基于TRIZ理论研究提升盘榫槽加工效率

姚诚 ,张富余,胡开菊

中国航发成都发动机有限公司 航发机加厂

摘要：本文在对TRIZ理论的研究基础上，论证其在产品创新设计及解决问题上发挥作用的可能性。以盘榫槽底孔加工为案例，通过对TRIZ理论工具的应用，分析问题产生的主要矛盾，利用技术矛盾和发明原理，找到解决问题的可能性，并验证了该方法的有效性，最终使产品问题的解决方案由理论走向了现实。

关键词：TRIZ；技术矛盾；自动找正系统；

1.背景描述

高压压气机盘是组成发动机高压转子的重要零部件，其中有6级压气机盘涉及榫槽底孔，且榫槽均为二面角，每个盘榫槽数量为35-86个不等。每个榫槽根部均有一个榫槽底孔，与榫槽地面垂直，用于同工作叶片相配合，其尺寸与形位公差与榫槽之间的关系要求极高

榫槽底孔是工作叶片装配锁紧的重要连接孔，其技术条件和尺寸与榫槽侧面和底面之间的关系要求很高。由于榫槽拉削时为手动分度，周向存在一定误差，如果按榫槽均布进行加工，无法满足榫槽底孔位置精度要求。故在加工榫槽底孔时无法使用数控转台自动分度，操作者需使用繁琐工装对每一榫槽进行找正后加工，找正时间较长。并且在科研批阶段，工艺多次优化加工刀具和参数，一定程度上提升了加工效率。但自从生命工程小批投产以来，生产任务急剧增加，榫槽底孔的加工周期、加工质量成为严重制约生产任务交付的瓶颈。

为保证尺寸在设计要求的范围内，自研发阶段起，采用可旋转的专用工装，通过工装的设计，将盘榫槽底部保持水平，并使榫槽方向沿坐标轴方向。操作者手动将倒库中的芯棒降到榫槽内，再配合在槽底塞入两根滚棒，使用塞塞尺的方式，得到两侧滚棒与株洲芯棒的间隙，调节零件直至两侧滚棒与株洲芯棒的间隙相等为止。最后进行底孔的加工，由于孔径位置公差较小，需采用钻中心孔→钻底孔→扩孔→铰孔的加工方式。

然后再重复上述工作，直至盘所有榫槽底孔加工完成。

经统计，单个榫槽的找正时间约为5分钟，换刀时间1分钟，零件加工时间为3分钟，测量1分钟，合计10分钟。按照平均一个盘70个榫槽进行计算，单个盘的榫槽底孔加工需11个小时以上。

同时，操作者需重复操作，节奏快，劳动强度极大，人为干预因素多，质量风险高。

伴随着生产任务的急剧增加，榫槽底孔的加工周期成为严重制约生产交付任务的瓶颈。故在设备资源有限的情况下，急需对该工序进行优化，加工周期要求提升50%以上。

2. 问题分析

针对榫槽底孔工序加工时间长，设备利用率低的问题现状，遵循TRIZ解题流程，利用系统功能分析、因果链分析和模型剪裁等方法剖析问题，得到解决方案的主要矛盾。

2.1系统功能分析

分析技术系统的所有组件和组件间的作用关系，定义目标、系统组件和超系统组件，并给予组件之间的关系，如下图。

2.2因果链分析

对盘榫槽底孔加工效率低的问题进行因果链分析，得到问题解决的末端原因：

a）夹具的结构复杂

b）手动调整夹具，再利用塞尺及块规找正，操作量大                     

2.3模型剪裁

采用系统组件裁剪方法简化系统，如图所示：

                            图示 功能模型剪裁分析

发现机床和夹具都是起到装夹和找正的作用，可利用机床直接装夹找正零件，替代夹具的功能，从而减少或去除因夹具操作复杂带来的不便，达到提高效率的目的。

2.4关键问题汇总

2.4.1功能分析

  a）关键问题：如何减少机床找正零件时间

解决方案：对机床进行改造升级，提高找正效率

  b）关键问题：如何减少夹具装夹找正零件的时间

解决方案：对夹具进行优化，提高找正效率

2.4.2因果链分析

  a）关键问题：如何简化夹具功能

解决方案：优化夹具结构

  b）关键问题：如何减少找正操作量

解决方案：采用自动化结构

2.4.3剪裁

     关键问题：机床如何装夹找正零件

解决方案：利用设备装夹零件，再通过自动化手段，自动找正

2.4.4矛盾描述

    通过对上述系统功能分析、因果链分析和模型剪裁等方法分析，得到最终的矛盾描述为：如果机床直接装夹找正零件，那么将减少装夹找正时间，但是机床需满足自动找正能力。

3. 方案构思

3.1、Triz理论中技术矛盾与发明原理的运用

3.1.1问题描述：如果机床直接装夹找正零件，那么将减少装夹找正时间，但是机床需满足自动找正能力

3.1.2将工程问题转化为技术矛盾

技术矛盾-1：如果机床直接装夹找正零件（A），那么减少找正的时间（B），但是设备需满足自动找正能力。

技术矛盾-2：机床间接装夹找正零件（-A），那么无需附加自动找正能力（B），但是将增加找正时间。

3.1.3选择要解决的技术方案：技术矛盾-1

3.1.4确定技术矛盾中的具体参数：

欲改善的工程参数：减少零件的装夹找正时间

被恶化的工程参数：设备需满足自动找正能力

3.1.5将具体参数一般化为通用的工程参数：

欲改善的通用工程参数：时间损失（25）

被恶化的通用工程参数：自动化程度（38）

3.2、推荐的发明原理介绍

    通过查找40个发明原理的矛盾矩阵表，得出第24条中介物和28条机械系统替代，即选用其他的相互作用的机械系统作为中介物，实现目前系统所需的动作。

3.3、产生具体的解决方案

    利用设备的在线监测装置，以及机床本身的转台分度，对机床雷尼绍探针系统进行二次开发，通过测头的感应信号，使用探针对每一处榫槽进行数据采集，将采集数据自动录入机床的参数中，零件加工时调取采集参数，实现零件的精密找正。同时将探针宏程序与零件加工程序有机结合，真正实现零件自动化加工。

4. 成果展示

    压气机盘实现了自动找正加工，彻底解决了操作者重复使用繁琐工装找正的历史难题，有效预防了人为操作失误，使得产品质量得到有效的保证；极大地减轻了操作者的劳动强度，充分发挥了设备的有效利用率，大幅缩短了加工周期，提高产品的加工效率，可为后续自动化、智能化生产打下坚实的基础。                      

序号	优化方向	改进前	改进后
1	工装	采用专用工装垫角度的方式由操作工人手动分度	简易压紧
2	找正方式	需操作者逐个手动找正榫槽中心进行加工	操作者找正第1个榫槽后，由机床自动找正加工
3	找正时间	至少4.46小时	0.27小时
4	设备占有时间	11小时/件	4.7小时/件
5	操作者	技能要求高，劳动强度大	技能要求低，劳动强度小
6	产品质量	质量损失大	质量稳定、可控

5. 结束语

依通过TRIZ 理论工具，发现问题的根本矛盾，解决问题，从而提升盘榫槽底孔加工效率50%以上，为企业解决生产技术问题，提升企业核心竞争力，可对该问题解决方案和方法理论进行推广以及应用。

6.参考文献

[1]陆剑中，孙家宁.金属切削原理与刀具[M] 北京：机械工艺出版社，2002.

[2]阿奇舒勒著.  寻找创意 TRIZ入门. 北京  科学出版社，2013.