基于TRIZ理论改进一体门钮设计

李润林

(中国船舶集团有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

产品创新的每个阶段都存在很多问题需要解决,依据经验能够解决其中的一些问题,但不能解决困难问题,这些不能解决的问题成为产品或过程创新的障碍[1]。TRIZ理论的名称源自于俄文“发明问题解决理论”转换成拉丁文的词头缩写,其本意为发现创造问题并解决问题。该理论是由苏联发明家根里奇·阿奇舒勒自 1946年开始同上千位研究人员经过多年努力,对 200 多万份专利进行分析与总结,对其中具有代表性的4万份专利进行深入研究,总结创新发明的规律法则,综合多学科多领域而获得的一种发明问题解决理论的方法[2]。本文基于TRIZ理论尝试对一体门钮进行改进设计。

1 背景介绍

传统雷达天线往往采用机械扫描方式搜索和跟踪空中目标,经常要求天线在方位作360°连续旋转,俯仰方向有限转动。这时就需要通过一种专用的微波连接器件——旋转关节(或称转动铰链)在旋转天线和固定设备之间建立可靠的连接通道[3]。旋转关节是天线和馈线之间微波信号传输的枢纽,一种单路旋转关节结构如图1所示。该旋转关节由波导、外导体、一体门钮、门钮、匹配块、端盖等组成,其中一体门钮主要结构尺寸如图2所示。

图1 单路旋转关节结构示意图

图2 一体门钮主要尺寸

微波信号传输衰减是旋转关节的重要指标之一。为减小微波信号传输衰减,在设计时一般选用电导率高的非铁磁性材料,如银、铜、金、铝、钨、镍等,其电导率相应按序降低。综合考虑材料电导率、成本及加工性能,选用黄铜棒(H62-M)设计一体门钮。一体门钮主要用于微波信号传输时的波形变换,其结构、形状尺寸和位置通过实验及相应的三维电磁场软件进行仿真计算模拟后确定,不可随意更改。微波信号传输时集肤深度很小,仅为微米量级,若零件表面粗糙度、清洁度较差,零件传输表面不平度大于集肤深度或表面氧化都将使衰减剧增。

2 问题描述

2.1 定义技术系统实现的功能

实现波导至同轴线的波形变换,完成微波信号在天线和馈线之间稳定可靠传输。

2.2 现有技术系统的工作原理

利用波导至同轴线的波形变换,旋转关节可相对旋转运动并能保持内部空间一致的结构特性,实现微波信号从固定不动部分(发射和接收机)与旋转运动部分(天线和馈源)之间的传输。

2.3 当前技术系统存在的问题

◇ 材料为黄铜棒(H62-M),直径细小,刚性差、拉弯力弱,并存在因材料自身重量下垂的弯曲现象;

◇ 在切削过程中,一体门钮受热伸长会产生弯曲变形;

◇ 由于切削时刀具所产生的轴向切削力易使一体门钮发生弯曲,从而引起振动,影响尺寸加工精度和表面粗糙度;

◇ 采用跟刀架、中心架等辅助夹具,增加了加工难度,也会影响加工精度;

◇ 该零件轴长度与轴径比为64(192÷3),属超细长轴类零件(即轴长度与轴径比大于25的轴类零件),每次走刀切削时间长,刀具磨损和一体门钮尺寸变化大,在加工过程中易发生颤抖、零件弯曲等现象,严重时会影响零件的尺寸加工精度、表面粗糙度以及零件外观。

2.4 问题出现的条件

问题主要集中在一体门钮加工难度大,出现的条件和时间如下:

◇ 材料为黄铜棒(H62);

◇ 轴长度与长径比大(64),属超细长轴类零件;

◇ 加工精度、粗糙度要求高;

◇ 车削时刀具所产生的轴向切削力将加剧零件的颤抖、弯曲现象,普通车床加工难以完成。

2.5 现有解决方案及其缺点

◇ 更换材料:适用材料有限(银-铜-金-铝-钨-镍);

◇ 更改结构尺寸:不能更改,否则影响性能;

◇ 降低加工精度、粗糙度要求:不能降低,否则衰减增大,性能下降;

◇ 加工方式:结构形式不变的情况下其他加工方式不适用,否则易产生弯曲、竹节形、多边形、表面粗糙等缺陷。

2.6 新系统要求

易加工成型,保证一体门钮外形尺寸、精度、粗糙度,满足系统使用要求。

3 问题分析

3.1 “因果分析”

采用根原因分析法(因果链分析法)进行分析,如图3所示。

图3 根原因分析框图

3.2 理想解分析

理想解:选用材料电导率高、价格便宜、可车削成型,并能满足系统使用要求。

次理想解:选用材料价格便宜、易加工成型,经表面处理后零件表层电导率高,且能满足系统使用要求。

4 问题解决

4.1 技术冲突解决过程

4.1.1 冲突描述

为了提高一体门钮的导电性,可以选用材料银(电导率最高的常用金属材料),但银材质偏软、强度更低,同样不易保证加工精度和表面粗糙度,增大了加工难度;且银价格更高,导致一体门钮加工的经济成本增高。

4.1.2 转换成TRIZ标准冲突

TRIZ理论中的39个通用工程参数是连接具体问题和TRIZ的桥梁。借助于39个通用技术参数,可以将一个具体问题转化并表达为标准的TRIZ问题,从而将实际工程设计中的冲突转化为一般或标准的技术冲突[1]。根据4.1.1节,通过查询TRIZ理论中39个通用工程参数表便可得到如下改进和恶化的参数:

改进的参数:22能量损失(减小衰减,即选用高电导率材料);

恶化的参数:14强度;29制造精度;31物体产生的有害因素;32可制造性。

4.1.3 查找冲突矩阵

查找冲突矩阵,得到发明原理如表1所示。

表1 查冲突矩阵得到的发明原理

4.1.4 依据发明原理得到问题解

选定发明原理如表2所示。

表2 发明原理

方案1,依据No.2分离发明原理,得到解:将内导体从一体门钮分离出去,改为内导体和门钮底座;

方案2,依据No.21紧急行动发明原理,得到解:提高切削速度,选用高速车床加工;

方案3,依据No.22变有害为有益发明原理,得到解:选用电导率高、强度高的材料;

方案4,依据No.26复制发明原理,得到解:利用电镀法将高电导率的银复制到一体门钮表面;

方案5,依据No.35参数变化发明原理,得到解:减小一体门钮的轴径比;热处理提高黄铜(H62)的硬度、强度;选用高电导率以及硬度、强度更高的其他材料;选用合适的切削参数,使用跟刀架,减小零件加工过程中的弯曲、抖动等。

4.2 物理冲突解决过程

4.2.1 冲突描述

为了减小电磁波能量衰减,须选择高电导率的材料;为了保证加工精度和表面粗糙度,须选择电导率低(强度高)的材料(从常用金属材料分析,电导率低的金属材料通常强度高),即一体门钮所选用的材料电导率既要高又要低。

4.2.2 分离原理

依据4.2.1节,采用整体与部分的分离原理,查询TRIZ理论中的40条发明原理,与该分离原理对应的发明原理有12、28、31、32、35、36、38、39、40,如表3所示。

表3 发明原理

根据选定的发明原理,可得到解决方案如下:

方案1,依据与分离原理对应的No.12发明原理,得到解:将一体门钮设计成等直径;

方案2,依据与分离原理对应的No.35发明原理,得到解:减小一体门钮的轴径比;热处理提高黄铜(H62)的硬度、强度;选用高电导率以及硬度、强度更高的其他材料;选用合适的切削参数,使用跟刀架,减小零件加工过程中的弯曲、抖动等;

方案3,依据与分离原理对应的No.36发明原理,得到解:通过热处理改变设计材料状态,提高材料强度;

方案4,依据与分离原理对应的No.40发明原理,得到解:将原设计材料(黄铜棒H62)改为复合材料(表面有银涂层的高强度材料)。

5 创新解评估

汇总上述得到的若干创新解如表4所示,然后通过综合评价确定最优解:更换材料,并将一体门钮设计为两个零件,分别加工后再销接成型,如图4所示。

表4 解决方案汇总

图4 改进后内导体和门钮底座外形示意图

综合考虑材料的电导率、强度、硬度及加工成本,选择常用的优质碳素结构钢35,并在加工成型后镀一层超过微米量级的银层,即可取得相当于银波导的良好效果。钢35具有良好的强度、韧性以及切削加工性能,能够满足零件的加工精度、粗糙度要求。

将一体门钮设计改进分为两个零件:内导体和门钮底座,减小轴径比,降低加工难度。内导体备料后将材料校直,在利用车床进行粗加工和去应力处理后,改由磨床精加工,采用中心架支撑(开式中心架),保证中心架上垂直支撑块和水平支撑块与工件成一个理想外圆接触,周期性调整中心架位置,保证了其加工精度及粗糙度要求。门钮底座利用车床进行加工成型。内导体和门钮底座采用径向销接成型,然后利用车床以内导体外径为基准,精加工门钮外形尺寸成形,再用线切割去掉内导体端部的多余部分,并整体进行表面镀银处理,从而保证了加工精度、粗糙度,提高了一体门钮表面电导率,满足了设计要求。

6 结束语

针对原设计一体门钮高轴径比加工难度大的问题,利用TRIZ理论分析获得多个解决方案,通过综合评估获得一体门钮改进设计的最优解,大大简化了一体门钮加工成型难度,满足旋转关节的使用要求。TRIZ被称为发明问题解决理论,能够有效帮助设计师简化遇到的困难技术问题,为科研生产中难题的解决提供了方法和途径。