轻型汽车技术2020(11-12)技术纵横21
工艺改进案例
顾小忠
(南京汽车集团有限公司）
摘要：本文介绍了问题描述和分析工具“物-场模型”，它的四种基本模型组 以及一些典型标准解，并结合曲轴线磨削抛光系统的工艺改进案例进行了分析。目
的是促进工程师在日常工作中，借助于一些理论工具总结现场发现的问题，多了解
一种思维手段，提升现场分析解决问题的能力，以便更好服务生产，不断持续改进
产品质量。
关键词：物-场模型标准解磨削抛光
1引言
发动机制造工艺复杂，为满足生产过程的高
效率、产品质量的高一致性，规划生产线时设备大
多采购进口设备。某发动机厂含有两个系列发动
机，机加工生产线95%以上采用进口设备，特别是
曲轴这个关键自制件，全线采购国际顶尖设备供
应商，如 Landis、Junker、Grind master、Schenck、
M A G'Marposs、Alfing等。这些设备技术复杂工艺 先进，年轻工程师在短时间内学习掌握难度较大。需要借助于一些理论工具总结现场发现的问题，让快速积累的实践经验，上升到理论方法工具层 面，帮助自己更好地成长，为服务生产现场，优化 生产工艺提供强有利的保障。TRIZ理论及物-场模型，就是其中很好的理论工具，该理论工具是在 总结上百万个专利技术总结出来的成果，在指导 创新改进中做出了惊人的贡献。
2 T R IZ理论及物-场模型
TRIZ是发明性问题解决理论，其中物-场模型
图1元素与能量的交互作用
是TRIZ中一类重要的问题描述和分析工具，它主 要对现有技术系统相关问题建立功能模型，然后 在问题解决过程中，可以根据这类物-场模型描 述的问题来查一般解决和标准解法。
在物-场分析所使用的技术系统中，最小的 单元由两个元素以及两个元素传递的能量所组 成，三者共同构成了一个系统来执行一个功能。在 TRIZ中，功能被定义为：两个元素与他们中的场 (能量)之间的交互作用，如图1所示，即元素S2 通过能量F作用于元素S1而产生输出（
功能)。
22 技术纵横轻型汽车技术2020(11-12)
主轴嫌/连杆5SB止推面/法兰埔S轴头堉磨床»光机*终测S机
床2台 床1台1台1台 1台
量:）篇暴:：警：:
O P90O P110O P I20O P150
图2曲轴及其简易工艺流程
表1物-场模型组
序号类型定义
1有效完整模型功能的3个元素都存在，而且都有效，是设计者追求的目标
2不完整模型功能的3个元素不同时存在，可能缺少场，也可能缺少物
3非有效完整模型功能的3个元素都存在，但不能有效实现设计者追求的目标
4有害模型功能的3个元素都存在，但产生了与设计者追求目标相反的效应
图1中，S1、S2是具体的，叫做“物”，可能是材 料、工具、零件、人环境等，一■般S1表不原料，S2表 示工具。F是抽象的，即是“场”，可以是机械场，热 场，化学场等。S1、S2、F组成物-场模型。
吸尘器清洁地毯的过程就能通过物-场模型 进行建模:S1地毯(工件），S2吸尘器(工具），F清 洁(机械场），其中“清洁”代表三者共同构成了一 个系统所执行的输出功能。任何一个完整的系统 功能都可以用该模型进行表达，如果系统比较复 杂，可以用多个物-场模型表达。砂轮磨削曲轴也可通过物-场模型进行建模，S1曲轴，S2砂轮,F 轴颈特性要求（机械场）；抛光曲轴也可通过物- 场模型进行建模,S1曲轴，S2抛光带，F表面质量 (机械场)。下面以曲轴线磨削抛光工艺为例介绍 物-场模型的应用。
3曲轴磨削抛光工艺介绍
某厂N型发动机，具有高性价比的小排量自 然吸气发动机，另一款是S型发动机，采用涡轮增 压直喷，具有最新一代环保节能动力总技术。曲轴
制造工艺大致可简化为，加工中心孔-轴颈粗加
轻型汽车技术2020(11-12)技术纵横23图3曲轴轴颈凸度要求图4内部合成物-场模型
工-轴颈磨削-动平衡-轴颈抛光-清洗测量等，整个流程有20道工序，其中磨削和抛光是重 点工序，是产品尺寸精度、形位精度、表面质量最 终形成的工序，也是生产过程中最容易出现质量 问题的工序。磨削工艺设备非常复杂，集成了各种 先进控制技术，利用物-场模型将“大系统”分解 为“小系统”有现实意义，通过研究小系统然后过 渡到大系统也是较好的学习消化途径。图2是S 型曲轴及其简易工艺流程。
4物-场模型在磨削抛光工艺改进案例的应用分析
经过TRIZI不断总结，归纳出4大类物-场模型组，如表1。
第一种模型是设计者追求的目标，当遇到后 面3种异常模型时，才是问题关键所在，需要用既 定的一般解法或76个标准解法来解决异常问题。本文列举第3类、第4类适合机加工工艺改进场 景的几种标准解，来分析该发动机厂曲轴线磨削 系统的应用案例。
汽车抛光1)非有效完整模型标准解之一：内部合成物 -场模型，“假如系统不能改变，但可接受永久的 或临时的添加物，可以在S1或S2内部添加S3来 实现”。曲轴为均匀载荷、防止偏载拉瓦等原因，轴 颈设计有凸度要求，见下图3。
加工过程中时常出现由于凸度不好造成废
品，从砂轮(S1)和修整砂轮的金刚滚轮(S2)的失
效原因分析，观察到修整时滚轮的状态会影响加
工过程中产品的凸度。通过优化滚轮的形状(S3)，
大大减少了由于凸度不好造成的废品。该案例即
是物-场模型为非有效完整模型，通过S2内部添
加S3内部合成来解决问题，标准解见图4示意。
2) 非有效完整模型标准解之一，外部合成物 -场模型，“假如系统不能改变，但用永久的或临
时的外部添加物来改变S1或S2是可以接受的，
则加之”。S型发动机装配时发现曲轴后油封有翻
边或划伤，导致发动机总成有漏油的质量风险，希
望曲轴线进行工艺改进，去除曲轴法兰外圆倒角
毛刺，在不增加工序节拍的前提下，工程师在曲轴
线抛光工序想到了创新措施，对抛光曲轴法兰外
圆抛光靴进行改进，在原有抛光靴外侧增加抛光
倒角压块，增加抛光带宽度3毫米，抛光后倒角毛
刺去除彻底。曲轴是S1，抛光靴是S2，抛光倒角压
块是增加的S3(见图5)。
标准解见图6示意，通过外部合成物-场模
型解决问题。
3) 非有效完整模型标准解之一，通过改变环 境向环境物-场模型跃迁，“假如系统不能改变，
但可以改变系统以外的环境，则变之”
。曲轴磨削
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图5抛光倒角压块图6外部合成物-场模型
过程中，粗磨精磨逐步进行，前后要求的冷却液压 力是不一样的，粗磨时因切削量大，冷却效果要 好，所以冷却液出口压力会很大，然后到精磨阶 段，因切削量较小，且随动测量同步进行着，这时 冷却液出口压力也会自动调到合适要求。这就是 通过改变环境，使原有物-场模型更有效的案例，这个应用显而易见。但有些隐含的简单改变环境 的操作方法，却常常被忽略。如磨床每天停机后，关闭冷却液，乳化液容易沉淀在砂轮下半部，再次 启动磨削时影响砂轮动平衡和首件加工尺寸，虽 然看似磨削的物-场模型没有什么改变，但其实 初始的磨削环境已经改变。解决的办法就是建议 磨床每天停机后，再让砂轮空运转2-3分钟，尽可能降低沉淀在砂轮下半部的冷却液，提高砂轮动 平衡率，从而可以提高首件加工尺寸。标准解见图 7示意。
4)有害模型标准解之一，间接改变现在物质 来消除有害效应，“不增加新物质，通过其他方式 间接改变S1或S2来消除有害效应，该类解包括 增减‘虚无物质’，如：空位，真空或空气等”。S型曲 轴抛光机多次发生抛光带走带异常，故障频繁报 警，经分析是由于抛光时抛光带有窜动造成的。S2是压紧的抛光带，S1曲轴，顺序动作是先压紧 后抛光，正常情况下逻辑动作没有问题，但在有些 情况下，压紧动作
稍滞后，就会造成此类故障报 警
。解决办法是在压紧抛光带命令发出后，增加
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图9 砂轮修正示意图图10用场抵消物-场模型
表2标准解汇总
序号类型标准解
3非有效完整模型①内部合成物-场模型：②外部合成物-场模型；
③通过改变环境向环境物-场模型跃迁
4有害模型④间接改变现在物质来消除有害效应；⑤用场抵消有害效应
图11标准解法求解一般过程
0.5秒延时，确保抛光带已经压紧，从而顺利解决 了此类问题。又如，磨削曲轴轴颈时，MARPOSS测 头要在合适时机主动跟随测量，何时上前测量轴 颈，由系统理论值决定，但磨削实际情况很复杂，会出现测头刚上前就迅速撤回，导致跟随测量不 充分，产品质量不稳定现象。基于此分析，将外圆 直径修
正值放大0.05mm，达到测头提前测量的目 的，这样实施后使曲轴各项尺寸形位精度更稳定。像这类“增加延时”、“外圆直径修正值放大”都是 通过“虚无物质”改变S1和S2的案例。标准解见图8示意。
5)有害模型标准解之一，用场抵消有害效应，“在一个系统中，有用、有害效应同时存在，但S1及S2必须处于接触状态，则增加场F2使之抵消 F1的影响，或者得到一附加的有用效应。”N型曲 轴OP100法兰端面磨床采用的是CBN成型砂轮，同时磨削法兰端面、法兰外圆、发信轮端面等，砂 轮修正时需要准确修正出其外形(见图9)。
物-场模型可简化为:S1砂轮，S2金刚滚轮，F砂轮修正完整(机械场)。砂轮修正过程中,F
会
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