数控训练|基于TRIZ理论的飞机蜂窝芯零件数控加工固持方法研究
随着现代飞机对疲劳寿命、结构刚性和重量控制等性能要求的提高以及航空制造技术的发展，新型复合材料在现代飞机上的使用比率逐渐提高。芳纶纸蜂窝芯具有耐热、比强度大、比刚度高、抗冲击、绝缘和重量轻等特点，因此被广泛使用在现代航空航天领域中。芳纶纸蜂窝芯呈六边形蜂窝状结构，六边形孔壁极薄，壁厚仅0.03-0.05mm，蜂窝结构见图1。
由于该类蜂窝芯的几何结构特点，其具有横向结构不连续、刚度小和轴向材料连续、刚度大、耐冲击性高的特点，主要作为填充物被广泛应用于飞机机翼中。然而，由于蜂窝芯结构和数控切削的特点，以及未来航空领域对飞机蜂窝芯零件要求的逐渐提高，对蜂窝芯零件的高效、优质加工提出了更高的要求，尤其体现在其固持技术上。当前的蜂窝固持方案主要存在蜂窝芯固持不牢、脱胶拉起和固持成本高等问题，成为制约蜂窝芯高效优质加工的重要技术瓶颈。为降低该类蜂窝芯因固持不牢而带来的经济损失，企业对传统蜂窝芯固持方案的改进需求更加迫切。
TRIZ理论是一种有效的使用创新手段解决工程问题的方法，为蜂窝芯零件的固持方法改进提供了理论及具体实施工具。本文通过运用TRIZ理论，使用系统功能分析对现有的蜂窝固持方案进行分析，采用因果分析法，找出解决问题的切入点。引入技术矛盾、物理矛盾以及物—场分析等方法，结合矛盾矩阵、创新原理等工具，得出多种可行的解决方案，通过方案评比，寻求最优解决方案。
图1 芳纶纸蜂窝芯结构
1 蜂窝芯固持方案及存在问题
(1)TRIZ理论简介
TR1Z理论是由前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒(Genrich S.Altshuller)通过分析大量的创新发明专利，总结出来的用于解决发明问题的理论。TRIZ理论遵循技术发展进化的规律，运用多种创新原理与方法解决各类技术系统的技术矛盾与物理矛盾。TRIZ经过多年的发展、沉淀，现已成熟、完善的基于TRIZ理论的问题解决过程及工具，其中包括系统功能分析、技术矛盾、物理矛盾、裁剪法、矛盾矩阵、40个创新原理、物—场分析、76个标准解等。
目前，TRIZ已经被广泛应用于解决工程问题、竞争专利规避、TRIZ与产品研发体系的集成、失效预测分析、可持续性设计以及技术预测等领域，并取得了很多成功的应用案例。本文主要从TRIZ的角度引入飞机蜂窝芯零件数控加工固持方法的研究，应用系统功能分析、因果分析等找出影响其固持的关键因素，然后通过技术矛盾、物理矛盾、矛盾矩阵等创新工具分析并改善蜂窝芯零件的固持问题。
(2)蜂窝芯固持方案
随着蜂窝芯零件的大量使用，其固持技术也得到了一定的发展，其中，双面胶固持法使用最为广泛。双面胶固持法是通过双面胶将整个蜂窝芯零件粘贴于垫板或者型面工装上，由于蜂窝芯结构的六边形特点，导致蜂窝芯与双面胶接触面积小、胶带粘贴力不足。传统的蜂窝芯切削一般采用锯齿状刀具，在加工过程中刀刃将蜂窝余料打碎，并产生大量的粉尘，这些粉尘不仅污染空气，还影响了胶带的粘贴效果。加工完后，使用酒精等有机溶剂均匀涂刷双面胶表层，充分稀释溶解后，人工去除胶带残留。图2为传统蜂窝芯固持方案。
图2 传统蜂窝芯固持方案
针对上述不足，国内外相关人员和团队开展了大量的研究工作，超声加工作为一种新型制造方式得到了认可，通过采用新型的切削刀具及切削方式——切割加工及匕首刀具、盘片式刀具。超声加工大大提高了芳纶纸蜂窝芯结构件的加工质量和效率，同时使制造成本大幅降低，并消除了芳纶纸蜂窝芯加工的粉尘，实现了芳纶纸蜂窝芯结构件的制造向环境友好型发展。超声切割是利用超声波发生器产生超声震荡波，经换能器转换成超声机械振动来切削零件的。在引入超声波设备及超声切割技术后，蜂窝芯零件的固持方案得到了一定的改善。使用单面胶带粘贴零件，通过超声波设备的真空平台吸附胶带另一侧，从而达到固持的效果，节约了专用工装，降低了成本。在加工完后，单面胶带仍必须使用酒精等有机溶剂去稀释，再人工去除。新型固持方式如图3所示。
图3 超声加工固持方案
(3)存在问题
尽管蜂窝芯零件实现了超声切割，固持方案得到了一定的改善，但仍然存在较多的问题：①由于蜂窝芯格呈六边形，壁厚极薄，单面胶粘贴时粘贴空格线只能实现线接触固定，接触、粘贴面积极小，粘贴力小，导致蜂窝在加工过程中容易脱胶拉起，尤其是薄边区域(见图4);②胶带宽度是标准尺寸，一般为20-30mm，因此在零件较大时，必须使用多块胶带拼接，而胶带与胶带之间既不能重叠，也不能留缝隙，否则会导致加工误差或者固持不牢;③加工前需使用酒精等有机溶液清洗零件，加工完后需酒精去除胶带，零件准备周期加长，加工效率低;④胶带是一次性使用消耗品，国外飞机项目要求使用指定标号的胶带，由于使用量大，成本较高;⑤超声波机床具有真空吸附系统，实际加工中仍大量使用单面胶带铺满整个毛坯底面，真空吸附的优势未充分发挥。综上所述，固持不牢为蜂窝芯固持的主要问题，也是应用TRIZ理论分析解决问题的第一步。
图4 蜂窝薄边拉起
2 基于TRIZ的问题解决过程
使用TRIZ理论解决实际问题的过程在于，首先要发现需要解决的问题，对问题进行系统功能分析，建立系统组件分析模型，定义对系统有较大影响的功能，然后通过因果分析，找出解决问题的改进切入点，使用相应的TRIZ工具得出理论解决方案，最后综合考虑实施效果及成本、效率等，对方案进行对比分析，得出最理想的解决方案。
(1)最终理想结果(IFR)
为了从根本上解决问题，结合TRIZ理论并提出最合理的问题解决方案，首先要定义系统的IFR。IFR是指在保持原系统优点的情况下，做最小的改变并消除系统的不足，而没有引入新的缺陷和使系统变得更复杂。
结合当前蜂窝芯固持问题，可定义该技术系统的IFR及对技术系统的要求。IFR：芳纶纸蜂窝芯零件能够实现自我固持，满足加工稳定性需求。对技术系统要求包括：固持稳定性高，满足加工质量要求，加工薄边故障率低;操作过程简单、安全、效率高;系统成本低。
(2)系统功能分析
任何一个系统都是由组件及组件之间的相关关系构成的。系统功能分析是指从功能角度明确系统内的全部组件、超系统组件以及系统作用对象之间的作用关系，从而确定有用功能、有害功能以及不足功能。系统的改善是通过消除有害功能和不足功能而实现的。对蜂窝芯固持系统进行分析，确定系统组件、系统作用对象以及超系统组件，系统组件分析如图5所示。
通过确定组件后，建立组件分析模型，确定各组件之间的相互功能。影响蜂窝芯固持的有3条不足功能和1条有害功能。不足功能有：
①双面胶黏贴力小，蜂窝芯粘贴不牢;
②工人铺设双面胶不均匀，存在间隙与重叠;
③空气吸附力不足。
有害功能是指刀具切削蜂窝芯时产生横向切削力，导致蜂窝芯被拉起。图6为组件分析模型，虚线为不足功能，波浪线为有害功能。
图5 系统组件分析
图6 组件分析模型
(3)因果分析
运用TRIZ理论的目标是消除定义的技术矛盾和引入的物理矛盾。定义技术矛盾时，需对问题进行因果分析，追根溯源查找问题的根本原因，并从因果关系链中寻找问题的入手点。
针对蜂窝芯固持系统，在组件功能模型的基础上对蜂窝芯固持方案不佳进行因果分析，得出了4条因果链(见图7)。第1条因果链为胶带间有重叠、褶皱，导致蜂窝固持不牢，根本原因为需要多块胶带拼接，工人操作不仔细;第2条因果链为胶带粘贴力小，导致蜂窝固持不牢，根本原因在于蜂窝芯的六边形空格结构;第3条因果链为蜂窝生产准备时间长，根本原因为双面胶带难以撕除;第4条因果链为使用大量胶带满整个零件底面，导致蜂窝固持成本高，根本原因为固持系统依靠胶带的粘贴力实现固持。
图7 因果分析链
通过对比分析上述4项根本原因，其中蜂窝芯的六边形以及胶带难以撕除属于系统组件固有特性，是较难以解决的问题。因此，使用胶带拼接以及胶带作为固持工具这两点可以作为寻找解决方案的切入点。
(4)技术矛盾与物理矛盾
技术矛盾是指如果改进系统中的一个参数，引起了另一个参数的恶化，从而产生的矛盾。通过因果分析，找出当前问题最直接的解决方法，该方法目前可以改善哪些参数，同时又会恶化哪些参数，因此定义出了技术矛盾。技术矛盾可以通过矛盾矩阵与40条创新原理来解决。矛盾矩阵是39×39的由工程参数构成的矩阵，其行是将要改善的参数，列是将要恶化的工程参数。40个创新原理是最常用的创新方法和原理，为技术矛盾的解决提供了指导依据。物理矛盾针对系统中的同一个参数提出两种相反的需求，即出现了物理矛盾。物理矛盾是基于技术矛盾的，使用物理矛盾的前提是先定义技术矛盾，然后找出技术矛盾中同一个参数的两种相反需求，最后根据4种分离原理解决物理矛盾。
对于蜂窝芯固持系统，通过因果分析，找出了问题的切入点，工人铺设胶带不好的问题，从而定义了一又对技术矛盾，如图8所示。图中，为提升蜂窝芯的固持效果，改善参数的“稳定性”，从而对工人铺胶带、清洗胶带的技能要求提高，恶化了参数的“操作流程的方便性”。
图8 技术矛盾分析
查询阿奇舒勒矛盾矩阵得出创新原理32、35、30(见表1)，其中创新原理30为柔性壳体和薄膜原理：使用柔性壳体或者塑料薄膜作为隔离物，将系统与外部环境隔离。由此得到了如图9所示的初步解决方案，将一层塑料薄膜覆盖在零件上，使零件与外界大气环境隔离，当真空平台的真空开始工作时，塑料膜就会被紧紧吸附在零件上，从而形成一个真空环境，外界大气压对零件产生了额外压力，使零件的固持就非常稳定，可大量减少胶带用量。
在引入塑料薄膜的同时，带来了一个有害因素，在使用盘片式刀具加工时塑料薄膜容易缠绕刀具，导致零件被拉起。因此，从技术矛盾引入了一对物理矛盾，在零件上铺满塑料薄膜时，薄膜缠绕刀具，影响刀具正常切削;不铺塑料薄膜，胶带粘贴力不够，固持效果不好。根据空间分离法，分区域铺设塑料薄膜：加工区域不铺薄膜，贴单面胶：非加工区域铺薄膜，不贴单面胶，从而得出解决方案一(见图10)。
表1 矛盾矩阵
图9 初步解决方案
(5)物—场分析
物—场分析是TRIZ的一种基本分析工具，其原理是将任何一个系统都分解成两种物质和一个场，场是指系统内的两种物质之间的相互作用关系，可以是机械场、化学场、力场、电场、重力场等任何产生直接或非直接作用的关系场 。76个标准解成功避开了系统的技术矛盾与物理矛盾，运用具有约束条件的标准化模型，为物—场模型提供了现成的模式解法。
图10 解决方案一
针对蜂窝芯固持系统，从因果分析的另一个切入点胶带，对系统进行物—场分析。系统的作用对象为蜂窝型零件，双面胶为作用发出者，两者之间的场是粘贴力(化学场)，从问题可知单面胶的粘接力不足导致零件固持失效，是典型的物—场模型可控性不足的问题，需要增加新的物—场和物质来加强固持力。
采用链式物—场模型，在蜂窝芯孔格中填入一定磁粉，机床工作台上设置磁性装置，通磁后磁粉变成固态形式将孔格撑满，利用磁场引力及磁粉与孔格壁产生的摩擦力抵消部分切削力，达到增强固持效果的目的，物—场模型及解决方案二如图11所示。
图11 解决方案二
化学场属于不可控场，容易受环境、温度等因素影响，采用增强物—场模型，使用更可控的重力场代替化学场，达到增强固持的效果。在蜂窝芯毛坯四周用重物压起，并在零件四周增加部分凸台连接，达到稳定固持的效果，物—场模型及解决方案三如图12所示。
图12 解决方案三
(6)最终解决方案
通过TR1Z理论的矛盾分析及物—场分析，共得出了三种解决方案。方案二引入了磁场系统，增加了磁粉，大大增加了零件准备及清洗的操作难度，引入了磁性装置，增大了投入的成本;方案三引入了重力场，增加了凸台连接，导致毛坯尺寸大幅增加，投入成本增加，同时对加工方案进行了较大的更改，风险较大;而方案一采用塑料薄膜，由于包装蜂窝芯毛坯的本就是塑料薄膜，而机床又自带真空平台，因此方案一没有引入其他系统外资源，是最经济的一种方案。因此，最终解决方案为方案一，即采用塑料薄膜覆盖蜂窝芯表面非加工区域，蜂窝芯底面加工区域铺单面胶，未铺区域使用超声波机床真空吸附装置吸紧，通过单面胶带和真空吸附共同达到吸附的效果。
小结
本文采用TRIZ理论的系统功能分析对现有蜂窝芯固持方案进行分析，研究了影响蜂窝芯固持的因素，引入了技术矛盾和物理矛盾，运用矛盾矩阵、创新原理等，得出真空吸附、薄膜隔离的固持方式;同时运用物—场分析和标准解，得出了引入磁场、增加凸台连接等其他可行的固持方案，最后通过方案评比，提出了最优的固持方案。新的蜂窝芯固持方案在生产实践中取得了良好的应用效果，降低了胶带使用量，减少了工人铺设、清洗胶带的工作量，提高了蜂窝芯零件的固持效率，不仅解决了当前蜂窝芯固持的技术瓶颈，降低了加工成本，还促进了创新理论在航空制造业的推广应用。
原载《工具技术》作者：刘元吉
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