鄒功成

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海519070）

0 引 言

軌道墊板是鐵路的重要組成部件之一，具有良好的減震緩沖、降噪、絕緣等作用。但是現(xiàn)有注射成型的軌道墊板內(nèi)部易產(chǎn)生氣泡或空隙、縮孔等現(xiàn)象，質(zhì)量不合格，存在軌道交通安全隱患。

TRIZ理論是根里奇·阿奇舒勒在總結(jié)200多萬(wàn)份專(zhuān)利成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行研究創(chuàng)立的問(wèn)題解決理論體系，主要包括40個(gè)發(fā)明原理、39個(gè)工程參數(shù)、矛盾矩陣表、分離原則、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解等求解工具，借此解決模具領(lǐng)域中存在的問(wèn)題。

1 塑件三維建模及質(zhì)量問(wèn)題

隨著國(guó)內(nèi)高鐵運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展，鐵路對(duì)軌道墊板的需求不斷增加，軌道墊板的原材料為玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺66或不低于其性能的其他材料，軌道墊板的內(nèi)部不應(yīng)有氣泡或空隙，其三維建模如圖1所示，外形尺寸為203 mm×108.9 mm×66 mm。

圖1 軌道墊板結(jié)構(gòu)

根據(jù)軌道墊板力學(xué)性能要求，進(jìn)行內(nèi)部空隙試驗(yàn)，將軌道墊板沿截面鋸開(kāi)后目視檢查，在其擋肩處發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在大量氣泡或空隙，如圖2所示，經(jīng)評(píng)定不符合軌道墊板的力學(xué)性能要求，需要對(duì)此內(nèi)部空隙質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化改善。

圖2 軌道墊板截面

2 基于TRIZ理論的因果鏈分析

因果鏈分析是全面識(shí)別工程系統(tǒng)問(wèn)題的分析工具，現(xiàn)用來(lái)研究吸收熱量多和疏散熱量少而引起厚壁件冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。該問(wèn)題產(chǎn)生的原因：原材料的固體顆粒在注塑機(jī)溫控系統(tǒng)的高溫高壓作用下發(fā)生物理變化，由固態(tài)轉(zhuǎn)化為熔融狀態(tài)期間材料吸收大量熱能，熔融材料進(jìn)入模具型腔內(nèi)部，此時(shí)冷卻效率過(guò)低導(dǎo)致散熱量少。

根據(jù)TRIZ理論的因果分析工具，繪制因果鏈模型進(jìn)行分析，梳理問(wèn)題之間的邏輯關(guān)系，得到引起軌道墊板冷卻問(wèn)題的主要原因：①壓力過(guò)低；②塑件內(nèi)部與表層熱阻較大；③模具體積過(guò)小；④模具導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)低；⑤型腔表面積過(guò)??；⑥冷卻水道表面積過(guò)??；⑦水流速度過(guò)慢；⑧冷卻水道截面積過(guò)??；⑨塑件高低落差大；⑩冷卻水道距離厚壁件過(guò)遠(yuǎn)。

根據(jù)因果鏈模型分析主要原因，如圖3所示，得出塑件內(nèi)部與表層熱阻較大和冷卻水道距離厚壁件過(guò)遠(yuǎn)為主要原因，運(yùn)用TRIZ工具對(duì)2個(gè)主要原因進(jìn)行分析和可操作性方案求解。

圖3 因果鏈模型

2.1 基于TRIZ理論的原因分析及解決方案

針對(duì)塑件內(nèi)部與表面熱阻較大的問(wèn)題，首先建立問(wèn)題模型，選擇物場(chǎng)類(lèi)型第一大類(lèi)，建立或拆解物場(chǎng)模型。針對(duì)有用同時(shí)有害的物場(chǎng)模型，在TRIZ理論中選擇標(biāo)準(zhǔn)解的S1.2.4引入場(chǎng)抵消有害關(guān)系，如圖4所示。

圖4 物-場(chǎng)模型

如果在模具中增加溫控模塊則熱阻減小，那么塑件導(dǎo)熱效率提高，但是模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易變更。根據(jù)上述問(wèn)題引入第2個(gè)工具：技術(shù)矛盾。技術(shù)矛盾是指用已知的原理和方法去改進(jìn)系統(tǒng)某部位或參數(shù)時(shí)，不可避免地出現(xiàn)系統(tǒng)其他部位或參數(shù)變壞的現(xiàn)象。闡述生產(chǎn)率和可制造性的技術(shù)矛盾后，在TRIZ理論中矛盾求解工具的技術(shù)矛盾查詢(xún)，找到對(duì)應(yīng)的改善參數(shù)（生產(chǎn)率）與惡化參數(shù)（可制造性），在優(yōu)先推薦發(fā)明原理中選擇分割原理，如圖5所示。

圖5 塑件內(nèi)部與表層熱阻較大的技術(shù)矛盾

分割原理是把一個(gè)物體分割成相互獨(dú)立或容易組裝和拆卸的部位，根據(jù)其得到的解決方案是平移式分段注射。平移式分段注射工藝過(guò)程主要包括：將現(xiàn)有軌道墊板結(jié)構(gòu)分為第一注射部位和第二注射部位，第一次注射過(guò)程中完成第一注射部位和半嵌式支持機(jī)構(gòu)部位成型；第一次注射完成的半成品在模具軸心的驅(qū)動(dòng)下線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)至第二次注射的型腔內(nèi)，通過(guò)其半嵌式支持機(jī)構(gòu)定位固定后進(jìn)行第二次注射；第二次注射完成后軌道墊板成型，如圖6所示。

圖6 平移式分段注射結(jié)構(gòu)

軌道墊板分割時(shí)的技術(shù)要點(diǎn)：①分割形成的第一注射部位與第二注射部位質(zhì)量應(yīng)相等；②兩部位平均壁厚相對(duì)均勻；③分割面的選擇要保證注射填充平衡；④分割后的兩部位組合起來(lái)應(yīng)保證塑件的完整性，如圖6所示。

第一注射部位在第一次型腔中注射成型，第二次注射過(guò)程中依靠半嵌式支持機(jī)構(gòu)定位和保護(hù)第一注射部位，保護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括上夾持位、固定面、抱緊面和下夾持位，如圖7所示。通過(guò)上、下夾持位限制第一注射部位上、下方向的滑動(dòng)，通過(guò)固定面和抱緊面限制其運(yùn)動(dòng)至第二次注射型腔前發(fā)生沿運(yùn)動(dòng)方向滑動(dòng)。

圖7 第一注射部位的保護(hù)結(jié)構(gòu)

半嵌式支持機(jī)構(gòu)在第一次注射過(guò)程中成型，其定位結(jié)構(gòu)主要包括第一筋條、第二筋條、定位孔、第三筋條、限位柱。通過(guò)第一筋條、第二筋條和第三筋條引導(dǎo)第一注射部位進(jìn)入第二次注射的型腔內(nèi)，通過(guò)定位孔和限位柱使第一注射部位固定，定位結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 第一注射部位的定位結(jié)構(gòu)

第二注射部位在第一注射部位的基礎(chǔ)上通過(guò)第二次注射成型，第二注射部位包裹第一注射部位的部分內(nèi)、外表面。第二注射部位主要有外觀(guān)面、定位柱、裝配定位孔、裝配定位面1、2，如圖9所示，外觀(guān)面是軌道墊板外觀(guān)的保障，4個(gè)定位柱使第一、第二注射部位之間互相咬合，保證2次成型的相對(duì)位置精確定位，4個(gè)定位柱貫穿整個(gè)軌道墊板，所以軌道墊板的功能滿(mǎn)足需求。裝配定位孔、裝配定位面1、2使軌道墊板滿(mǎn)足裝配需求。

圖9 第二注射部位

2.2 基于ENV模型的矛盾求解

基于ENV模型的矛盾表達(dá)中，技術(shù)矛盾表達(dá)進(jìn)化參數(shù)之間的矛盾。對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化需求通過(guò)任務(wù)分解過(guò)程轉(zhuǎn)化為對(duì)元素的進(jìn)化需求，即對(duì)進(jìn)化參數(shù)的變化需求。當(dāng)進(jìn)化參數(shù)之間出現(xiàn)沖突，則出現(xiàn)技術(shù)矛盾。對(duì)于冷卻水道和厚壁件距離過(guò)遠(yuǎn)的問(wèn)題，能清晰看到問(wèn)題的矛盾點(diǎn)，即厚壁件冷卻時(shí)間和縮孔裂痕這對(duì)技術(shù)矛盾，如圖10所示。

圖10 ENV模型

找到對(duì)應(yīng)的改善惡化參數(shù)，選擇分割原理得到方案的毛細(xì)冷卻水道，如圖11所示。

圖11 毛細(xì)冷卻水道

闡述技術(shù)矛盾后，運(yùn)用TRIZ理論中矛盾求解工具的技術(shù)矛盾查詢(xún)，找到對(duì)應(yīng)的改善參數(shù)（生產(chǎn)率）與惡化參數(shù)（可靠性），在優(yōu)先推薦發(fā)明原理中選擇局部質(zhì)量原理，如圖12所示。根據(jù)局部質(zhì)量原理運(yùn)用3D打印技術(shù)打印局部冷卻水道，得到解決方案的隨形通道。

圖12 冷卻水道和厚壁件距離過(guò)遠(yuǎn)的技術(shù)矛盾

基于ENV模型的矛盾表達(dá)中，物理矛盾是作用參數(shù)不同取值要求而引起的矛盾。由圖13可知，通過(guò)ENV模型控制參數(shù)冷卻水道，找到其物理矛盾是冷卻水道與厚壁件的距離之間的矛盾。

圖13 ENV模型

根據(jù)上述物理矛盾，運(yùn)用TRIZ理論工具的空間分離原則，將毛細(xì)冷卻水道再分割，得到隨形冷卻水道方案，如圖14所示。

圖14 物理矛盾

3 基于Moldflow仿真分析驗(yàn)證

采用UG軟件對(duì)現(xiàn)有塑件的壁厚進(jìn)行檢查，顯示最厚壁厚約21.96 mm，平均壁厚約7.97 mm，如圖15所示，屬于厚壁件。塑件最厚壁厚和平均壁厚的差異為13.99 mm，厚度差異較大，塑件現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在厚度不均勻現(xiàn)象。

圖15 軌道墊板壁厚檢查

通過(guò)UG對(duì)第一注射部位壁厚進(jìn)行檢查，顯示最厚壁厚約12.09 mm，平均壁厚約3.85 mm，如圖16所示，最厚壁厚和平均壁厚的差異為8.24 mm。根據(jù)圖15和圖16可知，現(xiàn)有塑件的平均壁厚約7.97 mm，第一注射部位的平均壁厚約3.85 mm，第一注射部位的厚度差異比現(xiàn)有塑件結(jié)構(gòu)的厚度差異降低4.12 mm，平均壁厚改善明顯。

圖16 第一注射部位壁厚檢查

通過(guò)UG對(duì)第二注射部位壁厚進(jìn)行檢查，顯示最厚壁厚約14.02 mm，平均壁厚約4.06 mm，如圖17所示。根據(jù)圖15和圖17可知，現(xiàn)有塑件的平均壁厚約7.97 mm，第二注射部位的平均壁厚為4.06 mm。第二注射部位的厚度差異比現(xiàn)有塑件結(jié)構(gòu)的厚度差異降低3.91 mm，厚度更加合理化，有利于塑件注射成型。

圖17 第二注射部位壁厚檢查

厚壁件的模具溫度分析如圖18所示，選取了7個(gè)有代表性位置的模具溫度，分別為127.9、117.0、126.4、75.84、126.5、116.7、128.0℃，得出模具溫度的中位數(shù)是126.4℃?，F(xiàn)有的冷卻水道為傳統(tǒng)的豎直鉆孔加工，水道距離模具型腔較遠(yuǎn)，對(duì)于塑件高低落差大的區(qū)域，水道無(wú)法加工，局部無(wú)法散熱導(dǎo)致溫度居高不下，只能通過(guò)加長(zhǎng)冷卻時(shí)間來(lái)降低塑件溫度，延長(zhǎng)生產(chǎn)周期。

圖18 厚壁件模具溫度分析

第一注射部位模具溫度分析如圖19所示，同樣選取了7個(gè)有代表性位置的模具溫度，分別是147.1、93.7、102.2、97.01、112.4、119.4、150.4℃，得出模具溫度的中位數(shù)是112.4℃。

圖19 第一注射部位模具溫度分析

第二注射部位進(jìn)行模具溫度分析如圖20所示，同樣選取了7個(gè)有代表性位置的模具溫度，分別是118.3、80.6、89.3、84.28、96.77、78.81、119.2℃，得出模具溫度的中位數(shù)是80.6℃。

圖20 第二注射部位模具溫度分析

綜上所述，軌道墊板模具溫度中位數(shù)是126.4℃，第一注射部位模具溫度中位數(shù)是112.4℃，第二注射部位模具溫度中位數(shù)是80.6℃，可以得出移式分段注射時(shí)模具溫度更低，同時(shí)由于采用了隨形冷卻水道，模具冷卻相對(duì)充分，冷卻時(shí)間縮短，成型效率更高。軌道墊板截面實(shí)物如圖21所示，改善前塑件內(nèi)部有縮孔，改善后塑件內(nèi)部縮孔消失，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部實(shí)心化，提升了成型質(zhì)量，滿(mǎn)足塑件外觀(guān)及功能質(zhì)量技術(shù)要求。

圖21 改善前后對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

軌道墊板內(nèi)部和外表面在單位時(shí)間內(nèi)、外溫度失衡而導(dǎo)致空隙現(xiàn)象，運(yùn)用TRIZ理論得到平移式分段注射方案，使用Moldflow仿真分析并進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，內(nèi)部空隙問(wèn)題得以解決，塑件實(shí)現(xiàn)實(shí)心化，滿(mǎn)足塑件力學(xué)性能要求，提高了其成型質(zhì)量，消除軌道交通安全隱患。

基于TRIZ理論對(duì)注射件與模具具體問(wèn)題的抽象化和原理解的提取，該過(guò)程所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和信息能作為原理解具體化的分析基礎(chǔ)，降低問(wèn)題抽象化和原理解具體化對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)性。