周鉗淼，張 凱，趙 武

（四川大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

在金屬切削加工過程中，切削液的有效使用能降低切削區(qū)溫度、減小刀具和工件之間的摩擦力，從而獲得較高質(zhì)量的加工表面，并減小刀具磨損、增加刀具壽命[1]。目前，冷卻裝置的研究和設(shè)計改進[2?4]多圍繞低溫微量潤滑[5]、納米顆粒增強微量潤滑、超臨界CO2 等[6]前沿技術(shù)，設(shè)計出的冷卻裝置有的體型龐大[7]，有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝不便，危險性高[8]，有的冷卻液霧化效果不好。

本文基于QFD 法（quality function deployment，質(zhì)量功能展開）和TRIZ（theory of inventive problem solving，發(fā)明問題的解決理論），結(jié)合用戶工藝需求、性能需求和技術(shù)特性之間的依賴與反饋性，提出了一套針對機械工程裝置的創(chuàng)新設(shè)計流程，并根據(jù)該流程設(shè)計了一套全新的微射流冷卻裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，可以直接鑲嵌在銑刀盤內(nèi)部，安全性高，以輸出和吸入并存的模式，降低了潤滑液的消耗，減少了環(huán)境污染。

1 面向工藝需求與性能需求轉(zhuǎn)換的工程裝置創(chuàng)新設(shè)計流程

1.1 QFD 方法和TRIZ 方法

為了能將市場顧客的需求通過有效的設(shè)計，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的工程特征需求，QFD[9]（quality function deployment，質(zhì)量功能展開）于20 世紀(jì)60 年代被提出，其中HOQ[10]（house of quality，質(zhì)量屋）是實現(xiàn)需求轉(zhuǎn)換的主要工具。TRIZ（theory of inventive problem solving，發(fā)明問題的解決理論）于1956 年被提出[11]。TRIZ 體系包含分析問題和解決問題2 部分，針對不同的問題采用不同工具分析解決。TRIZ 是以已有系統(tǒng)為主要研究對象，可適用于機械加工冷卻裝置的創(chuàng)新設(shè)計中[12]。

1.2 基于QFD 和TRIZ 集成的工藝需求與性能需求轉(zhuǎn)換的工程裝置設(shè)計流程

切削加工冷卻裝置不同于其他專用設(shè)備，屬于制造裝備機床的一個組件，具有工程條件約束，如使用環(huán)境、加工類型、尺寸大小等要求，其性能需求與用戶加工工藝需求之間存在相互依賴的關(guān)系，設(shè)計時需要同時考慮加工工藝與性能需求。這不同于以往研究只考慮顧客需求的情況[13?14]。

已有研究者采用QFD 與TRIZ 集成的方法，設(shè)計開發(fā)產(chǎn)品[15?16]。本文在加工工藝與需求轉(zhuǎn)換ANP模型[17]的基礎(chǔ)上，如圖1 所示，將性能需求、工藝需求與技術(shù)需求之間的依賴與反饋關(guān)系作為質(zhì)量屋的“地基”，改進質(zhì)量屋，并與TRIZ 集成，得到了工藝與性能需求轉(zhuǎn)換的工程裝置創(chuàng)新設(shè)計流程，如圖2 所示。

圖2 基于QFD 改進后的工程裝置創(chuàng)新設(shè)計流程

2 微射流冷卻裝置的創(chuàng)新設(shè)計

2.1 用戶需求的分析與轉(zhuǎn)換

機械加工冷卻裝置的設(shè)計主要考慮工件的工藝、刀具磨損、刀具壽命、表面加工質(zhì)量、切削力等加工類型和要求。加工類型不同，采取的工藝方法不同。因此，需要科學(xué)獲取需求，根據(jù)經(jīng)驗和知識，對加工工藝與性能需求進行轉(zhuǎn)換，合理選取工程特性。

在本次機械加工冷卻裝置的設(shè)計中，通過對現(xiàn)場加工人員廣泛調(diào)研和查找相關(guān)資料的方式，得到現(xiàn)場加工人員對冷卻裝置的性能需求：不改動機床本身、參數(shù)可調(diào)、減少切削液用量、冷卻效果好（滲透率高）、可回收切削液、結(jié)構(gòu)合理、便于安裝、工作可靠等。對用戶的需求合理分類將有助于QFD矩陣的構(gòu)造，因此，本文采用KJ 法[18]（親和圖法）對冷卻裝置的性能需求進行層次分類，得到的分類情況如表1 所示。

表1 現(xiàn)場加工人員需求分類表

本文通過加工工藝與性能需求轉(zhuǎn)換ANP 模型[17]將性能需求、工藝需求、技術(shù)需求分別進行了歸納。性能需求歸納為：不改動機床本身（F1）、參數(shù)可控（F2）、冷卻潤滑效果好（F3）、減少切削液用量（F4）、切削液可回收（F5）、人機安全性高（F6）、結(jié)構(gòu)合理（F7）、便于安裝（F8）、節(jié)約成本（F9）。以典型銑床加工工件為例，銑削加工工藝需求歸納為：刀具磨損（P1）、工件表面質(zhì)量（P2）、切削力（P3）、加工類型（P4）、工件材料（P5）、刀具類型（P6）、刀具壽命（P7）、加工對象（P8）、工件尺寸與表面粗糙度（P9）、工件成形表面（P10）。微射流冷卻裝置技術(shù)特性初步歸納為：霧化粒徑小（E1）、回收裝置（E2）、膜片振幅大（E3）、壓力參數(shù)（E4）、角度參數(shù)（E5）、噴嘴結(jié)構(gòu)（E6）。

2.2 技術(shù)需求重要度量化計算

本次設(shè)計不考慮產(chǎn)品競爭性、服務(wù)、成本等因素，但需要采用特定算法對重要度進行量化；因此，本文借鑒文獻[17]初始重要度的計算方法對技術(shù)特征重要度進行計算。其計算過程如下。

1）根據(jù)用戶和設(shè)計人員語言評估規(guī)劃，得到依賴與反饋關(guān)系的直接影響矩陣A。為便于計算，根據(jù)百分化后的語言標(biāo)度及三角模糊數(shù)量化表，如表2 所示，將A轉(zhuǎn) 化為模糊矩陣，如式（1）所示。

表2 百分化的語言標(biāo)度及三角模糊數(shù)量化表

式中：F為性能需求；P為工藝需求；E為技術(shù)特性；為 性能需求內(nèi)在依賴關(guān)系；為性能需求對工藝需求的外在依賴關(guān)系；為性能需求對冷卻裝置技術(shù)特性的外在依賴關(guān)系；為加工工藝需求內(nèi)在依賴關(guān)系；為加工工藝需求對冷卻裝置技術(shù)特性的外在關(guān)聯(lián)關(guān)系；為冷卻裝置技術(shù)特性對加工工藝需求的外在依賴關(guān)系；為冷卻裝置技術(shù)特性內(nèi)在依賴與反饋關(guān)系。表3 為得到的模糊直接影響矩陣。

表3 模糊直接影響矩陣

表3 模糊直接影響矩陣

表4 規(guī)范化模糊直接影響矩陣

表4 規(guī)范化模糊直接影響矩陣

表5 模糊綜合影響矩陣

表5 模糊綜合影響矩陣

表6 加權(quán)超矩陣

表6 加權(quán)超矩陣

5）利用特征根法，計算模糊權(quán)重矢量，得到制造裝備技術(shù)特性重要度矢量W0。

標(biāo)注技術(shù)重要度后的質(zhì)量屋如圖3 所示。將技術(shù)需求按照其重要度得分重新排序，為：霧化粒徑小、回收裝置、膜片振幅大、壓力參數(shù)、角度參數(shù)、噴嘴結(jié)構(gòu)。

圖3 微射流冷卻裝置的質(zhì)量屋

2.3 微射流冷卻裝置的功能結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

通過結(jié)合科學(xué)原理、行為描述知識，以及相關(guān)設(shè)備知識與結(jié)構(gòu)等，得到了銑削加工冷卻潤滑裝置各功能的初步結(jié)構(gòu)（S1—S6）。

S1：通過原理移植，整個裝置采用微射流冷卻的原理，科學(xué)有效。

S2：整個裝置鑲嵌在銑刀盤中空或凹坑部位，用導(dǎo)管通過刀柄內(nèi)部和外接真空機連接，不用對銑床進行任何改動，結(jié)構(gòu)合理，安裝方便，不會出現(xiàn)撞刀現(xiàn)象，人機安全性高。

S3：通過輸入導(dǎo)管、回收導(dǎo)管以及具有微射流噴射組件和回收組件組成冷卻本體。微射流噴射組件包括冷卻液噴射體、壓電陶瓷體以及具有微射孔的微射流噴頭。對霧化粒徑進行細化，在銑削加工時起到增強霧化的作用，保證冷卻潤滑的效果，降低刀具磨損，提高工件表面質(zhì)量，并且能減少切削液的使用，節(jié)約成本。

S4:為保證冷卻效果，適應(yīng)多種加工類型的需求，微射流噴頭采用矩形陣列分布。微射流噴頭包括聚焦噴頭和中心噴頭。中心噴頭設(shè)置于矩形陣列的中心位置；聚焦噴頭位于中心噴頭的周向。聚焦噴頭具有能夠向矩形陣列的中心位置噴射的噴射角度。

S5：為了進一步提高冷卻效果，可將該裝置設(shè)置為可旋轉(zhuǎn)，提高切削區(qū)域定點冷卻的精準(zhǔn)度。

S6：控制線路通過導(dǎo)管外置于機床。操作人員可以通過外置控制模塊對該裝置參數(shù)進行控制調(diào)節(jié)，如果發(fā)生失效，可以使用機床自帶的冷卻潤滑系統(tǒng)。

2.4 利用TRIZ 解決矛盾沖突

由于建模和驗證計算會花費大量時間，且本次設(shè)計負相關(guān)數(shù)量較少，故本文利用TRIZ 解決沖突的原理進行詳細設(shè)計。

根據(jù)圖3 質(zhì)量屋的技術(shù)需求相互關(guān)系矩陣，得到2 對負相關(guān)特性：一對是壓力參數(shù)與回收裝置，另一對是角度參數(shù)與噴嘴結(jié)構(gòu)的矛盾。

矛盾沖突的第1 對負相關(guān)特性詳細表述為：在銑削過程中充分保證冷卻效果的前提下，如果保證了適宜的噴射壓力，那么冷卻液的回收就不能得到充分保證。同理，如果要保證回收裝置回收切削液的效果明顯，并在充分保證冷卻效果的前提下，那么壓力參數(shù)則無法保證。本文借助矛盾矩陣求解該技術(shù)沖突。

首先將矛盾沖突問題標(biāo)準(zhǔn)化。查詢TRIZ 理論中39 個通用工程參數(shù)可知，壓力參數(shù)與回收裝置對應(yīng)的通用工程參數(shù)為：壓力（No.11）和裝置的復(fù)雜性（No.36）。然后，查詢對應(yīng)的矛盾矩陣，找到對應(yīng)的原理解是No.19（離散法）、No.1（分離法）、No.35（性能轉(zhuǎn)換法）。結(jié)合上述的原理解對壓力參數(shù)與回收裝置進行深入研究后發(fā)現(xiàn)，上述3 種原理解能解決該技術(shù)沖突的問題。

根據(jù)原理解No.19（離散法）的描述，將切削液的噴射改為脈沖壓力噴射，并適當(dāng)調(diào)整壓力脈沖頻率，使冷卻效果最好，同時回收裝置能更好地回收切削液。同時結(jié)合原理解No.1（分離法），將噴射部分與回收部分設(shè)計為2 個獨立的部分，并且使其錯開一定空間角度。再結(jié)合原理解No.35（性能轉(zhuǎn)換法），在機床外置加壓裝置，加強細化冷卻液霧化顆粒粒徑，加強冷卻效果，同時一定的噴射壓強能吹走鐵屑，降低切削力。

同理，對第2 對角度參數(shù)與噴嘴結(jié)構(gòu)的負相關(guān)特性進行分析，可知該矛盾屬于物理矛盾，使用分離法可以解決該矛盾沖突。分離法又可以進一步分為：時間分離、空間分離、條件分離、系統(tǒng)整體與局部的分離，如圖4 所示。

圖4 分離方法

為此，將噴嘴設(shè)計為獨立部件，噴口采用針口型設(shè)計，內(nèi)含氧化鋅或者石墨烯的疏水涂層，能加強細化冷卻液霧化顆粒粒徑的大小，并且所有噴口的噴射角度設(shè)計為指定聚焦噴射到刀具切削點，總體向噴射平面中間聚集。最終得到的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖5 所示，角度參數(shù)如圖6 所示。該方案創(chuàng)造性地將噴頭從微射流裝置中獨立出來，很好地化解了設(shè)計中的矛盾，提高了加工過程的冷卻效果。

圖5 噴嘴結(jié)構(gòu)圖

圖6 角度參數(shù)

2.5 得出的總體設(shè)計方案

從機械加工綠色切削技術(shù)發(fā)展趨勢來看，機械加工過程中的冷卻，有必要減少切削液用量的使用，甚至采用干式切削，同時又不降低切削加工的效果。將TRIZ 矛盾解決方案原理和現(xiàn)有的綠色切削的成熟技術(shù)進行綜合后，設(shè)計出該微射流冷卻裝置的總體方案如圖7 所示。

圖7 微射流冷卻裝置的總體方案

該裝置包括2 個微射流發(fā)生器（壓電陶瓷片）及附著在壓電陶瓷片上的針口型設(shè)計噴口。每相鄰2 個壓電陶瓷片分別用作切削液的噴射和吸入（回收）。該微射流冷卻裝置內(nèi)部的冷卻液的傳輸由2 根傳輸銅管完成。通過銅管內(nèi)冷卻液的壓力輸入，以及壓電陶瓷產(chǎn)生的微射流對冷卻液顆粒進行細化和加強，從而使噴出的冷卻液霧化效果更強，顆粒更小。吸入（回收）通過銅管與外連真空機相連接，對散發(fā)的冷卻液霧化顆粒進行回收，以達到提高冷卻效果、節(jié)約冷卻液、保護環(huán)境、綠色健康的目的。在最終的方案確定后，對其進行三維裝配建模，得到如圖8 所示虛擬裝配圖。

圖8 微射流冷卻裝置虛擬樣圖

3 結(jié)論

本文基于QFD 對加工工藝與需求轉(zhuǎn)換ANP模型進行改進，并結(jié)合TRIZ 建立了一套全新設(shè)計流程。在性能需求與用戶加工工藝需求以及工程條件的約束下，對機械加工工藝與性能需求進行了轉(zhuǎn)換，搭建對應(yīng)質(zhì)量屋，并對其重要度進行優(yōu)化計算，實現(xiàn)了對微射流冷卻裝置的初步設(shè)計，然后利用TRIZ 解決了設(shè)計中的矛盾沖突問題，進行了詳細設(shè)計。設(shè)計出的微射流創(chuàng)新裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，以輸出和吸入并存的模式，能增加微量冷卻流體的流量，同時提高冷卻與潤滑效果。通過真空吸入并回收冷卻流體霧，可以降低潤滑液的消耗量，在保證冷卻效果的同時，可以降低冷卻油霧對人體和環(huán)境造成的影響。采用冷卻流體的壓力噴射和壓電陶瓷產(chǎn)生超聲振動信號的并用，能激發(fā)和加強冷卻流體噴射，產(chǎn)生微射流，同時增大油水融合程度，達到細化噴霧顆粒的目的。在針孔噴嘴設(shè)計中，利用氧化鋅或石墨烯涂層的疏水性，以降低噴霧粒徑大小，提升了霧化效果。最終得到了一種實用新型專利微射流可調(diào)的陣列式微量潤滑超聲振蕩噴頭[20]。

該套設(shè)計流程方便快捷，可為企業(yè)在設(shè)計具有工程條件約束、性能需求與用戶加工工藝需求轉(zhuǎn)換的裝置時提供一種思路。