TRIZ方法在解决铸型刮砂成型过程中型砂坍塌问题中的应用

2016-06-17共享铸钢有限公司马文治苏志东

科技创新与品牌 2016年2期

关键词：功能分析

文/共享铸钢有限公司　马文治　苏志东

文/共享铸钢有限公司马文治苏志东

摘要：本文通过使用TRIZ功能模型、因果分析、技术矛盾和物场模型等工具，探讨了TRIZ方法在解决铸型刮砂成型过程中型砂坍塌问题中的应用。

关键词：TRIZ；功能分析；技术矛盾；物场模型

TRIZ 是由前苏联海军部专家阿奇舒勒创立的，他被誉为TRIZ 之父。从1946 年开始，他通过对数以百万计的专利文献进行研究，提炼出一套解决复杂技术问题的系统方法[1]。

TRIZ理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。实践证明，运用TRIZ理论，可大大加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品[2]。

如图1所示，TRIZ工程问题解决的流程为将分析待解决的工程问题，转化为TRIZ的问题模型，然后应用TRIZ解决问题模型，提出解决方法，并将解决方案落实到实际问题中。本文以解决铸型刮砂成型过程中型砂坍塌问题为例，讨论TRIZ理论在解决工程问题中的应用。

图1　TRIZ工程问题解决流程

1　问题描述

大型铸钢件通常采用树脂砂造型，一般情况下都选取木模或消失模作为铸造模具。随着市场竞争的不断加剧，高质量、低成本、短周期的成型方法已经成为铸造企业研发的重点之一。树脂砂刮砂成型在环形铸件的制造中，可以减少模具的制造费用及制作周期，但是由于树脂砂刮砂成型砂型表面强度低、光洁度差，尤其是在成型接近90°陡峭面的过程中容易坍塌的问题，严重制约铸件半成品的质量，进而影响铸件质量。如何防止刮砂成型过程中型砂坍塌，成为当务之急。

图2　树脂砂刮砂成型系统

2　问题分析

2.1功能分析

为了实现环类结构铸件砂型的快速成型，公司设计了树脂砂刮砂成型系统，该系统是由转动机构（转动轴、套筒、支架、横梁）、刮板、树脂砂、砂箱、工作平台组成，如图2所示，系统通过转动机构带动刮板，将树脂砂刮制出具有刮板型线形状的回转体砂型。

该树脂砂刮砂成型系统的工作原理是：根据铸件的回转特性，将刮板安装至带有转动机构的中心轴上，在砂箱中刮制出具有刮板形状的砂型，以达到成型的目的。

该树脂砂刮砂成型系统的作用对象是树脂砂，各组件之间的相互关系以及作用为：刮板刮树脂砂，支架固定刮板，转动轴固定支架，横梁固定转动轴，套筒导向转动轴，树脂砂固定套筒，砂箱支撑横梁，砂箱还有挡树脂砂的作用，工作平台支撑转动轴、套筒、树脂砂，相互作用如图3所示。在实际生产中，刮板在刮制图3A部位时，由于刮板对树脂砂的作用不充分，很容易出现树脂砂坍塌的问题。

图3　树脂砂刮砂系统功能模型图

2.2因果分析

树脂砂刮砂成型过程中，树脂砂坍塌的原因可使用图4所示的因果链分析，究其原因有两点：其一是如前所述的刮砂过程中刮板对树脂砂的作用不充分，压力太小，不足以使树脂砂紧密固结在一起；其二是树脂、固化剂加入比例小，导致树脂砂粘结强度不足。

图4　树脂砂刮砂面坍塌因果链分析

3　问题解决

3.1技术矛盾

所谓技术矛盾是指用已知的原理和方法去改进系统某部分或某些参数时，不可避免地会出现系统的其它部分或参数变坏的现象[3]。例如：质量和强度、汽车的速度和燃料耗费等等。

阿奇舒勒通过对大量发明专利的研究，抽象出39 项产生系统矛盾对立的典型技术特性，又在此基础上给出了40 个发明创造原理[3]，提示设计者最有可能解决问题的方法，它成为解决技术矛盾的关键。

在本文研究的问题中，针对树脂砂坍塌的第二个原因，提出技术矛盾：

技术矛盾1：增加型砂中树脂、固化剂的加入量，树脂砂容易固结，且粘结强度高，坍塌不容易发生，但是型砂可使用时间会缩短，树脂固化剂反应后刮制，会造成型砂表面质量下降；

技术矛盾2：不增加型砂中树脂、固化剂的加入量，树脂砂可使用时间不会缩短，树脂砂表面质量不会下降，但是树脂砂不容易固结，而且粘结强度低，刮砂面就容易发生坍塌。

从以上技术矛盾中找到改善的技术参数是14“强度”，恶化的技术参数是32“可制造性”。为了解决这一矛盾，对照阿奇舒勒矛盾矩阵[2]，提供了4种发明原理，分别为1号“分割原理”、3号“局部质量原理”、10号“预先作用原理”、32号“颜色改变”。通过对这些原理的比较，从发明原理1中提出解决方案1：树脂砂内层树脂、固化剂加入量增加，表面树脂固化剂加入量减少，以及解决方案2：在刮砂过程中树脂砂逐层刮制，以树脂砂可成型的高度为层高进行刮制；从发明原理3中提出解决方案3：将砂型分割成多块，加厚刮板的厚度，分段刮制；从发明原理10中提出解决方案4：刮制的时候内部用直径5～10mm圆钢制作钢筋架，来加强树脂砂的强度。从发明原理32中未找到适合本问题的方法。

3.2物场模型

物场模型是TRIZ对与现有技术系统相关问题建立模型的工具，是技术系统中最小的单元，由两个元素以及两个元素间传递的能量组成，执行一个功能。阿奇舒勒把功能定义为两个物质（元素）与作用于它们中的场（能量）之间的交互作用，也就是物质S2通过能量F 作用于物质S1产生的输出（功能）[4]，如图5 所示。

图5　物场模型

表1 方案评价表

物场模型在解决效应不足的问题时，提供的一般解法有3种：1）增加另外一个场F2（或者F2和S3一起）替代原来的场F1（或者F1及S2）；2）增加另外一个场F2来强化有用的效应；3）插进一个物质S3并加上另一个场F2来提高有用效应[2]。

在本文研究的问题中，针对刮板对树脂砂的作用不充分，利用物场模型进行分析。物场模型如图6所示，刮板通过机械场对树脂砂有刮的作用，但是此作用不充分。根据物场模型提供的第3种解法，对此工程问题提出解决方案5：增加一个滚动轮S3，刮板刮树脂砂后，再给树脂砂一个滚动的压力，增加压力，防止树脂砂坍塌。

图6　刮砂成型的物场模型

3.3方案评价

从消除矛盾、产生新的危害、投入成本、复杂性以及可行性5个方面，按照0/1/2三个等级分值越大代表越有利于消除矛盾，产生的新危害越小，投入的成本越低，系统越简单，可行性越高，对以上解决方案进行评价，并对5种解决方案进行优先级排序。如表1所示，得分最高的方案5为优选方案，其次是方案1、方案2、方案3、方案4。