基于TRIZ理论的组合机床镗刀系统结构改进.pdf

T e C h n 0 Io g y a n d T 工艺与检测 基于 T R I Z理论的组合机床镗刀系统结构改进 吴贵军 国秀丽 安阳工学院机械工程学院， 河南 安阳 4 5 5 0 0 0 摘要根据组合机床镗孔车端面动力头镗 刀系统的使用情况， 运用 T R I Z理论 ， 研究了镗刀系统结构存在 的技术矛盾 ， 分析出了改善的参数和恶化的参数 ， 根据矛盾矩阵， 采用分割原理 ， 提出了镗刀刀座与 刀杆采用分体式设计的改进措施 ， 在使用过程 中出现明显的振动现象 ， 又建立物一场分析模型 ， 采 用第二类标准解 ， 刀杆的夹持部分制成锥度 ， 利用 S o l i d Wo r k s软件建立了刀杆的三维模型 ， 用 S i re- u l a t i o n插件对刀杆进行了有限元分析 ， 运算出刀杆受力变形量满足 要求 ， 使用过程 中振动现 象完 全 消 除。 关键词 T RI Z； 组合机床 ； 有限元分析 ； S i mu l a t i o n 中图分类号 T H1 2 2 文献标识码 A S t r u c t u r e i mp r o v e me n t o f b or i n g t o o l s y s t e m o f c o mb i n e d ma c h i n e t o o l b a s e d o n t h e t h e o r y o f T RI Z WU G u i j u n ． G U O X i u l i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， A n y a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， A n y a n g 4 5 5 0 0 0， C H N Abs t r a c tAc c o r d i n g t o t h e u s e e n d p o we r h e a d b o r i n g c u t t e r s y s t e m o f b o rin g mo d u l a r ma c hi n e t o o l a n d us i n g TRI Z t h e o r y t h e t e c h n i c a l c o n t r a d i c t i o n s o f b o rin g t o o l s y s t e m s t r u c t u r e i s s t u d i e d ．Ame l i o r a t i v e para me t e r s a n d d e p r a v e d p ara me t e r s ha v e b e e n a n a l y z e d．Ac c o r di n g t o t h e c o n t r a d i c t i o n ma t rix a n d s e g me n t a t i o n p rin c i p l e t h e b o rin g c u t t e r a n d t h e c u t t e r r o d s p l i t d e s i g n i mp r o v e me n t me a s u r e i s a d o p t e d．Th e o b v i o u s v i b r a t i o n p he n o me n o n a p p e ars i n t h e us e p r o c e s s ．An d t h e a n aly s i s mo d e l o f s u bs t a n c efie l d h a s b e e n e s t a bl i s h e d ． Us i n g s e c o n d t y pe o f s t an d a r d s o l u t i o n h o l d i n g p o r t i o n o f c u t t e r c l a mp i n g r o d h a s b e e n ma d e i n t o t a p e r ． Th r e ed i me ns i o n a l mo d e l o f t h e c u t t e r arb o r h a s b e e n e s t a b l i s h e d u s i n g S o l i d W o r k s ．And F EM a na l y s i s i s c a r r i e d o u t us i n g S i mu l a t i o n p l u gi n c o mp o ne n t s ．Th e c u t t e r ba r f o r c e d e f o r ma t i o n wh i c h me e t s t h e r e qu i r e me n t s ha s b e e n c a l c u l a t e d．Th e v i b r a t i o n p h e n o me n o n d i s a p p e a rs c o mp l e t e l y i n t h e us e ． Ke y wor dsT RI Z；mo d ul a r ma c hi n e t o o l ；fin i t e e l e me n t a n a l y s i s ；S i mu l a t i o n 创新是人类永恒 的话题 ， 是推动人类进步的动力 ， 是工业发展的源泉 ] ， 在过去 的 2 O年里 ， 我 国工业快 速蓬勃发展 ， 但是拥有 自主知识产权含量较高 的产品 较少 ， 由于创新是 1个系统工程， 见效慢 、 投入大 、 失败 风险率高 ， 所 以我 国的工业发展一直滞后 于欧美等创 新大国， 而找到创新工具、 创新技法会使我们的创新过 [ 5 ] 黄坤涛， 房丰洲， 官虎． 超精密车削表面微观形貌对光学特性的影 响 [ J ] ．光学精密工程 ， 2 0 1 3 ， 2 1 1 1 0 1 1 0 7 ． [ 6 ] 许乔 ，王健 ， 马平 ， 等．先进光学制造技 术进展 [ J ] ． 强激光 与粒子 束．2 0 1 3 ， 2 5 1 2 3 0 9 8 3 0 1 5 ． [ 7 ] 夏欢 ，陶继忠．空气静压球面轴 承主轴 回转 精度测试 研究 [ J ] ，轴 承．2 0 1 3 7 5 65 8 ． [ 8 ] 张丹， 黄惟公， 王瑞， 等．车床主轴 回转精度数字式单向测量法 [ J ] ．制造技术 与机床 ， 2 0 1 4 1 0 4 1 5 4 ． [ 9 ] B r y a n J B， Va n h e r c k P ．U n i f ic a t io n o f t e r mi n o l o g y c o n c e r n i n g t h e e r r o r mo t i o n o f a x e s o f r o t a t i o n[ J ] ．C I R P A n n als ．1 9 7 5 8 5 5 5 5 6 2 ． [ 1 0 ] D o n a l d s o n R P ．S i m p l e me t h o d f o r s e p a r a t i n g s p i n d l e e r r o r f r o m t e s t Z U 1 0 幂 朋 b a l l r o u n d n e s s e r r o r [ J J ．C I R P A n n al s ．1 9 7 2 2 1 2 51 2 6 ． [ 1 1 ] G a o W，S a t o E，O n u m a T ．R o u n d n e s s a n d s p i n d l e e r r o r me a s u r e me n t b y a n g u l ar t h r e ep rob e me o d[ J ] ．J o u r n a l o f t h e J a p a n S o c ie t y f o r P r e c i s i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 2 ， 6 8 9 1 1 9 51 1 9 9 ． [ 1 2 ] A S ME B 8 9 ． 3 ． 4 2 0 1 0 Ax e s o f R o t a t i o n Me t h o d s f o r S p e c i f y i n g a n d T e s t i n g 第一作者 孙郅佶 ， 男， 1 9 9 0年生， 硕士研究生， 主要 从事超精密切 削工艺与超精密机床测试方面的研 究。 编辑刘文元 收稿日 期 2 0 1 5 0 4 2 7 工艺与检测 T e C h n 0 Io g y a n d T e s t 程起到事半功倍的效果。T R I Z t h e o r y o f i n v e n t i v e p r o b ． 1 e m s o l v i n g 是俄文中发明问题解决理论的词头。由前 苏联根里奇 阿奇舒勒及其领导 的一批研究人员 ， 自 1 9 4 6年开始 ， 花费 1 5 0 0人／ 年的时间， 在分析研究世界 各国 2 5 0万件专利的基础上 ， 研究与归纳人类在进行发 明创造 、 解决技术难题过程中所遵循的科学原理与法则 后建立的 。其主要内容包括 3 9个工程技术参数、 4 0 条创新原理、 矛盾冲突解决矩阵、 物质一场分析理论、 7 6 种标准解法以及发明问题解决算法 A R I Z 等。 组合 机床是 一种按照合 理的制 造工艺 ， 以大量 通用机床部件 为 基础 ， 配 以少量 的专 用 部件 ， 同 时 配备专用夹具组合在一起 的专用 高效设备 ， 是 企业 快速响应市场 需求 、 提高 产 品 的质量 、 提高 企业 综 合竞争力所必备的设备之 一 ， 在 当今 汽车制造业 中 广泛应用 。镗 孔 车端 面动 力 头 由于其 能够 镗 出较 高精度 内孔 ， 同时保 证端 面 与 内孔 的垂直 度 ， 大大 提高 了加工效率和工件加 工质量 ， 在 组合机床 中被 普 遍 应 用 根据表 1的矛盾矩阵， 得出推荐的发明原理是 1 分割 ； 3局部质量 ； 7嵌套 ； 9预先反作用 ； 1 1 事先防范； 1 4曲面化 ； 1 5动态特性 ； 1 8机械振动 ； 2 7廉价替代品； 2 8机械系统替代 ； 4 0复合材料。矛盾矩阵给出的推荐 解是朝着问题解决 的方向发展 的， 但是不能直接得到 矛盾的特解。在表 1的矛盾矩阵中， 1 分割原理、 1 4曲 面化、 2 7廉价替代品、 4 O复合材料均出现了 2次 ， 考虑 不增加系统的复杂性 ， 采用 1 分割原理进行改进 ， 将镗 刀杆与刀座进行分体式设计 ， 原结构如 图 1 a 所示 ， 改 进后的结构如图 1 b所示。但是该结构能否满足实际 生产需要还需要进一步验证。 a 改进前 b 改进后 1 一刀盘 ；2 一刀杆 ；3 镗刀 ；4 一刀座 ；5 ～工件 ；6 键 ；7 一锁紧螺钉 。 图1镗刀结构改进前后对比 1 T R I Z理论的镗刀结构改进 2 镗刀杆分体式改进验证 镗孔车端面动力头部件经过几十年的市场实践 ， 其性能被众多生产企业所认可， 但其镗刀系统的刀座 和刀杆一直采用一体化结构 ， 不仅重量较大 ， 且占用较 大的放置空间， 而在实际生产中， 由于工件的种类多样 性 ， 导致需要镗削的内孔尺寸也是干变万化 ， 1个刀杆 加工内孑 L 尺寸只能在一定范围内变化 ， 生产企业必然 要准备很多不同直径 的镗刀座， 每次更换镗刀需要天 车的帮助才能完成 ， 另外刀座固定在刀盘上时， 为了使 刀座和刀盘同轴 ， 采用 2个柱销定位 ， 经常拆卸刀座对 柱销会产生一定 的磨损 ， 影 响刀杆与回转轴线的的同 轴度 ， 严 重影 响内孑 L 的加 工精度 。这 时就应 当使用 T R I Z的矛盾矩阵理论 ， 抽取工程技术参数 ， 将矛盾转 换为 T R I Z语言 ， 得到有效的解决方法。 在上面的问题 中， 镗孔车端面动力头的刀座 、 刀 杆 、 存放空间 、 机床工人构成 1 个技术系统 ， 刀座 、 刀杆 是技术 系统的主体 ， 系统 的理想解 I F R 是刀座与刀 杆重量很轻便于工人移动和拆装 ， 刀座、 刀杆的尺寸很 小 ， 占用较少的空间。而 由此产生后果就是系统的可 靠性变坏、 强度变低 ， 得到的矛盾矩阵如表 1 所示。 表 1 镗刀结构改进的矛盾矩阵 恶化 1 4强度 2 7可靠性 1运动物体的重量 2 8 、 2 7、 1 8 、 4 0 3 、 1 1 、 1 、 2 7 改善 改 7运动物体 的体积 9 1 4 1 5 7 1 4 、 1 、 4 0、 1 1 1 24 该镗刀系统是用来镗削汽车前轴的主销孑 L ， 同时镗 削孑 L 端 面。加 工 工 艺 参 数 半 精 加 工 直 径 D 3 4 ． 5 n t m； 镗 刀 线 速 度 9 8 m ／ m S n ； 主轴 转 速 n 9 0 0 r ／ ra i n ； 进 给 速度 f0 ． 1 5 ra m ／ r ； 背 吃 刀 量 n 0 ． 6 5 m m； 镗刀 y 01 5 、 O t o8 、 9 0 。 、 k 2 5 。 、 A 一 5 。 、 1 m n l 、 刀片材料为硬质合金。 改进后机构能够满足刀杆与刀盘 的同轴度要求 ， 固定可靠 ， D H - l m艺参数没有改变 ， 但使用过程 中出现 了较为明显的振动现象 ， 在工件镗削内孑 L 表面上出现 了明显的振动波纹 ， 严重影响工件表面质量 ， 并且伴有 严 重 的噪声 。 3 振 动原 因分析及解决措施 镗刀系统其它位置的结构没有发生变化 ， 测量镗 刀杆的旋转精度符合要求 ， 刀杆和刀座安装后进行 了 动平衡实验 ， 所以不可能是外界引起的强迫振动 ， 是 由 镗刀系统结构改变而引起 的振动。在改进过程 中， 镗 刀杆振动说 明是 由于镗刀杆刚度不足引起 的振动 ， 而 解决这类问题通常采用增大直径或者缩短镗刀杆的长 度这 2种方法。增大镗刀杆的直径会使镗削 内孑 L 的加 工范 围变小 ， 缩短镗刀杆长度会使镗孔深度变浅 ， 这 2 种方法虽然很容易实现 ， 但对于整个镗床 的加工能力 减弱了， 都是不可取的。 采用 T R I Z理论 中的物一场分析方法进 行分析。 ZU等 l0 _平