基于Pro/Innovator和TRIZ的干式刃磨工艺系统改善方案
                  
摘要:应用TRIZ理论和计算机辅助创新(CAI)软件Pro/Innovator5.0对问题进行分析和创新后,只要对刃磨工艺系统稍加简单改造,就可以有效降低磨削表面温度,减小磨削时的振动,解决磨削效率低,刃磨表面粗糙的问题,提高了操作的安全性和砂轮的耐用度。
 
1 工况背景
 
刀具刃部表面质量是决定刀具耐用度的关键指标之一,通常要求都在Ra0.2~0.4以上。刃磨工艺系统就是对淬火后的车刀、铣刀、滚刀以及丝锥、钻头刀等各类刀具进行刃部磨削所必备的最终精加工工艺系统,直接形成并决定刀具的刃部质量。一种典型的刃磨工艺系统如图1所示。
 
 
 
图1 刃磨工艺系统
 
工作原理:由于刀具刃部型面复杂,为便于操控,刃磨工艺系统多采用干式磨削,即用旋转砂轮直接磨削刀具刃部表面,不浇注冷却液。因此,干式刃磨工艺系统本身不带冷却液系统。干式刃磨工艺系统一般由动力系统、砂轮杆、砂轮、垫圈及螺母组成,如图2所示。磨削过程是由砂轮上刚玉砂锋利的锐棱对零件进行切割来完成的。由于系统结构简单,操作方便、灵活而在刀具制造业中得到广泛应用。 
图2 干式刃磨工艺系统的组成
 
2 问题描述
 
刀具的刃磨是一件精细的工作,为方便工人观察和操作,干式刃磨工艺系统本身不带冷却液供应,并使砂轮悬伸出来,这就带来两个严重的问题:一方面,干式磨削时所产生的磨削热不易散发,磨削表面温度很高,极易引起刃部产生表面退火、烧伤等现象而致刀具报废。因此,加工中的吃刀量(切削深度)不能太大,这严重影响磨削效率;另一方面,由于所刃磨的刀具一般经过了热处理(如高速钢等),淬火后的硬度很高(≥HRC65-79),型面因热处理变形造成余量分布不均匀,或刃磨本身就是对高硬度的非均匀余量进行切除(如硬质合金),砂轮悬伸磨削时振动大,磨削表面粗糙,往往很难达到Ra0.4以上。而且过大的振动还容易引起砂轮破损,影响工人操作的安全性和砂轮的耐用度。
 
借助于TRIZ理论和亿维讯同创(IWINTALL)开发的计算机辅助创新(CAI)软件Pro/Innovator5.0,可以迅速有效地获得对问题的创新解决方案。
 
3 解决思路和关键步骤
 
3.1 分析磨削效率问题
 
3.1.1 提取待解决问题的技术矛盾
 
由于问题的关键是干式刃磨工艺系统本身不方便使用冷却液,砂轮的砂粒在切削过程中缺乏润滑,摩擦力增大。同时,由于对金属的切除会使砂轮出现粘屑堵塞现象,妨碍了砂轮磨削过程中的自锐能力,砂粒在磨钝后既不易自动破碎产生新的锋利的切削刃,也不易自动从砂轮粘结剂处脱落,致使切削过程中的摩擦力更为加剧,产生大量磨削热,并且不易散发,磨削表面温度很高,限制了加工中的切削用量,从而严重降低了磨削效率。如果要使用冷却液,为保证工人的正常操作,刃磨工艺系统就需要增加密闭的冷却液隔离系统、循环系统,并改进操控系统等等,十分复杂,操作也不方便。因此,设法要改善的技术参数是不浇注冷却液所引起的有害因素,而由此带来的问题将使刃磨工艺系统变得复杂。
 
3.1.2 将技术矛盾的两方面抽象为软件分析所需要的技术参数
改善的参数:31物体产生的有害因素。
恶化的参数:36系统的复杂性。
 
3.1.3 由技术矛盾矩阵中得到相应的创新原理
如图3所示,在创新软件Pro/Innovator5.0中,利用矛盾矩阵对应第31行第36列得到三条创新原理:19、1、31。
 
 
图3 在Pro/Innovation5.0中利用矛盾矩阵查找创新原理
 
3.1.4 依据提供的创新原理分析问题并寻求解决方案
 
在解决本问题过程中,可以应用TRIZ创新原理31: 多孔材料原理。并且,在该创新原理后面所给出的实例中,还找到了可供参照的TRIZ创新原理实例: 树脂对磨石粘接剂孔眼的填充防止粒子对孔眼的阻塞,如图4所示。
 
图4 Pro/Innovation5.0中应用多孔材料原理的实例
 
应用多孔材料原理并参照该创新实例,想到在砂轮的孔眼中事先填充某种固体润滑物质,既能对磨削过程起润滑作用,以减小摩擦发热,又能防止磨削过程中砂轮孔眼的粘屑堵塞现象,改善砂轮的自锐能力,保持砂粒切削刃的锋利,进一步减小摩擦发热。利用软件的解决方案查询功能,通过关键词查询: solid lubricant,在得到的诸多方案中,找到可参照的解决方案: 喷涂团聚粉颗粒将固体润滑剂送入等离子体涂层中。如图5所示,该方案中提到的固体润滑剂,包括二硫化钼、氮化硼、氟化锂化合物或石墨等都可选用。
 
 
 
图5 Pro/Innovation5.0中的解决方案查询功能
 
进一步利用软件的专利查询功能,通过查询问题输入:向砂轮中填充固体润滑剂(fill solid lube into grinding wheel),如图6所示,查阅到美国专利中利用油填充固体润滑剂的相关信息:
 
美国专利# 6567212, Vibration damping device for microscopes and microscope with a vibration damping device, 05/20/2003
专利权人: Leica Microsystems Heidelberg GmbH (Mannheim, DE)
发明人: Engelhardt; Johann (Bad Schoenborn, DE); Storz; Rafael (Bammental, DE)
 
 
 
因此,可以考虑向砂轮中填充浸渗油稀释过的固体润滑剂。稀释剂可以选择受热易于气化的切削油,向其中添加细粒度的石墨或二硫化钼粉剂等固体润滑剂,搅匀后,将硬度适中的砂轮浸渗其中,利用砂轮孔眼的毛细效应将切削油与固体润滑剂的混合液吸附其中,也适当地湿润了砂轮,在磨削中不但能起润滑减摩作用,同时借助摩擦热使得切削油气化,携带走大量切削热,能有效降低切削区温度,改变干式磨削为半湿式磨削,却并不影响工人的刃磨操作。
 
至此,磨削效率问题得到了有效解决。
 
3.2 分析磨削表面质量问题
 
3.2.1 提取待解决问题的技术矛盾
 
由于问题的关键是干式刃磨工艺系统所要刃磨的刀具一般硬度很高(≥HRC65-79),加工余量分布不均匀,受操作限制砂轮是悬伸磨削,因而振动大,磨削表面质量差,砂轮易破损。如果要改变砂轮的悬臂安装方式,提高砂轮杆的刚性,从而增加砂轮的磨削强度,会影响到砂轮对刀具复杂刃部形状的适应性,从而使很多刀具的端齿侧刃由于受干涉而无法刃磨。因此,设法要改善的技术参数是强度,而由此带来的是砂轮对刀具复杂刃部形状适应性变差的问题。
 
3.2.2 将技术矛盾的两方面抽象为软件分析所需要的技术参数
改善的参数:14 强度。
恶化的参数:35适应性、通用性。
 
3.2.3 由技术矛盾矩阵中得到相应的创新原理
如图7所示,在创新软件Pro/Innovator5.0中,利用矛盾矩阵对应第14行第35列得到三条创新原理:15、3、32。
 
 
 
 
3.2.4 依据矛盾矩阵提供的创新原理分析问题并寻求解决方案
 
在解决本问题过程中,可以将TRIZ创新原理15:动态特性原理和32:局部质量原理结合起来应用,即,考虑对砂轮局部