基于TRIZ理论的硬齿面齿轮滚齿机干滚的应用

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）