0 引言
數(shù)控車(chē)床上加工球頭工件簡(jiǎn)單易行，然而在普通車(chē)床上加工高精度的球頭工件對(duì)工人的操作技術(shù)水平要求很高。在人力成本日益增加的今天，企業(yè)既希望提高設(shè)備利用率，又希望降低加工成本。根據(jù)普通技術(shù)工人能夠使用普通車(chē)床熟練加工球頭工件的需要，提出了設(shè)計(jì)操作便捷、結(jié)構(gòu)合理的一種刀具的要求。TRIZ是發(fā)明創(chuàng)新問(wèn)題解決理論，借助TRIZ理論解決刀具的設(shè)計(jì)問(wèn)題，使普通技術(shù)工人使用普通車(chē)床高效高精度加工球頭工件成為可能。
1 發(fā)明問(wèn)題解決理論
TRIZ理論（Theory of Inventive Problem Solving），即發(fā)明問(wèn)題解決理論，是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒及其發(fā)明團(tuán)隊(duì)在研究大量專(zhuān)利技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)幾十年不懈努力創(chuàng)建出的發(fā)明與創(chuàng)新方法。TRIZ方法不是針對(duì)某一具體的機(jī)構(gòu)、機(jī)械或過(guò)程，而是建立思考問(wèn)題、解決問(wèn)題過(guò)程的科學(xué)化依據(jù)。經(jīng)過(guò)50年的研究，TRIZ已形成了一系列方法與工具，特別是提出了設(shè)計(jì)沖突理論、標(biāo)準(zhǔn)解、ARIZ算法等。
阿奇舒勒提出了用于描述沖突的39個(gè)通用工程參數(shù)和用于解決沖突的40條發(fā)明原理，并建立了對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即阿奇舒勒矛盾矩陣。在矛盾矩陣中，第1行為惡化的工程參數(shù)，第1列為改進(jìn)的工程參數(shù)，行與列交叉處所對(duì)應(yīng)的數(shù)字為推薦采用的40條發(fā)明原理的序號(hào)。由于矛盾矩陣的行和列使用的是通用的工程參數(shù)，推薦的發(fā)明原理是原理解，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要使用矛盾矩陣就必須將設(shè)計(jì)中的特定問(wèn)題進(jìn)行預(yù)先處理，即用TRIZ的39個(gè)工程參數(shù)描述沖突，并且要對(duì)使用矛盾矩陣得到的原理解進(jìn)行后處理，即把原理解轉(zhuǎn)化為領(lǐng)域解，以得到需要的特定解。
應(yīng)用TRIZ理論解決問(wèn)題的一般流程如圖1。具體步驟：①要對(duì)一個(gè)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行仔細(xì)的分析并加以定義、明確；②根據(jù)TRIZ理論提供的方法，將需要解決的實(shí)際問(wèn)題歸納為一個(gè)類(lèi)似的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題模型；③針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題模型，應(yīng)用TRIZ理論已總結(jié)、歸納出的類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)解方法，找到對(duì)應(yīng)的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解決方案模型；④將這些類(lèi)似的解決方案模型，應(yīng)用到具體的問(wèn)題之中，演繹得到問(wèn)題最終解決方法。
圖1 TRIZ理論解題模式與流程
2 TRIZ理論的刀具設(shè)計(jì)
蘇州一企業(yè)接到加工球頭工件的訂單，根據(jù)客戶(hù)要求，球頭工件為不同規(guī)格，其球體半徑在一定尺寸范圍內(nèi)變化。因公司數(shù)控車(chē)床生產(chǎn)任務(wù)重，訂單被安排在普通車(chē)床上加工。在加工過(guò)程中，由于球頭工件的球體半徑是變化的，成型法或仿形法加工時(shí)，要根據(jù)尺寸要求相應(yīng)制造成型刀具或成型模板。大量的成型刀具或成型模板增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)更換成型刀具或成型模板也花費(fèi)大量的輔助時(shí)間，影響了生產(chǎn)效率。
2.1 問(wèn)題描述
采用成型法或仿形法加工球頭工件時(shí)，因球頭半徑不同，必然制造不同尺寸規(guī)格的成型刀具或成型模板，這增加了生產(chǎn)成本。同時(shí)，更換不同規(guī)格的成型刀具或成型模板，裝刀和對(duì)刀等輔助工作，增加了加工輔助時(shí)間，這降低了加工效率。為了避免生產(chǎn)成本的提高和加工效率偏低的現(xiàn)象，成型刀具或成型模板的制造數(shù)量與更換次數(shù)需要進(jìn)行限制。
2.2 問(wèn)題分析
根據(jù)以上對(duì)問(wèn)題的描述，發(fā)現(xiàn)加工過(guò)程的現(xiàn)狀是：為了加工出尺寸規(guī)格不同的球頭工件，需要制造和更換不同規(guī)格的成型刀具或成型模板，出現(xiàn)生產(chǎn)成本高和生產(chǎn)率低的情況。而避免這種情況，需要限制成型刀具或成型模板的規(guī)格數(shù)量，但又無(wú)法滿(mǎn)足客戶(hù)的要求。
分析得出半徑變化的球頭工件加工過(guò)程中存在著技術(shù)矛盾：制造不同規(guī)格的成型刀具或成型模板與生產(chǎn)成本的矛盾，更換不同規(guī)格的成型刀具或成型模板與生產(chǎn)效率的矛盾。
2.3 解決方案
(1)將一般領(lǐng)域問(wèn)題描述轉(zhuǎn)成39項(xiàng)工程參數(shù)中的3項(xiàng)，即轉(zhuǎn)換為T(mén)RIZ標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題
“既要加工出半徑變化的球頭工件又要避免生產(chǎn)成本的提高，同時(shí)避免生產(chǎn)效率的降低”。從待解決問(wèn)題的文字?jǐn)⑹鲋�，試著找出�?wèn)題由哪些相互矛盾沖突的屬性所引起，將文字?jǐn)⑹鲛D(zhuǎn)換成39項(xiàng)工程參數(shù)中的3項(xiàng)。
工程參數(shù)33號(hào)操作流程的方便性：指在操作過(guò)程中，如果需要的人數(shù)越少，操作步驟越少，以及所需要的工具越少，同時(shí)又有較高的產(chǎn)出，則帶代表方便性越高。工程參數(shù)35號(hào)適應(yīng)性、多用性：指物體或系統(tǒng)積極響應(yīng)外部變化的能力；或者在各種外部影響下，具備以多種方式發(fā)揮功能的可能性。工程參數(shù)36號(hào)系統(tǒng)的復(fù)雜性：指系統(tǒng)元素及其相互關(guān)系的數(shù)目和多樣性。如果用戶(hù)也是系統(tǒng)的一部分，將會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。掌握該系統(tǒng)的難易程度是其復(fù)雜性的一個(gè)度量。
工程參數(shù)33號(hào)操作流程的方便性和35號(hào)適應(yīng)性、多用性是使系統(tǒng)性能提高的參數(shù)，工程參數(shù)36號(hào)系統(tǒng)的復(fù)雜性是使系統(tǒng)性能降低的參數(shù)。
(2)根據(jù)得到的工程參數(shù)，確定解決問(wèn)題所需的發(fā)明原理
1)對(duì)“加工出半徑變化的球頭工件，要改善刀具操作的適應(yīng)性，將提高刀具系統(tǒng)的復(fù)雜性”這一技術(shù)矛盾查找TRIZ矛盾矩陣，從阿奇舒勒矛盾矩陣表查找第33行和第36列對(duì)應(yīng)的方格，得到方格中推薦的發(fā)明原理序號(hào)共4個(gè)，分別是32號(hào)，26號(hào)，12號(hào)，17號(hào)，見(jiàn)表1。
表1 阿奇舒勒矛盾矩陣表
與上面發(fā)明原理序號(hào)對(duì)應(yīng)，得到這4條發(fā)明原理及其解釋。32號(hào)改變顏色原理：①改變物體或環(huán)境的顏色；②改變物體或環(huán)境的透明度；③為了觀察難易看到的物體或過(guò)程，在物體中添加顏色；④如果已經(jīng)添加了顏色，則考慮增強(qiáng)發(fā)光追蹤或原子標(biāo)記。26號(hào)復(fù)制原理：①用簡(jiǎn)單、廉價(jià)的復(fù)制品代替復(fù)雜、昂貴、不方便、易損、不易獲得的物體；②用光學(xué)復(fù)制品（圖像）代替實(shí)物或?qū)嵨锵到y(tǒng)，可以按一定比例放大或縮小圖像；③如果已使用了可見(jiàn)光復(fù)制品，再用紅外光或紫外光復(fù)制品代替。12號(hào)等勢(shì)原理：改變操作條件，以減少將物體提升或下降的需要。17號(hào)空間維數(shù)變化原理：①將物體一維運(yùn)動(dòng)變?yōu)槎S（平面）運(yùn)動(dòng)，以克服一維直線運(yùn)動(dòng)或定位的困難；或過(guò)度到三維空間運(yùn)動(dòng)以消除物體在二維平面運(yùn)動(dòng)或定位的問(wèn)題；②單層排列的物體變成多層排列。③將物體傾斜或側(cè)向放置；④利用給定表面的反面；⑤利用照射到鄰近表面或物體背面的光線。
綜合分析以上4條發(fā)明原理的解釋?zhuān)渲?2號(hào)改變顏色原理、26號(hào)復(fù)制原理、12號(hào)等勢(shì)原理對(duì)問(wèn)題的徹底解決的貢獻(xiàn)有限，17號(hào)空間維數(shù)變化原理對(duì)問(wèn)題的徹底解決的貢獻(xiàn)最大，是最具價(jià)值的發(fā)明原理。
2)對(duì)“提高工件的生產(chǎn)效率，要改善刀具操作的方便性，將提高刀具系統(tǒng)的復(fù)雜性”這一技術(shù)矛盾查找TRIZ矛盾矩陣，從阿奇舒勒矛盾矩陣表查找第35行和第36列對(duì)應(yīng)的方格，得到方格中推薦的發(fā)明原理序號(hào)共4個(gè)，分別是15號(hào)，29號(hào)，37號(hào)，28號(hào)，見(jiàn)表1。
綜合分析以上4條發(fā)明原理，其中29號(hào)氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理、37號(hào)熱膨脹原理、28號(hào)機(jī)械系統(tǒng)替代原理對(duì)問(wèn)題的徹底解決無(wú)幫助，而15號(hào)動(dòng)態(tài)特性原理對(duì)該問(wèn)題的解決最有價(jià)值。15號(hào)動(dòng)態(tài)特性原理的內(nèi)容是：①調(diào)整物體或環(huán)境的性能，使其在工作的各階段達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)；②分割物體，使其各部分可以改變相對(duì)位置；③如果一個(gè)物體整體是靜止的，使之移動(dòng)或可動(dòng)。動(dòng)態(tài)特性原理應(yīng)用技巧：嘗試讓系統(tǒng)中的某些幾何結(jié)構(gòu)成為柔性的、可適應(yīng)的；往復(fù)運(yùn)動(dòng)的部分成為旋轉(zhuǎn)的；讓相同的部分執(zhí)行多種功能；使特征成為柔性的；使系統(tǒng)可兼容于不同的應(yīng)用或環(huán)境。
(3)TRIZ解的類(lèi)比應(yīng)用得到問(wèn)題的最終解
在問(wèn)題解決過(guò)程中應(yīng)用17號(hào)及15號(hào)創(chuàng)新原理。應(yīng)用17號(hào)創(chuàng)新原理，改變刀具刀頭的放置位置；應(yīng)用15號(hào)創(chuàng)新原理，改變刀具刀頭的伸縮長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)的新刀具，如圖2所示。
圖2 設(shè)計(jì)的組合刀具結(jié)構(gòu)示意圖
設(shè)計(jì)的刀具為組合車(chē)刀，由刀頭、螺釘、刀架、轉(zhuǎn)軸、手柄、刀桿構(gòu)成，安裝在車(chē)床刀架上，刀具通過(guò)刀頭與工件同時(shí)繞X、Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)球頭工件球體的加工，同時(shí)通過(guò)調(diào)整刀頭伸出的長(zhǎng)度控制球體的半徑。
3 實(shí)例驗(yàn)證
刀具切削實(shí)驗(yàn)基于沈陽(yáng)第一機(jī)床廠CA6140A型普通車(chē)床，工件選用2A12硬鋁棒料，并經(jīng)過(guò)粗加工。切削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為600r/min，走刀速度約0.15mm/r，切削深度為0.40mm。
普通技術(shù)工人經(jīng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)后可操作該刀具加工球頭工件，切削加工后的球頭工件尺寸精度和形狀精度均達(dá)到要求，加工效率相比普通車(chē)床的成型法加工提高2至4倍，相比普通車(chē)床的仿形法加工提高3至5倍。應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)，使用效果好：降低了工人的技術(shù)水平要求，使用簡(jiǎn)單、操作方便，滿(mǎn)足不同尺寸規(guī)格的球頭工件加工要求，降低了工藝難度，加工精度高，成品率高，加工時(shí)間短，有效提高生產(chǎn)效率。
4 結(jié)束語(yǔ)
分析普通車(chē)床加工球頭工件存在的問(wèn)題，利用TRIZ理論解決刀具設(shè)計(jì)中加工方便性、多用性與系統(tǒng)復(fù)雜性之間的矛盾，設(shè)計(jì)了新的組合刀具，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了設(shè)計(jì)刀具的可行性。利用TRIZ的設(shè)計(jì)沖突理論，在刀具設(shè)計(jì)中具有很好的指導(dǎo)作用，引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員打開(kāi)思路，有效解決刀具存在的問(wèn)題，有利于刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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本文標(biāo)題：基于TRIZ理論的一種刀具設(shè)計(jì)研究
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