IV конференция "Практика применения методических инструментов"

Устранение проблем при огранке фианита.

Иванов И.Г.  vnta@yandex.ru

От определения причин брака к решению задачи

Работа проводилась в рамках государственного проекта Южной Кореи по поддержке малого и среднего бизнеса. Автор статьи, во время работы над задачей и в настоящем, является сотрудником Корейско-Российского Центра («Korea-Russia Industrial Technology Cooperation Centre» (KRITCC)), который в апреле- июле 2009 года оказывал консалтинговые услуги компании «DAE-A METAL» в решении их производственно-технологических проблем.

Состав рабочей группы от KRITCC. ТРИЗ-консультанты: Иванов И.Г., Быстрицкий А.А. Организатор проекта: директор KRITCC профессор Сонг ЕВ

Решение нижеописанной задачи выполнено в соответствии с рекомендациями, которые содержатся в АРИП-2009.

Текст алгоритма смотрите на сайтах -  www.metodolog.ru/node/261   www.ratriz.ru/pr_ARIP.htm    www.triz-summit.ru/ru/section  .

 

Общая схема работы по  алгоритму АРИП-2009

 

Рисунок- 1. Основные этапы работы по выявлению решений технической проблемы

 

Часть 1    ПЕРВИЧНОЕ ОПИСАНИЕ И СОСТАВЛЕНИЕ ФОРМУЛЫ ПРОБЛЕМЫ  

Рисунок- 2 Огранённый фианит (ювелирный кубический цирконий)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Компания DAE-A METAL (Южная Корея)  производит огранку стразов из фианита (цирконий).  Огранка проводится в три этапа. Каждый этап проводится на отдельном станке. Шлифовальные круги, для огранки, имеют характеристики специфичные для каждого этапа.

Рисунок-3 Внешний вид полировальных дисков	Рисунок-4 Внешний вид полировального станка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На первом этапе производится первичное обтачивание и грубая шлифовка граней камня.

На втором этапе производится более точное  исполнение размеров  граней и плоскостей камня.

Третий этап - финишное полирование поверхностей граней камня.

Специалисты компании сообщили, что на первых двух стадиях фианит обрабатывается алмазными абразивными кругами с закрепленным в объёме абразивом. Крупность абразива на первой и второй стадии различна:

• на первой стадии применяется шлифовальный круг с крупными зернами абразива. (порядка 200 меш). Абразив находится в теле круга. Технология создания такого круга общедоступна и  изготовление этого  инструмента  для компании не представляет проблем.

(Примечание: Меш - единица, характеризующая в проволочных ситах число отверстий, приходящихся на один дюйм (25,4 мм). В М. выражают крупность зернистых материалов. (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.))

• на второй стадии применяется шлифовальный круг с более мелкими зернами абразива. (порядка 600 меш.) Этот полировальный круг также для компании не доставляет проблем и претензий к нему нет.

• На третьей стадии обработки применяется металлический диск, на поверхность которого подается полировальная смесь из абразивного алмазного порошка крупностью 50000 меш и воды, или водно-жировой эмульсии.

На этом этапе возникаю проблемы - брак огранки:

1. Отсутствие блеска на полированных гранях из-за микро царапин на поверхности плоскостей.
2. Заваливание граней (отсутствие плоскостности  грани)
3. Отсутствие  прямолинейности   рёбер  соединения граней.

Специалисты компании считают, что после первой и второй стадий обработки фианита брак отсутствует, так как все возникающие на этих стадиях дефекты: царапины, отклонения в размерах и заваленные грани находятся в пределах допустимых норм. При обработке других различных камней (не фианитов) эти дефекты нивелируются и пропадают при третьей стадии полировки, но при обработке фианита происходит их усиление и возникновение новых дефектов.

 

Часть 2    ПРОВЕРКА ПРОБЛЕМЫ НА ЛОЖНОСТЬ и САМОУСТРАНЕНИЕ

Будущее

1. Что будет если не выполнять проблемную операцию?

• Качество поверхности граней и плоскостей не будет отвечать требованиям шероховатости и светопреломляющих параметров. Камень будет, что называется,  «мутный».

2. Что будет если проблемную операцию выполнять, но нежелательное явление не устранять?

• Продолжатся появление брака. Продукцию перестанут покупать.

Прошлое

3. Проверить является ли проблема результатом ошибочных действий на предыдущих этапах?

• Таких ошибочных действий не выявлено.

4. Проверить является ли проблема результатом ошибочных административных решений в прошлом – можно ли эти  решения отменить, или изменить?

• Таких ошибочных действий не выявлено.

Надсистема

5. Проверить, можно ли передать проблему в надсистему, где она является желанной и полезной?

• В надсистеме таких потребностей не обнаружено.

Вывод: проблема не ложная и требует своего решения проблема не имеет возможностей самоустраниться.

 

Часть З     УТОЧНЕНИЕ   ПРОБЛЕМЫ

Причины, порождающие появление брака на третьей стадии обработки.

На этапе полировки используется вращающийся металлический круг из сплава олова и цинка. На поверхность круга подается полировальный порошок, размешанный в воде и/или водно-жировой эмульсии. К поверхности круга прижимают обрабатываемую поверхность фианита. Растекающаяся по поверхности круга полировальная смесь попадает между трущимися поверхностями круга и фианита и полирует поверхность фианита.

При прижатии фианита к поверхности полировального круга - мягкий материал круга, локально упруго деформируется (прогибается) под обрабатываемой поверхностью более твердого фианита. Абразивный порошок попадает на периметр обрабатываемой поверхности фианита и активно взаимодействует с ней. Так как абразивный порошок поступает под обрабатываемую поверхность только по поверхности вращающегося диска, то он не в состоянии полноценно проникнуть между прижатыми поверхностями фианита и круга. Поэтому центральная часть поверхности грани обрабатывается с меньшей производительностью, чем ее периферийные участки

Таким образом, на плоской поверхности фианита, в месте стыковки граней образуются «завалы».

Рисунок-5  Образование «завалов» на обрабатываемых гранях

 

Рисунок-6. Компьютерное отслеживание процесса обработки.	Рисунок-7. Подача алмазного абразивного порошка с жидкостью на поверхность полировального круга.

 

Возникает противоречие – плоскость обрабатываемой поверхности фианита должна прижиматься к полировальному кругу, чтобы абразивный порошок полировал поверхность и в тоже время не должна прижиматься, чтобы порошок попадал под всю поверхность равномерно.

В случае если диск выполнен из более твердого материала, например из стали, то заваливание поверхности граней происходит меньше, но полностью не пропадает, кроме того на поверхности фианита появляются царапины от материала самого круга, и от кристаллов алмазного порошка, не вдавившегося в поверхность круга на достаточную глубину. Таким образом, проявляется еще одно противоречие, – диск  должен быть мягким, чтобы не царапать поверхность фианита, и диск должен быть твердым, чтобы не появлялись «завалы», но тогда он сам оставляет царапины.

 

Рисунок-8 Конгломераты алмазных частиц среди металлических частиц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уточнение требований и ограничений для оперативной зоны

Выше описанное справедливо, если абразивные гранулы не связаны с материалом круга. Иная ситуация возникает, если гранулы абразива прочно связаны с материалом круга.

Этого на данный момент не выполняет имеющаяся оснастка (полировальный круг) применяемый на третьем этапе. Абразив находится только на поверхности круга и его перемещение по поверхности ничем не сдерживается.

Такими свойствами обладает  полировальный круг в теле, которого находится алмазный абразивный порошок, при этом частицы абразива должны быть распределены по всему объему  полировального круга.

Новая формулировка проблемной ситуации.

Чтобы предотвратить неравномерности полировки поверхностей фианита, необходимо, чтобы частицы абразива находились в теле самого полировального диска и каждая частица абразива должна удерживаться металлом круга.

Почему не могут поместить абразивный порошок в тело металлического круга?

Потому что не могут получить металлический порошок одинаковый по крупности с абразивным порошком.

При производстве полировальных дисков из металлов пользуются приемами порошковой металлургии. Чтобы порошки металла и абразива распределились равномерно – их крупность должна быть одинаковой. Металл измельчают до крупности абразивного порошка и затем перемешивают порошок металла и порошок абразива. После чего их спекают под давлением. Чтобы качественно смешать порошок абразива  крупностью 50000меш, надо, чтобы порошок металла был тоже такой же крупности. Иначе получится ситуация  при которой частица абразива собираются в конгломераты. К сожалению сегодня, минимальная крупность  металлических порошков  - 3000меш.

При прямом смешивании сухих порошков 3.000меш и 50.000меш  - качественной смеси не получается.

Размер частиц абразивного порошка требуемого для работы на третьей стадии - 50000 меш (0,001мм.). Минимальная крупность металлического порошка, который может получить компания, составляет – не более 1000 меш. Это в 50 раз крупнее требуемого размера. Но если абразивный порошок мельче частиц металла, то невозможно их равномерно перемешать, так как более мелкий абразивный порошок сбивается в комочки, или вытесняется на поверхность смеси, как более легкий.

При прямом смешивании сухого порошка абразива и расплавленного олова, происходит собирание абразивного порошка в комочки. Кроме того, из-за разницы удельного веса олова и алмазных частичек, порошок  плавает на поверхности металла.

При производстве дисков способом погружения порошка абразива в расплавленный метал, не удается погрузить порошок абразива в расплав. Мелкие частички абразивного порошка сбиваются в комочки, внутри которых воздух, и не погружается в расплавленный метал. Кроме того, удельный вес самого алмаза (3,47—4,55 гр./см³) в два раза меньше удельного веса оловянно-цинкового сплава (7,3 гр./см³)

При попытке залить порошок абразива расплавленным металлом, воздух, окружающий частички порошка абразива, всплывает на поверхность расплава металла и увлекает с собой слипшиеся в шарики конгломераты абразивных частичек. Частички абразива не смачиваются металлом и не удерживаясь в его объеме, потому и всплывают на поверхность.

Фактором препятствующим смешиванию расплавленного олова с порошком абразива, является размер частиц абразива, олово (из-за поверхностного натяжения) просто не может смочить такие мелкие частички.

Уточнение задачи.

Ввести и распределитбь частички абразива, размером 50000 меш, в теле металлического круга, из SnZn (оловянно-цинкового) сплава.

В ходе анализа и уточнения первопричины проблемы, задача изменилась.

 

Часть 4     АНАЛИЗ ВЕЩЕСТВЕННО - ПОЛЕВЫХ РЕСУРСОВ

Цель: - Выявить ресурсы для решения проблемы

Олово	Алмазные абразивные частички
Пластичное	Твердые
Мягкое	Маленькие (0,1 микрон)
При  300 оС расплавляется в жидкость	Легче олова (в 2 раза)
Тяжелее алмаза в 2 раза	Хрупкие
Не магнитный метал	Испаряются при 650 оС
	Состоят из углерода
	Имеют грани

(Примечание автора: Анализ ресурсов не приводится)

 

Часть 5     ФОРМУЛИРОВАНИЕ ИДЕАЛЬНОГО КОНЕЧНОГО РЕЗУЛЬТАТА

ИКР (к частичкам абразива)

Частички алмазного абразива, используя свои свойства,…..,  сами проникают в оловянно-цинковый сплав, равномерно распределяются по всему объему оловянно-цинкового сплава и сами удерживаются в нем.

ИКР (к сплаву олова)

Материал оловянно-цинкового сплава,  используя свои свойства, ….., сам  равномерно распределяет в своем объеме абразивные частицы алмаза  и удерживает их на этих местах не позволяя собраться в комочки, и/или всплыть.

 

Часть 6     ФОРМУЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОТИВОРЕЧИЙ

Противоречивые требования к материалу круга.

• Частички олово должны быть «едиными и твердым», чтобы удерживать частички абразива внутри себя, но при этом олово не должно быть «единым и твердым», чтобы пропустить частички абразива внутрь себя.

Требования к материалу абразива.

• Частички абразива  должны быть маленькими, чтобы обеспечить высокую чистоту полировки камня, но при этом они не равномерно смешиваются  с порошком олова,   собираются в комочки, не  смачиваются расплавленным оловом  и всплывают из расплава  и т.д.

 

Часть 7      РАЗРЕШЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОТИВОРЕЧИЙ

Цель: - Получить принципиальное направление решения задачи

(Примечание автора: покажем принцип разрешения противоречий с помощью изменения отношений между элементами системы )

Для того чтобы по всему объему будущего шлифовального круга, оловянный сплав и абразивные частички были равномерно распределены, надо что бы они (метал и абразив) чередовались. Частицы абразива должны разделяться перегородками из оловянного сплава.

Чтобы частички абразива не  собирались в комочки, надо, чтобы  вокруг каждой частички абразива был слой вязкого или твердого оловянного сплава. Материал оловянного сплава должен быть вокруг каждой частички абразива,

Чтобы частички абразива не всплывали  сквозь металл, надо, чтобы металл был в вязком, или твердом состоянии.

Возможное принципиальное поведение элементов.

Надо, что бы частицы абразива (по одной частичке) по очереди погружались (вдавливались) в поверхность твердого олова.

Рисунок-9. Принципиальное поведение олова и частичек алмаза в оперативной зоне.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Идея-1

Алмаз – самый твердый минерал. Олово очень мягкий металл. Втереть алмазный порошок в поверхность олова – не представляет труда. Глубина такого проникновения будет не большой. Значит, нужно много поверхностей олова (с вдавленными в них частичками  абразива) сложить вместе, как сэндвичи. Поверхности эти должны быть тонкими, чтобы олово без абразива занимало, как можно меньше места. Затем  слои этого  сэндвича  спечь между собой.

Рисунок-10 принципиальная схема процесса «сэндвич»

В предложенном варианте решения есть места требующие доработки:

Например:

• Сложно создать тонкий слой абразивного порошка, из-за этого не все частички абразива удерживаются оловом,
• Требуется специализированное прокатное оборудование
• Требуется большое количество повторных операций,
• Требуется многоразовый нагрев и охлаждение, это ведет к увеличению окисления олова.

Возникает вторичная задача. Как сделать, чтобы в свободную поверхность олова вдавливался только один слой частичек  абразива?

Идея -2

Надо, чтобы свободная от абразива поверхность олова сама захватывала только соприкасающуюся с ней частичку абразива.

Рисунок-11.принципиальная схема процесса «Рулон»

После нанесения абразивного порошка, ленту переворачивают и  частицы абразива которые не удерживаются  в слое оловянной ленты ,  ссыпаются с неё.

Слои свернутой рулон ленты с  прослойкой абразива  спекают по  технологии  которая уже имеется  в компании.

 

Идея -3

Использовать проволоку, а не ленту. В калибровочную фильеру (применяются при изготовлении проволок из металлов) насыпать абразивный порошок. При протаскивании оловянной проволоки через калибровочную фильеру (волоку), абразивный порошок будет втягиваться в отверстие фильеры вслед за проволокой и стенки фильеры, выполненные из твердого металла, вдавят частички абразива в поверхность проволоки.

После того как в поверхность проволоки вдавлен абразив – проволоку накручивают на барабан и формируют бобину. Затем бобину спекают по существующей технологии (под давлением и без расплавления металла).

 

1 – Оловянная или алюминиевая проволока малого диаметра 2 – корпус держателя фильеры; 3 – фильера из стали; 4 – абразивный порошок, 5 – оловянная проволока с абразивом в её поверхностном слое 6 – абразивный порошок 7 – готовая проволока с абразивом, намотанная в бобину 8 – опора корпуса фильеры; 9 – барабан для формирования бобины; 10 – зона вдавливания частиц абразивного порошка в поверхность проволоки.

Рисунок-12. Принципиальная схема процесса «Бобина»

Это решение и было принято заказчиком к изготовлению и внедрению в производство.