汽车转向节的铸造问题
 
应用背景:汽车转向节是连接汽车方向盘与前轮轮轴的部件,并与减震器相连。它主要有三部分功能:1与前轮轴相连接,承担轴传来的力和力矩,2汽车转向的转动部件,3吸收汽车行进过程中的震荡。它是汽车中应力最为集中、最为复杂的零件,直接关系到汽车的安全性能,因此它的设计标准十分严格,制造过程和产品测试都要求符合规范。
 
  
图1 转向节图2 6位置为转向节
 
目前转向节是由球墨铸铁为主要原料铸造而成,并加入碳、硅等元素,在微观结构上在铁原子之间形成碳或硅小颗粒以加强合金钢的延展性(韧性),宏观上提高零件的抗拉强度和疲劳强度。而且碳、硅元素的含量要求适当,过多会使合金变脆而导致强度下降。 
 
   
图3 转向节应力分析图
 
2001年大众汽车(墨西哥)公司引进一套转向节铸造生产线,主要步骤是在感应电炉中在1400℃高温下熔化铸铁,以镁作催化剂混合适量沙粒(硅)产生反应形成熔液浇注入砂型中,冷却后打破砂型对铸件进行检测,进一步机械加工最终成品。生产线将型砂经传送带回收处理循环利用,熔渣与不合格铸件同样用升降机回收作为原料再次放入电炉。生产初期,应用此生产线使生产效率得以大幅提高,但同时也产生了铸件废品率(主要为缩型)也大幅提高的问题,经研究发现是由于熔液中沙粒含量超标(使熔液流动性差)造成的。导致生产成本升高以及效率下降。
  
图4 生产线示意图
 
有何经济效益和社会效益:应用TRIZ理论对问题进行分析和创新后,在对生产线稍加改造后,问题得以有效解决,产品不合格率由大于10%降到低于3%,同时不增加任何额外投入,在生产成本不变的情况下,简化了生产线,缩短了生产周期。
 
问题描述:使用生产线后,整个铸造过程的操作性提高了,但相应的也产生了铸件废品率增加了。研究发现,问题的产生是由于感应电炉中的熔液的沙粒含量超标,导致熔液流动性差造成的。若提高熔液温度,可以是问题好转,但会给设备和人员带来危害。由此产生的技术矛盾为:为提高熔液的适应性和由此带来的温度提高之间的矛盾。
 
解决思路和关键步骤:
 
1 分析沙质含量超标问题
一、将具体生产中待解决问题的技术矛盾提取出来
由于问题的关键是熔液中沙质含量过高,使熔液的流动性变差,浇铸时容易产生缩型,废件率升高。在这种情况下,若要使熔液的流动性合乎标准,就要再升高熔液的温度,但是,升高温度对设备和人员都会造成损伤,显然这对于生产是很不利的。因此,想要提高的技术特性是熔液的适应性,而由此带来的问题是温度会升高。
 
二、将技术矛盾的两方面抽象为软件分析需要的技术特性
有利特性:35 Adaptability 适应性,通用性
不利特性:17 Temperature 温度
 
三、技术矛盾矩阵中得到相应的创新原理
对应第35行第17列得到四个创新原理:2、27、3、35。
 
四、据提供的创新原理分析问题,找到解决方案,在解决本问题过程中,应用原理3。
原理3 Local quality 局部质量
A 将均匀的物体结构、外部环境或作用改为不均匀的;
B 让物体的不同部分各具不同功能;
C 让物体的各部分处于各自动作的最佳状态。
 
分析:根据这个原理想到:如果能改变有害物(沙粒)的位置,不让过量的沙粒进入熔炉应该是最好的解决办法。研究发现,过量沙粒是由于回收熔渣和废件过程中,混入了大量的沙粒(来自打破的砂型),再利用时,这些附着在表面的沙粒溶入了铸液中。如果在熔渣、不合格铸件的回收过程中去除沙粒,不使其进入再次生产,就可以避开熔液的升高温度问题。实际该公司也是基于此方法解决问题的。
 
而由此又引出另外的新问题:由于回收物夹带的沙粒分两类,粘附性和非粘附性,应分别考虑予以解决。
 
2、分析非粘附性沙粒消除问题
分析生产线产生的问题可以发现,未使用此生产线时,对于废件不直接回收放入电炉,没有沙粒含量超标的问题;使用生产线之后,废件随传送带回收不经处理直接再利用,就出现了这样的问题。生产线的使用使生产过程的操作性提高了,但带来的问题是铸件不合格率提高了。(回收物的数量增加了。)
 
一、提取技术矛盾:
想要提高的技术特性是铸造的操作性,而随之带来的问题是回收物的量增大了。
 
二、技术矛盾的两方面抽象为软件分析需要的技术特性
有利特性: 33 Ease of operation 操作流程的方便性
不利特性: 1 Weight of moving object 运动物体的重量
 
三、技术矛盾矩阵中得到相应的创新原理
由第33行第1列得到创新原理25、2、13、15。
 
四、分析得到的创新原理,找到适用于本问题的解决方案, 在解决本问题过程中,应用原理25 13 15
原理25 自服务
A 让物体具有自补充、自恢复功能
B 灵活运用废弃的材料、能量与物质
分析:本原理启发使用生产线本身产生的能量作为除沙装置的动力来源。在升降机上增加吸尘装置,使升降机具备除砂功能,同时将熔液散发的热能转化为电能,为升降机和洗尘装置提供能源。
原理13 "The other way round" 反向作用
A 用与原来相反的动作达到相同的目的
B 把物体 (或者过程) 倒过来
C 让物体可动部分不动,不动部分可动
分析:根据原理提示,可以将"把沙粒从原料中去除"的思路改为"把原料从沙粒中去除",将回收过程改为:升降机卸载时先将沙粒与回收物分离,再将已去除沙粒的原料卸下,而沙粒被留在升降机里继续传送。可以通过在回收物上先盖一个带有大量小孔的筛形盖子,筛掉沙粒后,小孔可以自动封闭,翻转回收装置,回收物落下而沙粒被保留在筛子中间。
原理15 动态特性
A 将物体的结构划分成既可变化又可相互配合的若干组成部分
分析:承接上个原理应用双层装置,第一层是带有大量小孔的筛形面,第二层为一般平面,形成类似箱体结构;并加上一个滑动装置,在沙粒排除后,滑片滑动挡住小孔,再次翻转卸载原料时,沙粒被保留在两层之间并被吸尘装置吸收。(如图)
   

图5 双层筛砂装置
 
3 分析粘附性砂质去除问题
分析发现,在铸铁熔化时,操作人员在感应电炉里还加入了催化剂(镁),它在浇铸时紧贴砂型析出,用途是使铸件表面光洁度高,便于深加工。但也使一些沙粒粘附在铸件表面造成废件,原因是沙粒与催化剂(镁)之间有较强的粘附力。
 
一、提取技术矛盾:
想要提高的技术特性是铸件表面的光洁度,而带来的问题是增加了沙粒与铸件之间力的强度。
 
二、技术矛盾的两方面抽象为软件分析需要的技术特性
有利特性: 18 Brightness 照度
不利特性: 14 Strength 强度
 
三、技术矛盾矩阵中得到相应的创新原理
由第18行第14列得到创新原理35、19
 
四、分析得到的创新原理,找到适用于本问题的解决方案, 在解决本问题过程中,应用原理35 19
原理35 物理或化学参数变化
A 改变物体的物理状态
B 改变物体的浓度或粘度
分析:通过将铸件浸入适当浓度的酸性或碱性溶液,使粘附于铸件上的沙粒脱落。这项工作安排在分离铸件时同时进行,从而不必花费过多的时间。