基于TRIZ设计解决大型薄壁盘形铸钢件的翻转变形问题

文/宁夏职业技术学院 罗永 宁夏科技发展战略和信息研究所 韩博

基于TRIZ设计解决大型薄壁盘形铸钢件的翻转变形问题

文/宁夏职业技术学院 罗永 宁夏科技发展战略和信息研究所 韩博

1.引言

采矿业是国民经济发展的基础性产业，矿山机械在矿业发展中不断发展进步。自工业革命起，矿山机械经过多年的发展，已经集成现代多种科学技术成果，形成了数字化控制、集约化模块化生产、成套全流程组装生产、高度集成的机电液一体化的系统性机械工程。通过多年的发展，矿机制造业已成为我国重型机械工业体系的重要一环，是我国工业实力和矿产开发能力的重要标志。改革开放30多年来，我国矿山机械制造业经历了引进、消化、吸收国外先进技术、合作设计和合作制造、自主设计的发展道路，特别是在实施《国务院关于加快振兴装备制造业若干意见》的推动下，矿山机械制造业基本实现了两大转变：一是产品开发由仿制型向自主创新型转变；二是经济运行由粗放型向效益型转变。市场需求在带动矿山机械制造业经济增长的同时，更促进了整个行业的技术进步，涌现了一批具有自主知识产权的重大新产品。基于矿山机械的快速发展，宁夏职业技术学院通过设计与实验攻克大型异形螺纹的精加工，满足技术与使用要求，提升行业产业的竞争力。

本文主要论述了利用TRIZ创新方法对大型薄壁盘形曲面铸钢件翻转过程中变形问题的解决。该工件直径12.5米，壁厚5厘米。由于铸件直径大、壁薄、挠度大，在翻件的过程中容易变形，造成工件的报废或者返修，严重影响着生产效率和质量。

2.系统的工作原理及主要问题

圆锥破碎机（图1）作为矿山机械的主要产品，主要包含以下3中产品：主机架（图1-1），锥体（图1-2）、调节环（图1-3）、短头/立柱（图1-4）。这4种产品中，每一种产品都有1～2处精度要求非常高的部位，比如，主机架关键部位在于主轴孔和驱动轴孔的加工，调节环和短头/立柱主要在异形螺纹的加工。

本课题主要针对大型矿机盘形件，由于其质量大、直径长，超过了公路运输的宽度限额，因此分为两半进行机械加工，分别加工好后运输到口岸，组装好再通过海上交通工具运往国外。组装时是通过螺栓实现无间隙的精密配合。

图1 主机架装配图

图1-1 完成包装的主机架

图1-2 装配过程中的锥体

图1-3 完成装配的调节环

图1-4 完成装配的短头立柱

该矿机件的精密机械加工需要加工内腔外壁（图2）和内腔（图3）两面，两面的加工过程原理：毛坯件 → 振动时效→ 划线 → 找准找正 → 镗铣面钻孔 →翻件加工另一面。要求加工精度达到0.05mm，采用数控镗铣床、通过积分编程程序控制机床加工，加工后进行测量误差不大。

加工完内腔之后进行翻件，由于配合处精度要求不超过0.05mm，因此稍微的变形将影响精密配合。由于条件限制，吊件翻转过程中很容易出现变形的现象，从而使两半铸件无法实现精密配合。目前的调运翻转是通过简单的吊车用吊带拴在吊把上进行调运翻转，翻件过程中当铸件位置达到一定的空间位置时，就会出现局部变形。

图2 矿机件外壁示意图

图3 矿机件内腔示意图

3.系统分析

针对以上问题，采用系统分析方法对系统进行全面分析。通过完备性法则分析得知，外部控制为人，系统的能量源为机械能，动力装置为电机，传动装置为吊车的吊带，执行装置为吊车的吊钩以及盘件上的吊把，最终的产品为精加工工件。通过系统完备性法则分析，可以梳理清楚该调运翻件系统的关键操作：即通过吊带带动吊钩对工件吊把进行调动和翻转。厘清系统功能，对于后续的分析解决问题提供清晰的思路。

对于该系统，进行系统组件分析，组件间的相互作用分析并建立功能模型图如下：

通过功能模型，确定有问题的组件和有问题的功能，应用功能裁剪进行创新。有问题的组件和功能：吊把对于加工件的吊运翻转导致铸件的局部变形。裁剪可以向以下两个方向考虑：1）裁剪掉吊把对于工件的吊运作用，将不会导致局部变形；2）裁剪掉翻运的功能，将不会产生这种问题。

从功能模型图中可以看出吊把和支垫物是系统中存在的较大的问题，如果剪裁掉吊把和支垫物，系统不会出现问题，那么从剪裁吊把开始。

通过以上裁剪方式可以得到方案一：裁剪掉吊把对于工件的吊运作用，用中心孔或者其他方式替代吊把的作用。

4.矛盾分析

对于该问题来说，可以通过技术矛盾（Technical Contradiction，TC）分析如下：分析1：如果翻转工件力量大，那么可以进行铸件的翻转，实现第二个面的加工，但是翻转会造成变形； 分析2：如果翻转工件力量小，那么不会造成铸件的变形，但是不能实现铸件的翻转，从而不能实现第二个面的加工。

因此通过矛盾矩阵表以及相应的发明原理，可以得到方案二：再次分割铸件，使铸件重力足够小，而且拉力分散在整个铸件上而在翻转时不会导致变形。

对于该问题来说，可以通过物理矛盾（Engineering Contradiction，EC）分析如下：

分析1：翻转力应该大，以满足翻转要求 ；分析2：翻转力应该小， 以满足工件质量的要求。使用系统级别分离原理得到方案三：设计吊具，使工件整体受力比较大，能够满足翻转的要求；分散到铸件上每一部分的力又非常小，不至于造成铸件变形。

5.结论

综上，方案一具有效率高、适用性好、成本低的特点，可以满足精加工最终交货质量要求；方案二不具有可操作性，又难以达到顾客要求的交货质量；方案三则需要工装，虽然可以一定程度减小变形，但是需要重新设计与制作工装，增加了成本，经济性差。

所以，我们最终选择使用方案一裁剪掉吊把对于工件的吊运作用，用中心孔替代吊把的作用对工件进行调运翻转，通过分散受力，避免工件的变形，从而保证了配合面的精度要求，保障了产品质量。

责编/刘红伟

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