中国航发成都发动机有限公司航发机加厂 四川成都 610500
摘要:本文在对TRIZ理论的研究基础上,论证其在产品创新设计及解决问题上发挥作用的可能性。在对产品加工过程中遇到的问题,进行分析解决的初步尝试,将TRIZ理论工具应用于技术创新过程中。
以盘榫槽底孔加工为案例,通过对TRIZ理论工具的应用,分析问题产生的主要矛盾,利用技术矛盾和发明原理,找到解决问题的可能性,并验证了该方法的有效性,最终使产品问题的解决方案由理论走向了现实。
关键词:TRIZ;技术矛盾;自动找正系统;
1.背景描述
高压压气机盘是组成发动机高压转子的重要零部件,其中有6级压气机盘涉及榫槽底孔,且榫槽均为二面角,每个盘榫槽数量为35-86个不等。每个榫槽根部均有一个榫槽底孔,与榫槽地面垂直,用于同工作叶片相配合,其尺寸与形位公差与榫槽之间的关系要求极高(如图1所示)。
图1 高压压气机盘榫槽底孔示意图
榫槽底孔是工作叶片装配锁紧的重要连接孔,其技术条件和尺寸与榫槽侧面和底面之间的关系要求很高。由于榫槽拉削时为手动分度,周向存在一定误差,如果按榫槽均布进行加工,无法满足榫槽底孔位置精度要求。故在加工榫槽底孔时无法使用数控转台自动分度,操作者需使用繁琐工装对每一榫槽进行找正后加工,找正时间较长。并且在科研批阶段,工艺多次优化加工刀具和参数,一定程度上提升了加工效率。但自从生命工程小批投产以来,生产任务急剧增加,榫槽底孔的加工周期、加工质量成为严重制约生产任务交付的瓶颈。
为保证尺寸在设计要求的范围内,自研发阶段起,采用可旋转的专用工装,通过工装的设计,将盘榫槽底部保持水平,并使榫槽方向沿坐标轴方向。操作者手动将倒库中的芯棒降到榫槽内,再配合在槽底塞入两根滚棒,使用塞塞尺的方式,得到两侧滚棒与株洲芯棒的间隙,调节零件直至两侧滚棒与株洲芯棒的间隙相等为止。最后进行底孔的加工,由于孔径位置公差较小,需采用钻中心孔→钻底孔→扩孔→铰孔的加工方式。
然后再重复上述工作,直至盘所有榫槽底孔加工完成。
经统计,单个榫槽的找正时间约为5分钟,换刀时间1分钟,零件加工时间为3分钟,测量1分钟,合计10分钟。按照平均一个盘70个榫槽进行计算,单个盘的榫槽底孔加工需11个小时以上。
同时,操作者需重复操作,节奏快,劳动强度极大,人为干预因素多,质量风险高。
伴随着生产任务的急剧增加,榫槽底孔的加工周期成为严重制约生产交付任务的瓶颈。故在设备资源有限的情况下,急需对该工序进行优化,加工周期要求提升50%以上。
针对榫槽底孔工序加工时间长,设备利用率低的问题现状,遵循TRIZ解题流程,利用系统功能分析、因果链分析和模型剪裁等方法剖析问题,得到解决方案的主要矛盾。
2.1系统功能分析
分析技术系统的所有组件和组件间的作用关系,定义目标、系统组件和超系统组件,并给予组件之间的关系,如下图。
2.2因果链分析
对盘榫槽底孔加工效率低的问题进行因果链分析,得到问题解决的末端原因:
a)夹具的结构复杂
b)手动调整夹具,再利用塞尺及块规找正,操作量大
2.3模型剪裁
采用系统组件裁剪方法简化系统,如图2:
图2 功能模型剪裁分析
发现机床和夹具都是起到装夹和找正的作用,可利用机床直接装夹找正零件,替代夹具的功能,从而减少或去除因夹具操作复杂带来的不便,达到提高效率的目的。
2.4关键问题汇总
2.4.1功能分析
a)关键问题:如何减少机床找正零件时间
解决方案:对机床进行改造升级,提高找正效率
b)关键问题:如何减少夹具装夹找正零件的时间
解决方案:对夹具进行优化,提高找正效率
2.4.2因果链分析
a)关键问题:如何简化夹具功能
解决方案:优化夹具结构
b)关键问题:如何减少找正操作量
解决方案:采用自动化结构
2.4.3剪裁
关键问题:机床如何装夹找正零件
解决方案:利用设备装夹零件,再通过自动化手段,自动找正
2.4.4矛盾描述
通过对上述系统功能分析、因果链分析和模型剪裁等方法分析,得到最终的矛盾描述为:如果机床直接装夹找正零件,那么将减少装夹找正时间,但是机床需满足自动找正能力。
3.1、Triz理论中技术矛盾与发明原理的运用
3.1.1问题描述:如果机床直接装夹找正零件,那么将减少装夹找正时间,但是机床需满足自动找正能力
3.1.2将工程问题转化为技术矛盾
技术矛盾-1:如果机床直接装夹找正零件(A),那么减少找正的时间(B),但是设备需满足自动找正能力。
技术矛盾-2:机床间接装夹找正零件(-A),那么无需附加自动找正能力(B),但是将增加找正时间。
3.1.3选择要解决的技术方案:技术矛盾-1
3.1.4确定技术矛盾中的具体参数:
欲改善的工程参数:减少零件的装夹找正时间
被恶化的工程参数:设备需满足自动找正能力
3.1.5将具体参数一般化为通用的工程参数:
欲改善的通用工程参数:时间损失(25)
被恶化的通用工程参数:自动化程度(38)
3.2、推荐的发明原理介绍
通过查找40个发明原理的矛盾矩阵表,得出第24条中介物和28条机械系统替代,即选用其他的相互作用的机械系统作为中介物,实现目前系统所需的动作。
3.3、产生具体的解决方案
利用设备的在线监测装置,以及机床本身的转台分度,对机床雷尼绍探针系统进行二次开发,通过测头的感应信号,使用探针对每一处榫槽进行数据采集,将采集数据自动录入机床的参数中,零件加工时调取采集参数,实现零件的精密找正。同时将探针宏程序与零件加工程序有机结合,真正实现零件自动化加工。
压气机盘实现了自动找正加工,彻底解决了操作者重复使用繁琐工装找正的历史难题,有效预防了人为操作失误,使得产品质量得到有效的保证;极大地减轻了操作者的劳动强度,充分发挥了设备的有效利用率,大幅缩短了加工周期,提高产品的加工效率,可为后续自动化、智能化生产打下坚实的基础。
改进前 改进后
序号 | 优化方向 | 改进前 | 改进后 |
1 | 工装 | 采用专用工装垫角度的方式由操作工人手动分度 | 简易压紧 |
2 | 找正方式 | 需操作者逐个手动找正榫槽中心进行加工 | 操作者找正第1个榫槽后,由机床自动找正加工 |
3 | 找正时间 | 至少4.46小时 | 0.27小时 |
4 | 设备占有时间 | 11小时/件 | 4.7小时/件 |
5 | 操作者 | 技能要求高,劳动强度大 | 技能要求低,劳动强度小 |
6 | 产品质量 | 质量损失大 | 质量稳定、可控 |
依通过TRIZ 理论工具,发现问题的根本矛盾,解决问题,从而提升盘榫槽底孔加工效率50%以上,为企业解决生产技术问题,提升企业核心竞争力,可对该问题解决方案和方法理论进行推广以及应用。
6.参考文献
[1]陆剑中,孙家宁.金属切削原理与刀具[M] 北京:机械工艺出版社,2002.
[2]张玉峰.薄壁环形件加工工艺方法的探讨. 贵州遵义:机械工程师,2008.
[3]阿奇舒勒著. 寻找创意 TRIZ入门. 北京 科学出版社,2013.