0 引言
數(shù)控車床上加工球頭工件簡單易行，然而在普通車床上加工高精度的球頭工件對工人的操作技術(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床熟練加工球頭工件的需要，提出了設(shè)計操作便捷、結(jié)構(gòu)合理的一種刀具的要求。TRIZ是發(fā)明創(chuàng)新問題解決理論，借助TRIZ理論解決刀具的設(shè)計問題，使普通技術(shù)工人使用普通車床高效高精度加工球頭工件成為可能。
1 發(fā)明問題解決理論
TRIZ理論（Theory of Inventive Problem Solving），即發(fā)明問題解決理論，是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒及其發(fā)明團隊在研究大量專利技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過幾十年不懈努力創(chuàng)建出的發(fā)明與創(chuàng)新方法。TRIZ方法不是針對某一具體的機構(gòu)、機械或過程，而是建立思考問題、解決問題過程的科學化依據(jù)。經(jīng)過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)計沖突理論、標準解、ARIZ算法等。
阿奇舒勒提出了用于描述沖突的39個通用工程參數(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列為改進的工程參數(shù)，行與列交叉處所對應(yīng)的數(shù)字為推薦采用的40條發(fā)明原理的序號。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)計過程中，要使用矛盾矩陣就必須將設(shè)計中的特定問題進行預(yù)先處理，即用TRIZ的39個工程參數(shù)描述沖突，并且要對使用矛盾矩陣得到的原理解進行后處理，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理論解決問題的一般流程如圖1。具體步驟：①要對一個實際問題進行仔細的分析并加以定義、明確；②根據(jù)TRIZ理論提供的方法，將需要解決的實際問題歸納為一個類似的TRIZ標準問題模型；③針對不同的標準問題模型，應(yīng)用TRIZ理論已總結(jié)、歸納出的類似的標準解方法，找到對應(yīng)的TRIZ標準解決方案模型；④將這些類似的解決方案模型，應(yīng)用到具體的問題之中，演繹得到問題最終解決方法。
圖1 TRIZ理論解題模式與流程
2 TRIZ理論的刀具設(shè)計
蘇州一企業(yè)接到加工球頭工件的訂單，根據(jù)客戶要求，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)控車床生產(chǎn)任務(wù)重，訂單被安排在普通車床上加工。在加工過程中，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，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，同時更換成型刀具或成型模板也花費大量的輔助時間，影響了生產(chǎn)效率。
2.1 問題描述
采用成型法或仿形法加工球頭工件時，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，更換不同規(guī)格的成型刀具或成型模板，裝刀和對刀等輔助工作，增加了加工輔助時間，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)需要進行限制。
2.2 問題分析
根據(jù)以上對問題的描述，發(fā)現(xiàn)加工過程的現(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，但又無法滿足客戶的要求。
分析得出半徑變化的球頭工件加工過程中存在著技術(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)域問題描述轉(zhuǎn)成39項工程參數(shù)中的3項，即轉(zhuǎn)換為TRIZ標準問題
“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，同時避免生產(chǎn)效率的降低”。從待解決問題的文字敘述中，試著找出問題由哪些相互矛盾沖突的屬性所引起，將文字敘述轉(zhuǎn)換成39項工程參數(shù)中的3項。
工程參數(shù)33號操作流程的方便性：指在操作過程中，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，同時又有較高的產(chǎn)出，則帶代表方便性越高。工程參數(shù)35號適應(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。如果用戶也是系統(tǒng)的一部分，將會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。掌握該系統(tǒng)的難易程度是其復(fù)雜性的一個度量。
工程參數(shù)33號操作流程的方便性和35號適應(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)，確定解決問題所需的發(fā)明原理
1)對“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列對應(yīng)的方格，得到方格中推薦的發(fā)明原理序號共4個，分別是32號，26號，12號，17號，見表1。
表1 阿奇舒勒矛盾矩陣表
與上面發(fā)明原理序號對應(yīng)，得到這4條發(fā)明原理及其解釋。32號改變顏色原理：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，則考慮增強發(fā)光追蹤或原子標記。26號復(fù)制原理：①用簡單、廉價的復(fù)制品代替復(fù)雜、昂貴、不方便、易損、不易獲得的物體；②用光學復(fù)制品（圖像）代替實物或?qū)嵨锵到y(tǒng)，可以按一定比例放大或縮小圖像；③如果已使用了可見光復(fù)制品，再用紅外光或紫外光復(fù)制品代替。12號等勢原理：改變操作條件，以減少將物體提升或下降的需要。17號空間維數(shù)變化原理：①將物體一維運動變?yōu)槎S（平面）運動，以克服一維直線運動或定位的困難；或過度到三維空間運動以消除物體在二維平面運動或定位的問題；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，其中32號改變顏色原理、26號復(fù)制原理、12號等勢原理對問題的徹底解決的貢獻有限，17號空間維數(shù)變化原理對問題的徹底解決的貢獻最大，是最具價值的發(fā)明原理。
2)對“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列對應(yīng)的方格，得到方格中推薦的發(fā)明原理序號共4個，分別是15號，29號，37號，28號，見表1。
綜合分析以上4條發(fā)明原理，其中29號氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理、37號熱膨脹原理、28號機械系統(tǒng)替代原理對問題的徹底解決無幫助，而15號動態(tài)特性原理對該問題的解決最有價值。15號動態(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到最優(yōu)狀態(tài)；②分割物體，使其各部分可以改變相對位置；③如果一個物體整體是靜止的，使之移動或可動。動態(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)運動的部分成為旋轉(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解的類比應(yīng)用得到問題的最終解
在問題解決過程中應(yīng)用17號及15號創(chuàng)新原理。應(yīng)用17號創(chuàng)新原理，改變刀具刀頭的放置位置；應(yīng)用15號創(chuàng)新原理，改變刀具刀頭的伸縮長度，設(shè)計的新刀具，如圖2所示。
圖2 設(shè)計的組合刀具結(jié)構(gòu)示意圖
設(shè)計的刀具為組合車刀，由刀頭、螺釘、刀架、轉(zhuǎn)軸、手柄、刀桿構(gòu)成，安裝在車床刀架上，刀具通過刀頭與工件同時繞X、Z軸的旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)球頭工件球體的加工，同時通過調(diào)整刀頭伸出的長度控制球體的半徑。
3 實例驗證
刀具切削實驗基于沈陽第一機床廠CA6140A型普通車床，工件選用2A12硬鋁棒料，并經(jīng)過粗加工。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)簡單培訓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到要求，加工效率相比普通車床的成型法加工提高2至4倍，相比普通車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，使用簡單、操作方便，滿足不同尺寸規(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，加工時間短，有效提高生產(chǎn)效率。
4 結(jié)束語
分析普通車床加工球頭工件存在的問題，利用TRIZ理論解決刀具設(shè)計中加工方便性、多用性與系統(tǒng)復(fù)雜性之間的矛盾，設(shè)計了新的組合刀具，并通過實例驗證了設(shè)計刀具的可行性。利用TRIZ的設(shè)計沖突理論，在刀具設(shè)計中具有很好的指導作用，引導設(shè)計人員打開思路，有效解決刀具存在的問題，有利于刀具的優(yōu)化設(shè)計。
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