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基于TRIZ理论的硬齿面齿轮滚齿机干滚的应用

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  • 更新时间2015-09-28
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冯 强

(荆州恒隆汽车零部件制造有限公司 湖北 荆州 434000)

摘 要:将TRIZ理论引入齿轮硬齿面刮削领域,采用TRIZ创新方法对齿轮硬齿面刮削工艺进行分析,查询相应的解决发明原理,通过引入涡流管,利用涡流管产生的冷风达到降低滚齿加工时产生的热量,其吹出的风可以很好的将加工出的铁屑带走,涡流管质量可靠、性价比高,比较符合应用在齿轮硬齿面刮削领域。

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关键词 :TRIZ理论;硬齿面滚齿机;涡流管;干滚

中图分类号:TG76 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1665-2272.2015.01.046

0 前言

在汽车转向器制造行业大量使用到齿轮,对齿轮的使用性能和精度要求较高,采用硬齿面滚齿机进行干切加工,会产生大量热量和铁屑,影响齿轮精度,而且齿轮在干滚后温度高比较烫手,给操作工人带来诸多不便。

传统解决方式是通过使用切削油降低工件温度和排屑,但生产大量油雾,工人需要佩戴防护用品,工作现场地面油污较多,工人容易滑倒,同时也增加了油品消耗,使成本上升。使用中的废油回收对环境保护产生影响,也不符合我国发展环保的要求。

1 TRIZ理论简介

TRIZ理论(Theory of Inventive Problem Solving)是发明问题解决理论,起源于前苏联,由前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒及其发明团队经过几十年的努力,在研究了世界250万件高水平专利的基础上,综合诸多领域的原理、法则,提出的发明问题解决理论。经过半个多世纪的发展,TRIZ已经形成了一系列的方法与工具,成为指导人们解决发明问题的系统化方法学,TRIZ理论是20世纪最伟大的发明之一,是研究发明创造与克服技术创新过程中所遵循的原理和法则。

TRIZ解决问题一般分四步,首先需要对一个实际问题进行仔细的分析并加以定义及明确;然后根据TRIZ理论提供的方法将需要解决的问题归纳为一个类似的TRIZ标准问题模型;第三步,针对不同的标准问题模型,应用TRIZ理论已总结、归纳出的类似的标准解方法,找到对应的TRIZ标准解决方案模型;最后将这些类似的解决方案模型应用到具体的问题之中,演绎得到问题的最终解决方法。

2 TRIZ理论的硬齿面齿轮机干滚的应用

2.1 现状说明

机械加工是靠刀具切除工件的表面余量的一种加工方式,切削每次都在新生面上进行,速度变化每分钟数毫米至数百米,压力高达2~3GPa。切削时除外摩擦外,还有刀具与切入金属内部的分子内摩擦,切削区界面温度可达600~800℃,这样的高温高压会使刀具的强度和硬度降低,从而降低了刀具的精度和寿命。

如何在现有国内的设备上不采用切削油进行润滑及散热,以解决以上的问题又能保证产品的加工质量。在现有国内滚齿机上采用干滚的创新设计,希望改进的特性:①取消切削油;②加工产品的质量不下降;③加工效率提高。通过上述改进又出现降低的特性:①设备及刀具成本升高;②产品质量不稳定。

2.2 产生的技术矛盾

通过应用TRIZ理论,查询矛盾矩阵表,对应的工程参数为19运动物体的能量消耗,导致恶化的特性为设备及刀具精度要求高、成本上升。对应的工程参数为36系统的复杂性。

查找矛盾矩阵,对应的创新原理为2,29,27,28。2抽取原理 :是从物体中抽取产生负面影响(既“干扰”)的部分属性或抽取出唯一需要的部分(属性);29用气压与液压结构:将物体的固体部分用气体或流体替代,如利用气垫、液压静压、流体动压产生缓冲功能;27廉价替代品原理:用若干便宜的物体替代昂贵的物体,同时降低某些质量要求,实现相同功能;28机械系统替代: 用视觉系统、听觉系统、味觉系统或嗅觉系统替代机械系统;使用与物体相互作用的电场、磁场、电磁场;用动态场替代静态场,确定场替代随机场;把场与场作用和铁磁粒子组合使用。

参照对比以上原理,结合第29及28条原理,用另一种系统来替代现有系统,可考虑用气压来替代液压。查找知识创新库,得知涡流管原理。

涡流管(Vortex Tube)又称涡漩管、冷风管、冷气枪等。涡流管流采用高品质不锈钢材料制造,其质量可靠、性价比高,主要用来对人体、设备、仪器进行降温。接通压缩气源就相当于一个”便携的空调“。涡流管需要压缩气源便可工作,当压缩空气进入涡流管的冷气发生器的时候,便可从冷气端得到冷气,从热气端得到热气。压缩空气喷射进涡流管涡流室后,气流以高达每分钟一百万转的速度旋转着流向涡流管热气端(右侧)出口,一部分气流通过控制阀流出,剩余的气体被阻挡后,在原气流内圈以同样的转速反向旋转,并流向涡流管冷气端(左侧),如图1所示。在此过程中,两股气流发生热交换,内环气流变得很冷,从左侧流出,外环气流则变得很热,从右侧流出。冷气流的温度及流量大小可通过调节涡流管热气端阀门控制。涡流管热气端出气比例越高,则涡流管冷气端气流的温度就越低,流量也相应减少. 热气端装有一个小型的可调节阀门,有手动调节旋钮,这样就可以手动调节冷气的温度和气量。涡流发生器是一个可互换的固定部件,它用于控制压缩空气的容积,并可以按不同的流量和温度范围进行选择。

涡流管具有以下特点:①可产生温度从-40°F(-40℃)到+250°F(+110℃)的气流;②制冷功率可达2500Btu/H(630 Kcal/H,在100psi压力下功率是2800BTU/H,821Kcal/H);③气流量可达35SCFM(990 SLPM);④无运动部件、便携、轻巧、廉价;⑤无需用电、氟利昂或化学冷媒,仅用经过滤的工业用压缩空气;⑥无火花闪现的危险,没有无线/射频干扰;⑦即时开/关,易于控制,制冷不产生任何废弃物;⑧无需清理残留物,无需清洗零部件;⑨运行可靠、免维护,不锈钢结构持久耐用;⑩输入压缩空气量为10, 15,25,和35SCFM(280,420,700,990SLPM);能产生高达2500 Btu/H(630 Kcal/H)制冷量;11 仅用手动旋钮和温度计来调节冷气出口温度。如果压缩空气的入口压力和温度保持不变,涡流管的出口温度将保持在±1°F(±0.6°C)的范围内持续不变。

涡流管的应用领域:①冷却制造过程:塑料或金属加工、木材加工、焊接、粘接、热密封、缝纫针、模具加工等;②在实验室里用于冷却和干燥气体采样,冷却环境舱;③电子元器件、仪表、开关和温度调节装置等的冷却及温度控制。

3 现有国内滚齿机上采用涡流管进行降温干滚的方案

干滚实验是基于公司现有的滚齿机,设备为重庆机床厂的数控滚齿机YKS3112,在滚齿机上安装涡流管(韩国世洋),此涡流管利用压缩空气作为动力源,就可以产生比起初的压缩空气温度低38°C的空气流,利用涡流管上的弯管可以将空气流引到滚切位置,将加工中产生的热量带走。

本次试验加工的产品是汽车转向器齿轮轴,材料为20CrMnTi,毛坯余量单边0.12,渗碳后表硬度HRC55-60,使用的加工参数:线转速110m/min,进给量40mm/min,加工状态为连续干切削,试验主要验证采用涡流管干切的可行性,分别用新滚刀和复磨过的滚刀分析齿轮公法线公差、齿形公差、螺旋线公差、滚刀使用寿命。

3.1 公法线分析

3.1.1 新滚刀加工齿轮轴公法线测量统计

图2是用统计方法分析过程控制能力,从分析的结果看,用新滚刀干切加工的齿轮轴时公法线CPK为1.91,完全满足加工需求。

3.1.2 复磨后滚刀加工齿轮轴公法线测量统计:

从图3看,复磨滚刀加工的齿轮轴公法线主要分布在10.981-11.008之间,波动范围在0.027,用复磨过的滚刀干切加工的齿轮轴时公法线CPK为1.76,也能满足加工需求。

3.2 齿形分析

3.2.1 新滚刀加工齿轮轴齿形测量统计

齿形是在两天的加工过程中按每天测三件的频率抽验,从统计结果看(见图4),齿形主要分布在0.0029-0.0102之间,且集中在0.004-0.008,与有切削油加工相比没有区别,符合图纸要求。

3.2.2 复磨后滚刀加工齿轮轴齿形测量统计

由于车间生产的齿轮轴型号较多,复磨刀具加工齿轮轴型号不唯一,本统计数据不分型号,数据是采样五天的加工情况后统计得出:从统计结果看(见图5),复磨后的滚刀加工的齿轮轴的齿形主要分布在0.005-0.02之间,受刀具复磨的精度影响,齿形的变化范围也变大,但与有切削油加工相比,结果一致,都反应出复磨的滚刀对齿形影响明显,而不是干切导致了齿形变差。

3.3 齿向分析

3.3.1 新滚刀加工齿轮轴齿向测量统计

从统计结果看,齿向主要分布在0.005-0.015之前,符合图纸要求(见图6)。

3.3.2 复磨后滚刀加工齿轮轴齿形测量统计

和齿形统计数据一样,本统计数据不分型号,数据是采样五天的加工情况后统计得出,从统计结果看(见图7),齿向主要分布在0.005-0.02之前,齿向的精度与刀具,机床,工人调试水平等因素都有关联,但从本次收集数据可以看出,干切对齿向的影响不是很明显,符合图纸要求。

3.4 滚刀使用寿命分析

(1)新滚刀(1.8模数)加工单一产品T40齿轮轴,加工了1998件后开始复磨。

(2)新刀和复磨滚刀加工寿命统计,分别选取了1.75,1.85,1.94三个模数的滚刀进行刀具寿命统计,由于生产时不可能只加工一个型号产品,所以统计的数据是多种型号的齿轮轴,不同型号的齿轮轴有效长不一样,螺旋角不一样,对滚刀的消耗存在差异(见表1)。

综合以上信息,采用涡流管干滚齿对产品质量和刀具寿命无影响,可以满足目前的要求,目前干式滚齿已经在行业内大量使用,采用干切不仅可以减少对环境的污染,同时减少使用切削油,从而降低成本,以我们现在使用为例,一台滚齿机一个月消耗削切油64KG,通过使用涡流管干切,一年可切省768KG,每公斤切削油23元,一年可节省17 664元。

4 结语

综上所述,通过应用TRIZ原理,通过查找矛盾矩阵,使用气体来替代液体,将原来使用的切削油替换成冷风管,不仅可以达到质量的需求,还可以取消油品效果,降低使用成本,同时工作环境变的更加舒适,齿轮干滚技术的推广符合现代加工的发展趋势。

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参考文献

1 陈爱平,张韵风,侯欣芸.齿轮的功用及加工[M].北京:机械工业出版社,2010

2 赵敏.TRIZ入门及实践[M].北京:科学出版社,2009

(责任编辑 孟 恒)