文/寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院 羅永 寧夏科技發(fā)展戰(zhàn)略和信息研究所 韓博

基于TRIZ設(shè)計(jì)解決大型薄壁盤形鑄鋼件的翻轉(zhuǎn)變形問題

文/寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院 羅永 寧夏科技發(fā)展戰(zhàn)略和信息研究所 韓博

1.引言

采礦業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，礦山機(jī)械在礦業(yè)發(fā)展中不斷發(fā)展進(jìn)步。自工業(yè)革命起，礦山機(jī)械經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)集成現(xiàn)代多種科學(xué)技術(shù)成果，形成了數(shù)字化控制、集約化模塊化生產(chǎn)、成套全流程組裝生產(chǎn)、高度集成的機(jī)電液一體化的系統(tǒng)性機(jī)械工程。通過多年的發(fā)展，礦機(jī)制造業(yè)已成為我國(guó)重型機(jī)械工業(yè)體系的重要一環(huán)，是我國(guó)工業(yè)實(shí)力和礦產(chǎn)開發(fā)能力的重要標(biāo)志。改革開放30多年來，我國(guó)礦山機(jī)械制造業(yè)經(jīng)歷了引進(jìn)、消化、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)、合作設(shè)計(jì)和合作制造、自主設(shè)計(jì)的發(fā)展道路，特別是在實(shí)施《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)若干意見》的推動(dòng)下，礦山機(jī)械制造業(yè)基本實(shí)現(xiàn)了兩大轉(zhuǎn)變：一是產(chǎn)品開發(fā)由仿制型向自主創(chuàng)新型轉(zhuǎn)變；二是經(jīng)濟(jì)運(yùn)行由粗放型向效益型轉(zhuǎn)變。市場(chǎng)需求在帶動(dòng)礦山機(jī)械制造業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，更促進(jìn)了整個(gè)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，涌現(xiàn)了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大新產(chǎn)品?；诘V山機(jī)械的快速發(fā)展，寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院通過設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)攻克大型異形螺紋的精加工，滿足技術(shù)與使用要求，提升行業(yè)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

本文主要論述了利用TRIZ創(chuàng)新方法對(duì)大型薄壁盤形曲面鑄鋼件翻轉(zhuǎn)過程中變形問題的解決。該工件直徑12.5米，壁厚5厘米。由于鑄件直徑大、壁薄、撓度大，在翻件的過程中容易變形，造成工件的報(bào)廢或者返修，嚴(yán)重影響著生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

2.系統(tǒng)的工作原理及主要問題

圓錐破碎機(jī)（圖1）作為礦山機(jī)械的主要產(chǎn)品，主要包含以下3中產(chǎn)品：主機(jī)架（圖1-1），錐體（圖1-2）、調(diào)節(jié)環(huán)（圖1-3）、短頭/立柱（圖1-4）。這4種產(chǎn)品中，每一種產(chǎn)品都有1～2處精度要求非常高的部位，比如，主機(jī)架關(guān)鍵部位在于主軸孔和驅(qū)動(dòng)軸孔的加工，調(diào)節(jié)環(huán)和短頭/立柱主要在異形螺紋的加工。

本課題主要針對(duì)大型礦機(jī)盤形件，由于其質(zhì)量大、直徑長(zhǎng)，超過了公路運(yùn)輸?shù)膶挾认揞~，因此分為兩半進(jìn)行機(jī)械加工，分別加工好后運(yùn)輸?shù)娇诎叮M裝好再通過海上交通工具運(yùn)往國(guó)外。組裝時(shí)是通過螺栓實(shí)現(xiàn)無間隙的精密配合。

圖1 主機(jī)架裝配圖

圖1-1 完成包裝的主機(jī)架

圖1-2 裝配過程中的錐體

圖1-3 完成裝配的調(diào)節(jié)環(huán)

圖1-4 完成裝配的短頭立柱

該礦機(jī)件的精密機(jī)械加工需要加工內(nèi)腔外壁（圖2）和內(nèi)腔（圖3）兩面，兩面的加工過程原理：毛坯件 → 振動(dòng)時(shí)效→ 劃線 → 找準(zhǔn)找正 → 鏜銑面鉆孔 →翻件加工另一面。要求加工精度達(dá)到0.05mm，采用數(shù)控鏜銑床、通過積分編程程序控制機(jī)床加工，加工后進(jìn)行測(cè)量誤差不大。

加工完內(nèi)腔之后進(jìn)行翻件，由于配合處精度要求不超過0.05mm，因此稍微的變形將影響精密配合。由于條件限制，吊件翻轉(zhuǎn)過程中很容易出現(xiàn)變形的現(xiàn)象，從而使兩半鑄件無法實(shí)現(xiàn)精密配合。目前的調(diào)運(yùn)翻轉(zhuǎn)是通過簡(jiǎn)單的吊車用吊帶拴在吊把上進(jìn)行調(diào)運(yùn)翻轉(zhuǎn)，翻件過程中當(dāng)鑄件位置達(dá)到一定的空間位置時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)局部變形。

圖2 礦機(jī)件外壁示意圖

圖3 礦機(jī)件內(nèi)腔示意圖

3.系統(tǒng)分析

針對(duì)以上問題，采用系統(tǒng)分析方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析。通過完備性法則分析得知，外部控制為人，系統(tǒng)的能量源為機(jī)械能，動(dòng)力裝置為電機(jī)，傳動(dòng)裝置為吊車的吊帶，執(zhí)行裝置為吊車的吊鉤以及盤件上的吊把，最終的產(chǎn)品為精加工工件。通過系統(tǒng)完備性法則分析，可以梳理清楚該調(diào)運(yùn)翻件系統(tǒng)的關(guān)鍵操作：即通過吊帶帶動(dòng)吊鉤對(duì)工件吊把進(jìn)行調(diào)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)。厘清系統(tǒng)功能，對(duì)于后續(xù)的分析解決問題提供清晰的思路。

對(duì)于該系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)組件分析，組件間的相互作用分析并建立功能模型圖如下：

通過功能模型，確定有問題的組件和有問題的功能，應(yīng)用功能裁剪進(jìn)行創(chuàng)新。有問題的組件和功能：吊把對(duì)于加工件的吊運(yùn)翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致鑄件的局部變形。裁剪可以向以下兩個(gè)方向考慮：1）裁剪掉吊把對(duì)于工件的吊運(yùn)作用，將不會(huì)導(dǎo)致局部變形；2）裁剪掉翻運(yùn)的功能，將不會(huì)產(chǎn)生這種問題。

從功能模型圖中可以看出吊把和支墊物是系統(tǒng)中存在的較大的問題，如果剪裁掉吊把和支墊物，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)問題，那么從剪裁吊把開始。

通過以上裁剪方式可以得到方案一：裁剪掉吊把對(duì)于工件的吊運(yùn)作用，用中心孔或者其他方式替代吊把的作用。

4.矛盾分析

對(duì)于該問題來說，可以通過技術(shù)矛盾（Technical Contradiction，TC）分析如下：分析1：如果翻轉(zhuǎn)工件力量大，那么可以進(jìn)行鑄件的翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)第二個(gè)面的加工，但是翻轉(zhuǎn)會(huì)造成變形； 分析2：如果翻轉(zhuǎn)工件力量小，那么不會(huì)造成鑄件的變形，但是不能實(shí)現(xiàn)鑄件的翻轉(zhuǎn)，從而不能實(shí)現(xiàn)第二個(gè)面的加工。

因此通過矛盾矩陣表以及相應(yīng)的發(fā)明原理，可以得到方案二：再次分割鑄件，使鑄件重力足夠小，而且拉力分散在整個(gè)鑄件上而在翻轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)導(dǎo)致變形。

對(duì)于該問題來說，可以通過物理矛盾（Engineering Contradiction，EC）分析如下：

分析1：翻轉(zhuǎn)力應(yīng)該大，以滿足翻轉(zhuǎn)要求 ；分析2：翻轉(zhuǎn)力應(yīng)該小， 以滿足工件質(zhì)量的要求。使用系統(tǒng)級(jí)別分離原理得到方案三：設(shè)計(jì)吊具，使工件整體受力比較大，能夠滿足翻轉(zhuǎn)的要求；分散到鑄件上每一部分的力又非常小，不至于造成鑄件變形。

5.結(jié)論

綜上，方案一具有效率高、適用性好、成本低的特點(diǎn)，可以滿足精加工最終交貨質(zhì)量要求；方案二不具有可操作性，又難以達(dá)到顧客要求的交貨質(zhì)量；方案三則需要工裝，雖然可以一定程度減小變形，但是需要重新設(shè)計(jì)與制作工裝，增加了成本，經(jīng)濟(jì)性差。

所以，我們最終選擇使用方案一裁剪掉吊把對(duì)于工件的吊運(yùn)作用，用中心孔替代吊把的作用對(duì)工件進(jìn)行調(diào)運(yùn)翻轉(zhuǎn)，通過分散受力，避免工件的變形，從而保證了配合面的精度要求，保障了產(chǎn)品質(zhì)量。

責(zé)編/劉紅偉

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