)致系統(tǒng)整體性和各組成部分之間的安裝問題，以及系統(tǒng)能否或正常執(zhí)行其功能的問題。因此，根據(jù)TRIZ理論中沖突求解工具，用39個通用工程參數(shù)將該問題描述成:改善運動物體的體積 (No.7)與裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 (No.13)、可靠性 (No.27)惡化的技術(shù)沖突。

對于問題 (2)、 (3)，應(yīng)該改善或克服機械磨損、防止油路泄漏、發(fā)熱和降低噪聲等，同時提高其響應(yīng)速度和控制精度等問題，但會導(dǎo)致系統(tǒng)元件種類和數(shù)量的大大增加。同樣，用TRIZ通用工程參數(shù)將該問題描述成:改善能量損失 (No.22)、物質(zhì)損失(No.23)、測試精度 (No.28)與裝置的復(fù)雜性(No.36)惡化的技術(shù)沖突。

根據(jù)上述技術(shù)沖突參數(shù)，查閱TRIZ理論的矛盾矩陣，可得到如表1所示的沖突矩陣簡表，從而可獲得TRIZ理論所推薦發(fā)明原理的系列號。

表1 沖突矩陣簡表

2.3 利用TRIZ物－場分析原理分析設(shè)計問題

由上述問題分析，可知此系統(tǒng)主要存在需要改善或消除的問題。根據(jù)文獻 ［4］中TRIZ理論的應(yīng)用，得到如圖4所示利用物－場分析原理進行動態(tài)成型裝置設(shè)計的流程。結(jié)合動態(tài)成型要達到的功能，將液壓振動裝置對應(yīng)為作用體S2，將聚合物熔體對應(yīng)為物體S1;S1、S2之間的動態(tài)應(yīng)力場對應(yīng)為F，是一個完整功能的系統(tǒng)。這里需要對液壓振動裝置存在的性能問題進行改進，因此認為該物－場模型存在有害作用，需要消除和改進。根據(jù)TRIZ物－場原理，對于此模型主要從第一類和第二類標準解法中尋找解決方法。在第一類標準解 (不改變或僅少量改變系統(tǒng))中有改進具有非完整功能的系統(tǒng)和消除或抵消有害效應(yīng)兩類方法;第二類標準解 (改變系統(tǒng))中有變換和加強物－場模型等方法來消除或抵消有害效應(yīng)。

圖4 利用TRIZ物－場分析原理進行動態(tài)裝置設(shè)計的流程

2.4 利用發(fā)明原理和標準解創(chuàng)新設(shè)計

由表1可知兩個技術(shù)沖突矩陣解決方案中均出現(xiàn)了10(預(yù)先作用原理)、28號 (機械系統(tǒng)替代原理)發(fā)明原理，可以優(yōu)先考慮采用，同時在第一類標準解中提供了第10號解決方法 (改變已有的物質(zhì)去除有害作用)、第二類標準解中提供了第18號解決方法(改變S2去除有害作用)。因此，根據(jù)前述TRIZ發(fā)明原理和標準解提供的思路和線索，決定采用改變S2，即對原有的液壓振動源系統(tǒng)進行替代的方案來解決。通過對符合并能產(chǎn)生相應(yīng)要求的振動源的篩選，考慮到壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，即在壓電陶瓷的兩個相對表面施加電場后會發(fā)生形變，從而可推動相接觸的零件產(chǎn)生位移 (其位移量可以通過柔性鉸鏈對其行程進行放大);同時由于壓電陶瓷具有體積小、位移分辨率高、頻響高、承載力大、控制簡單、沒有發(fā)熱、不易受外界電磁場干擾等優(yōu)點，其功能和特點也符合此系統(tǒng)功能期望的目標要求，因此提出采用壓電陶瓷來代替液壓驅(qū)動裝置。

圖5所示為壓電陶瓷致動器控制系統(tǒng)示意圖，其原理為:首先用計算機編制驅(qū)動程序 (包含所需參數(shù)化的驅(qū)動頻率、施加電壓、驅(qū)動波形等)，然后通過程序信號控制驅(qū)動電源驅(qū)動壓電陶瓷致動器產(chǎn)生設(shè)定的振動，再經(jīng)過柔性鉸鏈放大，使與其相接觸的動作元件按照所需的頻率和振幅產(chǎn)生軸向振動。至于動態(tài)成型所需的推力和行程，可通過調(diào)整驅(qū)動電源功率和柔性鉸鏈的放大率來獲得。

圖5 壓電陶瓷驅(qū)動控制系統(tǒng)示意圖

3 創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用

根據(jù)上述采用的解決方案，結(jié)合動態(tài)裝置在聚合物成型設(shè)備中的應(yīng)用狀況，介紹幾種壓電陶瓷致動器在相應(yīng)動態(tài)成型裝備中的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式。

3.1 螺桿加振

如圖6所示，壓電陶瓷致動器封裝后固結(jié)在螺桿與活塞桿之間，活塞桿由液壓缸和液壓馬達分時驅(qū)動。利用計算機程序通過驅(qū)動電源控制壓電陶瓷致動器沿軸向產(chǎn)生振動，從而帶動螺桿產(chǎn)生所需的振動。在不同的階段可方便實現(xiàn):物料塑化階段，螺桿在液壓馬達和壓電陶瓷的驅(qū)動下進行旋轉(zhuǎn)運動和縱向振動的復(fù)合運動，可以加大聚合物塑化效果;注塑階段，螺桿在液壓缸和壓電陶瓷的驅(qū)動下進行縱向進給運動和微幅縱向振動的復(fù)合運動，使熔體產(chǎn)生解纏，并使分子鏈的排列更加有序，降低熔體黏度;保壓階段，螺桿微幅縱向振動可以控制晶粒的生長和取向、球晶的生長，從而獲得比普通注射成型制品強度更高的制品。

圖6 壓電陶瓷驅(qū)動螺桿加振示意圖

3.2 模具內(nèi)部加振

一般來講，振動屬性會隨著與振動源距離的增大而逐漸衰減，對于高黏度聚合物來說，其衰變更為明顯，而將振動源直接引入模具內(nèi)部，可以更好地發(fā)揮對模腔中熔體動態(tài)控制的效果。

(1)注射模加振。如圖7所示為注射模內(nèi)加振的結(jié)構(gòu)示意。壓電陶瓷致動器10直接與模具內(nèi)部的型芯6固結(jié)。當聚合物熔體充填進入模腔時，就可以通過計算機將設(shè)定的信號傳輸給驅(qū)動電源，從而控制壓電陶瓷致動器產(chǎn)生變形，與彈簧9共同作用，推動型芯實現(xiàn)縱向往復(fù)振動，實現(xiàn)熔體動態(tài)的保壓和冷卻過程，以消除制件的內(nèi)外缺陷，提高其整體質(zhì)量和性能。

圖7 壓電陶瓷驅(qū)動注射模具示意圖

(2)擠出模加振。如圖8所示為管材擠出模內(nèi)加振的結(jié)構(gòu)示意。

圖8 壓電陶瓷驅(qū)動管材擠出模具示意圖

壓電陶瓷致動器2與振動頭14固結(jié)，同樣在計算機和驅(qū)動電源的信號控制下，與彈簧3共同的作用帶動振動頭產(chǎn)生縱向大加速度的往復(fù)振動，大大提高分子鏈的解纏變稀能力，減小流動阻力，同時使分子鏈沿擠出方向達到預(yù)期的取向效果，從而明顯增加擠出件縱向的物理機械性能。同理該裝置也可以用于其他各類需要引入振動的擠出模具中。

4 結(jié)論

通過運用TRIZ沖突解決工具和構(gòu)建物－場模型對動態(tài)成型裝置的分析，幫助人們突破思維障礙，系統(tǒng)性地分析現(xiàn)有液壓致動裝置工作中存在的問題，快速找出問題的本質(zhì)和沖突，從而根據(jù)TRIZ提供的發(fā)明原理和解決思路，快速找到利用壓電陶瓷致動器替代液壓致動器的解決方法。從實現(xiàn)振動功能的完整性和有效性來看，解決了液壓振動裝置存在的問題，消除了技術(shù)沖突并有效地去除了有害效應(yīng)，達到了期望的目標。當然文中只是應(yīng)用TRIZ原理提出了解決問題的一種新的思路，實際應(yīng)用還有待進一步研究和驗證。

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