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东华大学硕士论文摘要 弹簧片安装工艺及其设备 摘要 移圈针是一种在电脑横机上使用的织针，电脑横机工作时，需要几百枚甚 至上千枚移圈针同时高频率地周期往复运动。为了成圈并移圈，针还要从另一枚 针的弹簧片和针杆间的窄缝中高速往返，这种高速往返运动对弹簧片的安装质量 有着严格的要求，它直接影响到移圈针的使用寿命以及织物的质量。 与其它类型的织针相比，弹簧片是移圈针上的独特零件，同时，由于弹簧 片的安装是移圈针生产中最后一道机加工工序，它对移圈针的生产效率和生产成 本的影响，远大于前面所有工序的影响。因此，制定合适的弹簧片安装工艺参数， 获得良好的弹簧片安装质量具有至关重要的作用，为此开展了以下几方面的研究 工作： 1 ) 针对实际生产现状和移圈针的性能要求，选择机械法作为弹簧片安装的 研究方案，设计并制造了相应的工装夹具，用于实际生产。 2 ) 对弹簧片的安装进行了物理过程分析，得知它是一个多参数、多效果的 大变形问题。冲头宽度、冲头边角处的倒角半径值、弹簧片安装槽的尺寸、冲头 在针杆上的压入深度四类工艺参数，综合了决定弹簧片的安装质量。 3 ) 采用数值模拟和实验研究相结合的方法，对工艺参数的影响规律和影响 本质进行研究。并进行安装设备的调试、有限元模型的建立、边界条件和载荷施 加方式的确定、适用于大变形问题的算法的选用。 模拟结果和实验结果，证实了工艺参数对弹簧片安装效果的影响规律如下： 1 ) 随着冲头宽度的增大，冲头上的应力值呈现整体增大的趋势，弹簧片与 针槽的接触力c f n 整体呈现降低的趋势。当宽度超过2 4 m m 时，针杆侧面出现 了塑性变形现象；当宽度从2 6 m m 增大到2 8 m m 时，冲头上的应力值减小。 2 ) 随着压入深度增加，冲头上的应力值整体无明显变化，接触力c f n 整体 增长。当压入深度大于0 2 m m 时，冲头上的应力值显著增大，且弹簧片大面积 出现塑性变形。 3 ) 随着针槽尺寸的增加，冲头上的主要应力值并无明显的变化，弹簧片与 针槽间的接触力c f n 在逐渐降低。 4 ) 当倒角半径在o 0 2 m m o 1 1 m m 范围内增大时，冲头上的应力值在逐渐降 低；倒角半径在o 1 2 m m 0 1 4 m m 范围内增大时，冲头上的应力值轻微上升；弹 簧片与针槽的接触力c f n 随着倒角半径的增大逐渐降低。 东华大学硕士论文 摘要 以弹簧片安装牢固、接触力不小于7 0 n 、冲头上的主要应力不超过1 8 5 0 m p a ， 针杆和弹簧片无塑性变形，作为弹簧片安装效果的评价标准。综合考虑得出了弹 簧片安装的最佳工艺参数为，冲头宽度值为2 4 m m 、冲头边角处的倒角半径 0 1 1 m m 、安装槽的尺寸为2 o o 2 0 3 n h n 、压入深度值为o 0 8 0 2 0 m m 。 将研究成果应用于实际生产，保证了弹簧片安装过程的稳定生产。 关键词：弹簧片安装安装工艺安装效果数值模拟 东华大学硕士论文摘要 i n s t a u a t i o n 1 e c h n o l o g ya n de q u i p m e n to fs p r i n g i nt r a n s f e r - n e e d l e a b a s t r a c t t r a i l s g f i 肾n e e d l ei su s e di nc o m p u t 甜z e dn a s tm a c h i n e ，i tn e e d sh u n d r e d sa i l d t h o u s a n d so ft r a n s f e r - n e e d l et ob er e c i p r o c a t i n gm o t i o n i no r d e rt ol o o pf o m a t i o n ， n e e d l eh a st op a s st h r o u 曲an a r r o wg a pw h i c hi sf o m e db yn e e d l eb a ra n ds p r i n g ， w h i c hm a k e st h es p r i n g si n s t a l l a t i o nb em o r ed i m c u l t s p r i n gi sas p e c i a lp 砒o ft r a n s f e r - n e e d l e ，i th a s 铲e a te 矗e to nt r a n s f e 卜n e e l e s q u a l i t y ；s oi t sn e c e s s a r yt ok n o wt h eb e s tp a “l i n e t e r st od ot h es p r i n g si n s t a l l a t i o n t h ef 0 1 1 0 w i n gw o r ki sd o n ef o ri t ： 1 ) m e c h a l l i c a lm e m o d sc h o o s e dt oi n a t a l li t ，a tt h es 锄et i m e ，d e s i 班a n d m a l l u f a c t u r eo f w e l d i n gf i x t u r e ，w h i c ha r eu s e di nt h er e a lp r o d u c t i o n 2 ) a n a l y s i so ft h ei n s t a l l a t i o np r o c e s st ok n o wt h a ti t s a1 a 玛ed e f o m a t i o n p i o b l e m s p r i n g si n s t a l l a t i o nq u a l i t yi se 丘b c t e db yt h ew i d t ho fp u n c ha n dg m o v e ， a j l dm ev a l u eo fi n d e n t a t i o nd 印ma n dt h er a d i u s 3 ) s t u d yo ft h ep r o c e s sp a r 锄e t e r st ok n o wm e i ri n n u n c e1 a wa n de s s e n c eb y p r o p e rm e t h o d s b e s i d e s ，t h ew e l d i n gf i x t u r ea n dm a c h i n ei sd e b u g g e dt h ef i n i t e m o d l ei sm a d ea n ds oo n i i l n u n c el a wa n de s s e n c ei so b t a i n e db yt h es i m u l a t i o na 1 1 de x p e r i m e n t sr e s u l t s ， w h i c ha r ea sf o l l o w i n g ： 1 ) w i m t h ep u n c h si n c r e a s e d ，t h es t r e s sv a l u eo fp u n c hi si n c r e a s e da n dt h ec f n i sd e c r e a s e d w h i l et h ew i d t hi sm o r et h a n2 4 m m ，t h en e e d l eb a rh a sp l a s t i c d e f o 珊a t i o n t h es t r e s sv a l u ei si n c r e a s e df b rt h ew i d t hb em o r et h a n2 6 m m 2 ) w i t ht h ei n d e n t a t i o nd e p t h si n c r e a s e d ，t h es t r e s sv a l u ei sn oc h a n g e d ，a n dt h e c f ni si n c r e a s e d 3 ) w i t ht h eg r o o v es i z e si n c r e a s e d ，t h es t r e s sv a l u ei sn oc h a n g e da n dt h ec f n i sd e c r e a s e d 4 ) t h es t r e s sv a l u ei sd e c r e a s e dw i m t h er a d i u s sr a n g eo f0 0 2 m m o 1 1 m m ，a n d i ti si n c r e a s e dl i g h t l yw “ht h er a n g eo fo 12 - 0 14 m m ，a n dt h ec f ni sd e c r e a s e d t h i n k i n go fa ut h ea s p e c t s ，t h eb e s ti n s t a l l a t i o np a r a m e t e r si st h a tt h ep u n c h s w i t hi s 2 4 m m ，t h er a d i u si s o 11 m m ，t h eg r o o v e ss i z ei s2 0 0 2 0 3 m m ，t h e i n d e n t a t i o ni so 0 8 一o 2 m m a n dt h ee v a l u a t i o ni n d e xi st h es p r i n g si n s t a l l a t i o n ，t h e c f ni sm o r et h a i l7 0 n ，t h em a i ns t r e s sv a l u ei np u n c hi sl e s st h a n18 5 0 m p a ，a n dt h e s p r i n ga n dt h en e e d l ei sg o o d t h er e s u l t sa r eu s e di nr e a lp r o d u c t i o n ，a n dt h ep r o c e s si ss t a b l e k e yw o r d s ： t h e s 曲n g s i n s t a l l a t i o n i n s t a l l a t i o nt b c h n 0 1 0 9 y i n s t a l l a t i o n e f f e c t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 东华大学硕士论文第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 横机编织是我国针织工业中最后一个以手工操作为主的行业。随着劳动力成 本不断上升，用电脑横机取代手动或半自动横机是横机编织行业产业升级的必由 之路，近年来电脑横机的销售量呈现井喷式增长。有数据显示，2 0 0 9 年上半年 几家较大电脑横机公司的销售量在大约1 0 0 0 台到2 0 0 0 台之间，按此估算，全国 的电脑横机销售量应该在1 万台左右【2 】。目前，电脑横机正朝着高效、高速、品 种适应性、全成型织可穿的方向发展。这对电脑横机上的关键零部件移圈针的质 量也提出了更高的要求。 织针在使用中将长时间承受1 0 0 0 次m i n 的负荷变化，针脚部分要承受 2 0 0 - 3 0 0 倍重力加速度的冲击，针舌部位可能受到7 0 n 以上的拉力，针身部分要 长时间的摩擦等等，这些都要求织针具有较好的力学性能。另外，为了保证针织 物的质量，在编织过程中要求成圈均匀一致，这就要求单个织针的尺寸精度要高。 同时由于织针的正常消耗( 平均每百埏织物消耗织针1 5 枚) 而需要换针，不仅 针的尺寸精度要高，而且同批、同规格织针的尺寸一致性也要高。高精度的织针 尺寸精度要控制到小数点后三位上，即尺寸精度要达到um m 级，这从技术上到 制造工艺都很困难，成本也会很高。目前，我国织针制造企业共有约4 0 多家， 而分布于苏、鲁、浙三省的织针制造企业则占全国的8 5 以上，其中民营性质的 企业占了绝大部分，国外独资、国有性质的企业屈指可数。资产状况参差不齐， 大的企业资产超过千万，小的只有几十万。因为大多数企业自主开发能力有限， 因而国产织针设备的科技含量较低，加工精度还满足不了高档针的技术要求。产 品主要以中、低档的织针为主，高档织针的生产仍处于初期阶段，与国外知名公 司、瑞士的爱古拉、美国的皮特蒙特和日本的杉浦的产品还不能相提并论【3 】。主 要原因除了原材料性能、工艺过程的不严密、热处理的可控性差之外，无先进的 织针生产设备也是造成我国织针业发展缓慢的主要原因，这些都是我国织针业确 实存在的不足之处。 目前国际织针制造行业正在进行着产业调整，发达国家的纺织工业由于其本 国人力资源成本和管理成本比较高，正将其生产工厂向生产成本相对比较低廉的 国家和地区转移，例如中国、越南和印度等，仅在其本国国内保留研发等核心部 门。国外的相关企业和研究院所掌握了比较先进的织针制造技术和工艺，织针产 品的质量较好，在用户中拥有良好的口碑和可信度，这些织针制造企业已经完成 东华大学硕士论文 第一章绪论 了从精品制造向品牌营销的跨越。正是由于这样的原因，进口品牌织针虽然售价 数倍于国产织针，但仍然大受欢迎。 于是，在国内需求量大但自供给能力不足，国外技术精湛但技术保密的前提 下，2 0 0 9 年，国务院通过“纺织工业调整振兴规划”，纺织机械行业作为纺织工 业的技术基础，在支持纺织工业不断发展的同时，行业自身也必须与时俱进，才 能取得史无前例的进步。特别是随着电脑横机的更新换代，与之匹配的高性能移 圈针的市场将会迅速扩大，因此，发展国产高档电脑横机移圈针，增强国内企业 在市场上的生存和竞争力，以适应针织机械发展的需求，缩小国产织针机械与国 际先进水平的差距，具有非常重要的现实意义。 在此背景下，东华大学开展了“电脑横机移圈针高性能化关键技术研究”， 并得到了国家科技支撑计划项目的支持，课题编号2 0 0 7 b a f 2 4 8 0 4 4 。本研究内 容是该研究中非常关键的一部分。 1 2 国内外织针的发展及生产过程简介 织针是纺织器材的关键零件之一，其品种繁多，结构精细而复杂。在编织过 程中，织针与纤维直接接触，使织物成形，它很大程度上直接影响到针织机的效 能、速度以及针织品的产量和质量。 目前，无论是大圆织针还是横机针，国外的发展和制造都已经很成熟，且树 立了品牌形象，如德国的g r 0 z b e c k e t 、韩国三星、日本风琴等，但是出于 技术保密，只出售织针而不出售技术和设备。国内织针的发展由于起步较晚，所 以目前整体的发展水平还处于从中低档产品向高档产品的过渡阶段，品牌羊毛 衫、品牌内衣、无缝丝袜等的编织用针几乎均是从国外进口。 目前国内织针行业之所以处以较低的水平，一方面是由于起步晚技术薄弱造 成的，另一方面与织针本身的高精度、高一致性、高的力学性能也脱离不了关系。 以本课题的研究对象移圈针为例，其加工工序就多达4 0 余种，其中不仅包含机 加工工序同时还要考虑热处理、表面质量控制等等。另外，其上的结构也及其繁 琐，仅槽的种类就多达7 种，如针尾曲膛、移圈片安装槽、移圈片尖定位小槽、 针肩缺口、针头侧曲、针头外形和针舌槽等等。除此之外还存在原材料、热处理、 织针生产设备等多方面的问题。 1 2 1 织针的生产设备 虽然近些年来，我国的装备制造业有了长足的进步，每年自主生产的数控机 床数量和品种越来越多，越来越精密，同时每年国家还花费大量的外汇从国外进 口了大量的精密的加工设备，从而使我国的制造业水平有了很大的提升。但是在 织针制造业，由于企业分布分散，规模小，还未整合形成集群优势，大部分企业 东华大学硕士论文第一章绪论 自主研发的能力有限等等因素，使得现有的机加工设备，特别是专业设备( 如针 床铣槽机等) 仍不够先进。 目前国内织针制造企业仍然主要采用传统的工序分散的生产组织模式，在这 种生产组织模式下，每一个工序都需要一台专门的生产设备，这种生产方式的弊 端是显而易见的，过长的生产链需要比较大的占地面积、大量的专用设备、众多 的操作工人等，而且生产链中的任何一个环节出现问题容易使整个生产线陷于停 顿。如此种种，使企业制造效率不高、成本居高不下。尽管如此，多数工序所用 到的加工设备并非是织针生产中的专用设备，而是一些通用设备或是通过对简单 织针生产设备的改造而来的。以本课题中要研究的移圈针为例，其上大部分工序 生产所用到的设备均是由袜针改造而来的，而有些工序的生产甚至无现成的设备 可改造，只能自主研发。比如移圈针上弹簧片的安装，由于弹簧片是移圈针上所 特有的零部件，所以此道工序的生产设备根本无从参考。因此，依靠从国外引进 技术的方法，以达到提高国内针织器材行业的技术水平的方法，几乎是行不通的， 研制、开发高水平的制针设备是我国制针行业技术改造的一个方向。 据全国纺织器材科技信息中心介绍，自9 0 年代末期，世界著名的织针生产 企业德国的g r o z b e c k e r t 公司已在我国的烟台建立了独资企业，原因就是看 到了我国织针市场上高档产品的弱势，有占领我国高档织针市场的企图，这一点 也应引起国产织针行业的警觉【4 5 】。 1 2 2 织针的生产技术 织针的生产技术包括织针原材料的选用、织针机加工技术以及织针热处理技 术等几方面的内容。 多年来，国内制针厂大多采用t 7 a 、t 9 a 等优质碳素工具钢作为织针原材料， 也有一些厂家试用过4 5 号钢经软氮化处理或用6 0 钢、6 5 m n 钢制造过织针，但 效果不尽理想1 6 j 。近年来，进口原材料的使用量越来越多。目前，国内织针原材 料大部分利用从日本进口的钢材s k 4 、s k 5 及s k 5 m o d 作为织针用钢，而日本、 韩国等国的高档织针原材料大部分依赖进口德国或者瑞典材料【7 】。调查研究发 现，国外一流的织针厂非常重视织针原材料的来源和质量。例如德国的g r o z 公司，目前所用的织针材料都是从瑞典进口的织针专用钢，投入生产之前都必须 经过严格的质量检验：包括成分、组织、拉伸强度、外观等的检查、检验。加拿 大e x e l t o r 公司也选用瑞典的织针专用钢，并设有专门的冶金研究机构，不断 改进制针原材料的化学成分和性能，所以其产品一直畅销世界各国 8 。2 0 世纪 9 0 年代，国外制针材料已经逐渐向低合金钢过渡。但是由于技术保密和行业垄 断，国外名牌制针企业都对织针原材料进行垄断。 因此，如何在现有原材料的条件下，获得性能较好的织针是迫切需要解决的 问题，经研究发现，从热处理工艺出发是解决此类问题的一个很好的着手点。 东华大学颂士论文 第一章绪论 织针的综合性能要求非常高，不仅要求具有高的硬度、弹性、耐磨性以及好 的抗疲劳特性，而且织针属于细、长、薄型小零件，热处理过程中还容易变形， 这些都是热处理应该注意的。 国内织针淬火加热大多采用振底电炉或网带电炉，用煤气或甲醇保护。用振 底式电炉加热淬火，有使织针增加变形的危险，因此，织针热处理在网带炉的应 用更为普遍。但网带炉由于火帘密封的特点和零件的加热过程存在多参数相互耦 合，使得网带炉光亮化淬火热处理的加热工艺控制难度极大。为此，东华大学p ，l u j 采用计算机仿真，研究了网带炉加热过程的温度变化规律，开发了针对网带炉的 温度场数值模拟软件，对织针淬火加热过程的温度场进行了模拟，并应用于织针 光亮化淬火的工艺优化，获得一定的成绩。同样，采用真空热处理也是可以满足 无氧化、无脱碳的要求的，并且变形小，但是真空热处理时易造成合金元素蒸发， 造成表面合金元素贫乏，从而使合金组织变化，进而力学性能下降。而且真空热 处理设备昂贵，不适合织针。 国外一直非常重视织针的热处理。除对织针淬火、回火处理等传统工艺进行 新技术、新设备的研究开发外，还针对织针的特殊性能要求进行新工艺开发以及 特殊处理的研究 】。早在7 0 年代，美国有关专利就介绍了一种根据使用中对织 针不同部位性能要求不同的特点，进行分段处理的技术。德国g r o z 公司生产 的复合针采用镀硬铬处理，以提高耐磨性，延长使用寿命。还有报道，国外对织 针易损部位进行增碳或涂覆陶瓷等耐磨层的特殊处理。9 0 年代，国外已经采用 过二次淬火方法、复合热处理、真空热处理、气体淬火、激光热处理等其它新型 热处理方法，以提高织针的性能【1 2 】。虽然采用这些特殊热处理后的织针具有较高 的性能，但其所用设备和技术的人力和费用都很昂贵。 综上所述可知，目前国内外织针均处于迅速发展的状态，但国外织针的整体 发展水平均高于国内的水平，尤其是在移圈针的生产制造方面，国外的技术水平 已经相当成熟，而国内仍处于刚刚起步的状态。 1 3 国内外移圈针的生产现状及发展趋势 随着生活水平的日益提高，人民对于高档针织物的需求量也越来越大，原来 作为电脑横机标准件之一的横机针已无法满足此要求。目前，移圈针正在逐步取 代横机针成为横机上的标准件。与普通的横机针相比，移圈针之所以能称之为高 档织针，是由于移圈针对于精度的要求更高，产品的一致性要求更严，这些均对 移圈针的生产制造提出了更大的难题。 1 3 1 移圈针的移圈过程 移圈针主要用于织造具有孔眼、凹凸、纵行扭曲等效应的移圈组织，具备这 种移圈组织的织物般透气性好，常用于生产毛衫、妇女时尚内衣等产品【1 孓1 5 j 。 东华大学硕士论文第一章绪论 通常地，根据转移线圈纱线段的不同，将移圈组织分为两类：在编织过程中转移 线圈针编弧部段的组织称为纱罗组织，而在编织过程中转移线圈沉降弧部段的组 织称为菠萝组织。由于纱罗组织应用较多，习惯上将其称为移圈组织。沙罗组织 既可以在圆机上也可以在横机上编织，下面以沙罗组织在圆机上的编织过程说明 移圈针的工作原理。 在圆机上编织沙罗组织，一般是将下针的线圈转移到上针。如图1 1 所示， 下针l 上的针编弧5 被转移到了上针3 上。为了完成转移，下针1 先上升到高于 退圈位置，受连在1 上的弹簧片2 的作用针编弧5 被扩张，并被上抬高于上针。 接着上针3 径向外移穿过针编弧5 ，最后下针1 下降，弹簧片2 的上端在上针的 作用下会张开，从而将针编弧留在上针3 上，4 为上针的线圈。 5 2 3 4 图卜1 沙罗组织的编织方法图卜2 上下织针的运动轨迹 图1 2 表示移圈系统上下针的运动轨迹及对位配合，其中1 表示针筒转向， 2 和4 分别为上下针运动轨迹，3 和5 分别是上下针的运动方向，移圈过程具体 可分为以下几个阶段。 起始位置如图1 3 ( 1 ) 所示( 对应于上图中的位置i ) ，此时上下针握持住 旧线圈，分别处于针盘口和针筒口的位置。 下针退圈并扩圈上针向外运动一段距离，旧线圈打开但不完全退圈，下针也 上升一些，开始退圈，如图1 3 ( 2 ) 所示( 对应于上图中的位置i i ) ，随后下针 继续上升完成退圈，并将欲转移的线圈套在弹簧片外面完成扩圈，此时上针略向 内移处于握持状态，上针头与下针针背平齐，可阻挡下针上的旧线圈随针上升， 有利于下针的退圈，如图1 3 ( 3 ) 所示( 对应于上图中的位置i i i ) 。 上针伸入扩展的线圈中如图1 3 ( 4 ) 所示( 对应于上图中的位置i v ) ，下 针上升，利用弹簧片上的台阶将扩展的线圈上抬到高于上针位置，上针向外移动 伸进下针针杆与弹簧片之间的空隙，使上针头穿进扩展的线圈中。 东华大学硕士论文 第一章绪论 上针接受线圈如图1 3 ( 5 ) 所示( 对应于上图中的位置v ) ，下针下降针舌 关闭，其上的线圈不再受下针约束，将线圈留在上针针钩内。 上针回复起始位置如图1 3 ( 6 ) 所示( 对应于上图中的位置v i ) ，上针向 针筒中心移动，带着转移过来的线圈回到起始位置，下针降至最低位置后上升一 些在下一成圈系统退圈做准备。 一 5 ) t 叫 图卜3 移圈过程 移圈针主要是由针杆、弹簧片、针舌三部分构成的，其中弹簧片是移圈针上 的特有零部件，如图1 4 所示，它是移圈针区别于其他类型织制的主要标志之一， 值得注意的是，弹簧片需要通过安装工序被安装到针杆上的弹簧片安装槽内。除 此之外，和其它类型的织针相比，移圈针针杆上的沟槽特别多，如图1 - 5 所示， 使得多个位置厚度差异较大，给其生产制造增加了难度，这也是导致移圈针生产 技术较难掌握的主要原因之一。 图卜4 弹簧片示意图图卜5 移圈针针杆示意图 由上述移圈过程的介绍可知，为了实现移圈功能，弹簧片是必不可少的重要 零部件。 1 3 2 国内移圈针生产现状 由于国外对于移圈针的生产技术，进行绝对的技术保密，因此，对于国外移 圈针的生产制造技术知之甚少，本节主要对所掌握的国内移圈针的生产现状进行 简要的介绍。 必醪瑟 渤蟹圆黪静 东华大学硕士论文 第一章绪论 据悉，从移圈针生产时的第一道工序开始，直到作为成品进行销售，其间移 圈针的制造工序多达五十余种。其中，这五十多道工序的生产制造，可以大致为 为几类，分别是针杆的成形制造、弹簧片的生产及为其安装进行的准备工序、保 证移圈针力学性能的处理工序、移圈针的安装、以及保证移圈针生产品质的挑针 和去毛刺工作。其中，与弹簧片安装相关的铣削工序多达六种，如铣大槽、铣小 槽、铣斜口等。为了完成弹簧片的安装，之后需要进行弹簧片的生产制造。 弹簧片又称为弹簧片，是移圈针上特有的元件，弹簧片一端装在针杆上，另 一端紧贴针杆的凹槽，弹簧片的生产包括冲压成型、热处理以及抛光擦亮三大过 程。受其尺寸小、精度高、形状复杂等特点的限制，采用了精密冲压成型的机械 加工方法，其冲压工序如图1 6 所示；为了满足冲裁力的需要，采用了4 0 吨c 型精密高速冲床，该冲床尺寸精度高，连动机构综合间隙为0 0 8 m m ，采用手动 调模，配有模高指示器，使用滑块油压锁固装置，可以保持模具的高度不变，保 证了产品的精度。操作安全性能相对原有的j 2 3 1 6 b 开式可倾式压力机更高，同 时配有减震系统气垫脚，减少冲压生产过程中机床自身传送到地面的冲击力 和噪音。在此设备和高精度连续模的共同配合下，冲压成型得到的弹簧片的尺寸 精度极高，完全可以满足其尺寸方面的技术要求。 图卜6 弹簧片的冲压工序图 另外，由于弹簧片的特殊工作环境，使得其具有高硬度、高弹性、高抗疲劳 断裂的能力，而这些需要通过后续的热处理得以保证。东华大学通过对实验设备 的选择、实验方法的确定以及实验参数的制定等一系列的工作探索，最终得出了 能保证移圈针高性能化要求的热处理工艺设备和工艺参数，而且使得弹簧片的持 久性大大超过了大韩的水平。 由于弹簧片的特殊工作环境，使得其与纱线直接接触，因此通过合适的抛光 擦亮方法获得高的表面质量是必须的。 上述弹簧片的生产制造及与其安装相关的铣削工序，均是弹簧片的安装的基 础和前提。通过分析研究得知，国外对于弹簧片的安装主要是依靠外力，使针杆 上相应位置处的金属产生塑性变形，使得弹簧片和其安装槽紧密结合，达到弹簧 片被安装的效果。但由于技术的垄断，所以具体的弹簧片安装工艺不得而知。同 时，由于弹簧片是移圈针上的特有元件，所以此工序在生产时所用到的设备以及 工艺参数的选取，也无法从其他织针的生产设备中改进，因此，国内厂家对于弹 簧片安装工序的生产，都只是依葫芦画瓢，在摸索中前进。 东华大学硕士论文 第一章绪论 目前，国内一些移圈针制造厂家，主要利用压力机和专用模具的配合使用， 完成弹簧片的安装。据悉，在此条件下弹簧片的安装效率非常低，且成品率极低， 主要原因是安装工艺参数的不合理导致的。为了获得合适的安装工艺参数，一些 厂家不断的尝试各种参数，但是由于盲目性，依然未取得有效的参数值。 1 4 国内外金属弹塑性变形研究方法的现状和发展趋势 瓣 图卜7 国内移圈针上弹簧片的安装 由图1 7 可知，目前，国内外移圈针上弹簧片的安装方法主要为机械法。它 主要是依靠外力，使针身上相应位置处的金属产生大变形，此过程属于金属弹塑 性变形的过程。因此，为了明确弹簧片的安装工艺，有必要借助行业内部或外部 的手段明确此弹塑性变形过程。 金属塑性成形技术是现代化制造业中金属加工的重要方法之一，它是金属材 料在模具和锻压设备作用下发生塑性变形，获得所需要的形状、尺寸和性能的制 件加工过程。金属塑性成形是一个复杂的弹塑性大变形问题，对其进行分析的目 的是确定工件在塑性成形的各变形阶段所需的变形功和加工力，内部的应力、应 变、温度分布和金属流动规律，模具的应力、应变、温度分布、合理形状及材料， 工件的尺寸精度、残余应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布。 传统的金属弹塑性变形的分析主要采用解析法，如主应力法( 切片法) 、上 限元法( u b e t ) 、均匀变形法、滑移线法、流函数法及h i l l 的一般解法【l 引，但 由于数学上的困难或作了过多的假设而使其所能求解问题和难度都极为有限，且 难以得知金属弹塑性变形过程中的具体内容，因此应用领域极为有限。 近年来，利用光力学研究金属弹塑性变形的技术也得到了较大范围的推广。 1 9 9 0 年时s i r k i sjs 和1 9 9 5 年时g o l e r e i nht 就曾采用数字散斑相关技术对金属 的弹塑性变形进行检测，这种技术设备简单、使用白光照明、适用范围大等优点， 既可以测量大物体的大变形，又可测量纤维区域内的微、纳米量级的变形【1 7 】。近 年来，以显微镜作为支持平台发展的微纳观光测力学检测技术是目前光力学检 东华大学硕士论文第一章绪论 测技术发展的趋势之一，人们利用各类显微镜对微区域的局部形貌或变形进行测 量，利用显微技术可以大幅度地提高观测技术的分辨率。中国科技大学的陈丁采 用光学检测的方法对金属试件弹塑性变形的边界进行了经分析，内蒙古科技大学 的田仲良也曾在2 0 0 9 进行了光弹塑性实验的研究。 现代金属成形工艺分析过程中，建立适当的“过程模拟”非常重要，因此， 随着计算机技术的发展，人们已经认识到数值模拟在金属成形工程中的重要价 值，这一领域已成为现代国内外学者的研究热点。利用计算机数值模拟技术分析 金属成形时的弹塑性变形的特点主要有上限法( u p p e rb o u n dm e t h o d ) 、边界元 法( b o u n d r ye 1 e m e n tm e t h o d ) 和有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 三种常用的 方法引。上限元法常用于分析较为简单的准稳态变形问题：而边界元法主要用于 模具设计分析和稳定计算；对于大变形的体积成形和板料成形，变形过程常呈非 稳态，形状、边界、材料性质等都会发生很大的变化，有限元法是最佳的选择。 就金属塑性成形领域而言，有限元法大致可分为两类，种有限元法是 c h l e e 和s k 曲a y a s l l i 于1 9 7 3 年首次提出的基于变分原理的流动型有限元法 一刚塑性有限元法，用l a 瑁m 百a n 乘子技术施加体积不变条件，这种方法只适 用于一些金属的冷加工问题；另一种是固体性塑性有限元法( s 0 1 i df o 咖u l a t i o n ) 弹塑性有限元法，这类有限元同时考虑弹性变形和塑性变形，随着计算机硬 件技术的发展，这种方法正在朝着更广的应用范围扩展。 目前，随着数值模拟问题规模的不断增大，数值模拟的计算费用变得非常可 观，甚至会出现单机无法完成计算的情况，如大型模锻冲压成形过程数值模拟时， 热力耦合等计算极为耗时。传统的串行算法求解问题的规模已经无法满足当前工 程实际的需求。研制数值模拟并行算法已经成为解决以上矛盾的重要途径。近年 来在国内外，科研工作者们针对各种并行计算环境和不同工程实际问题进行了深 入研究和探索。a z u c c h i n i ( 1 9 9 1 年) 和j h k a n e ( 1 9 9 4 年) 分别对向量机环境下的 边界元法的并行计算作了讨论；e m d a o u d i ( 19 9 2 年) 和m 心e i e n m e y e r ( 19 9 5 年) 在微机t r a l l s p u t e r 环境下进行了边界元并行算法的研究；国内，西北工业大学的 张博( 1 9 9 7 年) 等针对流场计算的特点，提出了分布共享变量思想和异同步并行 算法，采用s p m d 的变成模式在p v m 上初步实现了流场并行计算；湖南大学曹 银锋( 2 0 0 3 年) 等设计了基于消息传递和区域分解的动态显式有限元的并行算法， 给出了基于薄板冲压有限元仿真特点的并行化分区算法，开发了薄板冲压成型并 行有限元仿真软件【i 圳。 因此，数值模拟与并行处理的结合应用是必然的趋势，对于开拓大规模数值 模拟工程实际计算应用的领域也具有重要的学术和实际意义，尤其是对塑性加工 成形过程的弹塑性变形及热力耦合现象的数值模拟具有极其重要的意义，值得我 国塑性加工领域科研人员的进一步研究、提高、推广和应用。 东华大学硕二b 论文第一章绪论 上述对弹塑性变形特性的研究方法和手段，为本课题的开展提供了有益的借 鉴和参考价值，为课题中弹簧片安装工艺的研究提供了可靠的参考依据。 1 5 本课题的主要研究内容及研究意义 本课题旨在解决移圈针实际生产过程中，弹簧片安装工艺的关键技术，为弹 簧片的实际生产提供一套完整的装配以及合适的工艺参数，为此开展了以下几方 面的研究内容： 1 ) 为弹簧片的安装制定合适的方法，在此基础上，设计并制造相关的安装 设备。 2 ) 分析弹簧片安装过程的物理本质，确定影响弹簧片安装质量和安装效率 的工艺参数，并选用合适的方法对各工艺参数的影响规律进行研究。 3 ) 制定合理的弹簧片安装质量评价标准，在此基础上，借助有效的研究方 法，得出影响弹簧片安装质量的各个工艺参数的最佳取值。 4 ) 将以上成果应用于实际生产过程，对工艺参数的影响规律和最佳取值进 行验证。 本课题的研究意义在于： 1 ) 解决移圈针实际生产过程中存在的弹簧片安装问题，为其提供一套实用 的工装夹具及合适的安装工艺参数，并将该项技术得以推广。 2 ) 通过对弹簧片安装过程物理本质的分析，对类似工程应用问题的解决提 出重要的借鉴和参考作用，不仅为科学确定生产工艺打下了基础，而且具有较好 的应用价值。 3 ) 对弹簧片安装问题的解决，增大了国产移圈针高档化的可能性，提高其 在国际市场中的竞争力，并带来可观的经济效益和社会效益。 东华大学硕士论文第二章弹簧片安装设备的研制 第二章弹簧片安装设备的研制 弹簧片是移圈针上特有的零部件，其主要功能是协助移圈针完成移圈和成 圈，它需要通过后续的工序被安装到移圈针上特定位置内( 以下简称该特定位置 为安装槽) 。值得注意的是，由于弹簧片和针杆的材料不同，且力学性能差异较 大，所以需要在二者均完成热处理后再进行安装。热处理后的针杆和弹簧片其硬 度高达6 0 h r c 左右，如此高的硬度为弹簧片的安装带来了很大的难度。 2 1 几种弹簧片安装工艺方法的比较分析 针对弹簧片的安装方法，从国外移圈针上弹簧片的固定形式来看，主要采用 机械法对弹簧片的进行安装，对于国内而言，大部分厂商是以仿制国外的技术为 主要的安装措施，目前仍未见国内有采用其它方法对弹簧片进行安装。然而，弹 簧片的安装方法并非一定要依照国外的技术路线，于是，本课题对于几种可能的 安装方法进行了讨论和分析。 2 1 1 点焊法 冷却水 冷却水 图2 1 点焊法的工作原理示意图 点焊( s p o tw e l d i n g ) 是指将焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间， 利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。广泛地应用在电子、仪表、 家用电器的组合件装配连接上【2 0 】。点焊法的工作原理如图2 1 所示，点焊时，先 加压使两个工件紧密接触，然后接通电流。由于两工件接触处电阻较大，电流流 过所产生的电阻热使该处温度迅速升高，局部金属可达熔点温度，被熔化形成液 态熔核。断电后，继续保持压力或加大压力，使熔核在压力下凝固结晶，形成组 东华大学硕士论文第二章弹簧片安装设备的研制 织致密的焊点。而电极与工件间的接触处，所产生的热量因被导热性好盼铜( 或 铜合金) 电极及冷却水传走，因此温升有限，不会出现焊合现象【2 引。 之所以选用焊接法对弹簧片进行安装，原因如下： 1 ) 对弹簧片和其安装槽的尺寸要求低。由于弹簧片和其安装槽的生产技术 难道大，使得不同批次产品的尺寸偏差较大，这些对弹簧片的安装带来了很大的 困扰，使得弹簧片的安装过程中，常会出现二者的配合间隙偏大或偏小的现象， 配合间隙过大可能会导致弹簧片在使用时脱落，配合间隙过小为安装时的操作带 来相应麻烦。但是若采用焊接法，由于弹簧片的安装牢度并非通过尺寸的配合来 保证的，因此对于尺寸的波动范围无特备严格的要求，至此也就减低了弹簧片和 其安装槽的生产技术要求。 2 ) 便于实现弹簧片安装过程的自动化操作。目前而言，国内弹簧片的安装 过程主要是采用手工操作的方式，其生产效率极其低，因此，实现弹簧片安装过 程的自动化也是迫切需要解决的一个问题。若点焊法能实现弹簧片的安装，将增 大为弹簧片的自动安装的可行性。 采用点焊法对弹簧片进行尝试安装，结果发现： ( 1 ) 曾做过这样一个实验，采用火焰对针杆( 厚度为o 7 5 n u n ) 进行局部加 热，当针杆表面见红时( 此时针杆表面的温度能达到6 0 0 7 0 0 度) 停止加热，然 后将针杆放在空气中冷却。之后，对加热部位进行硬度检测发现，硬度值降低到 3 5 4 5 h r c 之间，这对于针杆所需要的5 8 6 0 h r c 的硬度要求是远远不够的。由 于，焊接过程中，弹簧片和针杆内安装槽上的金属，瞬间的温度可高达一千多度。 对于弹簧片和针杆而言，由于其厚度分别只有o 15 m m 和o 3 5 m 1 1 1 ，而且导热速度 非常之快，导致在焊接时，二者的整体温度升高。加之在冷却装置的作用下，相 当于对弹簧片进行了一次高温回火的操作，使得焊接后弹簧片的整体硬度降低， 完全不能保证正常的工作需要。 ( 2 ) 由于弹簧片和其安装槽的厚度尺寸和材料的差异，使得在焊接时，熔 核不以贴合面为对称，而是向厚度较大的安装槽方向偏移。这种现象的出现，使 得焊缝在弹簧片上的尺寸小于该熔核的直径，导致焊点的承载能力降低。 ( 3 ) 另外一种采用点焊时产生的缺陷，也是由于弹簧片的尺寸较薄造成的。 该现象是，由于弹簧片的厚度较薄，导热快，使得弹簧片的焊接贴合面与其上表 面温度趋于接近，所以在贴合面上难以形成集中加热的效果。无加热集中的效果， 对焊缝的大小有很大的影响，进而会降低焊缝的强度。 由于上述几种缺陷的存在，使得采用点焊法对弹簧片进行安装的尝试失败 了。 东华大学硕士论文 第二章弹簧片安装设备的研制 2 1 2 粘接法 凡是能利用胶粘剂以及有效的粘接工艺，达到对被粘物进行连接的技术，统 称之为粘接技术或胶接技术，粘接技术是一门应用及其广泛的技术。从家庭到国 民经济各个部门，从日常用品到尖端科技，从制造业到维修行业，从天上到水下， 从超低温到高温等，无不渗透着粘接技术的踪迹，并发挥了巨大的作用与取得显 著的经济效益【2 引。 由于弹簧片在工作时，需要反复的张开和闭合，所以所选择的粘接剂必须能 保证弹簧片被粘接到安装槽内后具有较高的粘接强度；其次，由于移圈针其它工 序的生产效率较高，所以所选择的粘接剂要具有快速凝固的性能，即要具有较好 的施工工艺性。粘接剂的选用是粘接工艺中的一个重要的环节，依据粘接性和工 艺性要求的分析，初步选择了单组分粘接剂和双组分粘接剂两大类粘接剂。从市 场上选购的单组分粘接剂以5 0 2 为例，双组分粘接剂则以不同品牌的们胶为 主。 对需要安装的弹簧片和针杆进行表面处理完成后，采用不同粘接剂进行粘 接。同时，在实验的过程中，发现采用粘接法进行弹簧片的安装时有以下特点。 1 ) 在使用舳胶进行粘接时，需要按照一定的比例将二者自行调和到一起， 人为的依据感官去判断每一个组分的比例，易导致较大误差的产生，对粘接剂的 粘接性能产生较大的影响。同时将调和好的粘接剂暴露在空气中时，表面很容易 出现风干现象，风干的粘接剂不易再继续使用，而且风干的程度会随着在空气中 暴露时间的增长而加大。这些问题是采用不同品牌们胶进行粘接时普遍存在 的现象，由此可知，采用们胶进行粘接时，需要解决该方面的技术难题。但 是，由于市面上销售的们胶其粘接强度较高，所以在粘接位置以及胶水使用 量恰当的前提下，弹簧片的安装牢度还是可以得到保证的。 2 ) 5 0 2 是一种单组分胶，以快速粘接为特点。在使用该产品粘接弹簧片时， 大概3 秒左右的时间，弹簧片就被固定在安装槽内，但是，如果此时对弹簧片施 加一定的力，可发现，弹簧片很容易就从安装槽内脱落。同时，由于5 0 2 是近似 于水状的液体胶水，所以其粘接所用量不及b 胶那么容易控制，常会影响到 针杆或弹簧片的安装表面质量。 3 ) 由于粘接技术本身的特点，使得粘接后的零部件能很好的承受静载荷或 压力，但对于冲击载荷和交变静载荷的承受强度较差。由于弹簧片在工作时，需 要反复的张开和闭合，所以粘接后得到的粘接强度，能否满足此工作要求，还有 待于进一步的研究。 通过上述实验和分析可知，采用粘接法进行弹簧片的安装时，能达到将安装 弹簧片的效果。但是由于胶水的研制比较分散，由于个人掌握的信息量不够的缘 故，目前还未在市场上寻求到合适的粘接剂。所以，在本课题中，放弃了采用此 东华大学硕士论文第二章弹簧片安装设备的研制 方法对弹簧片进行安装，但这并不意味着采用此方法一定无法实现弹簧片的安 装。 2 1 3 机械安装 机械安装法主要是依靠外力，使针杆上相应位置的金属产生塑性变形，以此 使弹簧片和其安装槽紧密结合在一起，达到牢固安装弹簧片的目的。通过对国外 进口移圈针弹簧片安装工艺的表面分析得