基于TRIZ理论的柔性垫圈测量检具设计

徐 龙，刘 元，欧 雷，朱 丽，陈俊佑，刘晓琴

（成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川成都 610073）

0 引言

在机械加工制造业中，特别是在航空类部分需要密封的零件生产中，通常要在零件中加装橡胶等柔性材料的垫圈。橡胶圈是一种需求量大、规格品种多、内径跨度大的密封介质，然而因其材料软，测量过程中常发生变形，导致测量不准确，进而引发因密封不严造成的漏油、漏气等故障，可造成飞行器安全隐患。因而，航空企业对此类柔性材料的检测方法或工具的改进需求极为迫切。

TRIZ（发明问题的解决理论）为设计的合理性和方案选择提供了有效的判断标准，使设计人员可以摆脱耗时、过程反复的传统试错式设计方法，提高设计效率[1]。通过运用TRIZ理论，使用物场分析、矛盾分析等方法作为切入点，利用DOE（试验设计），结合创新原理等工具，进而得到多种方案消除矛盾，经过方案比对，寻找到柔性材料测量检具设计的最佳方案。

1 TRIZ解决思路

TRIZ理论认为，发明问题的核心是解决冲突，产品进化过程就是不断解决产品冲突的过程，现场技术人员在设计过程中不断发现并解决冲突，是推动其向理想化方向进化的动力[2]。

目前，柔性尺寸检测方法是多次测量求平均值，每次测量会得到圆周两点距离，无数次测量，得到的无数点即形成圆。使用圆形工具检测圆形的垫圈类柔性材料零件，以往多使用塞规。如果要测量不同大小的零件，需要的塞规规格就会变多，不便于携带和操作；希望便于携带操作，需要的塞规数量就要少，因而产生既要多又要少的矛盾。TRIZ理论给出了四种分离原理来解决，根据其中的条件分离原理，选择17号发明原理“一维变多维”，单层排列的物体变为多层排列。塞规的检测部位即圆周，多个不同规格的圆周进行多层排列，应用一维变多维，容易联想到圆周从小到大的柱形塞规，解题思路如图1所示

图1 解题思路

2 及构建问题模型

为了准确建立TRIZ矛盾模型，把问题转化为物场模型进行分析：原有F1机械场，S1密封圈/垫圈等柔性材料零件，S2检测工具；以塞规作为检测工具，用力套入密封圈，很容易使密封圈变形，而实际检测需要的是密封圈在不受外力的自然状态时的尺寸。因此，使用机械场不能满足检测准确度和防止变形的要求，只要将塞规垂直放置引入重力场，让密封圈做自由落体就迎刃而解。

然而为了让密封圈在做自由落体运动后，无张力且不松弛地紧密贴合在塞规上，研究密封圈下落后和塞规贴合度的影响因素，引入针对高度和受力两因素三水平的DOE试验设计，如图2所示。其中P＜0.05时，高度和受力影响显著，因此设计方案在塞规上增加引导杆，并在引导杆上标注刻度，完善后的设计图如图3所示

图2 DOE试验设计

图3 设计思路演绎

3 基于TRIZ理论的柔性材料测量检具

根据柔性材料测量的特点，运用TRIZ理论找到相应的发明原理，并得到解决思路，结合配合零件的实际结构，提供一种操作方便、效率高、检测精度高、适用规格范围广的通用检测装置[3]。柔性材料测量检具包括一个锥台柱体，其特征在于，所述圆锥台柱体锥度值为1∶10，在该圆锥台柱面的母线方向刻制有刻度线，每一刻度值对应着不同规格的橡胶圈内径。定向轴上，并用压紧螺母压紧。将工具安装于零件的深孔腔内，尾部用垫片和端面螺母进行固定拉紧，当基体零件摆放至水平位置时，对矩形长槽口进行直线度测量，通过调整工装，保证水平精度，通过钻模板上面的钻套作为引导，利用摇臂钻床加工零件的半圆键槽。既满足总体装配的位置精度要求，又满足各自零件半圆键槽位置精度要求的目的。

橡胶圈内径所允许的最大值d1=D1-h1/10，橡胶圈内径所允许的最小值d2=D1-h2/10，且有h2-h1=10（D1-d2-D1+d1）=10（d1-d2）=10Δd（10倍公差带）。其中，D1为锥台柱体底部直径，h1为锥台柱体底部到橡胶圈内径所允许的最大值之间的垂直距离，h2为锥台柱体底部到橡胶圈内径所允许的最小值之间的垂直距离，Δd为公差带。

根据通常橡胶圈的规格范围Φ6～Φ100 mm，本实用新型橡胶圈内径检测装置分段设计了4组锥台柱体，用于检测不同直径规格的橡胶圈（表1）。检测前，将所需检验的橡胶圈内径所对应的锥台柱体与底座用螺钉连接，平放在工作台面上，检测时，让橡胶圈从上自然落下，目视橡胶圈卡在锥台柱体上的刻度值，若在内径公差上下限之间即为合格，如图4～图6所示。

表1 本实用新型橡胶密封圈内径检测装置mm

图4 通用检测装置原理

图5 通用检测装置立体结构

图6 检测装置刻度

检具的圆锥台周边均匀刻上刻度，使锥体部分上显示密封圈所允许的最大与最小直径之间相隔较远，在无外力变形的情况下让橡胶密封圈自然落进圆锥台柱体，减少了外力作用下的检测误差，套入密封圈后很容易看出其是否符合图纸要求。一套检测装置能满足多品种密封圈规格的通用，可快速检测规格多、批量大的多种截面形状的（矩形、O形、D形）圆橡胶密封圈。检测方法简易方便、快速准确，节省了检测成本。

4 结语

机械行业中的柔性材料垫圈是涉及到密封效果的重要零件，如果存在质量隐患，将会造成重大的安全事故。创新运用TRIZ理论解决矛盾冲突，对柔性材料垫圈的测量检具进行设计。通过TRIZ理论的物理冲突矛盾，DOE试验设计层层递进的分析，进一步得到检具设计的解题思路，从而得到柔性材料垫圈的通用检具设计方案，方案完美地解决了柔性材料类垫圈测量时易变形、弹性变形量大、公差不易控制等诸多问题。