應用Triz理論提升零件沖銷精度

薛銳

天津天海同步科技有限公司 天津 301600

近年來隨著汽車行業的快速發展，市場競爭越來越激烈，汽車零部件不僅要做到質量可靠、技術先進、輕量化及低碳化等，而且制造成本也要有相對優勢，否則企業很難生存下去。在這種背景下，企業必須要創新，走持續創新的道路，公司在新技術、新工藝、新材料方面下大力度研究，以下介紹出口零部件板材沖壓的過程，在技術創新的同時，降低制造成本。

如圖1所示的離合器盤（又稱鎖止板），應用在汽車變速器內，作用為止動行星齒圈。離合器盤通過焊接工藝與離合器體焊接為一體式結構。如果先將離合器盤做成成品，再做焊接連接方案，焊接變形就會對離合器盤的銷子位置度及平面度造成一定的影響。如果先做焊接連接方案，再做沖銷方案，就會導致物流成本高，而且容易產生沖壓裂紋。以下重點討論如何解決焊接變形及沖銷流程方案的問題解決過程。

圖1 離合器盤

存在問題

問題所在技術系統為離合器體總成制造系統，其功能為生產離合器體總成。實現該功能的約束主要是制造成本。現有技術系統工作原理如圖2所示，系統包括離合器盤、離合器體、離合器體總成，其連接方式為焊接。

圖2 離合器體總成制造系統原理

當前該制造系統存在以下問題：

1）離合器體與離合器盤采用二氧化碳保護焊，焊接產生的高熱量造成焊接變形嚴重，影響離合器盤的沖壓銷子的位置度。

2）離合器盤銷子與離合器體外花鍵的同軸度偏大，進而造成應用端同步結構的異常磨損。

類似問題的現有解決方案：降低焊接變形量，例如焊接過程采用風扇空冷的方式。這種解決方案的優點是可以解決一定的粘接變形問題；缺點是無法有效解決焊接變形問題。

而新系統的要求如下：

1）用于連接離合器盤及離合器體的連接工序，對離合器盤的沖壓銷子無影響。

2）離合器盤的銷子與離合器體的外花鍵同軸度控制在0.25mm以內。

3）制造成本降低，固定投入少。

以下通過問題分析、問題解決及方案評估，對制造方案提升進行系統研究[1]。

問題分析

1.功能分析與功能模型

系統組件及各組件之間的相互作用關系見表1。

表1 系統組件分析

現有技術系統的功能模型如圖3所示。其中，圓角矩形框為制品，矩形框為系統組件，六角矩形（六邊形）為超系統組件。虛線箭頭表示作用不足，波浪線箭頭表示有害作用，實線箭頭表示期望作用或標準作用。

圖3 現有技術系統的功能模型

基于該功能模型，進行了系統的功能分析、系統元件及其之間的相互關系的描述，得出導致“焊接變形”問題的功能因素。并在已建立的功能模型圖中選擇以下目標問題：如何減少焊接對離合器盤銷子位置度的影響，如何徹底解決變形。因果分析鏈如圖4所示。

圖4 因果分析鏈

2.沖突區域確定（問題關鍵點確定）

基于因果鏈分析，初步選擇了3個沖突區域的幾個關鍵問題作為問題解決的出發點：特定工藝；冷卻方式為自然空冷；特定連接方式；離合器盤的沖壓供方與離合器體供方距離較遠。

3.理想解分析

理想解有助于拋開事物的表象，直至問題的核心和最終目標。以下從最終理想解、次理想解結合5W分析法，初步分析得到解決方案。

1）設計的最終目的是什么？離合器體總成中的銷子正常止動。

2）理想解是什么？制造合格產品，成本為零。

3）達到理想解的障礙是什么？現工程制造方法不能滿足要求。

4）出現這種障礙的結果是什么？精度不合格，零件不能正常止動。

5）不出現這種障礙的條件是什么？創造這些條件存在的可用資源是什么？改變特定工藝、降低焊接熱量、供方距離縮短；可用資源：改變連接方式、改變焊接冷卻方式、焊接順序（見表2）。依據理想解分析得到方案為：改變二氧化碳保護焊連接方式、替換冷卻方式、改變焊接工藝順序。

表2 可用資源分析

問題求解

1.選取“特定工藝”為入手點，分別采用物理沖突理論工具對問題進行求解

為了“焊接可靠”，需要 “焊接熔深參數”變“深”，但又為了“零件變形小”，需要“焊接熔深參數”變“淺”。考慮到該參數在不同的“時間”（空間、時間段、不同條件下及系統層次上）具有不同的特性，因此該沖突可以從“時間”（空間、時間段、條件、整體與部分）上進行分離。選用4條分離原理（空間分離、時間分離、基于條件的分離、整體與部分分離）當中的“ 時間分離”原理，得到解決方案。

方案1。采用電子束焊接，不再應用焊絲（條），真空條件下，將高能電子束作為加工熱源，用高能量密度的電子束轟擊離合器盤及離合器體接口處的金屬，使其快速熔融，然后迅速冷卻，兩種零件融化在一起。

方案2。采用激光焊接，不再應用焊絲（條），利用高能量密度的激光束作為熱源，激光輻射加熱離合器盤及離合器體接口處，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數，使工件熔化，形成特定的熔池，兩種零件融化在一起。

2.選取“冷卻方式為自然空冷”為入手點，分別采用物質-場模型工具對問題進行求解

物質-場分析從組件之間相互作用及功能實現的角度出發構建物質-場模型，包括完整有效、完整有害、不完整物質-場模型等，通過物質場模型分析，可以引用標準解工具進行問題求解[2]。針對冷卻問題，可構建如圖5所示物質-場模型。

圖5 物質-場模型

根據所建問題的物質-場模型，應用標準解解決流程，得到標準解為No.14：S2通過F1作用于S3，S3再通過F2作用于S1，把單一的模型變換成一串聯的模型（見圖6）。

圖6 基于No.14標準解的物質場模型

方案3。依據No.14標準解，得到問題的解如下：二氧化碳保護焊產生的熔池，由自然空冷改為流動的水來冷卻熔池周邊的材質，達到帶走熱量，進而降低焊接變形的目的（焊接冷卻原理見圖7）。

圖7 焊接冷卻原理

方案4。依據No.14標準解，得到問題的解如下：二氧化碳保護焊產生的熔池，由自然空冷改為流動的油來冷卻熔池周邊的材質，達到帶走熱量，進而降低焊接變形的目的。

方案5。依據No.14標準解，得到問題的解如下：二氧化碳保護焊產生的熔池，由自然空冷改為液氮來冷卻熔池周邊的材質，達到帶走熱量，進而降低焊接變形的目的。

3.選取“特定連接方式”為入手點，采用技術沖突理論對問題進行求解

為了減少焊接時產生的熱量對離合器盤造成的變形影響，需要減少焊接熱量產生，但是這樣做會導致焊接熔深不夠，焊接強度低。

轉換成TRIZ標準沖突為：

1）改善的參數：32可制造性。

2）惡化的參數：14強度。

通過查找沖突矩陣，得到No.1 分割原理、No.3 局部質量原理、No.10 預先作用原理以及No.32 顏色變化原理。

方案6。依據發明原理No.3 局部質量原理：將離合器盤的里孔及離合器體止口設計成花鍵結構，采用花鍵連接方案，取消焊接方案，徹底解決焊接帶來的變形影響。

方案7。依據發明原理No.3 局部質量原理：將離合器盤的里孔及離合器體止口設計成鍵槽結構，采用鍵槽連接方案，取消焊接方案，徹底解決焊接帶來的變形影響。

4.選取“離合器盤的沖壓供方與離合器體供方距離較遠”為入手點，采用物理沖突理論對問題進行求解

為了“制造成本”，需要參數“制造距離”變“短”，但又為了“質量可靠”，需要參數“制造距離”變“長”。選用4條分離原理（空間分離、時間分離、基于條件的分離、整體與部分分離）當中的“ 時間分離”原理，得到解決方案。

方案8。離合器盤的沖銷供方由同一供方制造，采用先焊接后沖銷的技術路線，規避焊接對離合器盤銷子位置度的影響及制作成本的上漲。

結語

依據第三部分問題求解，通過技術可行性、質量穩定性、固定投入及投入使用周期等綜合考慮，企業的選擇方案可是多種的，需要視企業自身情況而考慮。