刀具在切削加工過程中磨損嚴(yán)重，如何實(shí)現(xiàn)簡單快速的修復(fù)，已經(jīng)成為亟需解決的問題之一。為解決刀具修復(fù)問題，對(duì)原有修復(fù)工藝進(jìn)行全面系統(tǒng)的改進(jìn)，提高刀具加工效率、質(zhì)量和可靠性，從而滿足不斷發(fā)展的工業(yè)需求。
PART 1序言
刀具在制造業(yè)中扮演著極其重要的角色，其性能會(huì)直接影響加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。刀具表面涂覆的激光熔覆涂層作為提高刀具性能和延長使用壽命的關(guān)鍵，在現(xiàn)代制造業(yè)中具有重要意義[1]。然而，隨著刀具在反復(fù)使用過程中頻繁地受到損傷，修復(fù)涂層的工藝研究變得更加重要。本文利用TRIZ理論對(duì)刀具修復(fù)及改性工藝進(jìn)行梳理，重點(diǎn)針對(duì)刀具梯度熔覆WC涂層修復(fù)的工藝進(jìn)行改進(jìn)，使修復(fù)后的WC涂層既無裂紋和缺陷，刀具體又無熱脆裂現(xiàn)象，同時(shí)還能提高刀具的硬度及熱學(xué)性能，大幅度提升破損刀具的修復(fù)效率，體現(xiàn)激光成形修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值[2]。
PART 2問題初始形式分析
在研究此問題的初始形式時(shí)，首先對(duì)現(xiàn)有修復(fù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，詳見表1。
表1 現(xiàn)有修復(fù)方法優(yōu)缺點(diǎn)分析
根據(jù)TRIZ理論因果分析方法對(duì)現(xiàn)有的刀具修復(fù)方法進(jìn)行分析，詳見表2。
表2 因果分析結(jié)果
根據(jù)上述分析，得出最適合優(yōu)化改進(jìn)的修復(fù)方法是激光熔覆含WC涂層修復(fù)法，使用此方法所用設(shè)備無論在軟件還是硬件方面，均易實(shí)現(xiàn)加工預(yù)測與在線監(jiān)控，對(duì)修復(fù)過程中的質(zhì)量監(jiān)控有著積極作用[3]。此方法較為開放、靈活，相比其他修復(fù)方法，隨著裝備的進(jìn)步，激光熔覆設(shè)備的成本正在逐年降低，在工藝的改進(jìn)方面仍存在諸多可能。
PART 3系統(tǒng)分析
3.1 可用資源分析
刀具體的物理性能是保證切削的必要條件之一，修復(fù)時(shí)，含WC涂層的材料性能需要既能滿足刀具的使用性能要求，又能適應(yīng)修復(fù)工藝要求以及確保修復(fù)后刀具的實(shí)用性。分析后的可用資源見表3。
表3 可用資源分析結(jié)果
3.2 功能分析
（1）系統(tǒng)的有用功能 修復(fù)后的WC涂層性能一般能夠滿足甚至超過刀具體的使用性能，增材制造工藝能夠有效填補(bǔ)刀具的破損區(qū)域，需注意若能量選擇不當(dāng)，則容易造成熱影響區(qū)域過大，導(dǎo)致刀具體損壞，屬于功能不足的有用功能。
（2）系統(tǒng)的有害功能 系統(tǒng)中產(chǎn)生的煙塵、噪聲和粉塵等會(huì)導(dǎo)致熱量累積過大，從而改變刀具體性能，嚴(yán)重的會(huì)使刀具體破損。
（3）有用功能的加強(qiáng)與有害功能的裁剪 通過“采用優(yōu)化方法對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化”的方式對(duì)激光熔覆時(shí)的工藝參數(shù)選擇進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)對(duì)熱影響源頭的控制；利用“增強(qiáng)系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性和控制性”建立對(duì)熔覆溫度的模擬，控制熱量累積程度，同時(shí)消除有害功能。
綜上所述，通過對(duì)現(xiàn)行刀具修復(fù)工藝進(jìn)行有用功能的裁剪，保留其WC/Co增材制造修復(fù)時(shí)的有用功能，同時(shí)應(yīng)用“采用高進(jìn)化級(jí)別的材料”，擬建立過渡熔覆涂層來改善功能的不足。
PART 4運(yùn)用TRIZ工具解決問題
4.1 最終理想解
受熱量累積、熱影響區(qū)大及刀具體斷裂等因素影響，導(dǎo)致修復(fù)質(zhì)量差、修復(fù)效率不高等情況發(fā)生，針對(duì)此類情況需要建立一個(gè)解決方案，在刀具修復(fù)過程中能有效控制能量輸出，減少熱影響程度，實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保及高效的修復(fù)[4]。根據(jù)這個(gè)需求，可得最終理想解（IFR）見表4。
表4 最終理想解（IFR）
4.2 原系統(tǒng)熱源的功能模型與物-場模型分析
圖1為原激光熔覆刀具修復(fù)系統(tǒng)的功能模型，圖2為物-場模型。由圖1可以看出，在刀具修復(fù)問題上，最首要的是解決熱源在修復(fù)過程中對(duì)不修復(fù)區(qū)域造成的影響，進(jìn)而改變不修復(fù)區(qū)域的性能，造成刀具整體的性能差異，刀具的修復(fù)質(zhì)量難以保證。由圖2可以看出，熱量的累積主要受到熱場（溫度）的影響，引起有害的熱量發(fā)散，造成能量的浪費(fèi)，進(jìn)而影響修復(fù)質(zhì)量。
圖1 原系統(tǒng)熱源的功能模型
圖2 物-場模型4.3 系統(tǒng)改進(jìn)的方案設(shè)想
在解決方案的實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)TRIZ理論，需要對(duì)許多具體問題作更為全面的思考。為此在確定設(shè)計(jì)方案時(shí)，其他輔助功能與設(shè)計(jì)原則如下。1）盡可能強(qiáng)化設(shè)計(jì)方案的通用性，一種設(shè)計(jì)可適用于多種環(huán)境。2）新系統(tǒng)的操作應(yīng)簡單、易行。3）盡量降低成本與資源消耗。4）新系統(tǒng)不能違背刀具修復(fù)增材制造的基本原理。
根據(jù)TRIZ理論中的第2條——抽取原理，原系統(tǒng)中的激光熱量可有效保證熔覆涂層具有良好的結(jié)合性，但若激光熱量控制不當(dāng)，則會(huì)引起涂層質(zhì)量下降，進(jìn)而引發(fā)刀具破損等問題，屬于一把“雙刃劍”，為此在分析原有修復(fù)工藝的基礎(chǔ)上，熱量控制的優(yōu)化方法仍為研究重點(diǎn)。
根據(jù)TRIZ理論中的第5條——組合原理，可以建立關(guān)于激光系統(tǒng)的多個(gè)工藝參數(shù)對(duì)激光熱量密度的影響模型，總結(jié)影響規(guī)律，以降低熱影響程度，提高效率。
根據(jù)TRIZ理論中第9條——預(yù)先反作用原理，可以建立激光熱能的溫度場以及熱應(yīng)力場數(shù)值模擬模型，研究其熱擴(kuò)散規(guī)律，保證熱影響在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。
根據(jù)TRIZ理論中第24條——中介物原理，可以設(shè)計(jì)某個(gè)過渡層來代替熔覆層與刀具體的直接作用，形成梯度復(fù)合涂層，降低熔覆修復(fù)涂層時(shí)過量的激光能量密度對(duì)刀具體的熱影響，以保證修復(fù)質(zhì)量。
4.4 系統(tǒng)改進(jìn)方案擬定
在刀具修復(fù)過程中的第一要?jiǎng)?wù)是減少熱源在修復(fù)過程中對(duì)不修復(fù)區(qū)域造成的影響,熱量的累積主要受到溫度的影響，引起有害的熱量發(fā)散，造成能量的浪費(fèi)，進(jìn)而影響修復(fù)質(zhì)量的可靠性。
根據(jù)TRIZ理論中的第3條——局部質(zhì)量原理，擬定通過改變?nèi)鄹餐繉优c刀具體之間的局部性能的方式，降低熱量累積影響的方案。
根據(jù)TRIZ理論中的第10條——預(yù)先作用原理，擬定采用預(yù)先模擬分析熔覆修復(fù)時(shí)溫度、應(yīng)力場以及涂層內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化的方式，減小熱量累積帶來的有害作用的發(fā)散，減少能量的浪費(fèi)。
根據(jù)TRIZ理論中的第26條——復(fù)制原理，擬定通過建立關(guān)于激光能量與工藝參數(shù)的關(guān)聯(lián)模型，替代原有實(shí)驗(yàn)成本較高的參數(shù)選擇過程的方法。
根據(jù)TRIZ理論中的第40條——復(fù)合材料原理，擬定采用復(fù)合材料代替原有熔覆涂層的方式，增強(qiáng)修復(fù)質(zhì)量的穩(wěn)定性。
4.5 系統(tǒng)改進(jìn)過程
最終，應(yīng)用TRIZ理論對(duì)刀具破損修復(fù)工藝進(jìn)行改進(jìn)，建立了新的激光梯度熔覆修復(fù)系統(tǒng)。新系統(tǒng)具有以下幾處關(guān)鍵優(yōu)化。
1）圖3所示為新系統(tǒng)的溫度傳遞影響規(guī)律，在單層激光熔覆過程進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，得出熔覆過程中每道次熔覆層受到相鄰道次熔覆層的溫度傳遞影響規(guī)律。
圖3 新系統(tǒng)的溫度傳遞影響規(guī)律
2）將激光熔覆過程中多個(gè)工藝參數(shù)綜合考量，以激光能量密度為控制指標(biāo)，將復(fù)雜的激光工藝參數(shù)擬合為一個(gè)綜合工藝參數(shù)，以便控制。
3）通過添加Ni60材料過渡層，完成激光梯度熔覆過程，新系統(tǒng)梯度熔覆如圖4所示，梯度熔覆后的效果如圖5所示。
圖4 新系統(tǒng)梯度熔覆
圖5 梯度熔覆后的效果
PART 5結(jié)束語
刀具梯度熔覆WC涂層修復(fù)工藝的改進(jìn)是優(yōu)化現(xiàn)代加工工藝的一次重要嘗試，突破了現(xiàn)有工藝所面臨的挑戰(zhàn)，提高了刀具的性能和壽命，減少了資源的浪費(fèi)。未來此項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用在不同形貌的破損刀具上，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｍㄟ^TRIZ創(chuàng)新理論進(jìn)行分析，能夠更好地降低熔覆過程中的熱影響程度，降低成本，實(shí)現(xiàn)資源的多次利用，最終將效益擴(kuò)大化。修復(fù)工藝的改進(jìn)與優(yōu)化為制造業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新作出了重要貢獻(xiàn)。
