梁向東,萬曉航,胡孟謙,解景浦,胡紀(jì)雄

(河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué),河北 石家莊 050091)

鈦合金、高溫合金等難加工材料的加工是機械制造領(lǐng)域長期研究和關(guān)注的重點,傳統(tǒng)的切削加工常會導(dǎo)致加工質(zhì)量降低并產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力[1]。隨著環(huán)境、安全、健康保護(hù)意識的增強,傳統(tǒng)的切削液澆注式加工有望逐步被綠色加工所替代。具有代表性的綠色加工技術(shù)包括干式切削、低溫切削、微量潤滑切削等[2-3]。干式切削是在無切削液條件下,通過刀具材料、機床和工藝參數(shù)的配合實現(xiàn)高效切削。所需的機床結(jié)構(gòu)簡單、成本低,可以部分改善加工面的粗糙度和硬化程度[4],但切削力大,切削溫度高,表面加工質(zhì)量較難保證。低溫切削是將冷源介質(zhì)引入加工過程,用以降低加工區(qū)溫度,改善加工質(zhì)量。常用的冷源有低溫壓縮空氣[5]、液氮[6]以及低溫CO2[7]。微量潤滑切削[8]是將壓縮氣體與微量的切削液混合后通過噴嘴霧化成微米級油霧,噴入到加工區(qū)實現(xiàn)冷卻潤滑。將微量潤滑技術(shù)和低溫切削相結(jié)合,并選擇合適的冷源,將大大改善難加工材料的加工性能。超臨界CO2是目前公認(rèn)的“綠色溶劑”,既能作為溶劑溶解切削液,又可作為冷卻介質(zhì)實現(xiàn)強效冷卻,具有較大開發(fā)潛力[3]。

以高壓態(tài)CO2為冷源和切削液載體的冷卻潤滑加工技術(shù)在國內(nèi)已有部分研究,但仍處于起步階段。已有研究集中在加工性能的考察,忽略了對高壓CO2冷卻潤滑工藝系統(tǒng)和裝置設(shè)計的開發(fā),高壓CO2的優(yōu)良特性也并未深入發(fā)掘,導(dǎo)致高壓CO2冷卻潤滑效能不足、持續(xù)性有待提高,限制了工藝提升和裝置優(yōu)化。如何創(chuàng)新構(gòu)建高效節(jié)能的高壓CO2冷卻加工系統(tǒng),并設(shè)計配套的關(guān)鍵裝置,成為高壓CO2冷卻加工工藝開發(fā)和推廣的關(guān)鍵。

TRIZ又稱發(fā)明問題解決理論,利用TRIZ創(chuàng)新方法能夠系統(tǒng)地分析問題,找到問題的關(guān)鍵點或沖突,并通過一系列TRIZ工具和方法找到具有創(chuàng)造性的解決方案。目前,TRIZ理論已在諸多領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計中扮演重要角色[9-11]。基于此,本研究基于TRIZ對高壓CO2冷卻加工工藝及裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計,提升冷卻潤滑效能,并減少能耗與成本。隨著分析優(yōu)化的深入,TRIZ工具和方法會組合、迭代使用。

1 CO2冷卻加工原理與問題描述

針對目前CO2冷卻加工技術(shù),梳理其中典型的工藝、裝置與基本原理。(1)低溫CO2加工[12-13]。該工藝將液態(tài)二氧化碳輸送到加工區(qū)域或通過內(nèi)冷車刀噴射至切削區(qū),高壓CO2在噴射過程由于焦耳-湯普遜效應(yīng),使得介質(zhì)溫度迅速降低(約-76℃),產(chǎn)生低溫CO2氣體或CO2氣體+干冰顆粒的兩相流,最終實現(xiàn)低溫加工。該工藝所需的裝置相對較為簡單,一般使用高壓軟管一端連接CO2氣瓶,一端連接噴頭或內(nèi)冷刀具進(jìn)而引向加工區(qū)。(2)超臨界CO2低溫加工[14]。該工藝的冷卻原理與上述類似,由于上游壓力達(dá)到超臨界態(tài),因此冷卻系統(tǒng)的裝置較為復(fù)雜,需要通過泵、加熱器以及部分壓力容器將CO2壓力提升至超臨界態(tài)。裝置的復(fù)雜性增加了整套系統(tǒng)能耗、成本以及加工制造難度。(3)高壓CO2復(fù)合微量潤滑[15]。該工藝將低溫CO2與微量的切削液混合,可以實現(xiàn)CO2氣體+干冰顆粒+切削液微顆粒的三相混合射流,可顯著提升冷卻潤滑效能。然而系統(tǒng)與裝置也更為復(fù)雜,需要設(shè)計高壓混合容器并搭建不同介質(zhì)的壓力傳輸管路,成本、能耗以及維護(hù)要求也更高。

基于上述分析,在減少設(shè)備成本和能耗基礎(chǔ)上,設(shè)計高壓CO2冷卻加工系統(tǒng)提升工藝可調(diào)控性,拓展冷卻系統(tǒng)的技術(shù)層級,可實現(xiàn)低溫微量潤滑。在工藝設(shè)計過程中,創(chuàng)新設(shè)計相關(guān)配套裝置與子系統(tǒng),最終完成整體工藝與裝置設(shè)計。

2 CO2冷卻加工工藝系統(tǒng)分析

2.1 系統(tǒng)功能分析

選取當(dāng)前超臨界CO2低溫加工的工藝流程作為研究對象,對技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行功能分析,建立系統(tǒng)的功能模型如圖1所示。

圖1 超臨界CO2低溫加工工藝功能模型圖Fig.1 Functional model of supercritical CO2 low temperature processing process

2.2 因果分析

圖2 因果鏈分析法Fig.2 Causal chain analysis

3 基于TRIZ理論求解關(guān)鍵問題

3.1 關(guān)鍵問題1

以“穩(wěn)態(tài)冷源供給不足”為入手點解決問題。取自氣瓶的CO2介質(zhì)可能隨氣瓶容量、環(huán)境溫度等因素呈現(xiàn)氣態(tài)或氣液共存態(tài),導(dǎo)致CO2升壓困難,維持不了穩(wěn)定壓強。已加壓的CO2介質(zhì)在噴射后,管路中溫度和壓力振蕩變化,導(dǎo)致熱力學(xué)狀態(tài)突變,難以維持穩(wěn)定。采用物質(zhì)-場分析+沖突理論,對問題進(jìn)行求解。

(1)工具一,物質(zhì)-場分析及76個標(biāo)準(zhǔn)解。物質(zhì)-場分析是通過兩個物質(zhì)和一個場來構(gòu)成最小的技術(shù)系統(tǒng),描述物-場之間的作用關(guān)系,并可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解解決物-場之間的不利關(guān)系。該物質(zhì)-場模型屬于效應(yīng)不足模型,根據(jù)所建問題的物質(zhì)-場模型,應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程,得到標(biāo)準(zhǔn)解為,NO.14鏈?zhǔn)轿镔|(zhì)-場模型。依據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)解,得到方案一:將氣瓶中CO2先經(jīng)過冷卻器冷卻成液態(tài),再通過泵進(jìn)行加壓,可提高升壓速度。改進(jìn)之后的物質(zhì)-場模型如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的物質(zhì)-場模型Fig.3 Improved matter-field model

(2)工具二,物理沖突求解。物理沖突是對同一個對象的某個特性提出的兩種互斥的要求,也是同一參數(shù)的矛盾面。分析時可將物理沖突與四大分離原理相結(jié)合,求得解決方案。首先對沖突進(jìn)行描述,為了“冷卻潤滑性能穩(wěn)定持續(xù)”,需要參數(shù)“CO2熱力學(xué)狀態(tài)”保持“穩(wěn)定”,但又為了“減壓膨脹降溫”,需要參數(shù)“CO2熱力學(xué)狀態(tài)”會瞬時“突變”。即,CO2熱力學(xué)狀態(tài)既要“穩(wěn)定”又要“突變”,構(gòu)成物理矛盾。選用時間分離原理,并查找與該分離原理對應(yīng)的發(fā)明原理,選取“中介物原理”,得到方案二:在噴嘴上游設(shè)置緩沖罐,實現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)的高壓CO2存儲、緩沖。

3.2 關(guān)鍵問題2

以“工藝系統(tǒng)設(shè)計簡單,缺乏拓展性”為入手點解決問題。通過梳理,明確了系統(tǒng)冷卻潤滑效能不足的原因是工藝系統(tǒng)簡單,缺少混合裝置,不能將切削液融入系統(tǒng)實現(xiàn)微量潤滑增效。因此先將混合裝置引入到系統(tǒng)中,再根據(jù)工藝需要開展優(yōu)化調(diào)整。采用沖突理論+效應(yīng)+裁減+資源分析+金魚法,對問題進(jìn)行求解。隨著分析優(yōu)化的深入,各類TRIZ工具和方法會組合、迭代使用。

基于2.2節(jié)的因果鏈分析,得到方案三:引入混合器,并開展進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。當(dāng)前工藝系統(tǒng)中,噴射介質(zhì)引自混合器。噴射管路插入混合器中間位置,從該位置取用冷源。當(dāng)混合器內(nèi)CO2為液態(tài)時,容器下部為富切削液相,上部分為CO2相;當(dāng)混合器內(nèi)CO2為超臨界態(tài)時,下部為切削液,上部為切削液+CO2相。因此不同熱力學(xué)狀態(tài)下,管路中的冷源介質(zhì)狀態(tài)不同。怎樣靈活選取需要的介質(zhì)狀態(tài),通過下一步?jīng)_突理論進(jìn)行分析。

(1)工具一,物理沖突求解。對沖突進(jìn)行描述:為了“取用超臨界態(tài)的切削液+CO2冷源”,需要參數(shù)“管路插入位置”為“偏上”,但又為了“取用液態(tài)的富切削液相冷源”,需要參數(shù)“管路插入位置”為“偏下”,即,管路插入位置既要“偏上”又要“偏下”。選用條件分離原理,得到方案四:噴嘴前設(shè)置兩條管路,一條偏上布置,另一條偏下布置?？筛鶕?jù)不同的熱力學(xué)狀態(tài),選用不同管路上的冷源。

該系統(tǒng)切削液使用完后要重新灌入,需要將混合器重新拆裝,導(dǎo)致工藝的連續(xù)性、持續(xù)性不足。繼續(xù)通過下一步?jīng)_突理論進(jìn)行分析。

(2)工具二,物理沖突求解。對沖突進(jìn)行描述:為了“保持冷卻潤滑持續(xù)性”,需要參數(shù)“切削液”為“多量”,但又為了“混合器容量有限”,需要參數(shù)“切削液”為“少量”,即,切削液既要“多量”又要“少量”。選用整體與部分分離原理,并查找與該分離原理對應(yīng)的發(fā)明原理,選取“局部質(zhì)量”原理,得到方案五:將切削液放入外置容器中,通過計量泵打入混合器中與CO2實現(xiàn)混合,提高了工藝的連續(xù)性和持續(xù)性。

(2)添加10%氧化硼對液相渣含量的影響效果更明顯，且對液相渣中各相的熔融效果更好，液相渣中主要含有CaO、SiO2、MgO和Al2O3。添加10%氧化硼和8%硼砂渣相中各含量分別在900 ℃和1 100 ℃時趨于穩(wěn)定；添加10%碳酸鈉和8%硼砂時，渣中會出現(xiàn)NaAlO2相，導(dǎo)致Al2O3的百分含量降低。

改進(jìn)后的工藝可實現(xiàn)低溫微量潤滑,但由于加入的切削液量較少,切削液與CO2的混合程度較低,不利于兩者相互溶解。在混合器中加入攪拌軸則大幅度增加設(shè)備復(fù)雜性,不宜采用。下一步通過效應(yīng)工具進(jìn)行分析。

(3)工具三,效應(yīng)。首先確定問題要實現(xiàn)的功能為“混合+液體”,查找效應(yīng)知識庫,得到可用的效應(yīng)為“電磁攪拌”和“超聲振動”,依據(jù)效應(yīng)得到兩方案。方案六:在混合器底部安裝超聲波換能器,實現(xiàn)超聲振動促進(jìn)溶質(zhì)溶劑混合。方案七:在混合器內(nèi)部放入攪拌子,在外部安裝磁力攪拌器,實現(xiàn)內(nèi)部攪拌混合。

(4)工具四,功能裁剪。通過分析發(fā)現(xiàn),采用“規(guī)則3,主動元件的作用由其他元件或超系統(tǒng)替代”可以實現(xiàn)裁剪。通過工藝系統(tǒng)中的其他裝置或超系統(tǒng)元件替代計量泵的角色,并實現(xiàn)相關(guān)功能,后續(xù)可通過資源分析解決相關(guān)問題。

(5)工具五,資源分析。通過已有的工藝系統(tǒng)優(yōu)化,增添了部分裝置?？芍匦率崂砜捎觅Y源,擬通過內(nèi)部資源、超系統(tǒng)資源的分析、整合,減少泵的使用數(shù)量。從內(nèi)部物質(zhì)資源來看,計量泵可在混合器保持高壓狀態(tài)下,通過升壓注入切削液,實現(xiàn)高壓CO2與切削液的混合。由于上游緩沖罐壓力大于等于混合器中壓力,如果能將上游壓力引入到切削液容器中,就能將切削液注入至混合器中。由此得到方案八:將緩沖罐與切削液容器聯(lián)通,使切削液容器與混合器之間存在壓力差,通過控制切削液出口閥門,實現(xiàn)切削液向混合器的注入。為使緩沖罐能提供更高的壓力,在緩沖罐外也安裝加熱帶,方便升溫升壓。由方案五優(yōu)化至方案八的工藝系統(tǒng)如圖4所示。

按照方案八的思路,可以通過壓力差的方式,通過裁減+資源分析繼續(xù)減少泵的使用數(shù)量,并得到方案九。取消CO2柱塞泵,增加緩沖罐,實現(xiàn)CO2的高壓分級傳輸。即新增上游緩沖罐與氣瓶聯(lián)通,通過調(diào)節(jié)溫度升至較高壓力。下游緩沖罐通過相同方式,調(diào)節(jié)至中等壓力,下游緩沖罐的CO2流入混合器。工藝系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的冷卻潤滑系統(tǒng)工藝流程Fig.5 Improved cooling and lubrication system process flow

采用方案九的工藝后,需要上游緩沖罐保持工藝系統(tǒng)中最高壓力。當(dāng)上游緩沖罐中壓力減小到與下游等壓后,則失去壓力差,需要對上游重新補壓。然而重新補壓消耗大量時間或產(chǎn)生能量損耗,影響系統(tǒng)連續(xù)性運行。采用金魚法,對問題進(jìn)行求解。

(6)工具六,金魚法。第一步,將不現(xiàn)實的想法分為兩個部—現(xiàn)實部分與幻想部分?，F(xiàn)實部分:高壓緩沖罐補壓時,需要降低溫度、或泄放掉罐中部分CO2介質(zhì),使緩沖罐壓力低于氣瓶壓力,存在一定耗時和能量損耗。幻想部分:高壓緩沖罐快速補壓、減少能量損耗。第二步,提出問題并回答問題,解釋為什么幻想部分不可行。想要緩沖罐快速補壓,需要快速降低緩沖罐溫度,而正常工作的高壓緩沖罐溫度較高,只能緩慢自然冷卻降溫。泄放罐內(nèi)介質(zhì)則產(chǎn)生能量耗散。第三步,提出問題并回答問題,在什么條件下幻想部分可變成現(xiàn)實。罐體溫度可以快速降低,泄放罐內(nèi)的介質(zhì)可以回收。第四步,列出子系統(tǒng)、系統(tǒng)、超系統(tǒng)的可利用資源。超系統(tǒng):CO2介質(zhì)、電能;系統(tǒng):CO2冷卻潤滑系統(tǒng);子系統(tǒng):緩沖罐、閥門、溫度傳感器。第五部,從可利用資源出發(fā),對情境加以改變,實現(xiàn)看似不可行的幻想部分。下列條件可以實現(xiàn)幻想(緩沖罐快速降溫、并減少能量損耗):高壓CO2泄放對外做功,會產(chǎn)生制冷效果,可利用此現(xiàn)象實現(xiàn)罐體冷卻。泄放后的CO2可再次回收到儲罐中。進(jìn)而得到方案十,CO2在泄放時,流經(jīng)緩沖罐外壁(添加螺旋翅片強化傳熱),利用CO2減壓膨脹冷卻緩沖罐;泄放后的CO2可循環(huán)回氣源部分。工藝和設(shè)備如圖6所示。

圖6 自冷緩沖罐工藝和裝置原理圖Fig.6 Self-cooling buffer tank technology and device schematic diagram

3.3 關(guān)鍵問題3

以“刀具移動而噴嘴固定”為入手點解決問題。

(1)工具七,技術(shù)沖突求解。技術(shù)沖突是系統(tǒng)中兩個參數(shù)之間存在著相互制約,可查找矛盾矩陣表,并根據(jù)對應(yīng)發(fā)明原理得到創(chuàng)新方案。首先進(jìn)行沖突描述,為了提高“加工質(zhì)量和效率”,我們需要噴嘴隨著刀具切削位置“手動調(diào)整”,但這樣會導(dǎo)致人工操作程度增加,自動化水平降低,構(gòu)成一對技術(shù)沖突。從矛盾矩陣表中抽取針對本問題的沖突參數(shù)與發(fā)明原理見表1。

表1 TRIZ矛盾矩陣表

依據(jù)NO.5合并原理,得到方案十一:設(shè)計內(nèi)冷車刀,將噴管與車刀相結(jié)合。為避免CO2流入刀具后減壓降溫,可在刀具內(nèi)部設(shè)置加熱裝置用以保溫保壓。

(2)工具五,資源分析。CO2冷源在噴射過程中不易控制其停斷或噴射方向,如何實現(xiàn)噴射介質(zhì)的自動控制,是進(jìn)一步優(yōu)化方向,通過資源分析來解決?？梢岳们邢髁Υ笮∽鳛榉答?設(shè)置兩個介質(zhì)通道,利用刀頭在切削時微小的變形,控制高壓介質(zhì)的泄放和關(guān)閉。

為進(jìn)一步優(yōu)化刀片形狀,利用“小人法”進(jìn)行分析,如圖7所示。根據(jù)介質(zhì)狀態(tài),將介質(zhì)未噴射出、噴射被遮擋和有效噴射分別用小白人、小黑人和小黃人表示。如果能最大限度的增加小黃人數(shù)量,減少小黑人數(shù)量,則能夠更高效的實現(xiàn)冷卻增效。通過分析,可將與介質(zhì)通道接觸位的刀片設(shè)計成流線型,冷卻介質(zhì)可以更順暢的噴射出,得到方案十二。

圖7 “小人法”分析示意圖Fig.7 Schematic diagram of “Little Man Method” analysis

4 技術(shù)方案與評價

對上述各方案進(jìn)行整理匯總,考慮裝置的加工質(zhì)量、加工效率,工藝復(fù)雜程度及系統(tǒng)能耗,并結(jié)合可操作性、可實施性,對各方案進(jìn)行可用性評估見表2。

表2 方案評價表

綜合整理上述方案要點,根據(jù)方案1～5、7～10設(shè)計出系統(tǒng)總成,基于高壓分級利用的CO2冷卻潤滑系統(tǒng)(專利號:202211487958.9),如圖8所示,其中虛線框處的數(shù)字對應(yīng)為表2中的方案序號。該系統(tǒng)通過聯(lián)通多個特殊壓力容器,實現(xiàn)CO2壓力分級利用,構(gòu)建出不含泵等高能耗設(shè)備的高壓冷卻系統(tǒng)。系統(tǒng)可以進(jìn)行單獨CO2冷卻切削,也可以實現(xiàn)CO2微量潤滑切削,總體上提升了冷卻潤滑效能和工藝可調(diào)性,并大幅降低了設(shè)備能耗與成本。

圖8 CO2冷卻潤滑系統(tǒng)總成Fig.8 CO2 Cooling and lubrication system assembly

除此之外,針對系統(tǒng)總成中的其他核心裝置,根據(jù)對應(yīng)的方案要點細(xì)化并設(shè)計出配套裝置結(jié)構(gòu)和工藝,根據(jù)方案9、方案10設(shè)計出“可調(diào)溫的CO2自冷緩沖罐裝置” (專利號:202211487957.4),高壓CO2管路系統(tǒng)低溫冷卻組件(專利號:202310105618.3);根據(jù)方案8設(shè)計出“一種高壓CO2冷卻潤滑系統(tǒng)” (專利號:202310075100.x),用于切削加工的高壓CO2冷卻潤滑混合裝置(專利號:202320153267.9);根據(jù)方案11設(shè)計出“一種CO2內(nèi)冷車刀”(專利號:202221273018.5);根據(jù)方案12設(shè)計出“內(nèi)冷車刀”(專利號:202222744472.0)。

5 結(jié)論

將高壓CO2與切削加工相結(jié)合,可實現(xiàn)加工區(qū)的冷卻潤滑增效,能顯著改善難加工材料加工性能并具有環(huán)保優(yōu)勢?；赥RIZ理論和工具,設(shè)計出高壓CO2冷卻潤滑系統(tǒng),采用壓力分級的思路,節(jié)省了泵等能耗設(shè)備的使用,并拓展了冷卻系統(tǒng)的技術(shù)層級,可實現(xiàn)低溫微量潤滑。創(chuàng)新設(shè)計出自冷緩沖罐、內(nèi)冷刀具等裝置裝備,結(jié)合冷卻潤滑系統(tǒng),總體上完成了高壓CO2冷卻加工工藝及配套裝置設(shè)計,并做好專利布局,為該技術(shù)后續(xù)的研究和應(yīng)用打好硬件基礎(chǔ)。

TRIZ理論應(yīng)用方面,建立了高壓CO2冷卻潤滑系統(tǒng)功能模型,采用魚骨圖和因果鏈法梳理問題成因,確定影響冷卻潤滑效能與持續(xù)性的關(guān)鍵問題。確定最終理想解,進(jìn)行資源分析,采用裁剪、物質(zhì)-場分析、金魚法、小人法、沖突解決理論以及效應(yīng)工具進(jìn)行具體求解。本研究將TRIZ與機械加工問題相結(jié)合,其解決思路也可為各領(lǐng)域機械裝置的開發(fā)、創(chuàng)新和優(yōu)化提供參考。