在粉冶大尺寸薄饼件冷等静压技术中的应用研究

文/西北稀有金属材料研究院&稀有金属特种材料国家重点实验室 黄旭刚

西北稀有金属材料研究院 李志年

宁夏科技发展战略与信息研究所 韩博

实践证明，运用TRIZ理论，可有效解决技术问题，加快创造发明的进程。近十年，TRIZ理论在中国获得快速发展，因为其有效的实践，以及与大众创业万众创新政策的符合性，成为国内创新领域关注的热点。TRIZ理论着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。TRIZ解决技术的流程，可用两个“转化”来概括：将实际技术问题，转化为抽象的问题模型；将方向性的解决方案，转化为实际技术方法。[1]本文以解决粉冶超大尺寸薄饼件冷等静压成型包套破裂的问题为例，讨论TRIZ在解决工程技术问题中的应用。

1 描述问题

粉末冶金冷等静压工艺，是使用柔性材料制作外壳（包套），填充金属粉，在常温条件下进行对外壳（包套）施加高达300MPa的高压，金属粉坯被紧密压制成型，见图1。[2]

对粉冶而言，冷等静压成型的尺寸不宜太大，在300mm以内，超过该尺寸则容易在等冷静压过程出现开裂、变形等现象，导致不合格。由于航天领域、国际项目等客户的特殊需求，需要超大尺寸薄饼形状的稀有金属粉冶零件，这种超大超薄金属粉坯的冷等静压成型，是国际稀有金属行业公认的难题：尺寸超过500mm时，在目前的工艺下，作为金属粉坯包套的橡胶，在冷等静压成型过程中发生开裂，导致金属坯开裂，见图2。

图1 图左：等静压设备 图右：等静压原理

图2 图左：超大尺寸薄饼粉坯外观 图右：包套开裂破损

2 分析问题

针对稀有金属粉坯包套破损磨损的现状，运用TRIZ的功能分析寻找真正的问题点；运用TRIZ的因果分析寻找问题产生的根本原因；运用TRIZ的九屏幕和资源分析寻找可利用的资源，降低解决成本。[3]

2.1 功能分析

功能分析是研究对象系统的结构组成及其之间的相互作用，回答各组件“做什么”以及“做的怎么样”，并按照有用功能、有害功能、不足功能和过剩功能进行划分。[4]本文中，基于实现冷等静压功能的角度，分析当包套/坯料开裂时，技术系统的构成以及各组件的相互作用，构建功能模型，见图3。

图3 包套开裂时的功能模型

2.2 因果分析

因果分析是在系统框架下，结合操作关联性，分析问题的根本原因和关键原因，一般不分析技术之外如制度、人等超系统因素，具有很强的实用性。[5]本文中运用TRIZ工具-因果分析，寻找“包套/坯料开裂”的根本原因。根据力学和材料学知识，包套开裂是橡胶受力超过其撕裂强度，与力的大小和接触角度有关。[6]结合QC工具中的内外因分析方式，可寻找到关键原因。

经分析，“包套/坯料开裂”的根本原因有10项，结合工艺专家和技师对关联性的判断，其中5项为关键原因，见图4，重要性如表1。

表1 包套/坯料开裂关键原因表

2.3 资源分析

资源分析的实质就是从系统的高度研究分析资源，合理应用资源，提高技术系统理想度最重要的手段之一。[7]运用TRIZ工具-资源分析，寻找工程系统中可利用的资源，为低成本解决问题做资源的准备。使用九屏幕法进行资源分析，分析范围扩展到子系统、超系统，找到的可利用的资源，见图5。

获得方案：根据橡胶的弹性、延伸率等信息资源，寻找弹性更好的如天然橡胶、塑料材料制作包套。

3 解决问题

在TRIZ理论中，解决问题工具有多种，例如裁剪、技术矛盾、物理矛盾、物场模型等工具。[8]本文在前述分析的基础上，主要应用矛盾、剪裁、物场和知识检索解决问题。在提出方案的过程，结合可利用资源，降低解决问题的成本。

3.1 最终理想解

利用最终理想解，找到解决问题的理想目标和更本质的解决方向。[9]

获得方案：将包套的圆面改为活塞式能活动的部件，减少等静压时包套弹性材质的变形程度。

方案：使用激光将粉坯表面微层融化，让该层替代包套的作用，这样可以直接对粉坯加压。

图4 包套开裂时的因果分析

图5 资源分析与列表

表2 最终理想解

图6 剪裁模型与方案

图7 物场模型

3.2 裁剪

从功能不足的组件“包套接缝”入手进行剪裁，按照剪裁规则B“若功能对象自身执行有用的功能，功能载体可被裁剪”，[9]获得方案，见图6。

方案：剪去接缝，包套一体化成型，消除接缝和包套强度的不一致，减少不均匀的变形，防止局部变形超限。

3.3 物场模型

选取关键原因2：“包套的圆形薄饼形状和接缝的存在，导致包套各处强度不均匀”中“接缝的存在”为突破点，进行物场分析，绘制物场分析模型。

问题模型属于属于标准解1.2，完整有害的物场模型；可按照根据标准解1.2.2引入S1或S2的变形来消除有害作用，获得方案，见图7。

方案：在包套上没有接缝的地方，间隔性胶粘上橡胶条作为加强筋，达到和接缝强度一致，包套强度均匀化。

3.4 进化法则

冷等静压技术属于新兴技术，仍处于发展期，从接缝连接包套的功能角度看，类似于刚性环铰接的结构，选择“动态性进化法则—向柔性系统或可移动系统跃迁的进化路线”，获得方案，见图8。

方案：将大部分包套一体成型，仅保留很少局部的接缝，包套强度均匀化。

3.5 知识库/科学效应

图8

根据关键原因2：“包套的圆形薄饼形状和接缝的存在，导致包套各处强度不均匀”：查阅等静压模具知识[2][10]与结构力学知识，同等条件下，圆形抵抗外力的能力最强；同时，强度随着厚度增加而增加。具体到本项目上，圆饼包套横截面为圆形，且横向尺寸远超厚度，所以横向强度远大于纵向强度，导致受力时，胶合接缝附近因为纵横面变形程度不一致，产生巨大的剪切力，导致包套破裂。

方案：将包套接缝处，改为斜面的过度，将横向/纵向的强度差异导致的剪切力，分散到该斜面，减少剪切力。

方案：将包套横截面改为方形，方形结构抵抗外力弱于圆形，可以降低与横向纵向的强度差异，减少剪切力。

4 方案与效果

4.1 经过对所有方案的整理和评价，获得综合方案

制作一体成型的方形包套；各棱角处使用斜面过渡；在泄压取料时分三步泄压，减小压力变化的速度，防止微量气体的膨胀导致的变形。

4.2 方案实施

（1）分别使用常见的普通橡胶、PVC、天然橡胶、硅胶进行试验：天然橡胶抗拉强度稍低、延展性好，具有优势。

（2）包套使用一体化方形设计，且折角处使用斜面过渡，进行三次盐试验密封良好无泄漏、坯料无开裂。

（3）金属粉坯试验一次成功。

4.3 效益

技术目标：解决了包套开裂问题，成功开发出超大尺寸薄饼件产品。

经济效益：以粉末2万/Kg计，产品52Kg价值110万。四次实验节约成本440万。

5 结论

本文通过应用TRIZ理论，实践运用TRIZ完成了分析技术问题→转化TRIZ问题模型→利用TRIZ工具，提出解决方案模型→结合资源，获得解决方案，最后获得较理想的解决方案。

方案经过实施验证，确实可以高效地解决问题。这个实践证明了TRIZ在创新和科研方面具有巨大的优越性，具有巨大的应用和发展潜力。