數(shù)控訓(xùn)練|基于TRIZ理論的飛機(jī)蜂窩芯零件數(shù)控加工固持方法研究
隨著現(xiàn)代飛機(jī)對(duì)疲勞壽命、結(jié)構(gòu)剛性和重量控制等性能要求的提高以及航空制造技術(shù)的發(fā)展，新型復(fù)合材料在現(xiàn)代飛機(jī)上的使用比率逐漸提高。芳綸紙蜂窩芯具有耐熱、比強(qiáng)度大、比剛度高、抗沖擊、絕緣和重量輕等特點(diǎn)，因此被廣泛使用在現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域中。芳綸紙蜂窩芯呈六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，六邊形孔壁極薄，壁厚僅0.03-0.05mm，蜂窩結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
由于該類蜂窩芯的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其具有橫向結(jié)構(gòu)不連續(xù)、剛度小和軸向材料連續(xù)、剛度大、耐沖擊性高的特點(diǎn)，主要作為填充物被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼中。然而，由于蜂窩芯結(jié)構(gòu)和數(shù)控切削的特點(diǎn)，以及未來(lái)航空領(lǐng)域?qū)︼w機(jī)蜂窩芯零件要求的逐漸提高，對(duì)蜂窩芯零件的高效、優(yōu)質(zhì)加工提出了更高的要求，尤其體現(xiàn)在其固持技術(shù)上。當(dāng)前的蜂窩固持方案主要存在蜂窩芯固持不牢、脫膠拉起和固持成本高等問(wèn)題，成為制約蜂窩芯高效優(yōu)質(zhì)加工的重要技術(shù)瓶頸。為降低該類蜂窩芯因固持不牢而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，企業(yè)對(duì)傳統(tǒng)蜂窩芯固持方案的改進(jìn)需求更加迫切。
TRIZ理論是一種有效的使用創(chuàng)新手段解決工程問(wèn)題的方法，為蜂窩芯零件的固持方法改進(jìn)提供了理論及具體實(shí)施工具。本文通過(guò)運(yùn)用TRIZ理論，使用系統(tǒng)功能分析對(duì)現(xiàn)有的蜂窩固持方案進(jìn)行分析，采用因果分析法，找出解決問(wèn)題的切入點(diǎn)。引入技術(shù)矛盾、物理矛盾以及物—場(chǎng)分析等方法，結(jié)合矛盾矩陣、創(chuàng)新原理等工具，得出多種可行的解決方案，通過(guò)方案評(píng)比，尋求最優(yōu)解決方案。
圖1 芳綸紙蜂窩芯結(jié)構(gòu)
1 蜂窩芯固持方案及存在問(wèn)題
(1)TRIZ理論簡(jiǎn)介
TR1Z理論是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒(Genrich S.Altshuller)通過(guò)分析大量的創(chuàng)新發(fā)明專利，總結(jié)出來(lái)的用于解決發(fā)明問(wèn)題的理論。TRIZ理論遵循技術(shù)發(fā)展進(jìn)化的規(guī)律，運(yùn)用多種創(chuàng)新原理與方法解決各類技術(shù)系統(tǒng)的技術(shù)矛盾與物理矛盾。TRIZ經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展、沉淀，現(xiàn)已成熟、完善的基于TRIZ理論的問(wèn)題解決過(guò)程及工具，其中包括系統(tǒng)功能分析、技術(shù)矛盾、物理矛盾、裁剪法、矛盾矩陣、40個(gè)創(chuàng)新原理、物—場(chǎng)分析、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解等。
目前，TRIZ已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于解決工程問(wèn)題、競(jìng)爭(zhēng)專利規(guī)避、TRIZ與產(chǎn)品研發(fā)體系的集成、失效預(yù)測(cè)分析、可持續(xù)性設(shè)計(jì)以及技術(shù)預(yù)測(cè)等領(lǐng)域，并取得了很多成功的應(yīng)用案例。本文主要從TRIZ的角度引入飛機(jī)蜂窩芯零件數(shù)控加工固持方法的研究，應(yīng)用系統(tǒng)功能分析、因果分析等找出影響其固持的關(guān)鍵因素，然后通過(guò)技術(shù)矛盾、物理矛盾、矛盾矩陣等創(chuàng)新工具分析并改善蜂窩芯零件的固持問(wèn)題。
(2)蜂窩芯固持方案
隨著蜂窩芯零件的大量使用，其固持技術(shù)也得到了一定的發(fā)展，其中，雙面膠固持法使用最為廣泛。雙面膠固持法是通過(guò)雙面膠將整個(gè)蜂窩芯零件粘貼于墊板或者型面工裝上，由于蜂窩芯結(jié)構(gòu)的六邊形特點(diǎn)，導(dǎo)致蜂窩芯與雙面膠接觸面積小、膠帶粘貼力不足。傳統(tǒng)的蜂窩芯切削一般采用鋸齒狀刀具，在加工過(guò)程中刀刃將蜂窩余料打碎，并產(chǎn)生大量的粉塵，這些粉塵不僅污染空氣，還影響了膠帶的粘貼效果。加工完后，使用酒精等有機(jī)溶劑均勻涂刷雙面膠表層，充分稀釋溶解后，人工去除膠帶殘留。圖2為傳統(tǒng)蜂窩芯固持方案。
圖2 傳統(tǒng)蜂窩芯固持方案
針對(duì)上述不足，國(guó)內(nèi)外相關(guān)人員和團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了大量的研究工作，超聲加工作為一種新型制造方式得到了認(rèn)可，通過(guò)采用新型的切削刀具及切削方式——切割加工及匕首刀具、盤片式刀具。超聲加工大大提高了芳綸紙蜂窩芯結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量和效率，同時(shí)使制造成本大幅降低，并消除了芳綸紙蜂窩芯加工的粉塵，實(shí)現(xiàn)了芳綸紙蜂窩芯結(jié)構(gòu)件的制造向環(huán)境友好型發(fā)展。超聲切割是利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲震蕩波，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成超聲機(jī)械振動(dòng)來(lái)切削零件的。在引入超聲波設(shè)備及超聲切割技術(shù)后，蜂窩芯零件的固持方案得到了一定的改善。使用單面膠帶粘貼零件，通過(guò)超聲波設(shè)備的真空平臺(tái)吸附膠帶另一側(cè)，從而達(dá)到固持的效果，節(jié)約了專用工裝，降低了成本。在加工完后，單面膠帶仍必須使用酒精等有機(jī)溶劑去稀釋，再人工去除。新型固持方式如圖3所示。
圖3 超聲加工固持方案
(3)存在問(wèn)題
盡管蜂窩芯零件實(shí)現(xiàn)了超聲切割，固持方案得到了一定的改善，但仍然存在較多的問(wèn)題：①由于蜂窩芯格呈六邊形，壁厚極薄，單面膠粘貼時(shí)粘貼空格線只能實(shí)現(xiàn)線接觸固定，接觸、粘貼面積極小，粘貼力小，導(dǎo)致蜂窩在加工過(guò)程中容易脫膠拉起，尤其是薄邊區(qū)域(見(jiàn)圖4);②膠帶寬度是標(biāo)準(zhǔn)尺寸，一般為20-30mm，因此在零件較大時(shí)，必須使用多塊膠帶拼接，而膠帶與膠帶之間既不能重疊，也不能留縫隙，否則會(huì)導(dǎo)致加工誤差或者固持不牢;③加工前需使用酒精等有機(jī)溶液清洗零件，加工完后需酒精去除膠帶，零件準(zhǔn)備周期加長(zhǎng)，加工效率低;④膠帶是一次性使用消耗品，國(guó)外飛機(jī)項(xiàng)目要求使用指定標(biāo)號(hào)的膠帶，由于使用量大，成本較高;⑤超聲波機(jī)床具有真空吸附系統(tǒng)，實(shí)際加工中仍大量使用單面膠帶鋪滿整個(gè)毛坯底面，真空吸附的優(yōu)勢(shì)未充分發(fā)揮。綜上所述，固持不牢為蜂窩芯固持的主要問(wèn)題，也是應(yīng)用TRIZ理論分析解決問(wèn)題的第一步。
圖4 蜂窩薄邊拉起
2 基于TRIZ的問(wèn)題解決過(guò)程
使用TRIZ理論解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程在于，首先要發(fā)現(xiàn)需要解決的問(wèn)題，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)功能分析，建立系統(tǒng)組件分析模型，定義對(duì)系統(tǒng)有較大影響的功能，然后通過(guò)因果分析，找出解決問(wèn)題的改進(jìn)切入點(diǎn)，使用相應(yīng)的TRIZ工具得出理論解決方案，最后綜合考慮實(shí)施效果及成本、效率等，對(duì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，得出最理想的解決方案。
(1)最終理想結(jié)果(IFR)
為了從根本上解決問(wèn)題，結(jié)合TRIZ理論并提出最合理的問(wèn)題解決方案，首先要定義系統(tǒng)的IFR。IFR是指在保持原系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的情況下，做最小的改變并消除系統(tǒng)的不足，而沒(méi)有引入新的缺陷和使系統(tǒng)變得更復(fù)雜。
結(jié)合當(dāng)前蜂窩芯固持問(wèn)題，可定義該技術(shù)系統(tǒng)的IFR及對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的要求。IFR：芳綸紙蜂窩芯零件能夠?qū)崿F(xiàn)自我固持，滿足加工穩(wěn)定性需求。對(duì)技術(shù)系統(tǒng)要求包括：固持穩(wěn)定性高，滿足加工質(zhì)量要求，加工薄邊故障率低;操作過(guò)程簡(jiǎn)單、安全、效率高;系統(tǒng)成本低。
(2)系統(tǒng)功能分析
任何一個(gè)系統(tǒng)都是由組件及組件之間的相關(guān)關(guān)系構(gòu)成的。系統(tǒng)功能分析是指從功能角度明確系統(tǒng)內(nèi)的全部組件、超系統(tǒng)組件以及系統(tǒng)作用對(duì)象之間的作用關(guān)系，從而確定有用功能、有害功能以及不足功能。系統(tǒng)的改善是通過(guò)消除有害功能和不足功能而實(shí)現(xiàn)的。對(duì)蜂窩芯固持系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)組件、系統(tǒng)作用對(duì)象以及超系統(tǒng)組件，系統(tǒng)組件分析如圖5所示。
通過(guò)確定組件后，建立組件分析模型，確定各組件之間的相互功能。影響蜂窩芯固持的有3條不足功能和1條有害功能。不足功能有：
①雙面膠黏貼力小，蜂窩芯粘貼不牢;
②工人鋪設(shè)雙面膠不均勻，存在間隙與重疊;
③空氣吸附力不足。
有害功能是指刀具切削蜂窩芯時(shí)產(chǎn)生橫向切削力，導(dǎo)致蜂窩芯被拉起。圖6為組件分析模型，虛線為不足功能，波浪線為有害功能。
圖5 系統(tǒng)組件分析
圖6 組件分析模型
(3)因果分析
運(yùn)用TRIZ理論的目標(biāo)是消除定義的技術(shù)矛盾和引入的物理矛盾。定義技術(shù)矛盾時(shí)，需對(duì)問(wèn)題進(jìn)行因果分析，追根溯源查找問(wèn)題的根本原因，并從因果關(guān)系鏈中尋找問(wèn)題的入手點(diǎn)。
針對(duì)蜂窩芯固持系統(tǒng)，在組件功能模型的基礎(chǔ)上對(duì)蜂窩芯固持方案不佳進(jìn)行因果分析，得出了4條因果鏈(見(jiàn)圖7)。第1條因果鏈為膠帶間有重疊、褶皺，導(dǎo)致蜂窩固持不牢，根本原因?yàn)樾枰鄩K膠帶拼接，工人操作不仔細(xì);第2條因果鏈為膠帶粘貼力小，導(dǎo)致蜂窩固持不牢，根本原因在于蜂窩芯的六邊形空格結(jié)構(gòu);第3條因果鏈為蜂窩生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，根本原因?yàn)殡p面膠帶難以撕除;第4條因果鏈為使用大量膠帶滿整個(gè)零件底面，導(dǎo)致蜂窩固持成本高，根本原因?yàn)楣坛窒到y(tǒng)依靠膠帶的粘貼力實(shí)現(xiàn)固持。
圖7 因果分析鏈
通過(guò)對(duì)比分析上述4項(xiàng)根本原因，其中蜂窩芯的六邊形以及膠帶難以撕除屬于系統(tǒng)組件固有特性，是較難以解決的問(wèn)題。因此，使用膠帶拼接以及膠帶作為固持工具這兩點(diǎn)可以作為尋找解決方案的切入點(diǎn)。
(4)技術(shù)矛盾與物理矛盾
技術(shù)矛盾是指如果改進(jìn)系統(tǒng)中的一個(gè)參數(shù)，引起了另一個(gè)參數(shù)的惡化，從而產(chǎn)生的矛盾。通過(guò)因果分析，找出當(dāng)前問(wèn)題最直接的解決方法，該方法目前可以改善哪些參數(shù)，同時(shí)又會(huì)惡化哪些參數(shù)，因此定義出了技術(shù)矛盾。技術(shù)矛盾可以通過(guò)矛盾矩陣與40條創(chuàng)新原理來(lái)解決。矛盾矩陣是39×39的由工程參數(shù)構(gòu)成的矩陣，其行是將要改善的參數(shù)，列是將要惡化的工程參數(shù)。40個(gè)創(chuàng)新原理是最常用的創(chuàng)新方法和原理，為技術(shù)矛盾的解決提供了指導(dǎo)依據(jù)。物理矛盾針對(duì)系統(tǒng)中的同一個(gè)參數(shù)提出兩種相反的需求，即出現(xiàn)了物理矛盾。物理矛盾是基于技術(shù)矛盾的，使用物理矛盾的前提是先定義技術(shù)矛盾，然后找出技術(shù)矛盾中同一個(gè)參數(shù)的兩種相反需求，最后根據(jù)4種分離原理解決物理矛盾。
對(duì)于蜂窩芯固持系統(tǒng)，通過(guò)因果分析，找出了問(wèn)題的切入點(diǎn)，工人鋪設(shè)膠帶不好的問(wèn)題，從而定義了一又對(duì)技術(shù)矛盾，如圖8所示。圖中，為提升蜂窩芯的固持效果，改善參數(shù)的“穩(wěn)定性”，從而對(duì)工人鋪膠帶、清洗膠帶的技能要求提高，惡化了參數(shù)的“操作流程的方便性”。
圖8 技術(shù)矛盾分析
查詢阿奇舒勒矛盾矩陣得出創(chuàng)新原理32、35、30(見(jiàn)表1)，其中創(chuàng)新原理30為柔性殼體和薄膜原理：使用柔性殼體或者塑料薄膜作為隔離物，將系統(tǒng)與外部環(huán)境隔離。由此得到了如圖9所示的初步解決方案，將一層塑料薄膜覆蓋在零件上，使零件與外界大氣環(huán)境隔離，當(dāng)真空平臺(tái)的真空開(kāi)始工作時(shí)，塑料膜就會(huì)被緊緊吸附在零件上，從而形成一個(gè)真空環(huán)境，外界大氣壓對(duì)零件產(chǎn)生了額外壓力，使零件的固持就非常穩(wěn)定，可大量減少膠帶用量。
在引入塑料薄膜的同時(shí)，帶來(lái)了一個(gè)有害因素，在使用盤片式刀具加工時(shí)塑料薄膜容易纏繞刀具，導(dǎo)致零件被拉起。因此，從技術(shù)矛盾引入了一對(duì)物理矛盾，在零件上鋪滿塑料薄膜時(shí)，薄膜纏繞刀具，影響刀具正常切削;不鋪塑料薄膜，膠帶粘貼力不夠，固持效果不好。根據(jù)空間分離法，分區(qū)域鋪設(shè)塑料薄膜：加工區(qū)域不鋪薄膜，貼單面膠：非加工區(qū)域鋪薄膜，不貼單面膠，從而得出解決方案一(見(jiàn)圖10)。
表1 矛盾矩陣
圖9 初步解決方案
(5)物—場(chǎng)分析
物—場(chǎng)分析是TRIZ的一種基本分析工具，其原理是將任何一個(gè)系統(tǒng)都分解成兩種物質(zhì)和一個(gè)場(chǎng)，場(chǎng)是指系統(tǒng)內(nèi)的兩種物質(zhì)之間的相互作用關(guān)系，可以是機(jī)械場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、力場(chǎng)、電場(chǎng)、重力場(chǎng)等任何產(chǎn)生直接或非直接作用的關(guān)系場(chǎng) 。76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解成功避開(kāi)了系統(tǒng)的技術(shù)矛盾與物理矛盾，運(yùn)用具有約束條件的標(biāo)準(zhǔn)化模型，為物—場(chǎng)模型提供了現(xiàn)成的模式解法。
圖10 解決方案一
針對(duì)蜂窩芯固持系統(tǒng)，從因果分析的另一個(gè)切入點(diǎn)膠帶，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行物—場(chǎng)分析。系統(tǒng)的作用對(duì)象為蜂窩型零件，雙面膠為作用發(fā)出者，兩者之間的場(chǎng)是粘貼力(化學(xué)場(chǎng))，從問(wèn)題可知單面膠的粘接力不足導(dǎo)致零件固持失效，是典型的物—場(chǎng)模型可控性不足的問(wèn)題，需要增加新的物—場(chǎng)和物質(zhì)來(lái)加強(qiáng)固持力。
采用鏈?zhǔn)轿?/span>—場(chǎng)模型，在蜂窩芯孔格中填入一定磁粉，機(jī)床工作臺(tái)上設(shè)置磁性裝置，通磁后磁粉變成固態(tài)形式將孔格撐滿，利用磁場(chǎng)引力及磁粉與孔格壁產(chǎn)生的摩擦力抵消部分切削力，達(dá)到增強(qiáng)固持效果的目的，物—場(chǎng)模型及解決方案二如圖11所示。
圖11 解決方案二
化學(xué)場(chǎng)屬于不可控場(chǎng)，容易受環(huán)境、溫度等因素影響，采用增強(qiáng)物—場(chǎng)模型，使用更可控的重力場(chǎng)代替化學(xué)場(chǎng)，達(dá)到增強(qiáng)固持的效果。在蜂窩芯毛坯四周用重物壓起，并在零件四周增加部分凸臺(tái)連接，達(dá)到穩(wěn)定固持的效果，物—場(chǎng)模型及解決方案三如圖12所示。
圖12 解決方案三
(6)最終解決方案
通過(guò)TR1Z理論的矛盾分析及物—場(chǎng)分析，共得出了三種解決方案。方案二引入了磁場(chǎng)系統(tǒng)，增加了磁粉，大大增加了零件準(zhǔn)備及清洗的操作難度，引入了磁性裝置，增大了投入的成本;方案三引入了重力場(chǎng)，增加了凸臺(tái)連接，導(dǎo)致毛坯尺寸大幅增加，投入成本增加，同時(shí)對(duì)加工方案進(jìn)行了較大的更改，風(fēng)險(xiǎn)較大;而方案一采用塑料薄膜，由于包裝蜂窩芯毛坯的本就是塑料薄膜，而機(jī)床又自帶真空平臺(tái)，因此方案一沒(méi)有引入其他系統(tǒng)外資源，是最經(jīng)濟(jì)的一種方案。因此，最終解決方案為方案一，即采用塑料薄膜覆蓋蜂窩芯表面非加工區(qū)域，蜂窩芯底面加工區(qū)域鋪單面膠，未鋪區(qū)域使用超聲波機(jī)床真空吸附裝置吸緊，通過(guò)單面膠帶和真空吸附共同達(dá)到吸附的效果。
小結(jié)
本文采用TRIZ理論的系統(tǒng)功能分析對(duì)現(xiàn)有蜂窩芯固持方案進(jìn)行分析，研究了影響蜂窩芯固持的因素，引入了技術(shù)矛盾和物理矛盾，運(yùn)用矛盾矩陣、創(chuàng)新原理等，得出真空吸附、薄膜隔離的固持方式;同時(shí)運(yùn)用物—場(chǎng)分析和標(biāo)準(zhǔn)解，得出了引入磁場(chǎng)、增加凸臺(tái)連接等其他可行的固持方案，最后通過(guò)方案評(píng)比，提出了最優(yōu)的固持方案。新的蜂窩芯固持方案在生產(chǎn)實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用效果，降低了膠帶使用量，減少了工人鋪設(shè)、清洗膠帶的工作量，提高了蜂窩芯零件的固持效率，不僅解決了當(dāng)前蜂窩芯固持的技術(shù)瓶頸，降低了加工成本，還促進(jìn)了創(chuàng)新理論在航空制造業(yè)的推廣應(yīng)用。
原載《工具技術(shù)》作者：劉元吉
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