在粉冶大尺寸薄餅件冷等靜壓技術中的應用研究

文/西北稀有金屬材料研究院&稀有金屬特種材料國家重點實驗室 黃旭剛

西北稀有金屬材料研究院 李志年

寧夏科技發展戰略與信息研究所 韓博

實踐證明，運用TRIZ理論，可有效解決技術問題，加快創造發明的進程。近十年，TRIZ理論在中國獲得快速發展，因為其有效的實踐，以及與大眾創業萬眾創新政策的符合性，成為國內創新領域關注的熱點。TRIZ理論著力于澄清和強調系統中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。TRIZ解決技術的流程，可用兩個“轉化”來概括：將實際技術問題，轉化為抽象的問題模型；將方向性的解決方案，轉化為實際技術方法。[1]本文以解決粉冶超大尺寸薄餅件冷等靜壓成型包套破裂的問題為例，討論TRIZ在解決工程技術問題中的應用。

1 描述問題

粉末冶金冷等靜壓工藝，是使用柔性材料制作外殼（包套），填充金屬粉，在常溫條件下進行對外殼（包套）施加高達300MPa的高壓，金屬粉坯被緊密壓制成型，見圖1。[2]

對粉冶而言，冷等靜壓成型的尺寸不宜太大，在300mm以內，超過該尺寸則容易在等冷靜壓過程出現開裂、變形等現象，導致不合格。由于航天領域、國際項目等客戶的特殊需求，需要超大尺寸薄餅形狀的稀有金屬粉冶零件，這種超大超薄金屬粉坯的冷等靜壓成型，是國際稀有金屬行業公認的難題：尺寸超過500mm時，在目前的工藝下，作為金屬粉坯包套的橡膠，在冷等靜壓成型過程中發生開裂，導致金屬坯開裂，見圖2。

圖1 圖左：等靜壓設備 圖右：等靜壓原理

圖2 圖左：超大尺寸薄餅粉坯外觀 圖右：包套開裂破損

2 分析問題

針對稀有金屬粉坯包套破損磨損的現狀，運用TRIZ的功能分析尋找真正的問題點；運用TRIZ的因果分析尋找問題產生的根本原因；運用TRIZ的九屏幕和資源分析尋找可利用的資源，降低解決成本。[3]

2.1 功能分析

功能分析是研究對象系統的結構組成及其之間的相互作用，回答各組件“做什么”以及“做的怎么樣”，并按照有用功能、有害功能、不足功能和過剩功能進行劃分。[4]本文中，基于實現冷等靜壓功能的角度，分析當包套/坯料開裂時，技術系統的構成以及各組件的相互作用，構建功能模型，見圖3。

圖3 包套開裂時的功能模型

2.2 因果分析

因果分析是在系統框架下，結合操作關聯性，分析問題的根本原因和關鍵原因，一般不分析技術之外如制度、人等超系統因素，具有很強的實用性。[5]本文中運用TRIZ工具-因果分析，尋找“包套/坯料開裂”的根本原因。根據力學和材料學知識，包套開裂是橡膠受力超過其撕裂強度，與力的大小和接觸角度有關。[6]結合QC工具中的內外因分析方式，可尋找到關鍵原因。

經分析，“包套/坯料開裂”的根本原因有10項，結合工藝專家和技師對關聯性的判斷，其中5項為關鍵原因，見圖4，重要性如表1。

表1 包套/坯料開裂關鍵原因表

2.3 資源分析

資源分析的實質就是從系統的高度研究分析資源，合理應用資源，提高技術系統理想度最重要的手段之一。[7]運用TRIZ工具-資源分析，尋找工程系統中可利用的資源，為低成本解決問題做資源的準備。使用九屏幕法進行資源分析，分析范圍擴展到子系統、超系統，找到的可利用的資源，見圖5。

獲得方案：根據橡膠的彈性、延伸率等信息資源，尋找彈性更好的如天然橡膠、塑料材料制作包套。

3 解決問題

在TRIZ理論中，解決問題工具有多種，例如裁剪、技術矛盾、物理矛盾、物場模型等工具。[8]本文在前述分析的基礎上，主要應用矛盾、剪裁、物場和知識檢索解決問題。在提出方案的過程，結合可利用資源，降低解決問題的成本。

3.1 最終理想解

利用最終理想解，找到解決問題的理想目標和更本質的解決方向。[9]

獲得方案：將包套的圓面改為活塞式能活動的部件，減少等靜壓時包套彈性材質的變形程度。

方案：使用激光將粉坯表面微層融化，讓該層替代包套的作用，這樣可以直接對粉坯加壓。

圖4 包套開裂時的因果分析

圖5 資源分析與列表

表2 最終理想解

圖6 剪裁模型與方案

圖7 物場模型

3.2 裁剪

從功能不足的組件“包套接縫”入手進行剪裁，按照剪裁規則B“若功能對象自身執行有用的功能，功能載體可被裁剪”，[9]獲得方案，見圖6。

方案：剪去接縫，包套一體化成型，消除接縫和包套強度的不一致，減少不均勻的變形，防止局部變形超限。

3.3 物場模型

選取關鍵原因2：“包套的圓形薄餅形狀和接縫的存在，導致包套各處強度不均勻”中“接縫的存在”為突破點，進行物場分析，繪制物場分析模型。

問題模型屬于屬于標準解1.2，完整有害的物場模型；可按照根據標準解1.2.2引入S1或S2的變形來消除有害作用，獲得方案，見圖7。

方案：在包套上沒有接縫的地方，間隔性膠粘上橡膠條作為加強筋，達到和接縫強度一致，包套強度均勻化。

3.4 進化法則

冷等靜壓技術屬于新興技術，仍處于發展期，從接縫連接包套的功能角度看，類似于剛性環鉸接的結構，選擇“動態性進化法則—向柔性系統或可移動系統躍遷的進化路線”，獲得方案，見圖8。

方案：將大部分包套一體成型，僅保留很少局部的接縫，包套強度均勻化。

3.5 知識庫/科學效應

圖8

根據關鍵原因2：“包套的圓形薄餅形狀和接縫的存在，導致包套各處強度不均勻”：查閱等靜壓模具知識[2][10]與結構力學知識，同等條件下，圓形抵抗外力的能力最強；同時，強度隨著厚度增加而增加。具體到本項目上，圓餅包套橫截面為圓形，且橫向尺寸遠超厚度，所以橫向強度遠大于縱向強度，導致受力時，膠合接縫附近因為縱橫面變形程度不一致，產生巨大的剪切力，導致包套破裂。

方案：將包套接縫處，改為斜面的過度，將橫向/縱向的強度差異導致的剪切力，分散到該斜面，減少剪切力。

方案：將包套橫截面改為方形，方形結構抵抗外力弱于圓形，可以降低與橫向縱向的強度差異，減少剪切力。

4 方案與效果

4.1 經過對所有方案的整理和評價，獲得綜合方案

制作一體成型的方形包套；各棱角處使用斜面過渡；在泄壓取料時分三步泄壓，減小壓力變化的速度，防止微量氣體的膨脹導致的變形。

4.2 方案實施

（1）分別使用常見的普通橡膠、PVC、天然橡膠、硅膠進行試驗：天然橡膠抗拉強度稍低、延展性好，具有優勢。

（2）包套使用一體化方形設計，且折角處使用斜面過渡，進行三次鹽試驗密封良好無泄漏、坯料無開裂。

（3）金屬粉坯試驗一次成功。

4.3 效益

技術目標：解決了包套開裂問題，成功開發出超大尺寸薄餅件產品。

經濟效益：以粉末2萬/Kg計，產品52Kg價值110萬。四次實驗節約成本440萬。

5 結論

本文通過應用TRIZ理論，實踐運用TRIZ完成了分析技術問題→轉化TRIZ問題模型→利用TRIZ工具，提出解決方案模型→結合資源，獲得解決方案，最后獲得較理想的解決方案。

方案經過實施驗證，確實可以高效地解決問題。這個實踐證明了TRIZ在創新和科研方面具有巨大的優越性，具有巨大的應用和發展潛力。