數控訓練|基于TRIZ理論的飛機蜂窩芯零件數控加工固持方法研究
隨著現代飛機對疲勞壽命、結構剛性和重量控制等性能要求的提高以及航空制造技術的發展，新型復合材料在現代飛機上的使用比率逐漸提高。芳綸紙蜂窩芯具有耐熱、比強度大、比剛度高、抗沖擊、絕緣和重量輕等特點，因此被廣泛使用在現代航空航天領域中。芳綸紙蜂窩芯呈六邊形蜂窩狀結構，六邊形孔壁極薄，壁厚僅0.03-0.05mm，蜂窩結構見圖1。
由于該類蜂窩芯的幾何結構特點，其具有橫向結構不連續、剛度小和軸向材料連續、剛度大、耐沖擊性高的特點，主要作為填充物被廣泛應用于飛機機翼中。然而，由于蜂窩芯結構和數控切削的特點，以及未來航空領域對飛機蜂窩芯零件要求的逐漸提高，對蜂窩芯零件的高效、優質加工提出了更高的要求，尤其體現在其固持技術上。當前的蜂窩固持方案主要存在蜂窩芯固持不牢、脫膠拉起和固持成本高等問題，成為制約蜂窩芯高效優質加工的重要技術瓶頸。為降低該類蜂窩芯因固持不牢而帶來的經濟損失，企業對傳統蜂窩芯固持方案的改進需求更加迫切。
TRIZ理論是一種有效的使用創新手段解決工程問題的方法，為蜂窩芯零件的固持方法改進提供了理論及具體實施工具。本文通過運用TRIZ理論，使用系統功能分析對現有的蜂窩固持方案進行分析，采用因果分析法，找出解決問題的切入點。引入技術矛盾、物理矛盾以及物—場分析等方法，結合矛盾矩陣、創新原理等工具，得出多種可行的解決方案，通過方案評比，尋求最優解決方案。
圖1 芳綸紙蜂窩芯結構
1 蜂窩芯固持方案及存在問題
(1)TRIZ理論簡介
TR1Z理論是由前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒(Genrich S.Altshuller)通過分析大量的創新發明專利，總結出來的用于解決發明問題的理論。TRIZ理論遵循技術發展進化的規律，運用多種創新原理與方法解決各類技術系統的技術矛盾與物理矛盾。TRIZ經過多年的發展、沉淀，現已成熟、完善的基于TRIZ理論的問題解決過程及工具，其中包括系統功能分析、技術矛盾、物理矛盾、裁剪法、矛盾矩陣、40個創新原理、物—場分析、76個標準解等。
目前，TRIZ已經被廣泛應用于解決工程問題、競爭專利規避、TRIZ與產品研發體系的集成、失效預測分析、可持續性設計以及技術預測等領域，并取得了很多成功的應用案例。本文主要從TRIZ的角度引入飛機蜂窩芯零件數控加工固持方法的研究，應用系統功能分析、因果分析等找出影響其固持的關鍵因素，然后通過技術矛盾、物理矛盾、矛盾矩陣等創新工具分析并改善蜂窩芯零件的固持問題。
(2)蜂窩芯固持方案
隨著蜂窩芯零件的大量使用，其固持技術也得到了一定的發展，其中，雙面膠固持法使用最為廣泛。雙面膠固持法是通過雙面膠將整個蜂窩芯零件粘貼于墊板或者型面工裝上，由于蜂窩芯結構的六邊形特點，導致蜂窩芯與雙面膠接觸面積小、膠帶粘貼力不足。傳統的蜂窩芯切削一般采用鋸齒狀刀具，在加工過程中刀刃將蜂窩余料打碎，并產生大量的粉塵，這些粉塵不僅污染空氣，還影響了膠帶的粘貼效果。加工完后，使用酒精等有機溶劑均勻涂刷雙面膠表層，充分稀釋溶解后，人工去除膠帶殘留。圖2為傳統蜂窩芯固持方案。
圖2 傳統蜂窩芯固持方案
針對上述不足，國內外相關人員和團隊開展了大量的研究工作，超聲加工作為一種新型制造方式得到了認可，通過采用新型的切削刀具及切削方式——切割加工及匕首刀具、盤片式刀具。超聲加工大大提高了芳綸紙蜂窩芯結構件的加工質量和效率，同時使制造成本大幅降低，并消除了芳綸紙蜂窩芯加工的粉塵，實現了芳綸紙蜂窩芯結構件的制造向環境友好型發展。超聲切割是利用超聲波發生器產生超聲震蕩波，經換能器轉換成超聲機械振動來切削零件的。在引入超聲波設備及超聲切割技術后，蜂窩芯零件的固持方案得到了一定的改善。使用單面膠帶粘貼零件，通過超聲波設備的真空平臺吸附膠帶另一側，從而達到固持的效果，節約了專用工裝，降低了成本。在加工完后，單面膠帶仍必須使用酒精等有機溶劑去稀釋，再人工去除。新型固持方式如圖3所示。
圖3 超聲加工固持方案
(3)存在問題
盡管蜂窩芯零件實現了超聲切割，固持方案得到了一定的改善，但仍然存在較多的問題：①由于蜂窩芯格呈六邊形，壁厚極薄，單面膠粘貼時粘貼空格線只能實現線接觸固定，接觸、粘貼面積極小，粘貼力小，導致蜂窩在加工過程中容易脫膠拉起，尤其是薄邊區域(見圖4);②膠帶寬度是標準尺寸，一般為20-30mm，因此在零件較大時，必須使用多塊膠帶拼接，而膠帶與膠帶之間既不能重疊，也不能留縫隙，否則會導致加工誤差或者固持不牢;③加工前需使用酒精等有機溶液清洗零件，加工完后需酒精去除膠帶，零件準備周期加長，加工效率低;④膠帶是一次性使用消耗品，國外飛機項目要求使用指定標號的膠帶，由于使用量大，成本較高;⑤超聲波機床具有真空吸附系統，實際加工中仍大量使用單面膠帶鋪滿整個毛坯底面，真空吸附的優勢未充分發揮。綜上所述，固持不牢為蜂窩芯固持的主要問題，也是應用TRIZ理論分析解決問題的第一步。
圖4 蜂窩薄邊拉起
2 基于TRIZ的問題解決過程
使用TRIZ理論解決實際問題的過程在于，首先要發現需要解決的問題，對問題進行系統功能分析，建立系統組件分析模型，定義對系統有較大影響的功能，然后通過因果分析，找出解決問題的改進切入點，使用相應的TRIZ工具得出理論解決方案，最后綜合考慮實施效果及成本、效率等，對方案進行對比分析，得出最理想的解決方案。
(1)最終理想結果(IFR)
為了從根本上解決問題，結合TRIZ理論并提出最合理的問題解決方案，首先要定義系統的IFR。IFR是指在保持原系統優點的情況下，做最小的改變并消除系統的不足，而沒有引入新的缺陷和使系統變得更復雜。
結合當前蜂窩芯固持問題，可定義該技術系統的IFR及對技術系統的要求。IFR：芳綸紙蜂窩芯零件能夠實現自我固持，滿足加工穩定性需求。對技術系統要求包括：固持穩定性高，滿足加工質量要求，加工薄邊故障率低;操作過程簡單、安全、效率高;系統成本低。
(2)系統功能分析
任何一個系統都是由組件及組件之間的相關關系構成的。系統功能分析是指從功能角度明確系統內的全部組件、超系統組件以及系統作用對象之間的作用關系，從而確定有用功能、有害功能以及不足功能。系統的改善是通過消除有害功能和不足功能而實現的。對蜂窩芯固持系統進行分析，確定系統組件、系統作用對象以及超系統組件，系統組件分析如圖5所示。
通過確定組件后，建立組件分析模型，確定各組件之間的相互功能。影響蜂窩芯固持的有3條不足功能和1條有害功能。不足功能有：
①雙面膠黏貼力小，蜂窩芯粘貼不牢;
②工人鋪設雙面膠不均勻，存在間隙與重疊;
③空氣吸附力不足。
有害功能是指刀具切削蜂窩芯時產生橫向切削力，導致蜂窩芯被拉起。圖6為組件分析模型，虛線為不足功能，波浪線為有害功能。
圖5 系統組件分析
圖6 組件分析模型
(3)因果分析
運用TRIZ理論的目標是消除定義的技術矛盾和引入的物理矛盾。定義技術矛盾時，需對問題進行因果分析，追根溯源查找問題的根本原因，并從因果關系鏈中尋找問題的入手點。
針對蜂窩芯固持系統，在組件功能模型的基礎上對蜂窩芯固持方案不佳進行因果分析，得出了4條因果鏈(見圖7)。第1條因果鏈為膠帶間有重疊、褶皺，導致蜂窩固持不牢，根本原因為需要多塊膠帶拼接，工人操作不仔細;第2條因果鏈為膠帶粘貼力小，導致蜂窩固持不牢，根本原因在于蜂窩芯的六邊形空格結構;第3條因果鏈為蜂窩生產準備時間長，根本原因為雙面膠帶難以撕除;第4條因果鏈為使用大量膠帶滿整個零件底面，導致蜂窩固持成本高，根本原因為固持系統依靠膠帶的粘貼力實現固持。
圖7 因果分析鏈
通過對比分析上述4項根本原因，其中蜂窩芯的六邊形以及膠帶難以撕除屬于系統組件固有特性，是較難以解決的問題。因此，使用膠帶拼接以及膠帶作為固持工具這兩點可以作為尋找解決方案的切入點。
(4)技術矛盾與物理矛盾
技術矛盾是指如果改進系統中的一個參數，引起了另一個參數的惡化，從而產生的矛盾。通過因果分析，找出當前問題最直接的解決方法，該方法目前可以改善哪些參數，同時又會惡化哪些參數，因此定義出了技術矛盾。技術矛盾可以通過矛盾矩陣與40條創新原理來解決。矛盾矩陣是39×39的由工程參數構成的矩陣，其行是將要改善的參數，列是將要惡化的工程參數。40個創新原理是最常用的創新方法和原理，為技術矛盾的解決提供了指導依據。物理矛盾針對系統中的同一個參數提出兩種相反的需求，即出現了物理矛盾。物理矛盾是基于技術矛盾的，使用物理矛盾的前提是先定義技術矛盾，然后找出技術矛盾中同一個參數的兩種相反需求，最后根據4種分離原理解決物理矛盾。
對于蜂窩芯固持系統，通過因果分析，找出了問題的切入點，工人鋪設膠帶不好的問題，從而定義了一又對技術矛盾，如圖8所示。圖中，為提升蜂窩芯的固持效果，改善參數的“穩定性”，從而對工人鋪膠帶、清洗膠帶的技能要求提高，惡化了參數的“操作流程的方便性”。
圖8 技術矛盾分析
查詢阿奇舒勒矛盾矩陣得出創新原理32、35、30(見表1)，其中創新原理30為柔性殼體和薄膜原理：使用柔性殼體或者塑料薄膜作為隔離物，將系統與外部環境隔離。由此得到了如圖9所示的初步解決方案，將一層塑料薄膜覆蓋在零件上，使零件與外界大氣環境隔離，當真空平臺的真空開始工作時，塑料膜就會被緊緊吸附在零件上，從而形成一個真空環境，外界大氣壓對零件產生了額外壓力，使零件的固持就非常穩定，可大量減少膠帶用量。
在引入塑料薄膜的同時，帶來了一個有害因素，在使用盤片式刀具加工時塑料薄膜容易纏繞刀具，導致零件被拉起。因此，從技術矛盾引入了一對物理矛盾，在零件上鋪滿塑料薄膜時，薄膜纏繞刀具，影響刀具正常切削;不鋪塑料薄膜，膠帶粘貼力不夠，固持效果不好。根據空間分離法，分區域鋪設塑料薄膜：加工區域不鋪薄膜，貼單面膠：非加工區域鋪薄膜，不貼單面膠，從而得出解決方案一(見圖10)。
表1 矛盾矩陣
圖9 初步解決方案
(5)物—場分析
物—場分析是TRIZ的一種基本分析工具，其原理是將任何一個系統都分解成兩種物質和一個場，場是指系統內的兩種物質之間的相互作用關系，可以是機械場、化學場、力場、電場、重力場等任何產生直接或非直接作用的關系場 。76個標準解成功避開了系統的技術矛盾與物理矛盾，運用具有約束條件的標準化模型，為物—場模型提供了現成的模式解法。
圖10 解決方案一
針對蜂窩芯固持系統，從因果分析的另一個切入點膠帶，對系統進行物—場分析。系統的作用對象為蜂窩型零件，雙面膠為作用發出者，兩者之間的場是粘貼力(化學場)，從問題可知單面膠的粘接力不足導致零件固持失效，是典型的物—場模型可控性不足的問題，需要增加新的物—場和物質來加強固持力。
采用鏈式物—場模型，在蜂窩芯孔格中填入一定磁粉，機床工作臺上設置磁性裝置，通磁后磁粉變成固態形式將孔格撐滿，利用磁場引力及磁粉與孔格壁產生的摩擦力抵消部分切削力，達到增強固持效果的目的，物—場模型及解決方案二如圖11所示。
圖11 解決方案二
化學場屬于不可控場，容易受環境、溫度等因素影響，采用增強物—場模型，使用更可控的重力場代替化學場，達到增強固持的效果。在蜂窩芯毛坯四周用重物壓起，并在零件四周增加部分凸臺連接，達到穩定固持的效果，物—場模型及解決方案三如圖12所示。
圖12 解決方案三
(6)最終解決方案
通過TR1Z理論的矛盾分析及物—場分析，共得出了三種解決方案。方案二引入了磁場系統，增加了磁粉，大大增加了零件準備及清洗的操作難度，引入了磁性裝置，增大了投入的成本;方案三引入了重力場，增加了凸臺連接，導致毛坯尺寸大幅增加，投入成本增加，同時對加工方案進行了較大的更改，風險較大;而方案一采用塑料薄膜，由于包裝蜂窩芯毛坯的本就是塑料薄膜，而機床又自帶真空平臺，因此方案一沒有引入其他系統外資源，是最經濟的一種方案。因此，最終解決方案為方案一，即采用塑料薄膜覆蓋蜂窩芯表面非加工區域，蜂窩芯底面加工區域鋪單面膠，未鋪區域使用超聲波機床真空吸附裝置吸緊，通過單面膠帶和真空吸附共同達到吸附的效果。
小結
本文采用TRIZ理論的系統功能分析對現有蜂窩芯固持方案進行分析，研究了影響蜂窩芯固持的因素，引入了技術矛盾和物理矛盾，運用矛盾矩陣、創新原理等，得出真空吸附、薄膜隔離的固持方式;同時運用物—場分析和標準解，得出了引入磁場、增加凸臺連接等其他可行的固持方案，最后通過方案評比，提出了最優的固持方案。新的蜂窩芯固持方案在生產實踐中取得了良好的應用效果，降低了膠帶使用量，減少了工人鋪設、清洗膠帶的工作量，提高了蜂窩芯零件的固持效率，不僅解決了當前蜂窩芯固持的技術瓶頸，降低了加工成本，還促進了創新理論在航空制造業的推廣應用。
原載《工具技術》作者：劉元吉
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