基于TRIZ理论的水基切削液定时加注系统设计

1. 现状分析

数控机床对机械零件进行车削、钻削、铣削和磨削等加工时，多数配置单机用水基冷却装置，以满足迅速降低加工温度、稳定工件加工尺寸、延长刀具使用寿命、减少停机换刀时间、减小切削力、降低加工表面粗糙度值、有效清除加工区的切屑或微粒及防止已加工表面锈蚀等要求。一般情况下，操作者先将适量的清水注入机床的冷却装置，再注入定量的切削液后，形成该机床所用的水基切削液。此种添加方式不仅会造成切削液浓度不稳定，浓度过低时产品发生锈蚀，浓度过高时切削液使用浪费；还会影响车间现场的定置管理，每台或多台机床的附近悬挂/散放塑料软管。

针对上述情况，需要设计一套水基切削液定时加注系统，既要保证切削液浓度的一致性，又可避免切削液浪费；既能美化现场，又要做到随用随加；既可整合现场的全部冷却装置，又不影响单机冷却的运行。

2. TRIZ参数桥优化设计

由TRIZ理论原理知，基于技术冲突“参数桥”的创新发明求解过程通常包括三个主要步骤，即工程问题标准化（上桥）、查冲突矩阵取得发明原理（过桥）和运用发明原理优化设计（下桥），如图1所示。

（1）工程问题标准化。为便于使用阿奇舒勒冲突矩阵解决切削液加注问题，首先要将前述工程问题用TRIZ理论中2003版的48个通用工程参数（39个工程参数新增了9个）来描述，也就是把一般的领域问题转化为TRIZ标准问题。拟保证切削浓度的一致性，故选择35号工程参数（可靠性）为待改善的参数；拟避免切削液浪费，故选择25号工程参数（物质损失）为待改善的参数；拟美化现场，故选择39号工程参数（美观）为待改善的参数；拟整合现场全部冷却装置，故选择33号工程参数（兼容性/可连通性）为待改善的参数。在原有基础上增设水基切削液定时加注系统后，现场冷却系统将会出现2个恶化的参数，即45号工程参数（系统的复杂性）和46号工程参数（控制和测量的复杂性）。

（2）查冲突矩阵取得发明原理。根据得到的5个改善参数和2个恶化参数，查2003版冲突矩阵表，可得到水基切削液定时加注系统设计的发明原理，如附表所示。

图1 TRIZ的技术冲突“参数桥”

（3）运用发明原理优化设计。综合附表的发明原理及其设计方案，确定在车间现场安装水基切削液集中加注站，经单相自吸泵将预先配置好的水基切削液输送至每个冷却装置处，由各自的操作者通过对应的截止阀控制切削液的添加与关闭。同时，系统加装定时控制环节，以减少自吸泵的无效运行。

（4）定时加注系统设计。所设计的水基切削液定时加注系统主要由集中加注站和定时加注控制柜两部分组成。其中，集中加注站包括储液箱、单相自吸泵、卸荷管、截止阀及各连接管路等，如图2所示；定时加注控制柜包含3极断路器DZ47-60 C16、2极断路器DZ47-60 C3、不带灯常开按钮IDEC ABW110G、Omron自动复位型定时器H3AM-NS-B、交流接触器CJX1-9/22及相应线路等，如图3所示。

3. 使用方法

定时加注系统运行前，操作者需要根据储液箱内液面位置，预先按规定比例配置好水基切削液并注满储液箱。

操作者合上控制柜内断路器QF0和QF1，使AC220V分别接至交流接触器KM及导线L21。按下常开按钮SB，接触器KM的线圈与定时器KT的线圈均通入AC220V，KM常开触点闭合使SB自锁，KT工作且可动指针倒计时。

随KM线圈得电，KM主触点闭合，自吸泵的电动机M0接入AC220V后运转。储液箱内切削液经管路和截止阀送至目标冷却装置。待切削液加注预设定时到达，KT的限时接点3～4断开，KM线圈失电，SB自锁复位。随KM线圈失电，KM主触点断开，M0停转，切削液停止供应。切削液定时加注的一个循环周期结束。

水基切削液定时加注系统设计发明原理一览表

图2 水基切削液集中加注站结构示意

图3 水基切削液定时加注控制原理

4. 结语

依据TRIZ理论中技术冲突“参数桥”，优化水基切削液定时加注系统的设计。通过使用该套定时加注系统，切削液的添加过程不再出现泄漏，冷却装置附近的现场趋于美观，自吸泵的损坏频次由6次/年降为几乎不损坏，维修费用每年节约0.8万元，电力无谓消耗每年节约1.5万元。该项目在大批量生产现场具有一定的应用价值。

[1] 张明勤，张士军，陈继文，等.TRIZ应用综合例析－轴颈磨损防护与修复[M]. 北京：机械工业出版社，2012.