基于TRIZ理論改進一體門鈕設計

李潤林

(中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

產品創新的每個階段都存在很多問題需要解決,依據經驗能夠解決其中的一些問題,但不能解決困難問題,這些不能解決的問題成為產品或過程創新的障礙[1]。TRIZ理論的名稱源自于俄文“發明問題解決理論”轉換成拉丁文的詞頭縮寫,其本意為發現創造問題并解決問題。該理論是由蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒自 1946年開始同上千位研究人員經過多年努力,對 200 多萬份專利進行分析與總結,對其中具有代表性的4萬份專利進行深入研究,總結創新發明的規律法則,綜合多學科多領域而獲得的一種發明問題解決理論的方法[2]。本文基于TRIZ理論嘗試對一體門鈕進行改進設計。

1 背景介紹

傳統雷達天線往往采用機械掃描方式搜索和跟蹤空中目標,經常要求天線在方位作360°連續旋轉,俯仰方向有限轉動。這時就需要通過一種專用的微波連接器件——旋轉關節(或稱轉動鉸鏈)在旋轉天線和固定設備之間建立可靠的連接通道[3]。旋轉關節是天線和饋線之間微波信號傳輸的樞紐,一種單路旋轉關節結構如圖1所示。該旋轉關節由波導、外導體、一體門鈕、門鈕、匹配塊、端蓋等組成,其中一體門鈕主要結構尺寸如圖2所示。

圖1 單路旋轉關節結構示意圖

圖2 一體門鈕主要尺寸

微波信號傳輸衰減是旋轉關節的重要指標之一。為減小微波信號傳輸衰減,在設計時一般選用電導率高的非鐵磁性材料,如銀、銅、金、鋁、鎢、鎳等,其電導率相應按序降低。綜合考慮材料電導率、成本及加工性能,選用黃銅棒(H62-M)設計一體門鈕。一體門鈕主要用于微波信號傳輸時的波形變換,其結構、形狀尺寸和位置通過實驗及相應的三維電磁場軟件進行仿真計算模擬后確定,不可隨意更改。微波信號傳輸時集膚深度很小,僅為微米量級,若零件表面粗糙度、清潔度較差,零件傳輸表面不平度大于集膚深度或表面氧化都將使衰減劇增。

2 問題描述

2.1 定義技術系統實現的功能

實現波導至同軸線的波形變換,完成微波信號在天線和饋線之間穩定可靠傳輸。

2.2 現有技術系統的工作原理

利用波導至同軸線的波形變換,旋轉關節可相對旋轉運動并能保持內部空間一致的結構特性,實現微波信號從固定不動部分(發射和接收機)與旋轉運動部分(天線和饋源)之間的傳輸。

2.3 當前技術系統存在的問題

◇ 材料為黃銅棒(H62-M),直徑細小,剛性差、拉彎力弱,并存在因材料自身重量下垂的彎曲現象;

◇ 在切削過程中,一體門鈕受熱伸長會產生彎曲變形;

◇ 由于切削時刀具所產生的軸向切削力易使一體門鈕發生彎曲,從而引起振動,影響尺寸加工精度和表面粗糙度;

◇ 采用跟刀架、中心架等輔助夾具,增加了加工難度,也會影響加工精度;

◇ 該零件軸長度與軸徑比為64(192÷3),屬超細長軸類零件(即軸長度與軸徑比大于25的軸類零件),每次走刀切削時間長,刀具磨損和一體門鈕尺寸變化大,在加工過程中易發生顫抖、零件彎曲等現象,嚴重時會影響零件的尺寸加工精度、表面粗糙度以及零件外觀。

2.4 問題出現的條件

問題主要集中在一體門鈕加工難度大,出現的條件和時間如下:

◇ 材料為黃銅棒(H62);

◇ 軸長度與長徑比大(64),屬超細長軸類零件;

◇ 加工精度、粗糙度要求高;

◇ 車削時刀具所產生的軸向切削力將加劇零件的顫抖、彎曲現象,普通車床加工難以完成。

2.5 現有解決方案及其缺點

◇ 更換材料:適用材料有限(銀-銅-金-鋁-鎢-鎳);

◇ 更改結構尺寸:不能更改,否則影響性能;

◇ 降低加工精度、粗糙度要求:不能降低,否則衰減增大,性能下降;

◇ 加工方式:結構形式不變的情況下其他加工方式不適用,否則易產生彎曲、竹節形、多邊形、表面粗糙等缺陷。

2.6 新系統要求

易加工成型,保證一體門鈕外形尺寸、精度、粗糙度,滿足系統使用要求。

3 問題分析

3.1 “因果分析”

采用根原因分析法(因果鏈分析法)進行分析,如圖3所示。

圖3 根原因分析框圖

3.2 理想解分析

理想解:選用材料電導率高、價格便宜、可車削成型,并能滿足系統使用要求。

次理想解:選用材料價格便宜、易加工成型,經表面處理后零件表層電導率高,且能滿足系統使用要求。

4 問題解決

4.1 技術沖突解決過程

4.1.1 沖突描述

為了提高一體門鈕的導電性,可以選用材料銀(電導率最高的常用金屬材料),但銀材質偏軟、強度更低,同樣不易保證加工精度和表面粗糙度,增大了加工難度;且銀價格更高,導致一體門鈕加工的經濟成本增高。

4.1.2 轉換成TRIZ標準沖突

TRIZ理論中的39個通用工程參數是連接具體問題和TRIZ的橋梁。借助于39個通用技術參數,可以將一個具體問題轉化并表達為標準的TRIZ問題,從而將實際工程設計中的沖突轉化為一般或標準的技術沖突[1]。根據4.1.1節,通過查詢TRIZ理論中39個通用工程參數表便可得到如下改進和惡化的參數:

改進的參數:22能量損失(減小衰減,即選用高電導率材料);

惡化的參數:14強度;29制造精度;31物體產生的有害因素;32可制造性。

4.1.3 查找沖突矩陣

查找沖突矩陣,得到發明原理如表1所示。

表1 查沖突矩陣得到的發明原理

4.1.4 依據發明原理得到問題解

選定發明原理如表2所示。

表2 發明原理

方案1,依據No.2分離發明原理,得到解:將內導體從一體門鈕分離出去,改為內導體和門鈕底座;

方案2,依據No.21緊急行動發明原理,得到解:提高切削速度,選用高速車床加工;

方案3,依據No.22變有害為有益發明原理,得到解:選用電導率高、強度高的材料;

方案4,依據No.26復制發明原理,得到解:利用電鍍法將高電導率的銀復制到一體門鈕表面;

方案5,依據No.35參數變化發明原理,得到解:減小一體門鈕的軸徑比;熱處理提高黃銅(H62)的硬度、強度;選用高電導率以及硬度、強度更高的其他材料;選用合適的切削參數,使用跟刀架,減小零件加工過程中的彎曲、抖動等。

4.2 物理沖突解決過程

4.2.1 沖突描述

為了減小電磁波能量衰減,須選擇高電導率的材料;為了保證加工精度和表面粗糙度,須選擇電導率低(強度高)的材料(從常用金屬材料分析,電導率低的金屬材料通常強度高),即一體門鈕所選用的材料電導率既要高又要低。

4.2.2 分離原理

依據4.2.1節,采用整體與部分的分離原理,查詢TRIZ理論中的40條發明原理,與該分離原理對應的發明原理有12、28、31、32、35、36、38、39、40,如表3所示。

表3 發明原理

根據選定的發明原理,可得到解決方案如下:

方案1,依據與分離原理對應的No.12發明原理,得到解:將一體門鈕設計成等直徑;

方案2,依據與分離原理對應的No.35發明原理,得到解:減小一體門鈕的軸徑比;熱處理提高黃銅(H62)的硬度、強度;選用高電導率以及硬度、強度更高的其他材料;選用合適的切削參數,使用跟刀架,減小零件加工過程中的彎曲、抖動等;

方案3,依據與分離原理對應的No.36發明原理,得到解:通過熱處理改變設計材料狀態,提高材料強度;

方案4,依據與分離原理對應的No.40發明原理,得到解:將原設計材料(黃銅棒H62)改為復合材料(表面有銀涂層的高強度材料)。

5 創新解評估

匯總上述得到的若干創新解如表4所示,然后通過綜合評價確定最優解:更換材料,并將一體門鈕設計為兩個零件,分別加工后再銷接成型,如圖4所示。

表4 解決方案匯總

圖4 改進后內導體和門鈕底座外形示意圖

綜合考慮材料的電導率、強度、硬度及加工成本,選擇常用的優質碳素結構鋼35,并在加工成型后鍍一層超過微米量級的銀層,即可取得相當于銀波導的良好效果。鋼35具有良好的強度、韌性以及切削加工性能,能夠滿足零件的加工精度、粗糙度要求。

將一體門鈕設計改進分為兩個零件:內導體和門鈕底座,減小軸徑比,降低加工難度。內導體備料后將材料校直,在利用車床進行粗加工和去應力處理后,改由磨床精加工,采用中心架支撐(開式中心架),保證中心架上垂直支撐塊和水平支撐塊與工件成一個理想外圓接觸,周期性調整中心架位置,保證了其加工精度及粗糙度要求。門鈕底座利用車床進行加工成型。內導體和門鈕底座采用徑向銷接成型,然后利用車床以內導體外徑為基準,精加工門鈕外形尺寸成形,再用線切割去掉內導體端部的多余部分,并整體進行表面鍍銀處理,從而保證了加工精度、粗糙度,提高了一體門鈕表面電導率,滿足了設計要求。

6 結束語

針對原設計一體門鈕高軸徑比加工難度大的問題,利用TRIZ理論分析獲得多個解決方案,通過綜合評估獲得一體門鈕改進設計的最優解,大大簡化了一體門鈕加工成型難度,滿足旋轉關節的使用要求。TRIZ被稱為發明問題解決理論,能夠有效幫助設計師簡化遇到的困難技術問題,為科研生產中難題的解決提供了方法和途徑。