新型胀缩式堵头创新构思及设计*

新型胀缩式堵头创新构思及设计*

1　前言
　　随着人工智能、智能CAD及认知科学的迅速发展及自身的需要,并受到这些新兴学科的影响及渗透,许多专家学者对各自研究领域的创造性思维、设计等问题表现了极大的兴趣,机械创新设计,或新型机构的创新构思及方法研究,逐渐提到议事日程上来［1，2，4］,本文以新型胀缩式堵头的创新构思设计为例,试图从一个角度来阐述机械创新设计的特点、过程及方法,并以此总结提出一种适合于一类机械创新课题的具有良好操作性的相似诱导移植创新法。
　　冷拔钢管技术是一种工艺先进、技术可靠、生产效率较高的高精度无切屑冷作形变强化工艺制管技术,冷拔后的钢管,内孔精度高达H8,表面粗糙度可达0．8以上,可直接制作液、气压缸。目前国内生产冷拔钢管的厂家为数不多,图1为国内某厂生产冷拔钢管的工作原理图,其工作原理 为:

图1　冷拔钢管工作原理示意图
1.待拔管钢　2.拉杆　3.内模　4.固定外模座　5.堵头
6.小车体　7.锥形夹头　8.压板　9.短液压缸　10.长液压缸　11.滚道
1.1　预备
　　首先将待拔钢管1(管端内表面预车削去一层且加工出α＝7°的内锥面,以使内模3顺利送进)送入料槽滚道11上,拉杆2从右向左穿进钢管,与内模3螺纹旋紧联接后,受牵引钢丝绳拉力F作用拉紧,使内模3贴紧管端内锥面,后将实心堵头5塞入钢管1左端内孔(为防止管端咬扁及咬断)。堵头、内外模与钢管的相对位置如图1所示。
1.2　咬管
　　将四块圆锥形面夹头6(内侧具有锯齿形,以保证咬住管端)均布地插入具有圆锥形孔的小车体7内,启动短行程液压缸9(行程常为130 mm左右),使固定于其活塞杆上的压板8沿右边同时顶紧四块锥形面夹头6的前端面,以产生足够的径向压力(抱紧力)咬住钢管1左端(冷拔后,被咬过的管端通常被锯掉,因此堵头长度一般较短,常为≤100　mm)；
1．3　冷拔
　　启动长行程液压缸10(其行程须大于冷拔钢管长度),带动小车体7自右向左慢速行走时,即咬住钢管左端自右向左开始冷拔管子,依靠内外模的相对位置及其尺寸,强制完成塑性变形,冷拔速度一般为12 m／min～70　m／min。这一过程中,内、外模的相对位置不变,相对于小车体7静止的短行程液压缸9一直处于顶紧工作状态并随小车体一起慢速行走;
1.4　卸料
　　冷拔完毕后,液压缸9先卸油返程,四块锥形面夹头6自行松动人工取下,随后人工用一短圆柱棒旋入堵头螺纹盲孔,靠人工敲打的方式将堵头震松从管端中取出,卸下冷拔管,长行程液压缸10返程,进入下一次冷拔。
　　改变内、外模及堵头尺寸,可冷拔系列钢管,表1列出二种规格钢管冷拔前后内、外径及管壁厚尺寸之变化。
表1　钢管冷拔前后尺寸变化（mm）

No．    冷拔前    冷拔后
    外/内径φ    管壁厚H    外/内径φ    管壁厚H
1    140／122    9    136／125    5．5
2    114／94    10    113／101    6
由上可知,决定冷拔钢管正常生产的关键技术是1)咬住管端;(2)慢速冷拔;(3)方便取出堵头。前二者是主要功能,目前能正确实现完成,生产中的问题主要表现在后者的辅助功能上,生产中常因夹头咬紧力大小不匀、钢管材质不匀、壁厚尺寸变化等原因1)造成管端“咬死”现象,堵头取出较难;(2)造成管端“拔断”现象,此时堵头取出更难,常用大锤人工打击堵头以震出堵头。可见这二种人工取出堵头的方式,占用辅助工作时间很长,有时达几小时,影响了钢管生产的效率,与冷拔这种先进的工艺技术很不相称。为此,设计一种实用可靠的塞入、取出方便的高效堵头,以提高生产率,十分必要。
2　新型堵头创新设计构思
2.1　堵头功能分析
　　功能分析是产品创新设计的关键,只有进行全面、详细、本质的功能分析,才能突破原有的思维框架,实现质的创新设计。
　　如上所述,为了保证冷拔前较易塞入堵头,冷拔时有效咬住管端及冷拔后较易取出堵头,新型堵头应具备如下功能1)冷拔前,堵头外径φ1应以能自由塞入预车削后内径为φ2的管端为前提,一般地φ1应略小于φ2,取φ1＝φ2－Δ（可取Δ＝3 mm～5 mm）,见图2a;(2)冷拔时(咬着状态),堵头具有足够的强度以抵抗夹头径向传来的咬紧力,尽管管端咬着时已变形,其内径由φ2缩小至平均内径φ′2，且φ′2≤?2－δ（δ——直径方向上管壁平均变形量),但堵头外径φ1应保持不变,见图2b;(3)冷拔后,因咬着已变形的管端不能恢复原状,故堵头外径φ1必须缩小至φ′1,且φ′1≤φ′2－Δ,方可使堵头顺利取出,见图2c。

图2　新型堵头应具有的与管端的三种位置状态
　　图3a，b分别表示了在冷拔过程中,现有实心堵头外径与新型堵头外径相对于管端内径变化的情况。

图3　二种堵头外径φ1与管端内径φ2之关系
　　至此,对应于上述分析,不难得到,新型堵头的创新点——其实质就是必须具有变径功能,这样,堵头创新设计的思维出发点已找到,最终的结构设计也必须体现在变径这一创新点上。
2.2　新型堵头创新设计构思
　　基于前述实质性功能分析,为了构造一种具有变径功能的堵头结构作者十年前曾经设计过冷轧带钢生产用张力卷取机,为了使带张力卷取的冷轧带钢卷方便地从卷筒上取下,卷取机广泛使用了一种胀缩式卷筒。受相似、类比、移植等创造性思维的启示及激励,作者很快想到了其中的“移植原理”,决定移植这种胀缩思想及相应的结构,又结合本课题实际情况分析加以变异改进,选优确定一种新型的胀缩式堵头,如图4所示,它能正确地实现图2所述的三种功能。

图4　新型胀缩式堵头简图
　　其创新设计构思过程可用图5所示模式描述,且称之为相似诱导移植创新法,它具有良好的可操作性,符合机械创新设计的一般进程［4］。

图5　相似诱导移植创新设计法在本例中的应用
　　应当指出的是,目前的实心堵头只满足了图2所示的前二种功能,尚未满足第三种分功能,因此不可避免地存在上述堵头难于取出的困难。
2.3　相似诱导移植创新法的理论基础
　　(1)相似是自然界的一种普遍现象,从方法论角度讲,又是一种科学思维方法,大量的科学发现及成果表明事物及各种过程始终存在着相似性:从运动相似到相对稳定的结构相似,由结构相似表现出功能的相似,其逆过程也是成立的。因此,相似创造规律是人类创造的一条重要规律。
　　(2)我们把人们在学习和各项实践活动中积累起来而贮存在大脑中的各种感性认识、理性认识或知识单元称为“相似元”,则思维科学新理论——相似论［5］认为,人们在分析解决当前某个问题时,总是将该问题和他大脑中以前所建立或贮存的某个相似元联系、比较、借鉴、摄取;若相似元与该问题的求解信息达到高度的相似匹配并产生共振态,则求解该问题的有用信息幅度就会大大增加,直至超过显意识的感觉最低阀值,形成所谓的突发性灵感思维,交织成一个思维场。
　　(3)移植相似元中的部分要素或全部要素,结合当前问题的具体要求,进行修正,即可获得当前问题的真解。
3　新型堵头结构设计
及主要参数计算
3.1　胀缩式堵头结构及工作原理
　　根据上节所述,图4所示胀缩式堵头由两瓣内侧具有楔形面、外形为非完整半圆柱面的活动块1,通过轴梢2连接而成,结合图1,其工作原理为:堵头呈缩径状态时(堵头外径φ′1≤φ2,?2为管端内径,φ′1＝φ2－2δ0,2δ0为最大缩径量),人工将之塞入钢管管端,短行程液压缸9向右移动时,先推动与该活塞杆活动联接的芯块3向右移动一小距离s以胀开堵头,堵头呈最大直径为φ1（φ1≈φ2）的圆柱形面时(见图4)液压缸9才顶紧压板8;然后,“咬管”与“冷拔”二个动作先后开始(如前所述);冷拔完毕后,液压缸9卸油返程,四块锥形块仍自行松动可取下,芯块3也随之向左退出,二活动块1自行收缩,堵头恢复缩径状态,此时可方便地从管端内取出。
　　由此,可进一步得到新型堵头必须具备如下特性,即其性能约束为:
　　(1)胀缩式堵头必须简单、可靠,具有足够的强度,及良好的加工,维修性能;
　　(2)冷拔咬着时,胀经状态的堵头能保证最大外径不变,即能自锁;
　　(3)缩径时收缩自如,保证堵头顺利取出。
3.2　主要结构参数选择计算
　　为保证胀缩式堵头安全、可靠地工作,必须进行下列选择计算
　　(1)堵头胀开后在咬紧力Q作用下,具有楔形面的活动芯块能自锁,以不增加液压缸9的额外顶紧力,如图6所示,可推导出:
　　胀开力:
　　
　　机械效率:
　　

图6　结构参数计算
　　要使活动芯块自锁,必须η≤0（或F′≤0）,于是有λ≤φ。φ为摩擦角,因钢—钢材料接触,其摩擦系数为0．1～0．12,故φ＝5°43′～6°51′,为保证自锁,可取相应楔形角λ＝5°。
　　(2)芯块移动距离s计算
　　设δ0为堵头由缩径状态胀至最大外径时所胀开的半径方向上的位移,一般取δ0＝3　mm,则芯块移动距离 取s＝35 mm。
　　专利检索表明,目前国内尚无这种胀缩式堵头,实际冷拔钢管生产常用前述实心堵头,经制作样件并试验表明:该种新型堵头具有灵活的“变径”功能,可靠的“自锁”状态,模拟“胀径—咬管”、“缩径—卸料”等动作也是成功的。
4　结论
　　(1)设计对象具有的功能,可用多种实体结构(功能载体)去实现,只有对设计对象进行全面而详细、广泛而深入的功能分析,包括设计目标的辨认和确定、功能的描述及界定,才能揭示出设计对象的设计本质,确定设计的出发点,从而拓宽设计思路,设计出较佳的结构。任何不全面甚至曲解的功能分析,都可能导致设计产品最终功能的缺陷或失败。本例属于基于全面功能分析之上的原理突破引起结构实质性创新的设计。
　　(2)基于相似,相近基础上的技术类比移植法是一种比较常用有效的机械创新设计方法,类比移植中包含继承、改进、变异及创新;它既可以是技术结构、技术原理的移植,也可以是思想、方法的移植;既可以在不同技术领域之间进行移植,也可以在同一技术领域内不同结构装置之间进行移植,因此,在掌握扎实的机械设计原理及一定思维方法的同时,对其它广泛领域的熟悉了解,十分有助于技术移植创新。
　　(3)本文总结提出的相似诱导移植创新法,具有较强的可操作性,适合于一类机械创新设计课题,由此可见,机械创新设计并非神秘,也有方法可循［2，3］,不同类型的创新设计题目可用不同的创新设计模式去解决［4］,这些模式有待机械学研究人员、机械设计师在大量实际机械的创新设计实践中总结、丰富及完善。
　　(4)本文选优确定的胀缩式堵头,结构合理简单、工作可靠,可有效地配合完成钢管冷拔过程,具有推广使用价值。
  *  1996-08-05 收到稿件
参考文献
　1　石则昌,卜　炎.21世纪的机械工程.中国机械工程,1993(3)
　2　颜鸿森.颜氏创造性机构设计（一～三）.机械设计,1995(10～12)
　3　沈惠平.半自动偏心轴压力装配装置创新设计.机械设计与研究,1994(1)
　4　沈惠平,马履中.机械创新设计方法学研究.排灌机械,1994(3)
　5　张光鉴等.相似论.江苏科学技术出版社,1992(10)

江苏工业学院陈惠平老师的文章

可惜没有图啊