基于TRIZ和Pro/Innovator改造刃具干磨工藝系統(tǒng)

2013-08-05 by:ProE/Croe培訓(xùn)中心來(lái)源:仿真在線

1 工況背景及問題描述

刀具刃部表面質(zhì)量是決定刀具耐用度的關(guān)鍵指標(biāo)之一, 通常要求都在R_a0. 2- 0. 4 以上。刃磨工藝系統(tǒng)就是對(duì)淬火后的車刀、銑刀、滾刀以及絲錐、鉆頭刀等各類刀具進(jìn)行刃部磨削所必備的最終精加工工藝系統(tǒng), 直接形成并決定刃部質(zhì)量。由于刀具刃部型面復(fù)雜, 為便于操控, 刃磨工藝系統(tǒng)多采用干式磨削, 即用旋轉(zhuǎn)砂輪直接磨削刀具刃部表面, 不澆注冷卻液。因此, 干式刃磨工藝系統(tǒng)本身不帶冷卻液系統(tǒng)。干式刃磨工藝系統(tǒng)的組成如圖2 所示, 磨削過程是由砂輪上的剛玉砂鋒利的銳棱對(duì)刀具零件進(jìn)行切割來(lái)完成的。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 操作靈活方便而在刀具制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

干式刃磨工藝系統(tǒng)本身不帶冷卻液供應(yīng), 并使砂輪懸伸出來(lái), 這帶來(lái)了兩個(gè)嚴(yán)重的問題。其一, 干式磨削時(shí)所產(chǎn)生的磨削熱不易散發(fā), 磨削表面溫度很高, 容易出現(xiàn)表面退火、燒傷等現(xiàn)象致使刃磨的刀具報(bào)廢, 嚴(yán)重影響磨削效率, 因而加工中的吃刀量不能太大; 其二, 由于所刃磨的刀具一般經(jīng)過了熱處理, 硬度高、型面余量分布不均勻, 砂輪懸伸磨削時(shí)振動(dòng)大, 磨削表面粗糙( 往往達(dá)不到R_a0. 4 以上) , 致使刀具刃部表面質(zhì)量不合格, 并且過大的振動(dòng)還容易引起砂輪破損, 影響工人操作安全和砂輪耐用度。

本文借助TRIZ 理論和億維訊( IWINT) 開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新(CAI) 軟件Pro/ Innovator5. 0, 給出了問題解決方案。

2 解決思路和關(guān)鍵步驟

2. 1 分析磨削效率問題

干式刃磨工藝系統(tǒng)本身不方便使用冷卻液, 砂輪的砂粒在切削過程中缺乏潤(rùn)滑, 摩擦力增大, 型面因熱處理變形造成余量分布不均勻, 磨削表面質(zhì)量差, 砂輪易破損。而且干式磨削所刃磨的刀具一般經(jīng)過了熱處理, 淬火后的硬度很高, 砂輪懸伸磨削時(shí)振動(dòng)大。同時(shí), 由于對(duì)金屬的切除會(huì)使砂輪出現(xiàn)粘屑堵塞現(xiàn)象, 妨礙了砂輪磨削過程中的自銳能力, 砂粒在磨鈍后既不易自動(dòng)破碎產(chǎn)生新的鋒利的切削刃, 也不易自動(dòng)從砂輪粘結(jié)劑處脫落, 致使切削過程中的摩擦力加劇, 產(chǎn)生大量不易散發(fā)的磨削熱, 導(dǎo)致磨削表面溫度很高, 限制了加工中的切削用量, 從而嚴(yán)重降低了磨削效率。如果要使用冷卻液, 刃磨工藝系統(tǒng)就需要增加密閉的冷卻液隔離系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng), 并改進(jìn)操控系統(tǒng)等來(lái)保證工人的正常操作, 十分復(fù)雜, 操作也不方便。因此, 要設(shè)法改善的技術(shù)參數(shù)是不澆注冷卻液所引起的有害因素, 而由此帶來(lái)的問題將使刃磨工藝系統(tǒng)變得復(fù)雜。

(1) 將技術(shù)矛盾的兩方面抽象為軟件分析所需要的技術(shù)參數(shù)

改善的參數(shù): 31 物體產(chǎn)生的有害因素。

惡化的參數(shù): 36 系統(tǒng)的復(fù)雜性。

(2) 由技術(shù)矛盾矩陣中得到相應(yīng)的創(chuàng)新原理

如圖3 所示, 在創(chuàng)新軟件Pro/ Innovator5. 0 中, 利用矛盾矩陣對(duì)應(yīng)第31 行第36 列得到3 條創(chuàng)新原理所構(gòu)成的解集: 19、1、31, 它們分別對(duì)應(yīng): 周期性作用、分割和多孔材料。

(3) 依據(jù)提供的創(chuàng)新原理分析問題并尋求解決方案

在解決問題的過程中, 可以應(yīng)用TRIZ 創(chuàng)新原理31(多孔材料原理) 。并且在該創(chuàng)新原理后面所給出的實(shí)例中, 還找到了可供參照的TRIZ 創(chuàng)新原理實(shí)例, 即樹脂對(duì)磨石粘接劑孔眼的填充防止粒子對(duì)孔眼的阻塞。

應(yīng)用多孔材料原理并參照該創(chuàng)新實(shí)例, 考慮在砂輪的孔眼中事先填充某種固體潤(rùn)滑物質(zhì), 既能對(duì)磨削過程起潤(rùn)滑作用, 減小摩擦發(fā)熱, 又能防止磨削過程中砂輪孔眼的粘屑堵塞現(xiàn)象, 改善砂輪的自銳能力,保持砂粒切削刃的鋒利, 進(jìn)一步減小摩擦發(fā)熱。

于是, 利用軟件的解決方案查詢功能, 通過關(guān)鍵詞查詢: solid < AND> lubricant, 在得到的諸多方案中, 找到可參照的解決方案: 噴涂團(tuán)聚粉顆粒將固體潤(rùn)滑劑送入等離子體涂層中。如圖5 所示, 該方案中提到的固體潤(rùn)滑劑, 包括二硫化鉬、氮化硼、氟化鋰化合物或石墨等都可選用。

進(jìn)一步利用軟件的專利查詢功能, 通過查詢問題輸入: 向砂輪中填充固體潤(rùn)滑劑( fill solid lube into grinding wheel) , 如圖6 所示, 得到美國(guó)專利中利用油填充固體潤(rùn)滑劑的相關(guān)信息:

“美國(guó)專利# 6567212, Vibration damping device for microscopes and microscope with a vibrat ion damping device, 05/ 20/ 2003 專利權(quán)人: Leica Microsystems Heidelberg GmbH (Mannheim, DE) 發(fā)明人: Engelhardt; Johann ( Bad Schoenborn,DE) ; Storz; Rafael ( Bammental, DE)”

因此, 可以考慮向砂輪中浸滲用油稀釋后的固體潤(rùn)滑劑的填充方式。稀釋劑可以選擇受熱易于氣化的切削油, 向其中添加細(xì)粒度的石墨或二硫化鉬粉劑等固體潤(rùn)滑劑, 攪勻后, 將硬度適中的砂輪浸滲其中。這樣不僅能利用砂輪孔眼的毛細(xì)效應(yīng)吸附切削油與固體潤(rùn)滑劑的混合液, 還適當(dāng)?shù)貪駶?rùn)了砂輪,在磨削中能起潤(rùn)滑減摩作用, 同時(shí)借助摩擦熱使得切削油氣化, 帶走大量切削熱, 能有效降低切削區(qū)溫度, 改變干式磨削為半濕磨削, 并不影響工人操作。這樣一來(lái), 磨削效率問題得到了有效解決。

2. 2 分析磨削表面質(zhì)量問題

(1) 提取待解決問題的技術(shù)矛盾

如果要改變砂輪的懸臂安裝方式, 提高砂輪桿的剛性并增加砂輪的磨削強(qiáng)度, 這樣會(huì)影響到砂輪對(duì)刀具復(fù)雜刃部形狀的適應(yīng)性, 從而使很多刀具的端齒側(cè)刃由于受干涉而無(wú)法刃磨。因此, 需要改善的技術(shù)參數(shù)是強(qiáng)度, 而由此帶來(lái)的是砂輪對(duì)刀具復(fù)雜刃部形狀的適應(yīng)性變差的問題。

(2) 將技術(shù)矛盾的兩方面抽象為軟件分析所需要的技術(shù)參數(shù)

改善的參數(shù): 14 強(qiáng)度。

惡化的參數(shù): 35 適應(yīng)性、通用性。

(3) 由技術(shù)矛盾矩陣中得到相應(yīng)的創(chuàng)新原理

在Pro/ Innovator5. 0 中, 利用矛盾矩陣對(duì)應(yīng)第14行第34 列得到3 條創(chuàng)新原理所構(gòu)成的解集: 15、3、32, 分別對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)特性原理、局部質(zhì)量原理和顏色改變?cè)怼?

(4) 依據(jù)提供的創(chuàng)新原理分析問題并尋求解決方案

在解決問題過程中, 可以應(yīng)用TRIZ 創(chuàng)新原理15( 動(dòng)態(tài)特性原理) 和3( 局部質(zhì)量原理) 。結(jié)合這兩個(gè)原理, 可以考慮對(duì)砂輪局部進(jìn)行改進(jìn), 使砂輪針對(duì)余量的變化有一定適應(yīng)性, 能夠適當(dāng)做出動(dòng)態(tài)調(diào)整,避免引起砂輪桿過大振動(dòng)和帶振強(qiáng)制磨削而導(dǎo)致砂輪破碎。

改進(jìn)砂輪的目的是要減振, 利用軟件的解決方案查詢功能, 通過功能非結(jié)構(gòu)化查詢: decrease vibration, 在得到的幾個(gè)方案中, 可參照特例解決方案:泡沫橡膠減小振動(dòng)。從方案附加信息可知, 氯丁( 二烯) 橡膠可用作泡沫橡膠。因此, 可以得到問題的類比解決方案為在砂輪與砂輪桿之間添加泡沫橡膠減振套。

采用了泡沫橡膠減振套, 砂輪在磨削余量發(fā)生變化情況下具備了一定的彈性調(diào)整適應(yīng)能力, 能夠減小砂輪桿的顫動(dòng), 改善磨削表面質(zhì)量, 避免強(qiáng)振動(dòng)磨削所導(dǎo)致的砂輪破碎。至此, 磨削表面粗糙問題可以得到有效解決。

3 生成備選方案

利用Pro/ Innovator 5. 0 還可以生成備選方案: 在砂輪的孔眼中事先填充固體潤(rùn)滑物質(zhì); 選用石墨、二硫化鉬等固體潤(rùn)滑劑; 改變干式磨削為半濕磨削; 在砂輪與砂輪桿之間添加泡沫橡膠減振套。

4 方案評(píng)價(jià)

應(yīng)用Pro/ Innovation 5. 0 軟件的方案評(píng)價(jià)模塊,選擇基于專利權(quán)重的客觀評(píng)價(jià), 輔助備選方案的選擇。

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