基于TRIZ理论的一种钻模夹具设计研究

王 涛

（湖北恒隆企业集团恒隆汽车零部件制造有限公司 湖北 荆州 434000）

摘 要：将TRIZ发明问题解决理论应用于阀套工件钻模夹具设计研究中，在分析阀套钻模在调试换型中存在的问题基础上，提出基于TRIZ理论方法和步骤的解决方案。设计的钻模夹具通过夹具体的前、后、左、右和角度调整，实现阀套钻油孔的加工。使用效果表明：钻模安装调试时间大幅度缩短，操作简单便捷，调试废品数量大幅减少。

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关键词 ：TRIZ理论；矛盾矩阵；阀套工件；钻模夹具设计

中图分类号：TD41 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．03．０45

收稿日期：２０14－11-18

0 引言

汽车动力转向器阀套在加工钻进出油孔过程中，都要使用钻摸，由于机床都存在差异，如中心高、偏心距、制造精度误差等。使现有的整体不可调式钻模在转向器阀套产品钻油孔生产换型时，由于调整困难，机床间不能互换，都会根据不同机床，选择不同的钻模造成大量的资金占用；在人力成本日益增加、市场竞争日益激化的今天，企业既希望加工质量稳定，合格率高，又希望达到制造成本低、换型快捷、准时交付的要求，提出了设计换型快捷、结构合理、在不同机床可通用互换的一种钻模的要求。TRIZ是发明创造问题解决理论，借助TRIZ理论解决钻模的发明问题，使普通技术工人可以快速有效地调整钻模，完成转向器阀套钻进出油孔加工调试过程，且合格率更高、资金占用小。

1 发明问题解决理论

TRIZ理论既发明问题解决理论，是前苏联天才发明家根里奇.阿奇舒勒及其发明团队在研究了数以百万计专利文献加以搜集、研究、整理、归纳、提炼，建立起一整套体系化、实用的解决发明问题的理论方法体系。TRIZ方法不是针对某一具体的机构、机械和过程，而是建立思考问题、解决问题的科学方法。经过50多年的研究，TRIZ已形成一系列方法和工具，特别是提出了设计矛盾理论、标准解、ARIZ算法等。

阿奇舒勒提出了用于描述矛盾的39个通用工程参数和用于解决矛盾的40条创新发明原理，并建立了对应关系，既矛盾矩阵。在矛盾矩阵中，第1行为恶化的工程参数，第1列为改进的工程参数，行与列交叉处所对应的数字为推荐采用的40条创新发明原理的序号。由于矛盾矩阵的行与列所使用的是通用的工程参数，推荐的发明原理是原理解,所以在设计过程中，要使用矛盾矩阵就必须将设计中的特定问题进行预先处理，既用TRIZ的39个工程参数描述和定义矛盾。通过定义矛盾，查看矛盾矩阵得到相对应的原理解，在得到的原理解中找到符合设计问题的特定解。

　应用TRIZ理论解决问题的流程如图1。具体步骤：①要对一个实际问题进行仔细分析并加以定义、明确；②根据TRIZ理论提供的方法，将待解决的问题转化为TRIZ标准问题模型；③针对不同的标准问题模型，应用TRIZ理论已总结、归纳的类似标准解方法，找到对应的TRIZ标准解决方案；④对类似的解决方案进行评价，将评价后的方案应用到具体的问题之中，从而得到最终解决方案。　

2 TRIZ理论的夹具设计

荆州恒隆是一家生产汽车动力转向器的专业公司，根据生产要求在加工阀套零件过程中都要使用到钻进出油孔钻模。因公司现有的钻进出油孔机床中心高、偏心距都不一致，导致很多问题很难解决：钻模夹具数量多、钻模换型调整困难、换型时间长、调试废品多。大量的钻模夹具投入增加了生产成本，同时由于调整困难，换型时间长、废品多，无法满足快速换型、准时交付的要求。

2.1 问题描述

现有的钻模夹具在生产加工时，因钻进出油孔机床的分度头中心高、偏心距及钻模在加工过程的加工误差，导致现有的钻模夹具在机床间不能够通用。①为满足生产交付，每一台钻油孔机床都要准备每种型号的钻模夹具各一套，占用大量的资金和场地。②钻模夹具调整困难，调整换型费时费力，每次换型需要1.5h左右，而且废品率极高，每次换型都会产生8~10件废品，增加了加工辅助时间，恶化了加工效率。为了解决生产成本高、废品率高、调整困难，满足准时化生产的需求，钻模夹具数量和钻模夹具结构进行优化。

2.2 问题分析

根据以上问题的描述，发现过程中的问题有：①为了满足质量和生产需求，每台机床需要准备很多钻模夹具出现生产成本高和生产率低的情况。为了避免这种情况发生，需要限制钻模夹具的数量，但又无法满足生产需求。②换型调整困难，为了减少换型调整时间，需要准备很多已调整好的钻模夹具，导致生产成本增加。

分析得出每次为满足生产需求在加工过程中存在技术矛盾：针对不同机床，准备不同的钻模夹具与生产成本的矛盾，更换不同型号的钻模夹具调整困难与生产效力的矛盾。

2.3 解决方案

（1）将一般领域问题描述转成39项工程参数中的3项，转化为TRIZ标准问题。

“既要满足生产需要又要避免生产成本的恶化；既要满足生产需求又要方便调整换型，避免生产效率降低。”从待解决的问题描述中，找出问题由哪些矛盾属性所引起，将问题描述转换成39个工程参数中的3项。

　25#工程参数时间损失:是指一项活动所延续的时间间隔。改进时间的损失指减少一项活动所花费的时间。在操作（或加工）过程中，如果需要的时间越少，同时又有较高的产出收益，则代表时间损失越少。35#工程参数：适应性及多用性是指物体或系统响应外部变化的能力,或应用于不同条件下的能力。36#工程参数系统的复杂性：系统或装置的复杂性是指系统中元件数目及多样性,如果用户也是系统中的元素将增加系统的复杂性。掌握系统的难易程度是其复杂性的一种度量。

12#工程参数形状和25#工程参数时间损失是系统性能提高的参数，36#工程参数系统的复杂性是使系统性能恶化的参数。

（2）根据得到的工程参数，查找矛盾矩阵表得到需要的发明原理。

（1） 对“方便生产换型缩短换型调整时间，要改善时间损失，将导致钻模夹具的系统复杂性”，这一技术矛盾通过矛盾矩阵表查询，得到6号、29号创新原理及其解释：①6号多用性原理：使一个物体或系统具备多项功能，消除了该功能在其它物体内存在的必要性（进而裁剪其它物体）。②29号气压和液压结构原理：将物体的固体部分用气体或流体代替，如充气结构、充液结构、气垫、液体静力结构和流体动力结构等。

结合实际问题，综合分析以上2条创新原理解释，其中29号气压和液压结构原理不适用，6号多用性原理对问题的解决贡献最大，是有价值的发明原理。

（2）对“方便生产要改善钻模夹具的通用性、适用性，使钻模夹具可以在不同的机床间通用和互换，将导致钻模夹具的系统复杂性”，这一技术矛盾通过矛盾矩阵表查询，得到15号、29号、37号、28号创新原理及其解释：①15号动态特性原理：A 调整物体或环境的性能，使其在工作的各阶段达到最优状态；B 分割物体，使其各部分可以改变相对位置；C 如果一个物体整体是静止的，使之移动或可动。②29号气压和液压结构原理：将物体的固体部分用气体或流体代替，如充气结构、充液结构、气垫、液体静力结构和流体动力结构。③37号热膨胀原理：A 利用材料的热膨胀或收缩特性；B 组合使用不同热膨胀系数的几种材料。④28号机械系统代替原理：A 利用光学/视觉系统、声学/听觉系统、电磁系统、味觉系统或嗅觉系统代替机械系统； B 使用与物体相互作用的电场、磁场、电磁场； C 用运动场代替静止场，时变场代替恒定场，结构化场代替非结构化场； D 利用场与铁磁粒子的联合作用。

结合实际问题，综合分析以上4条创新原理，其中29号气压和液压、37号热膨胀、28号机械系统代替创新原理不适用。根据动态特性原理应用技巧：尝试让系统中的某些几何结构成为柔性的、可适应的；不可调的部分成为可调的部分；使系统可兼容于不同的机床。

（3） TRIZ解的类比应用得到问题的最终解

在问题的解决过程中应用6号多用性原理和15号动态特性原理。应用6号多用性原理裁剪钻模夹具底部的定位槽；应用15号动态特性原理，改变钻模夹具的结构，使不可调的部分变为可调的，设计的新钻模夹具，如图2所示：

设计的钻模夹具为组合夹具，由Ф3内孔钻套、Ф2内孔钻套、Ф4内孔钻套、定位销、夹具体、M8内六角螺钉、底座、平键、M6内六角螺钉构成，其特征在于：底座上有键槽，键槽内安装平键，平键连接夹具体，夹具体沿平键滑动，底座和底部两侧设置有调节螺钉。通过调整螺钉调整钻模夹具的空间角度；通过拆卸底座在不同的中心高的机床间使用。

3 实例验证

钻模夹具试验基于我司的阀套钻进出油孔专机，工件选用现有的阀套型号。操作工经简单讲解培训后，可操作该钻模夹具，调试钻模夹具仅出现一件废品，调试废品率提升8~10倍，且批量加工的产品质量较现有的钻模夹具更稳定；调试换型耗时15分钟，调试换型时间提升6倍。该钻模夹具应用于企业生产，使用效果好；降低了操作工人的体力消耗；减少了调试废品，换型调试方便快捷；加工精度高，有效地提升了生产效率。

4 结语

分析动力转向器阀套钻进出油孔钻模夹具存在的问题，利用TRIZ理论结局夹具设计中的方便性、多用性与系统复杂性之间的技术矛盾，设计新的组合钻模夹具，并通过实例验证设计钻模夹具的可行性。利用TRIZ的设计矛盾理论，在钻模夹具的设计中具有很好的指导作用，引导设计人员打开思路，有效解决钻模夹具存在的问题，有利于夹具的优化设计。

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参考文献

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

（责任编辑 孟 恒）