应用Triz理论提升零件冲销精度

薛锐

天津天海同步科技有限公司 天津 301600

近年来随着汽车行业的快速发展，市场竞争越来越激烈，汽车零部件不仅要做到质量可靠、技术先进、轻量化及低碳化等，而且制造成本也要有相对优势，否则企业很难生存下去。在这种背景下，企业必须要创新，走持续创新的道路，公司在新技术、新工艺、新材料方面下大力度研究，以下介绍出口零部件板材冲压的过程，在技术创新的同时，降低制造成本。

如图1所示的离合器盘（又称锁止板），应用在汽车变速器内，作用为止动行星齿圈。离合器盘通过焊接工艺与离合器体焊接为一体式结构。如果先将离合器盘做成成品，再做焊接连接方案，焊接变形就会对离合器盘的销子位置度及平面度造成一定的影响。如果先做焊接连接方案，再做冲销方案，就会导致物流成本高，而且容易产生冲压裂纹。以下重点讨论如何解决焊接变形及冲销流程方案的问题解决过程。

图1 离合器盘

存在问题

问题所在技术系统为离合器体总成制造系统，其功能为生产离合器体总成。实现该功能的约束主要是制造成本。现有技术系统工作原理如图2所示，系统包括离合器盘、离合器体、离合器体总成，其连接方式为焊接。

图2 离合器体总成制造系统原理

当前该制造系统存在以下问题：

1）离合器体与离合器盘采用二氧化碳保护焊，焊接产生的高热量造成焊接变形严重，影响离合器盘的冲压销子的位置度。

2）离合器盘销子与离合器体外花键的同轴度偏大，进而造成应用端同步结构的异常磨损。

类似问题的现有解决方案：降低焊接变形量，例如焊接过程采用风扇空冷的方式。这种解决方案的优点是可以解决一定的粘接变形问题；缺点是无法有效解决焊接变形问题。

而新系统的要求如下：

1）用于连接离合器盘及离合器体的连接工序，对离合器盘的冲压销子无影响。

2）离合器盘的销子与离合器体的外花键同轴度控制在0.25mm以内。

3）制造成本降低，固定投入少。

以下通过问题分析、问题解决及方案评估，对制造方案提升进行系统研究[1]。

问题分析

1.功能分析与功能模型

系统组件及各组件之间的相互作用关系见表1。

表1 系统组件分析

现有技术系统的功能模型如图3所示。其中，圆角矩形框为制品，矩形框为系统组件，六角矩形（六边形）为超系统组件。虚线箭头表示作用不足，波浪线箭头表示有害作用，实线箭头表示期望作用或标准作用。

图3 现有技术系统的功能模型

基于该功能模型，进行了系统的功能分析、系统元件及其之间的相互关系的描述，得出导致“焊接变形”问题的功能因素。并在已建立的功能模型图中选择以下目标问题：如何减少焊接对离合器盘销子位置度的影响，如何彻底解决变形。因果分析链如图4所示。

图4 因果分析链

2.冲突区域确定（问题关键点确定）

基于因果链分析，初步选择了3个冲突区域的几个关键问题作为问题解决的出发点：特定工艺；冷却方式为自然空冷；特定连接方式；离合器盘的冲压供方与离合器体供方距离较远。

3.理想解分析

理想解有助于抛开事物的表象，直至问题的核心和最终目标。以下从最终理想解、次理想解结合5W分析法，初步分析得到解决方案。

1）设计的最终目的是什么？离合器体总成中的销子正常止动。

2）理想解是什么？制造合格产品，成本为零。

3）达到理想解的障碍是什么？现工程制造方法不能满足要求。

4）出现这种障碍的结果是什么？精度不合格，零件不能正常止动。

5）不出现这种障碍的条件是什么？创造这些条件存在的可用资源是什么？改变特定工艺、降低焊接热量、供方距离缩短；可用资源：改变连接方式、改变焊接冷却方式、焊接顺序（见表2）。依据理想解分析得到方案为：改变二氧化碳保护焊连接方式、替换冷却方式、改变焊接工艺顺序。

表2 可用资源分析

问题求解

1.选取“特定工艺”为入手点，分别采用物理冲突理论工具对问题进行求解

为了“焊接可靠”，需要 “焊接熔深参数”变“深”，但又为了“零件变形小”，需要“焊接熔深参数”变“浅”。考虑到该参数在不同的“时间”（空间、时间段、不同条件下及系统层次上）具有不同的特性，因此该冲突可以从“时间”（空间、时间段、条件、整体与部分）上进行分离。选用4条分离原理（空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体与部分分离）当中的“ 时间分离”原理，得到解决方案。

方案1。采用电子束焊接，不再应用焊丝（条），真空条件下，将高能电子束作为加工热源，用高能量密度的电子束轰击离合器盘及离合器体接口处的金属，使其快速熔融，然后迅速冷却，两种零件融化在一起。

方案2。采用激光焊接，不再应用焊丝（条），利用高能量密度的激光束作为热源，激光辐射加热离合器盘及离合器体接口处，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池，两种零件融化在一起。

2.选取“冷却方式为自然空冷”为入手点，分别采用物质-场模型工具对问题进行求解

物质-场分析从组件之间相互作用及功能实现的角度出发构建物质-场模型，包括完整有效、完整有害、不完整物质-场模型等，通过物质场模型分析，可以引用标准解工具进行问题求解[2]。针对冷却问题，可构建如图5所示物质-场模型。

图5 物质-场模型

根据所建问题的物质-场模型，应用标准解解决流程，得到标准解为No.14：S2通过F1作用于S3，S3再通过F2作用于S1，把单一的模型变换成一串联的模型（见图6）。

图6 基于No.14标准解的物质场模型

方案3。依据No.14标准解，得到问题的解如下：二氧化碳保护焊产生的熔池，由自然空冷改为流动的水来冷却熔池周边的材质，达到带走热量，进而降低焊接变形的目的（焊接冷却原理见图7）。

图7 焊接冷却原理

方案4。依据No.14标准解，得到问题的解如下：二氧化碳保护焊产生的熔池，由自然空冷改为流动的油来冷却熔池周边的材质，达到带走热量，进而降低焊接变形的目的。

方案5。依据No.14标准解，得到问题的解如下：二氧化碳保护焊产生的熔池，由自然空冷改为液氮来冷却熔池周边的材质，达到带走热量，进而降低焊接变形的目的。

3.选取“特定连接方式”为入手点，采用技术冲突理论对问题进行求解

为了减少焊接时产生的热量对离合器盘造成的变形影响，需要减少焊接热量产生，但是这样做会导致焊接熔深不够，焊接强度低。

转换成TRIZ标准冲突为：

1）改善的参数：32可制造性。

2）恶化的参数：14强度。

通过查找冲突矩阵，得到No.1 分割原理、No.3 局部质量原理、No.10 预先作用原理以及No.32 颜色变化原理。

方案6。依据发明原理No.3 局部质量原理：将离合器盘的里孔及离合器体止口设计成花键结构，采用花键连接方案，取消焊接方案，彻底解决焊接带来的变形影响。

方案7。依据发明原理No.3 局部质量原理：将离合器盘的里孔及离合器体止口设计成键槽结构，采用键槽连接方案，取消焊接方案，彻底解决焊接带来的变形影响。

4.选取“离合器盘的冲压供方与离合器体供方距离较远”为入手点，采用物理冲突理论对问题进行求解

为了“制造成本”，需要参数“制造距离”变“短”，但又为了“质量可靠”，需要参数“制造距离”变“长”。选用4条分离原理（空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体与部分分离）当中的“ 时间分离”原理，得到解决方案。

方案8。离合器盘的冲销供方由同一供方制造，采用先焊接后冲销的技术路线，规避焊接对离合器盘销子位置度的影响及制作成本的上涨。

结语

依据第三部分问题求解，通过技术可行性、质量稳定性、固定投入及投入使用周期等综合考虑，企业的选择方案可是多种的，需要视企业自身情况而考虑。