在粉冶大尺寸薄饼件冷等静压技术中的应用研究
文/西北稀有金属材料研究院&稀有金属特种材料国家重点实验室 黄旭刚
西北稀有金属材料研究院 李志年
宁夏科技发展战略与信息研究所 韩博
摘 要： 本文通过使用TRIZ功能分析、因果分析、物场和技术进化法则等工具，探讨了TRIZ在粉末冶金超大尺寸薄饼件冷等静压成型技术中的应用，获得了高效的解决方案。
关键词： TRIZ；功能分析；因果分析；物场；技术进化法则；稀有金属；粉末冶金
实践证明，运用TRIZ理论，可有效解决技术问题，加快创造发明的进程。近十年，TRIZ理论在中国获得快速发展，因为其有效的实践，以及与大众创业万众创新政策的符合性，成为国内创新领域关注的热点。TRIZ理论着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。TRIZ解决技术的流程，可用两个“转化”来概括：将实际技术问题，转化为抽象的问题模型；将方向性的解决方案，转化为实际技术方法。[1]本文以解决粉冶超大尺寸薄饼件冷等静压成型包套破裂的问题为例，讨论TRIZ在解决工程技术问题中的应用。
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1 描述问题
粉末冶金冷等静压工艺，是使用柔性材料制作外壳（包套），填充金属粉，在常温条件下进行对外壳（包套）施加高达300MPa的高压，金属粉坯被紧密压制成型，见图1。[2]
对粉冶而言，冷等静压成型的尺寸不宜太大，在300mm以内，超过该尺寸则容易在等冷静压过程出现开裂、变形等现象，导致不合格。由于航天领域、国际项目等客户的特殊需求，需要超大尺寸薄饼形状的稀有金属粉冶零件，这种超大超薄金属粉坯的冷等静压成型，是国际稀有金属行业公认的难题：尺寸超过500mm时，在目前的工艺下，作为金属粉坯包套的橡胶，在冷等静压成型过程中发生开裂，导致金属坯开裂，见图2。
图1 图左：等静压设备 图右：等静压原理
图2 图左：超大尺寸薄饼粉坯外观 图右：包套开裂破损
2 分析问题
针对稀有金属粉坯包套破损磨损的现状，运用TRIZ的功能分析寻找真正的问题点；运用TRIZ的因果分析寻找问题产生的根本原因；运用TRIZ的九屏幕和资源分析寻找可利用的资源，降低解决成本。[3]
2.1 功能分析
在TRIZ理论中，解决问题工具有多种，例如裁剪、技术矛盾、物理矛盾、物场模型等工具。[8]本文在前述分析的基础上，主要应用矛盾、剪裁、物场和知识检索解决问题。在提出方案的过程，结合可利用资源，降低解决问题的成本。
图3 包套开裂时的功能模型
2.2 因果分析
因果分析是在系统框架下，结合操作关联性，分析问题的根本原因和关键原因，一般不分析技术之外如制度、人等超系统因素，具有很强的实用性。[5]本文中运用TRIZ工具-因果分析，寻找“包套/坯料开裂”的根本原因。根据力学和材料学知识，包套开裂是橡胶受力超过其撕裂强度，与力的大小和接触角度有关。[6]结合QC工具中的内外因分析方式，可寻找到关键原因。
获得方案：根据橡胶的弹性、延伸率等信息资源，寻找弹性更好的如天然橡胶、塑料材料制作包套。
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表1 包套/坯料开裂关键原因表
2.3 资源分析
资源分析的实质就是从系统的高度研究分析资源，合理应用资源，提高技术系统理想度最重要的手段之一。[7]运用TRIZ工具-资源分析，寻找工程系统中可利用的资源，为低成本解决问题做资源的准备。使用九屏幕法进行资源分析，分析范围扩展到子系统、超系统，找到的可利用的资源，见图5。
经分析，“包套/坯料开裂”的根本原因有10项，结合工艺专家和技师对关联性的判断，其中5项为关键原因，见图4，重要性如表1。
3 解决问题
功能分析是研究对象系统的结构组成及其之间的相互作用，回答各组件“做什么”以及“做的怎么样”，并按照有用功能、有害功能、不足功能和过剩功能进行划分。[4]本文中，基于实现冷等静压功能的角度，分析当包套/坯料开裂时，技术系统的构成以及各组件的相互作用，构建功能模型，见图3。
3.1 最终理想解
（1）分别使用常见的普通橡胶、PVC、天然橡胶、硅胶进行试验：天然橡胶抗拉强度稍低、延展性好，具有优势。
获得方案：将包套的圆面改为活塞式能活动的部件，减少等静压时包套弹性材质的变形程度。
方案：将包套横截面改为方形，方形结构抵抗外力弱于圆形，可以降低与横向纵向的强度差异，减少剪切力。
图4 包套开裂时的因果分析
图5 资源分析与列表
表2 最终理想解
图6 剪裁模型与方案
图7 物场模型
3.2 裁剪
从功能不足的组件“包套接缝”入手进行剪裁，按照剪裁规则B“若功能对象自身执行有用的功能，功能载体可被裁剪”，[9]获得方案，见图6。
方案：剪去接缝，包套一体化成型，消除接缝和包套强度的不一致，减少不均匀的变形，防止局部变形超限。
3.3 物场模型
选取关键原因2：“包套的圆形薄饼形状和接缝的存在，导致包套各处强度不均匀”中“接缝的存在”为突破点，进行物场分析，绘制物场分析模型。
方案：在包套上没有接缝的地方，间隔性胶粘上橡胶条作为加强筋，达到和接缝强度一致，包套强度均匀化。
问题模型属于属于标准解1.2，完整有害的物场模型；可按照根据标准解1.2.2引入S1或S2的变形来消除有害作用，获得方案，见图7。
3.4 进化法则
冷等静压技术属于新兴技术，仍处于发展期，从接缝连接包套的功能角度看，类似于刚性环铰接的结构，选择“动态性进化法则—向柔性系统或可移动系统跃迁的进化路线”，获得方案，见图8。
[36] Kane Jane, The South China Sea Dispute: Prospects for Preventive Diplomacy, The United States Institute for Peace, March 1996.
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方案：将大部分包套一体成型，仅保留很少局部的接缝，包套强度均匀化。
3.5 知识库/科学效应
图8
根据关键原因2：“包套的圆形薄饼形状和接缝的存在，导致包套各处强度不均匀”：查阅等静压模具知识[2][10]与结构力学知识，同等条件下，圆形抵抗外力的能力最强；同时，强度随着厚度增加而增加。具体到本项目上，圆饼包套横截面为圆形，且横向尺寸远超厚度，所以横向强度远大于纵向强度，导致受力时，胶合接缝附近因为纵横面变形程度不一致，产生巨大的剪切力，导致包套破裂。
方案：将包套接缝处，改为斜面的过度，将横向/纵向的强度差异导致的剪切力，分散到该斜面，减少剪切力。
方案：使用激光将粉坯表面微层融化，让该层替代包套的作用，这样可以直接对粉坯加压。
4 方案与效果
4.1 经过对所有方案的整理和评价，获得综合方案
制作一体成型的方形包套；各棱角处使用斜面过渡；在泄压取料时分三步泄压，减小压力变化的速度，防止微量气体的膨胀导致的变形。
4.2 方案实施
利用最终理想解，找到解决问题的理想目标和更本质的解决方向。[9]
（2）包套使用一体化方形设计，且折角处使用斜面过渡，进行三次盐试验密封良好无泄漏、坯料无开裂。
二是虚假信息的泛滥。网络上充斥着大量虚假新闻、虚假事件以及损害他人利益、损害国家名誉等的不良信息，影响公众对舆论的判断力。一些违法分子甚至在网络上发布凭空捏造一些子虚乌有的事件，煽动公众情绪，尤其是煽动公众损害他人利益的信息、影响政府声誉的信息、甚至是危害国家安全的信息，对社会公共安全形成威胁。
（3）金属粉坯试验一次成功。
整合学科组把最初让学生通过填空、简答等方式回答的知识性题目经过整合变成一道开放式探究题：“请你寻找并探究天坛建筑中关于‘天’的元素”，借此引导学生系统思考。并将研学活动的目的设计直指学科核心能力和素养——口头表达与书面表达。
4.3 效益
技术目标：解决了包套开裂问题，成功开发出超大尺寸薄饼件产品。
按照教育部工程专业认证的要求和美国工程与技术认证委员会（ABET）对21世纪新的工程人才的能力提出的评估标准，以及美国食品技术协会（IFT）制订的食品科学与工程本科专业毕业生应掌握的专业核心技能标准，在专业培养方案中毕业实习均是非常重要的环节，通常是学生学完所有专业课程之后进入到相关领域的企事业单位进行的社会实践。一般学校要求毕业实习时间在4周以上，学分4～5分，远高于一般的专业课程。
经济效益：以粉末2万/Kg计，产品52Kg价值110万。四次实验节约成本440万。
5 结论
本文通过应用TRIZ理论，实践运用TRIZ完成了分析技术问题→转化TRIZ问题模型→利用TRIZ工具，提出解决方案模型→结合资源，获得解决方案，最后获得较理想的解决方案。
方案经过实施验证，确实可以高效地解决问题。这个实践证明了TRIZ在创新和科研方面具有巨大的优越性，具有巨大的应用和发展潜力。
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参考文献
[1] 丁俊武，韩玉启，郑称德.创新问题解决理论-TRIZ研究综述.科学学与科学技术管理.2004(11)：P58
[2] 宋兴海，孙本双.铍的冷热等静压.稀有金属与硬质合金，1994,113：P22～25.
[3] 创新方法研究会.公开资料《因果分析》. 2010:P3
[4] 卢希美，张付英，张青青.基于TRIZ理论和功能分析的产品创新设计.机械设计与制造.2010(12)：P255～257
[5] 韩博. 现代TRIZ理论中因果链分析应用研究.科技创新与品牌.2016(3)：P47～48
[6] 潘广萍，朱华.造成橡胶直角型撕裂强度测试结果偏差的原因分析.有机硅材料，2014,28（1）：P36～38.
[7] 韩博. TRIZ理论中资源分析的应用研究..科技创新与品牌.2015(7)：P73～74
[8] 赵敏，史晓凌，段海波.TRIZ入门及实践[M].北京：科学出版社，2009
[9] 牛占文,徐燕申,林岳. 发明创造的科学方法论—TRIZ[M].武汉:中国机械工程出版，1999(10):P84～89．
[10] 鲁燕萍.陶瓷冷等静压成型技术. 真空电子技术，2011,04:P32～34．
责编/马铭阳
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