基于TRIZ 理论的薄壁类箱体零件加工夹具创新设计研究

龙敦鹏，朱 浩

（湖南有色金属职业技术学院，湖南 株洲 412000）

引言

箱体零件是机械设备或者某个部件的零件。基于可以连接机器中各种的轴、套等零件，箱体零件能有效保证各个零件之间的传动关系，并且帮助零件拥有持续的，可以传递的驱动力。因此，必须要保证箱体的质量，从而实现机器的运行顺利。同时也能减少机器的损耗，延长机器的使用寿命。目前，基于TRIZ 理论的设计被广泛运用于各种产品设计中。因此，可以利用TRIZ 理论对薄壁类箱体零件加工夹具进行创新设计。

1 箱体零件简介以及设计要求分析

1.1 箱体零件简介

箱体类零件的加工质量会直接影响到整个机器的运行情况[1]。如果零件不够好，一定会磨损机器，甚至导致安全隐患，影响机械的正常运转。一般而言，箱体零件的壁厚很薄，如果是只有1 cm 厚的箱体，就叫做薄壁箱体。这种薄壁箱体的结构是非常复杂的。加上重量也轻，箱体缺乏一定的刚性。因此，在真正加工箱体时，就需要格外注意加工工艺以及施工过程，以确保对工件加工的质量。

在传统的箱体零件夹具设计中，有关零件的定位，压紧力和加工的可达到性，都是非常重要的。压紧力越大，压紧效果会越好，但是容易导致工件发生变形，甚至干涉到工件本身的工作。而压紧力越小，压紧效果就会越差，工件不易受损，也不会影响到工件的功能实现。因此，为了保证工件的质量，就需要基于工件的设计要求，合理设计出符合工件功能的压紧力，这样才能保证工件制造的有效精度[2]。在实际的设计中，夹具设计工人为了找到适合工件的压紧力，就会操作许多实践性的实验。基于实验的大量数据，设计人员一般都能找到最适合的压紧力大小范围。然而，这种基于实验的方法，缺乏一定的创新设计。尤其是在发展迅速的今天，很容易因为设计不够先进，导致工件的加工应用不强。浪费人力的同时，也会造成一定的经济损失，不利于资源的有效利用。因此，需要积极结合先进的理念，结合先进的方法，有效促进工件的创新设计。目前，TRIZ 理论在国外已经得到了广泛应用，且效果很好，尤其适用于机械工程各种零件的加工。但是在国内应用不广，还处于起步阶段。为了保证箱体零件的加工，设计人员就可以积极采用TRIZ 理论，有效提升薄壁类箱体零件的加工质量。

1.2 箱体零件的设计要求分析

传统的薄壁类箱体零件加工夹具的定位方式较差。基于一面两销，零件加工夹具可以限制住工件的自由度，并最终实现定位的功能。而压紧工件时，一般会使用到刚性压板和底部的支撑。然而实际上，因为薄壁类箱体比较脆弱，厚度不够。这使得加工中工件很容易出现振动的情况，这非常不利于整个零件的运行。因此，在实际的应用过程中，还需要额外加上4 个压板加强对于工件的预紧力，以避免工件的振动。即使这样，加工完成后，也很容易发现加工表明的一些振纹，从而影响到整个加工的质量，甚至无法满足实际的设计要求。因此，就需要重新改进方案，以实现定位和压紧好箱体零件，同时也要减少对于工件的干涉等不良影响。除此之外，新的方案也需要操作简单，以有效避免人为因素的影响。

2 建立TRIZ 问题模型

TRIZ 是在技术系统演变过程中出现的新的问题解决系统。在TRIZ 理论中，产品就如同生物系统，也会有一定的规律。所以产品的进化过程就是解决产品本身矛盾的过程。基于发现产品技术中的矛盾解决产品技术中的矛盾，产品才能不断进步，更加满足人们的需求。

基于前面对于传统的零件加工分析，可以发现箱体零件加工夹具系统中的技术矛盾。首先，工件一定要有一定的压紧力，这样才能固定好工件[3]。但是因为压紧力太大，很容易导致工件变形，这不利于工件的运行效率，也会减少工件的使用寿命。二是需要增加工件的刚性。基于辅助支撑，可有效实现增加工件的刚性。但同时因为辅助支撑的存在，反而会影响工件的加工过程。因此，就需要借助于TRIZ 理论，有效描述出工件加工中的问题。同时，再将这个矛盾转化成TRIZ 理论中的工程参数。基于专家提出的有关工程的各种参数，最后总结出来39 个通用工程参数。具体而言，可以用这39 个通用工程参数定义出箱体零件加工的技术矛盾。

2.1 技术矛盾一

提高的参数：力。即可以通过改善工件的参数，去改变工件受力状况。

恶化的参数：系统的复杂性。即这会增加系统的复杂性，改变系统结构。

2.2 技术矛盾二

提高的参数：稳定性。即通过增加辅助支撑，可以增加工件的刚性，降低整个工件加工中的振动。

恶化的参数：可制造性。即辅助支撑也会引起不必要的干涉，影响工件加工的可制造性。

至此，已经建立了有关零件加工的TRIZ 理论模型。并且将待解决问题转换成了问题模型。

3 运用TRIZ 工具产生的解决方案模型

经过研究发现，在所有的专利中，即使其中内容各不相同，但是因为解决问题的思路大相径庭，因此，研究专家就基于此，研究出了解决问题时常用的40 种创新原理，以有效作为问题解决的思路。

在针对技术问题的矛盾中，TRIZ 发明者确定出39 个工程参数和40 条发明原理，以及发现了工程参数和发明原理之间的对应关系[4]。基于这些基础，TRIZ 理论能有效解决工程中的一些问题。具体而言，首先，可以确定好技术的问题。然而再根据对照问题冲突矩阵，合理查找到对应的创新原理。之后，再根据对应的创新原理，加上对于矛盾的分析，综合性考虑整个结构的设计以及技术系统的功能性。这样通过实际的TRIZ 理论，就可以产生出TRIZ 问题模型的解决办法，实现有效定位问题的功能，并且最终找到解决问题，以促进工程的更好建设和发展。

4 加工夹具创新方案设计

基于前面的“发现矛盾，找到创新原理，综合考虑”三个具体的步骤，可以有效找出加工夹具中问题解决的两个创新原理，即复制原理和事先防范原理。利用这两种原理，可以改进箱体零件的压紧机构，并最终设计出新型的环形压紧机构。同时，为了保证工件的稳定性，还额外增加了辅助支撑结构[5]。具体而言，在新的环形压紧机构中，夹具底座是被左右支架夹住固定起来的。相比起传统用4 个压板支撑的方式，这种左右支架固定的方法更可靠。不仅操作更加简单，且机构加得更紧，也有效避免了因为压紧力而让工件振动变形的不良后果。

而在新的辅助支撑结构中，则有效利用了箱体零件尾部凸起的部分。基于箱体尾部，工件两边直接被抱夹，两侧也被固定住。这既能保证工件辅助支撑的效果，也保证了箱体零件的刚性，没有对零件产生不良影响[6]。

然而，为了真正保证TRIZ 理论的有效应用，还需要综合性的去考虑到其他因素。除了基本的压紧机构与辅助支撑外，还要考虑到侧向支撑机构等，这样才能更加有效地保证整个系统的合理性和科学性。保护好零件的同时，也能提升使用性能，

5 结果对比

和传统的箱体零件加工夹具相比，运用TRIZ 理论改进后的夹具质量更好。不仅尺寸公差和形位公差在设计要求合理的范围之内，其工件的变形量也减少了很多。比如，工件左端的圆形腔体，变形量基本保持在0.02～0.05 之间，很好地满足了系统设计的要求。而工件左端电机与轴承的安装孔同轴度也达到了合理的范围内。除此之外，工件表面也有很大的改善。相比起以前比较粗糙的表面，如今的工件更加平整光滑。

6 应用TRIZ 理论的注意事项总结

对于设计人员来讲，通过应用TRIZ 理论，有效实现了对薄壁类箱体零件加工夹具的创新设计。基于TRIZ 解决问题的理念，保证了薄壁类箱体零件加工的质量稳定性，同时也为箱体零件夹具创新设计提供了很多很好的思路。这不仅有利于我国薄壁类箱体零件加工技术水平的提升，也为相关的加工人员积累了很不错的夹具设计经验。对于设计人员来说，利用TRIZ 理论，解决创新设计中问题的效率也非常高且实用性强，很大程度上能减轻工作人员的工作量。但是为了保证TRIZ 应用的效果，必须要加强设计人员的对于TRIZ 的运用技巧和专业知识。尤其是对于刚开始使用TRIZ 理论的设计人员来讲，如何将自己传统的零件加工经验，和自己的专业知识，以及TRIZ 理论和解决问题的办法有效结合起来，是非常关键的。只有设计人员能够很好地衔接好三者，才能真正发现薄壁类箱体零件加工的问题，并且有效运用TRIZ 理论去解决问题。

除此之外，在真正应用TRIZ 理论时，薄壁类箱体零件的加工夹具的设计结构依旧不够好。很多细节以及结构问题都需要反复的实验，以及基于用户使用薄壁类箱体零件后的评价与反馈等，合理进行改进和优化。只有能真正优化其结构设计，并且进一步进行科学的试验研究，才能不断完善薄壁类箱体零件加工夹具的结构，降低薄壁类箱体零件的生产成本。最关键的，经验的积累也是友好促进TRIZ 创新理论的重要内容。通过需结合工作中的实例，努力在实际中去学习，逐渐基于实践领会TRIZ 理论精髓，从而实现理论与实践的有效结合。对于设计人员而言，只有在实践中不断进步，加深对于理论的理解和感悟，同时也能基于理论去展开各种零件的加工，才能有效实现TRIZ 理论和薄壁类箱体零件加工夹具设计之间的相互促进。

7 结语

运用TRIZ 理论可以有效促进工件的实用性，同时也能增加工件的刚性，保证工件有效运转的同时，也能很好地延长工件的使用寿命。对于TRIZ 理论而言，基于“发现矛盾，找到创新原理，综合考虑”三个具体的步骤，能有效解决工程中的问题，真正实现工程的改进和发展。因此，相关的技术人员一定要积极应用TRIZ 理论，尽量用科学的原理，找到实际解决问题的办法，以促进技术的发展。