基于TRIZ理论优化齿扇插齿机刀架结构

韩 华

（宜昌长机科技有限责任公司 湖北 宜昌 ４４３００５）

摘 要：通过运用ＴＲＩＺ理论对齿扇插齿机刀架磨损情况进行分析，并利用ＴＲＩＺ提供的解题方法优化设计了刀架结构。解决了刀架易损坏的问题。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：齿扇插齿机；ＴＲＩＺ；刀架；

中图分类号：G3.6 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．08．０48

０ 引言

随着经济的发展，我国已经成为汽车生产大国和消费大国。巨大的潜在市场刺激着一大批汽车零部件厂家的出现，特别是汽车转向器厂家更是如雨后春笋般的出现。摇臂轴齿扇是汽车转向器的核心零件，一般是由齿扇插齿机加工而成，但现在的齿扇插齿机并不能满足用户对高效、高精度、满负荷加工的需求。特别是齿扇插齿机的刀架在高速往复运动中会出现磨损，使得齿扇插齿机的噪音大，加工精度丧失。

面对这一个棘手的问题，可以运用ＴＲＩＺ理论方法来进行了解决。

１ ＴＲＩＺ的基本原理

ＴＲＩＺ，是源于前苏联的发明问题解决理论（Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｖｅｎｔｉｖｅ Ｐｒｏｂｌｅｍ Ｓｏｌｖｉｎｇ），它由前苏联著名发明家Ｇ．Ｓ．Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ领导的研究机构，通过深入分析和研究世界数十万件高水平的发明专利建立起来的，其成果包括：总结出了产品发展进化的客观规律；提供了一系列分析、解决问题的具体流程和方法；指导人们创造性的解决实际中遇到的技术难题。

现在很多世界知名企业都已经在研发设计流程中实施ＴＲＩＺ，帮助他们提高产品研发效率，降低研发成本，提高企业整体创造能力。

ＴＲＩＺ解决具体工程问题的模型是：首先是分析问题，可以采用系统分析或者三轴分析的方法对问题进行分析；正确地分析问题后，可以采用技术矛盾、物理矛盾、Ｈｏｗ ｔｏ模型、物场模型等方法对问题进行求解，找到问题的备选方案。最后比较各方案的实用价值，选出最优方案。

２ 问题的描述

根据上述的解题思路，先进行问题描述，了解需要解决的是什么问题。

数控齿扇插齿机（见图１）是加工摇臂轴齿扇的核心设备。其原理是以刀架滑块带动刀具作上下往复切削运动，切除摇臂轴扇形齿部，刀具与齿扇相当于齿轮和齿条做啮合运动。刀架是机床的核心部件，其工作精度会直接影响加工零件的齿形齿向等精度。

齿扇插齿机刀架如图３所示，一般由刀架、滑块、Ｖ形导轨组成，Ｖ形导轨固定在刀架上，夹持着滑块，使滑块只能做上下运动。为了减少磨损，一般会在导轨与滑块之间增加滚动体，以滚动摩擦代替滑动摩擦。由于刀架是竖直安装，滚动体要在导轨与滑块的共同挤压下，才能避免在自身重力和运动的惯性力的作用下下落，滑出导轨。但导轨和滑块挤压滚动体的力如果过大，又会增加滚动体所受的摩擦力，加速其磨损，使滚动体直径变小，甚至研损。为防止滚动体滑出，在导轨端面装有挡块，当滚动体直径研小，导轨与滑块间存在间隙后，滚动体会随着滑块上下运动，撞击挡块，最后造成滚动体的过早损坏。

３ 分析问题

根据上述问题描述，了解到刀架之所以容易损坏，是滚动体撞击挡块造成的。而滚动体之所以会撞击挡块，是因为导轨与滑块之间产生了间隙。而导轨与滑块之间为什么会产生间隙？是因为滚动体磨损直径变小。为什么滚动体磨损严重？是因为为了防止滚动体滑出，在导轨与滑块间增加了较大的预载挤压滚动体。所以，需要解决的问题是，如何使滚动体在合适载荷下能正常的滚动，又不会因为重力和惯性力的作用而滑出导轨。

４ 解决问题

通过上述的因果树的方法，分析出了需要解决的问题是：如何使滚动体在合适载荷下能正常的滚动，又不会因为重力和惯性力的作用而滑出导轨。也就是现在存在的矛盾是：如何改善施加在滚动体上的压力，又不让滚动体滑出去。然后将技术问题矛盾转换成ＴＲＩＺ理论中３９项工程参数中的２项。即改善了施加到滚动体上的压力，恶化了滚动体的可靠性。

通过查询ＴＲＩＺ矛盾矩阵得出常用的四种处理原理，分别是：

１０号 预先作用原理

１３号 反向作用原理

１９号 周期性作用原理

３５号 物理或化学参数改变原理

在这些运用方法中，１３号、１９号、３５号贡献较少，但１０号原理可以利用，可以先来看看１０号原理的解释。

１０号 预先作用原理

原理解释：

Ａ．预先对物体（全部或至少部分）施加必要的改变；

Ｂ．预先安置物体，使其在最方便的位置开始发挥作用而不浪费运送时间。

需要达到的目的是施加到滚动体上的压力较小时，滚动体也不滑出，利用预先作用原理，预先在滚动体要滑出的地方设计一个转弯反向的滑道，当滚动体要滑出的时候，滚动体沿着滑到返回，然后后面的滚动体再补充。最后整理思路得出如图４所示结构，这就是一个带循环滚动体滑块的示意图。最后结合齿扇插齿机刀架的结构，得出了以下方案：

【方案一】：采用如图５所示的滑动块，用其直接代替Ｖ形导轨，用于夹持滑块，既能保证滚动体得到充分润滑，又能使滚动体循环，防止滚动体滑出导轨。

【方案二】：将使用重载直线导轨，代替Ｖ形导轨。

采用两根直线导轨代替Ｖ形导轨，可有效解决滚动体循环的问题，也可以模块化，形成图６所示的结构。

可能出现的问题：滚动体还是会磨损，磨损了也无法调整间隙，需要定期更换。

综合比较上述两种方案，第一种方案，与以前的刀架结构相似，也是采用Ｖ形轨，间隙也能调节，但调整的预载多少不好控制，而且滚动体滑块体积较大，较占用空间。第二种方案，采用的就是标准的重载直线导轨，模块化设计，不需要调节，而且采购更换较方便，比较符合客户的需求。

５ 结论

通过通过ＴＲＩＺ原理分析找出刀架易损坏的原因，建立系统的技术矛盾，并转化成ＴＲＩＺ的标准问题，利用查询矛盾矩阵，优先运用预先作用原理，得到了两种方案，比较两种方案的优缺点，最后得到了理想的方案。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献

１ 史晓凌，许东双，范岩峰． ＴＲＩＺ简明教程［Ｍ］． 北京：北京亿维讯科技有限公司，２００８

２ 植润华．发明问题解决理论［Ｍ］． 北京：中国石化出版社，２０１０

３ 张卫国，张国全．运用ＴＲＩＺ理解解决复杂机电产品的创新设计问题［Ｊ］． 机械设计与研究，２００５（６）

４ 杨明．基于ＴＲＩＺ的可拆卸联接结构设计研究［Ｄ］． 合肥：合肥工业大学， ２０１０

（责任编辑 亢婷婷）