基于TRIZ和Pro/Innovator改造刃具干磨工藝系統

2013-08-05 by:ProE/Croe培訓中心來源:仿真在線

1 工況背景及問題描述

刀具刃部表面質量是決定刀具耐用度的關鍵指標之一, 通常要求都在R_a0. 2- 0. 4 以上。刃磨工藝系統就是對淬火后的車刀、銑刀、滾刀以及絲錐、鉆頭刀等各類刀具進行刃部磨削所必備的最終精加工工藝系統, 直接形成并決定刃部質量。由于刀具刃部型面復雜, 為便于操控, 刃磨工藝系統多采用干式磨削, 即用旋轉砂輪直接磨削刀具刃部表面, 不澆注冷卻液。因此, 干式刃磨工藝系統本身不帶冷卻液系統。干式刃磨工藝系統的組成如圖2 所示, 磨削過程是由砂輪上的剛玉砂鋒利的銳棱對刀具零件進行切割來完成的。由于系統結構簡單, 操作靈活方便而在刀具制造業中得到廣泛應用。

干式刃磨工藝系統本身不帶冷卻液供應, 并使砂輪懸伸出來, 這帶來了兩個嚴重的問題。其一, 干式磨削時所產生的磨削熱不易散發, 磨削表面溫度很高, 容易出現表面退火、燒傷等現象致使刃磨的刀具報廢, 嚴重影響磨削效率, 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過了熱處理, 硬度高、型面余量分布不均勻, 砂輪懸伸磨削時振動大, 磨削表面粗糙( 往往達不到R_a0. 4 以上) , 致使刀具刃部表面質量不合格, 并且過大的振動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) 開發的計算機輔助創新(CAI) 軟件Pro/ Innovator5. 0, 給出了問題解決方案。

2 解決思路和關鍵步驟

2. 1 分析磨削效率問題

干式刃磨工藝系統本身不方便使用冷卻液, 砂輪的砂粒在切削過程中缺乏潤滑, 摩擦力增大, 型面因熱處理變形造成余量分布不均勻, 磨削表面質量差, 砂輪易破損。而且干式磨削所刃磨的刀具一般經過了熱處理, 淬火后的硬度很高, 砂輪懸伸磨削時振動大。同時, 由于對金屬的切除會使砂輪出現粘屑堵塞現象, 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破碎產生新的鋒利的切削刃, 也不易自動從砂輪粘結劑處脫落, 致使切削過程中的摩擦力加劇, 產生大量不易散發的磨削熱, 導致磨削表面溫度很高, 限制了加工中的切削用量, 從而嚴重降低了磨削效率。如果要使用冷卻液, 刃磨工藝系統就需要增加密閉的冷卻液隔離系統、循環系統, 并改進操控系統等來保證工人的正常操作, 十分復雜, 操作也不方便。因此, 要設法改善的技術參數是不澆注冷卻液所引起的有害因素, 而由此帶來的問題將使刃磨工藝系統變得復雜。

(1) 將技術矛盾的兩方面抽象為軟件分析所需要的技術參數

改善的參數: 31 物體產生的有害因素。

惡化的參數: 36 系統的復雜性。

(2) 由技術矛盾矩陣中得到相應的創新原理

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

(3) 依據提供的創新原理分析問題并尋求解決方案

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

應用多孔材料原理并參照該創新實例, 考慮在砂輪的孔眼中事先填充某種固體潤滑物質, 既能對磨削過程起潤滑作用, 減小摩擦發熱, 又能防止磨削過程中砂輪孔眼的粘屑堵塞現象, 改善砂輪的自銳能力,保持砂粒切削刃的鋒利, 進一步減小摩擦發熱。

于是, 利用軟件的解決方案查詢功能, 通過關鍵詞查詢: solid < AND> lubricant, 在得到的諸多方案中, 找到可參照的解決方案: 噴涂團聚粉顆粒將固體潤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滑劑( fill solid lube into grinding wheel) , 如圖6 所示, 得到美國專利中利用油填充固體潤滑劑的相關信息:

“美國專利# 6567212, Vibration damping device for microscopes and microscope with a vibrat ion damping device, 05/ 20/ 2003 專利權人: Leica Microsystems Heidelberg GmbH (Mannheim, DE) 發明人: 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, 向其中添加細粒度的石墨或二硫化鉬粉劑等固體潤滑劑, 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效應吸附切削油與固體潤滑劑的混合液, 還適當地濕潤了砂輪,在磨削中能起潤滑減摩作用, 同時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, 磨削效率問題得到了有效解決。

2. 2 分析磨削表面質量問題

(1) 提取待解決問題的技術矛盾

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度, 這樣會影響到砂輪對刀具復雜刃部形狀的適應性, 從而使很多刀具的端齒側刃由于受干涉而無法刃磨。因此, 需要改善的技術參數是強度, 而由此帶來的是砂輪對刀具復雜刃部形狀的適應性變差的問題。

(2) 將技術矛盾的兩方面抽象為軟件分析所需要的技術參數

改善的參數: 14 強度。

惡化的參數: 35 適應性、通用性。

(3) 由技術矛盾矩陣中得到相應的創新原理

在Pro/ Innovator5. 0 中, 利用矛盾矩陣對應第14行第34 列得到3 條創新原理所構成的解集: 15、3、32, 分別對應動態特性原理、局部質量原理和顏色改變原理。

(4) 依據提供的創新原理分析問題并尋求解決方案

在解決問題過程中, 可以應用TRIZ 創新原理15( 動態特性原理) 和3( 局部質量原理) 。結合這兩個原理, 可以考慮對砂輪局部進行改進, 使砂輪針對余量的變化有一定適應性, 能夠適當做出動態調整,避免引起砂輪桿過大振動和帶振強制磨削而導致砂輪破碎。

改進砂輪的目的是要減振, 利用軟件的解決方案查詢功能, 通過功能非結構化查詢: decrease vibration, 在得到的幾個方案中, 可參照特例解決方案:泡沫橡膠減小振動。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, 砂輪在磨削余量發生變化情況下具備了一定的彈性調整適應能力, 能夠減小砂輪桿的顫動, 改善磨削表面質量, 避免強振動磨削所導致的砂輪破碎。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滑物質; 選用石墨、二硫化鉬等固體潤滑劑; 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 方案評價

應用Pro/ Innovation 5. 0 軟件的方案評價模塊,選擇基于專利權重的客觀評價, 輔助備選方案的選擇。

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