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        TRIZ理論在提高航空油管TA18鈦合金無縫管擴(kuò)口率中的應(yīng)用

        2017-02-17 16:54:26李永林李修勇
        科技創(chuàng)新與品牌 2017年1期
        關(guān)鍵詞:無縫管TRIZ理論

        李永林++李修勇

        摘要:航空油管TA18鈦合金無縫管材的擴(kuò)口率要達(dá)到60%,目前這一指標(biāo)國(guó)內(nèi)無法突破,我國(guó)該材料也只能從國(guó)外進(jìn)口。本文基于TRIZ解決技術(shù)問題的方法和流程,從TA18鈦合金無縫管材的整體工藝技術(shù)出發(fā),運(yùn)用TRIZ工具對(duì)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析,找到解決問題的入手點(diǎn)。論述運(yùn)用了小人法、因果鏈分析、功能分析、技術(shù)矛盾和物理矛盾、矛盾矩陣、發(fā)明原理、知識(shí)庫等工具的過程。最后通過實(shí)踐驗(yàn)證和小批量生產(chǎn)驗(yàn)證解決了這一行業(yè)難題,并通過分析現(xiàn)有專利狀況,形成了專利布局圖及知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)建議。

        關(guān)鍵詞: TRIZ理論; TA18鈦合金; 無縫管; 擴(kuò)口率

        引言

        TA18鈦合金管材由于其良好的綜合性能,大量用于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)液壓及燃油等管路系統(tǒng),早在20世紀(jì)70年代就在美國(guó)高科技領(lǐng)域軍用、航天和民用飛機(jī)上作為液壓、燃油等管路應(yīng)用[1-4]。用于航空液壓管的TA18鈦合金管材要求其擴(kuò)口率達(dá)到60%,而目前企業(yè)實(shí)際達(dá)到的水平為30%而且不穩(wěn)定,因此本文利用TRIZ理論解決TA18合金管材擴(kuò)口率低的問題,攻克這一技術(shù)難題。

        1 初始問題描述

        1.1 TA18管制備過程

        TA18鈦合金無縫管材的生產(chǎn)流程:海綿鈦+中間合金→熔煉→鑄錠→鍛造→棒坯→擠壓→管坯→軋制→熱處理→成品管材。

        1.2 主要問題

        采用目前的工藝技術(shù)生產(chǎn)得到的TA18管的擴(kuò)口率經(jīng)測(cè)試最好水平達(dá)到30%,而且批次產(chǎn)品之間的擴(kuò)口率測(cè)試值不穩(wěn)定,無法達(dá)到協(xié)議要求的60%,造成此產(chǎn)品一直無法滿足用戶使用要求。

        2 TRIZ解題流程

        2.1 系統(tǒng)分析

        2.1.1 因果鏈分析

        圖1為導(dǎo)致TA18管擴(kuò)口率小于60%的因果鏈,從圖中可以看出直接原因:管材表面有缺陷或組織異常;退火溫度不適宜。

        通過圖3因果鏈分析,可得到的啟示方案有:①控制退火溫度保證材料的強(qiáng)度和塑性匹配達(dá)到最佳;②在選擇擠壓管坯時(shí),選取尺寸均勻的,這樣組織也比較均勻一致;③加強(qiáng)鏜孔和表面處理,確保管材表面無裂紋和劃痕等缺陷。

        2.1.2 功能分析

        本研究是關(guān)于產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的技術(shù)性能問題,而不是單純的某一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品或加工制造類產(chǎn)品,因此沒有進(jìn)行基于組件的功能分析,而是進(jìn)行基于FAST的功能分析。

        定義功能:制備管材(改變形狀,改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列)

        搜索可用的方法:澆鑄法、擠壓法、拉拔法、軋制法、鍛造法(旋鍛、快鍛、模鍛和自由鍛)、焊接法、機(jī)加鉆孔法、斜軋穿孔法、粉末成型法、激光快速成型法。

        功能分類:熔煉澆鑄法、粉末冶金法、塑性加工法、3D打印法。

        通過以上的基于FAST的功能分析發(fā)現(xiàn),制備管材的方法很多,每種方法都有各自的特點(diǎn),因此可以利用這些特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)本研究課題有利的組合和借鑒。

        2.2 小人法

        對(duì)TA18成品管的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行小人模型圖的繪制,具體見圖3。圖3a為目前實(shí)際管材橫截面的微觀組織小人模型,在該小人模型圖中每個(gè)小人的大小不一樣,而且每個(gè)小人之間的排列也是雜亂無章的,每個(gè)小人之間沒有緊密結(jié)合,這樣在受到外力作用時(shí),如擴(kuò)口或壓扁時(shí),每個(gè)小人之間由于結(jié)合力低,容易被外力突破,也就造成擴(kuò)口率僅維持在30%左右,滿足不了客戶要求的60%的指標(biāo)。圖3b為通過小人法得到的理想的TA18成品管橫截面的微觀組織小人模型圖,這一模型的好處是每個(gè)小人大小一樣,而且每個(gè)小人之間互相連接在一起,這樣在受到外力作用時(shí),每個(gè)小人受力比較均勻,而且會(huì)互相之間協(xié)調(diào)和分配力,這樣能進(jìn)一步提高擴(kuò)口率,有望達(dá)到60%的目標(biāo)。

        依據(jù)小人模型圖3b,可得到的啟示為管材具有明顯的織構(gòu),工程中用軸向和徑向的塑性變形率比值來表示這一織構(gòu)指數(shù),具體被稱為收縮應(yīng)變率或CSR。由于鈦合金管材方向性極強(qiáng)的微觀組織和顯著的晶體學(xué)織構(gòu),在工程設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)過程中可以表現(xiàn)出一系列優(yōu)異的性能。徑向織構(gòu)的管材比切向的具有更高的屈服強(qiáng)度和延伸率。

        通過小人法,可得到的啟示方案有:①制備鑄錠時(shí),通過調(diào)整坩堝澆注系統(tǒng),得到晶粒細(xì)小的鑄錠;②通過改變?nèi)蹮挿绞降玫接锌棙?gòu)傾向的鑄錠;③通過鍛造+機(jī)加的方式選擇組織均勻、晶粒大小一致的管坯;④選擇擠壓管坯尺寸、組織均勻部位,在后續(xù)加工過程中,產(chǎn)生管材織構(gòu);⑤軋制過程中增加兩輥軋制道次,縮減多輥軋制道次,控制好Q值,產(chǎn)生周向織構(gòu)。

        2.3 理想解

        系統(tǒng)IFR定義見表1。

        通過IFR,可得到的啟示方案有:①選擇擠壓管坯尺寸、組織均勻部位,精整除去內(nèi)外表面缺陷,軋制過程沿一個(gè)順序軋制;②開坯軋制和中間道次軋制都采用兩輥軋制,而且每道次軋制Q值控制在0.5~1.8范圍內(nèi),成品軋制采用多輥軋制,Q值控制在>3范圍內(nèi)。

        2.4 運(yùn)用TRIZ工具

        2.4.1 技術(shù)矛盾-矛盾矩陣

        (1)原問題技術(shù)矛盾

        改善:采用目前的熔煉、鍛造、擠壓、軋制和熱處理工藝技術(shù)可以得到尺寸、表面、力學(xué)性能滿足要求的TA18管材。

        惡化:目前生產(chǎn)的工藝技術(shù)中管材表面會(huì)產(chǎn)生微缺陷,晶粒雜亂分布,工藝性能難以符合期望值。

        (2)問題模型

        對(duì)應(yīng)的39個(gè)通用工程參數(shù)

        改善的參數(shù):10力

        惡化的參數(shù):31物體產(chǎn)生的有害因素

        (3)解決方案模型

        對(duì)應(yīng)查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創(chuàng)新原理為4個(gè),經(jīng)篩選,保留3個(gè)創(chuàng)新原理(表2)。

        2.4.2 物理矛盾-分離原理

        (1)物理矛盾:

        為了高擴(kuò)口率,應(yīng)該多增加兩輥軋制;為了力性指標(biāo)和降低表面缺陷,又不應(yīng)該多使用兩輥軋制。

        為了提高表面質(zhì)量,應(yīng)該多增加多輥軋制;為了提高擴(kuò)口率,又不應(yīng)該多使用多輥軋制。

        (2)物理矛盾分離法:

        時(shí)間分離。

        (3)解決方案模型

        根據(jù)10預(yù)先作用原理,可以在坯料上預(yù)先形成帶有織構(gòu)的特征。這樣可以延伸出的解決問題解決方案有三個(gè):

        ①鑄錠在熔鑄時(shí)形成樹狀枝方向一致的鑄態(tài)組織。

        ②軋制用的管坯直接用帶有所需織構(gòu)的棒材鉆孔制得。

        ③擠壓管坯用的管坯錠具有所需的織構(gòu)要求。

        2.4.3 物場(chǎng)模型-標(biāo)準(zhǔn)解

        分析目前的技術(shù)系統(tǒng)為效應(yīng)不足,通過S2的變形,將原先的擠壓管坯改為帶有織構(gòu)傾向的其他管坯,來增強(qiáng)效應(yīng),從而得到效應(yīng)完全的物場(chǎng)模型。

        3 結(jié)論

        通過TRIZ結(jié)題中小人法的模型,找到了解決這一行業(yè)技術(shù)難題的突破口,再通過因果鏈分析、功能分析、技術(shù)矛盾和物理矛盾、矛盾矩陣、發(fā)明原理、知識(shí)庫等工具的應(yīng)用,豐富了解題思路。最終選用兩個(gè)組合方案:①選用擠壓管坯尺寸、組織均勻部位,二輥和多輥組合軋制工藝;②鍛造制備特殊要求管坯,二輥和多輥組合軋制工藝進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果兩個(gè)方案都得到了滿意的效果,TA18管材的擴(kuò)口率都大于60%。

        責(zé)編/劉紅偉

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