0 引言
数控车床上加工球头工件简单易行，然而在普通车床上加工高精度的球头工件对工人的操作技术水平要求很高。在人力成本日益增加的今天，企业既希望提高设备利用率，又希望降低加工成本。根据普通技术工人能够使用普通车床熟练加工球头工件的需要，提出了设计操作便捷、结构合理的一种刀具的要求。TRIZ是发明创新问题解决理论，借助TRIZ理论解决刀具的设计问题，使普通技术工人使用普通车床高效高精度加工球头工件成为可能。
1 发明问题解决理论
TRIZ理论（Theory of Inventive Problem Solving），即发明问题解决理论，是前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒及其发明团队在研究大量专利技术的基础上，经过几十年不懈努力创建出的发明与创新方法。TRIZ方法不是针对某一具体的机构、机械或过程，而是建立思考问题、解决问题过程的科学化依据。经过50年的研究，TRIZ已形成了一系列方法与工具，特别是提出了设计冲突理论、标准解、ARIZ算法等。
阿奇舒勒提出了用于描述冲突的39个通用工程参数和用于解决冲突的40条发明原理，并建立了对应的关系，即阿奇舒勒矛盾矩阵。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条发明原理的序号。由于矛盾矩阵的行和列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，即用TRIZ的39个工程参数描述冲突，并且要对使用矛盾矩阵得到的原理解进行后处理，即把原理解转化为领域解，以得到需要的特定解。
应用TRIZ理论解决问题的一般流程如图1。具体步骤：①要对一个实际问题进行仔细的分析并加以定义、明确；②根据TRIZ理论提供的方法，将需要解决的实际问题归纳为一个类似的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、归纳出的类似的标准解方法，找到对应的TRIZ标准解决方案模型；④将这些类似的解决方案模型，应用到具体的问题之中，演绎得到问题最终解决方法。
图1 TRIZ理论解题模式与流程
2 TRIZ理论的刀具设计
苏州一企业接到加工球头工件的订单，根据客户要求，球头工件为不同规格，其球体半径在一定尺寸范围内变化。因公司数控车床生产任务重，订单被安排在普通车床上加工。在加工过程中，由于球头工件的球体半径是变化的，成型法或仿形法加工时，要根据尺寸要求相应制造成型刀具或成型模板。大量的成型刀具或成型模板增加了生产成本，同时更换成型刀具或成型模板也花费大量的辅助时间，影响了生产效率。
2.1 问题描述
采用成型法或仿形法加工球头工件时，因球头半径不同，必然制造不同尺寸规格的成型刀具或成型模板，这增加了生产成本。同时，更换不同规格的成型刀具或成型模板，装刀和对刀等辅助工作，增加了加工辅助时间，这降低了加工效率。为了避免生产成本的提高和加工效率偏低的现象，成型刀具或成型模板的制造数量与更换次数需要进行限制。
2.2 问题分析
根据以上对问题的描述，发现加工过程的现状是：为了加工出尺寸规格不同的球头工件，需要制造和更换不同规格的成型刀具或成型模板，出现生产成本高和生产率低的情况。而避免这种情况，需要限制成型刀具或成型模板的规格数量，但又无法满足客户的要求。
分析得出半径变化的球头工件加工过程中存在着技术矛盾：制造不同规格的成型刀具或成型模板与生产成本的矛盾，更换不同规格的成型刀具或成型模板与生产效率的矛盾。
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，即转换为TRIZ标准问题
“既要加工出半径变化的球头工件又要避免生产成本的提高，同时避免生产效率的降低”。从待解决问题的文字叙述中，试着找出问题由哪些相互矛盾冲突的属性所引起，将文字叙述转换成39项工程参数中的3项。
工程参数33号操作流程的方便性：指在操作过程中，如果需要的人数越少，操作步骤越少，以及所需要的工具越少，同时又有较高的产出，则带代表方便性越高。工程参数35号适应性、多用性：指物体或系统积极响应外部变化的能力；或者在各种外部影响下，具备以多种方式发挥功能的可能性。工程参数36号系统的复杂性：指系统元素及其相互关系的数目和多样性。如果用户也是系统的一部分，将会增加系统的复杂性。掌握该系统的难易程度是其复杂性的一个度量。
工程参数33号操作流程的方便性和35号适应性、多用性是使系统性能提高的参数，工程参数36号系统的复杂性是使系统性能降低的参数。
(2)根据得到的工程参数，确定解决问题所需的发明原理
1)对“加工出半径变化的球头工件，要改善刀具操作的适应性，将提高刀具系统的复杂性”这一技术矛盾查找TRIZ矛盾矩阵，从阿奇舒勒矛盾矩阵表查找第33行和第36列对应的方格，得到方格中推荐的发明原理序号共4个，分别是32号，26号，12号，17号，见表1。
表1 阿奇舒勒矛盾矩阵表
与上面发明原理序号对应，得到这4条发明原理及其解释。32号改变颜色原理：①改变物体或环境的颜色；②改变物体或环境的透明度；③为了观察难易看到的物体或过程，在物体中添加颜色；④如果已经添加了颜色，则考虑增强发光追踪或原子标记。26号复制原理：①用简单、廉价的复制品代替复杂、昂贵、不方便、易损、不易获得的物体；②用光学复制品（图像）代替实物或实物系统，可以按一定比例放大或缩小图像；③如果已使用了可见光复制品，再用红外光或紫外光复制品代替。12号等势原理：改变操作条件，以减少将物体提升或下降的需要。17号空间维数变化原理：①将物体一维运动变为二维（平面）运动，以克服一维直线运动或定位的困难；或过度到三维空间运动以消除物体在二维平面运动或定位的问题；②单层排列的物体变成多层排列。③将物体倾斜或侧向放置；④利用给定表面的反面；⑤利用照射到邻近表面或物体背面的光线。
综合分析以上4条发明原理的解释，其中32号改变颜色原理、26号复制原理、12号等势原理对问题的彻底解决的贡献有限，17号空间维数变化原理对问题的彻底解决的贡献最大，是最具价值的发明原理。
2)对“提高工件的生产效率，要改善刀具操作的方便性，将提高刀具系统的复杂性”这一技术矛盾查找TRIZ矛盾矩阵，从阿奇舒勒矛盾矩阵表查找第35行和第36列对应的方格，得到方格中推荐的发明原理序号共4个，分别是15号，29号，37号，28号，见表1。
综合分析以上4条发明原理，其中29号气压和液压结构原理、37号热膨胀原理、28号机械系统替代原理对问题的彻底解决无帮助，而15号动态特性原理对该问题的解决最有价值。15号动态特性原理的内容是：①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；②分割物体，使其各部分可以改变相对位置；③如果一个物体整体是静止的，使之移动或可动。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；往复运动的部分成为旋转的；让相同的部分执行多种功能；使特征成为柔性的；使系统可兼容于不同的应用或环境。
(3)TRIZ解的类比应用得到问题的最终解
在问题解决过程中应用17号及15号创新原理。应用17号创新原理，改变刀具刀头的放置位置；应用15号创新原理，改变刀具刀头的伸缩长度，设计的新刀具，如图2所示。
图2 设计的组合刀具结构示意图
设计的刀具为组合车刀，由刀头、螺钉、刀架、转轴、手柄、刀杆构成，安装在车床刀架上，刀具通过刀头与工件同时绕X、Z轴的旋转运动，实现球头工件球体的加工，同时通过调整刀头伸出的长度控制球体的半径。
3 实例验证
刀具切削实验基于沈阳第一机床厂CA6140A型普通车床，工件选用2A12硬铝棒料，并经过粗加工。切削参数为：主轴转速为600r/min，走刀速度约0.15mm/r，切削深度为0.40mm。
普通技术工人经简单培训后可操作该刀具加工球头工件，切削加工后的球头工件尺寸精度和形状精度均达到要求，加工效率相比普通车床的成型法加工提高2至4倍，相比普通车床的仿形法加工提高3至5倍。应用于企业生产，使用效果好：降低了工人的技术水平要求，使用简单、操作方便，满足不同尺寸规格的球头工件加工要求，降低了工艺难度，加工精度高，成品率高，加工时间短，有效提高生产效率。
4 结束语
分析普通车床加工球头工件存在的问题，利用TRIZ理论解决刀具设计中加工方便性、多用性与系统复杂性之间的矛盾，设计了新的组合刀具，并通过实例验证了设计刀具的可行性。利用TRIZ的设计冲突理论，在刀具设计中具有很好的指导作用，引导设计人员打开思路，有效解决刀具存在的问题，有利于刀具的优化设计。
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本文标题：基于TRIZ理论的一种刀具设计研究
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