（机械制造及其自动化专业论文）移圈针平面槽曲铣削加工工艺及设备的研究.pdf

摘要 移圈针平面槽曲铣削加工工艺及设备的研究 摘要 移圈针是电脑横机的关键零件，直接参与织物的编织。其性能的 好坏对于织物的质量有着重要的影响。每年对移圈针的需求量很大。 但是，受国内织针制造水平的影响，应用于新型电脑横机的高档移圈 针的制造在国内还是一片空白。作为东华大学开发国产高档移圈针项 目的一部分，本文主要介绍在移圈针平面槽曲铣削加工工艺及设备方 面的研究。 移圈针与其他织针相比，最大的不同在于其表面多处槽曲的设 计。这些槽曲对于加工精度和尺寸一致性的要求非常高，故平面槽曲 的加工是移圈针生产制造中的技术难点。本课题通过对加工方法进行 分析，提出了一种基于传统仿形靠模机床的针对各槽曲进行铣削加工 的方案。研究工作主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 综合分析移圈针针身多处槽曲的形状、位置特点，选择合适 的加工方法，制定了相应的加工方案。 ( 2 ) 根据加工方案，对加工设备整体进行了设计。在设计要求的 基础上，选择了与其结构相近的铣曲机进行改装，从送料部位、凸轮 行程、切削力大小三方面入手，对铣曲机进行改装，使其能够满足槽 曲加工的需要。 ( 3 ) 为减少重复定位误差，设计合理的刀具和定位装夹工装，并 对该套工艺方案进行生产验证。 t 摘要 ( 4 ) 为了获得更高的生产效率，从管理的角度对生产现场进行分 析、改善，提出优化方案。 通过对铣曲机送料、退料部分、凸轮行程、刀具、切削力大小、 工装夹具等部分进行分析、改进后，机床的加工误差可控制在o 0 1 m m 之内。经过生产实践的验证，所改装的设备可以满足六个槽曲部位的 加工，并可稳定运行。从槽曲的加工质量看，制造精度、尺寸一致性 及表面粗糙度等均基本达到了技术要求。 为了实现移圈针平面槽曲加工的批量化稳定生产，从管理的角度 对槽曲加工过的生产现场进行分析和改善，提出了优化方案，最终提 高了生产效率，有助于向批量化生产推广。 关键词：移圈针槽曲加工铣削i e 生产线 r e s e a r c ho nt h e t e c h n o l o g ya n d 队c h i n ef o r t r a n s f e rn e e d l eg r o o v e s m - a c h i n i n g a b s t r a c t t h e 的n s f e rn e e d l e sa r et h e k e yp a r t o fc o m p u t e r i 瑟df l a t m t t i n gm a c h i l l e s ，t l l e y p a r t i c i p a t ei i l l e t t i n gf a b r i cd i r e c t l y t 1 1 ep e 响加锄c eo f 仃a j l s f e rn e e d l e sh a sa 删i i l f l u e n c e o ft i l ef a b r i cq u a l i 够t h ed e m a l l df o rt 1 1 et r a j l s f e rn e e d l e si s g r e “e v e d ry e 札h o 、e v e r ，b yt l l e r e s t r i c t i o no ft 1 1 e t e c i l i l o l o g ya b o u tt 1 1 el ( i l i t t i n gn e e d l e s m 勰u 蠡l c n l r i n gi 1 1o u rc o u n t t 1 1 e m a l l u f a c 嘶n go ft h et o pg i i a d e 仃锄s f e rn e e d l ea p p l i e dt on e wc o m p u t e r i z e df l a t l ( 1 l i t t i n g m a c h i n e si ss t i l lab l a n k d o n 曲u au n i v e r s 时i sd e v e l o p i n gd o m e s t i ct o pg m d et m s f e rn e e d l e s ， a sa p a no fi t t 1 1 i sp a p e ri n 仃o d u c e st h er e s e a r c ho nm et e c l u l o l o 野a i l dm a c h i n ef o r 舰n s f e rn e e d l e g r o o v e sm a c h i i l i n g c o m p a r e dw i mt h eo t l l e rk n i t t i n gn e e d l e s ，t l l eb i g g e s td i 彘r e n c ei st l l ed e s i g no fm o r e g r o o v e si n l es 删f a c e t l l e s eg r o o v e s 玳h i 曲f o rp r o c e s s i n gp r e c i s i o na n ds i z ec o n s i s t e n c y s o t r a n s f e rn e e d l eg r o l o v e sm a c m l l i n gi sat e c h n i c a ld i 伍c u l ti nt m s f e rn e e d l ep r o d u c t i o na i l d m a n u f - a c n g t h i st o p i c 锄a l y s e st h ep r o c e s s i n gm e t h o da 1 1 dp u t sf o n v a r dam e m o d sw h i c h d i r e c t e da t 仃锄s f e rn e e d l eg r o o v e sm a c h i n i n g ，b a l s e do nt h e 仃a d i t i o n a ln c - c o p y m o d e l i n gm a c h i n e t h er e s e a r c hi i l c l u d e st l l ef o l l o w i n g 硒p e c t so fc o n t e n t ( 1 ) c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st 1 1 e 目0 0 v e ss h a p ea n dp o s i t i o nc h 狱t e r i s t i c si nm e 仃a n s f e r n e e d l e ，c h o o s ea p p r o p r i a t ep r o c e s s i n gm e t h o da 1 1 df o m u l a t et 1 1 ec o r r e s p o n d i n gp r o c e s ss c h e m e ( 2 ) 【) e s i g n l e 、v h o l ep r o c e s s i n go ft h em a c h i n ea c c o r d i n gt o l ep r o c e s s i n gs c h e m e s a n d o nt 1 1 eb a s i so ft l l ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，s oc h o o s eas i m i l a rs 仃u c t u r e 柚dm i l l i n gm a c h i n et ob e m o d i f i e d ，疳d mm en l r e e 弱p e c t so ff e e d i n gp i a c e ，c a mt r i p 锄dc u t t i i 唱f o r c e ，1 e nm o d i 母t h e m i l l i n gm a c h m ea 1 1 di tc a nm e e tn e e d so f 掣- o o v e sm a c h i n i n g ( 3 ) d e s i 驴t 1 1 er e a s o n a b l ec u n i n gt o o l sa 1 1 dp o s i t i o n i n gm ec l 锄p i i l gf i x n 鹏si no r d e rt 0 r e d u c er e p e a tp o s i t i o i l i n ge m ”a i l do nt l l es e to f t e c l l l l o l o g yp r o d u c t i o nv e r i f i c a t i o n ( 4 ) f r o mt 1 1 ea 1 1 9 l eo fm a n a g e m e n to fp r o d u c t i o ns i t ef o ra i l a l y s i s ， o p t i m i z a t i o ns o l u t i o ni no r d e rt oh a v eh i g h e rp r o d u c t i o ne m c i e n c y i i i 1 1 1 em a c h i n ec a i lb ec o n 仃0 l l e di np r o c e s s i n ge 玎o rw i t h i l l0 01 m mb ym e a n so fi m p r o v e d 锄da n a l y s e dm e s ep a n s ，州c hw e r eb a c k 锄d f e e d 吨p a n s ，c 锄t r i p ，c u n 吨t 0 0 l s c u t t i n gf o r c e ， 自o c kc l 锄pa n ds oo n a 船rv e r i f i c a t i o no ft h e p r o d u c t i o np r a c t i c e ，c o m ，e i t e dm a c m n ec a l lm e e t t l es i xg r 0 0 v e sp 眦e s s i n ga j l dc a l lm o v es 协l y f r o mt h eq u a l i 够o ft h e 鲫v e s m a c h i l l i n g ， m a i l u f a c n gp r e c i s i o n ，s i z e c o n s i s t e n c ya 1 1 ds u r ：f a c er o u g l l l l e s sa l la c h i e v et h et e c h n i c a l r e q u i r e m e m s h 1o r d e rt 0r e a l i z et 1 1 et r a n s f e rn e e d l e 伊o o v e s m a c h i i l i n gm o r e 柚ds t a b l ep r o d u c t i o n p r o c e s s i n g ，锄a j y s e d 柚di l t l p r o v e dt h ep r o d u c t i o nf i l e d 疗- 0 mt h ev i e wo fm a n a g e m e n ti n 黟0 0 v e m a c h i n i n g ，t 1 1 e np u tf o n a r dt h eo p t i m i z a t i o ns c h e m e sa 1 1 di m p r o v et l l e p r o d u c t i o ne 街c i e n c y f i n e l y ，s oi ti sh e l pt om o r ep r o d u c t i o np r o m o t i o n s u ix i a o q i o n 双m e c h 锄i c a la j l da u t o m a t i o n ) s u p e r v i s e db ya s s o c i a t ep r 0 d i n gh a o p r o z h u s h i g e n k e yw o r d s ：心a n s f e r n e e d l e ；g r o o v e sm a c h i n i n g ；m i l l i n g ；i e ；p r o d u c t i o nl i n e 东华大学硕士学位论文 绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 电脑横机是一种双针床纬编针织机，是羊毛衫生产行业的主要机种【1 】。从目 前市场来看，毛衫业作为我国针织行业的重要组成，其固定资产投资逐年增长， 由2 0 0 5 年的4 5 8 4 亿元增长到2 0 1 0 年的8 0 2 1 亿元，工业生产总产值由2 0 0 5 年的6 4 0 亿元增长到2 0 1 0 年的1 3 3 0 亿元。由此数据可以看出，毛衫业作为与居 民生活密切相关的基础产业，一直保持着持续稳定的增长，这为我国电脑针织横 机市场的发展奠定了基础。 从全球电脑针织横机的发展方向来看，嵌花技术、全成形等将成为行业发展 的重要方向，嵌花工艺的完美实现可以使毛衫生产样式得到更加完美的实现，而 全成形技术则可以减少毛衫生产的缝合工序，进一步减少整个毛衫生产过程的用 工量和生产成本，这些技术的成熟和经济应用必将推动电脑针织横机的又一次大 发展。 据业内研究表明，未来几年，我国电脑针织横机的市场需求将持续增长。2 0 1 1 年国内市场对于电脑横机的市场需求为1 1 0 4 万台，经中国纺织机械器材工业协 会预测，2 0 1 5 年我国电脑针织横机市场需求将达到1 9 3 1 万台。 移圈针作为电脑横机上的一种关键零件，一台电脑横机上需安装有几百枚甚 至上千枚移圈针。在工作过程中，数枚移圈针同时做高频率的周期往复运动，直 接与织物接触，用来完成织物的集圈、移圈、提花、嵌花等编织动作。而作为一 种织针，移圈针属于易损耗元件。基于目前市场行情来看，对于移圈针的需求量 是非常大的，也由此可见，该行业的发展空间非常广阔。 然而，如此诱人的移圈针市场却长期被国外织针企业所垄断，几乎完全依赖 于进口。国外织针制造企业已掌握了较为先进的移圈针制造技术和工艺，其产品 的质量也较好，在广大用户中拥有良好的口碑及可信度。也正是因为这些原因， 进口品牌的移圈针价格虽然昂贵，但仍然颇受欢迎。 目前，国内的织针制造行业还没有形成较大的具有技术优势和产量规模化优 势的龙头企业，分布也较为分散，多以作坊式企业的形式存在。他们对于研发的 投入较少，因而织针制造水平整体比较低，尚处在数量型发展向价值型提升的拐 点上。 近几年来，国内织针制造企业发现了国内移圈针市场的广阔发展空间，竞相 开始研发国产高档电脑横机移圈针。开发一套移圈针加工工艺方案对于增强国内 企业在移圈针市场上的生存和竞争力，以适应针织机械发展的要求，缩小国产针 东华大学硕士学位论文 绪论 织机械与国际先进水平的差距等，具有非常重要的现实意义。 1 2 国内外织针技术现状 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，织针在编 织过程中与纤维直接接触，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。 在国外，无论是纺织机械还是织针制造的技术上都遥遥领先于国内。以德国 g r o z b e c k e t 公司为首，其生产的织针质量最好，深受国内外广大用户的一 致好评。而国内织针制造技术相对较差，目前生产的织针仍以中低档的织针为主， 高档织针市场几乎全部拱手让给进口产品。分析其主要原因在于以下几点：原材 料的选择、热处理工艺和制造加工技术等还达不到要求。 1 2 1 原材料 原材料的选用对织针的性能影响很大。多年来，国内制针厂大多采用t 9 a 、 t 1 0 a 等优质碳素工具钢带作为织针原材料，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，但效果并不尽如人意【7 】。近年来，伴 随着各种新型针织机械的大量引进，而所配套用的高档织针具有长、薄、窄的特 点，因此进口原材料的使用量也越来越多。 目前，国内织针原材料大部分选用的从日本进口的s k 4 、s k 5 及s k 5 m o d 钢等。该类钢材属于碳素工具钢，含碳量高、淬火后硬度高，用量较大，但是缺 点在于其韧性不佳。不过该类钢材价格较低，原材料的成分、组织和性能波动小， 因而国内织针生产厂家广泛进口该类钢材作为织针的原材料。而国外知名的织针 厂家，如德国g r o z 公司生产的织针一般使用瑞典生产的织针专用钢带【8 】，是 一种经真空处理的工具钢，其含m n 量较高，p 、s 等非金属夹杂物含量较低， 制造的织针性能优良。日本国内生产的钢质量也不错，但是其生产织针所用的原 材料也是进口的带钢【9 。这种钢性能优良，非金属夹杂物方面级别普遍比国产 织针材料低一级。但国外各大厂家一直很注重技术环节的保密，专用钢带的化学 成分以及热处理工艺一直不为外界所知。 据国内织针制造厂和使用厂的实践证明，无论加工性能还是成品针的使用性 能两方面，国产原材料均不如进口材料。质量欠佳主要表现在原材料的化学成分、 性能不稳定，组织不均匀，含杂多，外观上氧化脱碳现象严重。因此，合理、严 格选择原材料是生产出优良织针的关键。 2 东华大学硕士学位论文 绪论 1 2 2 热处理工艺 织针的综合性能要求非常高，不仅要求具有较高的硬度、弹性、耐磨性以及 良好的抗疲劳特性，而且织针属于细、长、薄型的小零件，在热处理的过程中还 极易产生变形，这些都是热处理应该注意的。 织针的热处理主要包括热处理设备和工艺两大方面，这两个方面是相辅相成 的。热处理设备是实施热处理工艺的保障，热处理工艺是保证热处理生产质量、 提高热处理生产效率的重要环节【l o 】。 国外企业一直都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的 开发以及特殊处理的研究，比如采用二次淬火方法、复合热处理、真空热处理、 气体淬火、激光热处理等新型热处理方法，来提高织针的性能1 1 1 。目前国外织 针的热处理普遍采用网带式可控气氛淬火炉，也有使用保护气体立式紧固单支针 淬火方式等。除上述对传统工艺的改进提高外，针对织针各个部位性能要求不同 的特点，进行分段处理的技术。即有选择的对织针的不同部位进行不同的热处理， 使各部位获得不同的硬度。如用高频电磁感应加热式回火装置来实现织针的分段 硬化处理。也有专利介绍，先对织针进行整体淬火、回火处理，获得良好的综合 机械性能，然后再进行局部超级淬硬处理。国外采用的热处理方法虽然先进，使 得热处理后的织针具有较高的性能，但其所使用设备和技术的费用都非常昂贵， 不适合我国的国情。 目前，国内织针热处理多采用一些常规的热处理方法。其中，淬火加热大多 采用网带炉但是，网带炉由于火帘密封的特点以及零件在加热过程存在多参数的 相互耦合，这样就会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 1 2 ，1 3 】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，获得了一定的成绩。 1 2 3 制造加工设备及技术 织针要求具有较高的尺寸精度和尺寸一致性，先进的制针设备和高精度的模 具是保证尺寸精度和尺寸一致性必不可少的。制造加工的设备和技术直接影响到 织针的性能。 目前，国外织针制造技术领先的大公司技术水平相较于国内作坊式的制针企 业要高出几个层次。其在移圈针的生产中大多采用自行设计制造的专用加工设 备，并且每一道工序所采用的设备都在不断的改进和完善，以保证制造精度和加 工质量。而国内企业还没有足够的技术力量和资金来进行关键加工设备的改进和 东华大学硕士学位论文 绪论 研制。不过，在低档织针制造的重要环节，如针坯冲裁、针头外形、制造工艺等 方面，国内企业研发人员和学者进行了很多研究【1 4 。1 9 】【2 3 之5 1 。 在针形冲压方面，国内织针厂家多采用单机，由于模具和设备的精度相对较 低，导致针形一致性较差。而国外著名制针厂家如g r o z 公司，早已采用精密 冲裁工艺，同时其模具加工实力雄厚，精度可以达到微米级别，这也是其产品精 度高、一致性好的前提条件【2 0 】。 在移圈针的抛光方面，国外制针企业基本都使用行星抛光，设备精度高，并 在底部增加了类似洗衣机波轮的装置使抛光液主动旋转，形成动态液体流，并且 使用配方高度保密的抛光磨料，其抛光效果比国内各种抛光方式高出一个档次。 课题组曾对移圈针的抛光方法进行了一定的研究，提出了对移圈针局部光整的电 化学抛光方法。该方法对针钩内侧面的细微褶皱去除能力很强，抛光后表面光滑 无褶皱，取得了一定的成绩1 2 。 针对织针槽曲部位的加工，原加拿大艾赛特制针设备公司自行开发了五工 位、九工位的自动铣削设备，利用这样一台专用设备可以连续进行多个工位加工， 不但生产效率高，而且自动化程度非常高，而且加工质量也比较稳定，精度较高。 但是德国g r o z 公司处于技术封锁和市场垄断的目的，将加拿大艾赛特制针设 备公司收购，之后就采取只出售针不出售技术和设备的策略。这样一来，先进制 针制造企业制针的设备和技术手段更少有报道了。我国制针企业对袜针的舌槽、 山头部位铣削加工所用的机床是国内自行设计和制造的，大部分是仿造早期日本 的机器，经过消化吸收和改进，实现了国内织针行业的技术改造，取得了一定的 进展。 然而，对移圈针这种薄长类零件的系统研究在国内现在基本还是一片空白， 制针设备也只能依赖国外淘汰掉的生产线。依靠国外技术和设备的支持，大大提 高了产品的成本，进口又增加了生产周期，对我国纺织业长远发展很不利。只有 通过大力加强配套器材的开发与应用，才能适应针织机械发展的需求、逐渐缩小 国产针织机械与国际先进水平的差距。因此，开发移圈针先进制造工艺无论是对 于减小外资的依赖度，还是对于提升国内织针制造水平都具有重要的意义。 1 3 移圈针特点 移圈针是装配在电脑横机上、与织物直接接触的专用织针，可进行成圈、集 圈、浮线、翻针等混合编织。移圈针与其他织针最大的区别在于它具有移圈的功 能，可用于制造具有孔眼、凹凸、纵行扭曲等花色效应的移圈组织，具备这种移 圈组织的织物一般透气性较好，穿着舒适、无束缚感、贴身合体等，常用于生产 毛衫、妇女时尚内衣等产品 2 4 1 。 东华大学硕士学位论文 绪论 1 3 1 移圈针的工作原理 在电脑横机上进行织物的编织时，首先需要将移圈针与挺针片结合起来，安 插在横机的针床内，如图1 1 所示。机床分前后两侧，如图1 2 ( a ) 所示，移圈针 1 和2 分别位于两侧的针床内，开始时，线圈在移圈针l 的针钩上。在翻针过程 中，移圈针1 慢慢上移，线圈3 由针头部位慢慢下滑，进而将针舌打开，知道滑 落到卡口部位，如图1 2 ( b ) 所示。在该部位时，由于扩圈片的存在，使得线圈扩 大，这样有利于对面针床上的接圈针2 进入扩圈片。此时，移圈针2 向上运动， 其针头部位从移圈针1 的扩圈片和针杆中间的狭小空间中插入，移圈针2 的针舌 被打开，如图l 一2 ( c ) 所示。随后，移圈针1 沿压针三角慢慢下降，线圈3 将移圈 针1 的针舌闭合，如图1 2 ( d ) 所示。直到最后，线圈3 从针头部位脱落下来，如 图1 2 ( e ) 所示。这时，移圈针1 慢慢回到原针床的位置，移圈针2 带着线圈3 慢 慢退回到最初的机床位置上，如图1 2 ( f ) 所示。这样，便完成了一个移圈的过程。 1 移圈针2 挺针片3 推片4 选针片5 针床 图1 1 横机机床示意图 ( b ) ，塞 东华大学硕士学位论文 绪论 ， ( d ) ( e )( t ) 图1 2 移圈针的移圈过程 从移圈针的翻针过程可以看出，弹簧片对线圈起到了扩张的作用，以便于对 面的移圈针从中穿过，以达到辅助移圈针进行移圈动作，完成移圈组织的编织目 的。在此过程中，弹簧片被拉紧、扩大的线圈缠绕时，承受一定的压力，因此， 对于弹簧片和安装槽的装配牢度要求非常高。其中，安装槽的加工作为较为靠前 的工序，其加工要求非常高。 1 3 2 移圈针的特殊性 移圈针的工作原理决定了它的结构特点。移圈针一般由针头( 包括针钩、针 舌) 、针身、弹簧片以及针尾四部分组成，移圈针的结构简图如图1 3 所示。 3 l 1 针舌2 针钩3 针杆4 弹簧片5 导针口 图1 - 3 移圈针结构简图 针头部分包括针钩、山头部位、针舌以及针舌座等。针舌与针杆属于永久性 连接( 针舌不更换) ，针舌通过针舌销支撑在山头中间的窄槽里，针舌能够绕着 针舌销转过一定的角度，便于编织过程中针舌的开合【5 j 。针身是织针的主杆，所 6 东华大学硕士学位论文 绪论 以也称为针杆，其长度的一致性及厚度的均匀性都非常重要。位于针尾部的部位 5 为导针口，是为了和挺针片结合在一起，安装到电脑横机的针床上。 弹簧片是移圈针的关键配件，它是一种弯曲的、具有弹性的薄片小零件。在 其加工完成后，将其平面的一端固装在移圈针针杆上的安装槽内，另一端紧贴移 圈针针杆的定位小槽内【6 j ，通过定位销将其装配到移圈针的针杆上。弹簧片的装 配质量是由安装槽的加工精度、弹簧片的加工精度以及装配精度三者决定的。该 部位的质量也决定了移圈针在工作过程中的移圈性能，是移圈针最为关键的部 分。 弹簧片与其他织针，如袜针、圆机针等相比较，最大的差别在于其具有扩圈 片，能够进行移圈、翻针的动作。而这种差别明显的从织针的结构上体现出来。 图l 一4 和图1 5 分别为移圈针和袜针的实物图，我们可以看出袜针表面是光滑的， 而移圈针为了实现其移圈、翻针等功能，在针身表面有多处槽曲的设计。 。o 越i。- 誓江_ 黍熏翩 图1 5 袜针实物图 图1 6 列出了移圈针各平面槽曲的示意图。其中，包括针尾曲、针膛曲、 弹簧片安装槽、针侧曲、弹簧片定位小槽以及针颊曲六个部位。其中弹簧片安装 槽和定位小槽是专门为弹簧片的安装而设计的。尾曲、膛曲及颊曲等在其各自的 位置上贯穿了针身表面，较针身要薄一些，其加工精度等密切影响移圈针的性能。 经过以上分析发现，移圈针表面的平面槽曲使得针身多处位置的厚度差异较 大。如此一来，就给生产加工带来了一定的弊端。由于这些部位的针损较大，若 通过常规的切削加工，就会带来加工效率低的问题。而且，由于加工部位较多， 若通过多次加工来进行切削，对于重复定位和装夹的要求就会非常高，给生产制 造增加了一定的难度。这也正是移圈针的生产技术较难掌握的主要原因之一。 东华大学硕士学位论文绪论 头n 1 3 3 移圈针制造过程 图1 6 移圈针建模图 移圈针从坯料到成品需要经过冷加工、热处理、擦亮抛光以及弹簧片的安装 等多道工序。其中，冷加工就有3 4 道工序，包括冲坯、校直、内外刨、磨卡口、 平面槽曲加工、抛光、打头、压节、压头、铣舌槽、冲挤槽、砂前后槽、旋头、 冲定位销、弯头、制舌、装舌挤轴、平轴、平舌、砂舌、配舌座、切脚、压弯等 多道工序。这些工序多以模具加工为主，只要设计好模具并将加工设备调试好， 就可以大批量的快速生产，而槽曲的加工从传统加工方法来看，一般采用铣削加 工，而该方法的劣势在于针损大、加工效率低等，需要不断的对设备进行调试， 而在国内，目前尚无专门对于槽曲部位加工的机床，故槽曲加工的技术有待进一 步研究。 1 4 本课题研究内容 针对国内移圈针制造技术落后的发展现状，本课题旨在通过对槽曲加工的方 法进行研究、分析，开发研制移圈针专用平面槽曲加工机床，对设备、工装、工 艺等进行技术攻关，实现移圈针平面槽曲的批量化稳定生产，减小我国制针技术 水平与国外先进水平的差距。 本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 根据移圈针六处平面槽曲的形状、位置特点，选择合适的加工方法，制 定了相应的加工方案。 ( 2 ) 根据加工方案，对加工设备整体进行了设计。在设计要求的基础上，选 择了与其结构相近的铣曲机进行改装，从送料部位、凸轮行程、切削力大小三方 面入手，对铣曲机进行改装，使其能够满足槽曲加工的需要。 r 东华大学硕士学位论文 绪论 ( 3 ) 为减少重复定位误差，设计合理的刀具和定位装夹工装，并对该套工艺 方案进行生产验证。 ( 4 ) 为了获得更高的生产效率，从管理的角度对生产现场进行分析、改善， 提出优化方案。 为了实现移圈针平面槽曲的批量化生产加工，本课题研究的内容从上述四个 方面开展。加工方法选择了传统的仿形靠模加工，在铣曲机的基础上，对其关键 部位进行改装，并对工装夹具进行了设计、制造，选择了合适的刀具系统，在此 基础上对设备、工装、工艺等进行不断归纳、总结和完善。 9 东华大学硕士学位论文 第二章加工方案的确定 第二章加工方案的确定 我国织针加工虽然装备落后，但仍然有一定的基础。本次研究对于平面槽曲 的加工进行研究，旨在选择合适的平面槽曲加工方法，最终实现槽曲加工的产业 化。为了对移圈针平面槽曲加工的要求把握的较为确切，首先对各个槽曲的功能 及特点做一简单介绍。 2 1 平面槽曲分析 移圈针表面一共有六个槽曲，分别是针颊曲、针膛曲、针尾曲、针侧曲、弹 簧片安装槽和弹簧片定位小槽六大部位。 2 1 1 针颊曲 针颊曲位于针头的山头部位。由图1 6 我们可以清晰的看出在山头部位有一 个平面曲，我们称之为针颊曲，其主要目的是为了减薄针头部位的尺寸，以便两 部分的连接光滑过渡。因为，如果针头太厚，不利于增加弹性，移圈成圈的阻力 较大，针头容易断裂。同时，该处与舌槽密切相关。因为舌槽的加工直接取决于 该部位的尺寸是否稳定。再者，该部位的表面粗糙度非常重要，针头曲为纱线必 经之处，若不光滑，纱线极易被割断。图2 1 为针头曲的实物测量图，直观来看， 其形状较为简单，由圆弧和直线段构成，该部位的厚度尺寸最为重要，为0 6 3 m m ， 同时，要保证加工表面的质量。 2 1 2 针膛曲 图2 1 针颊曲测绘图 针膛曲与弹簧片想配合，来完成移圈功能。因为在翻针的过程中，另一枚针 的针头部位需要从膛曲与弹簧片间的狭小缝隙中做高速往返运动。该部位的尺寸 稳定性非常重要，如果尺寸过大，那膛曲和弹簧片之间的缝隙就会过小，另一枚 针的针头就无法伸进来，也就没有办法完成翻针的动作，若尺寸过小，又会影响 东华大学硕士学位论文 第二章加工方案的确定 针身整体的性能。其形状与弹簧片基本对称，位置精度要求也较高。经测量，膛 曲的结构简图如下所示。从图2 2 可以看出，该部位的形状由圆弧和线段构成， 厚度为0 4 8 l i u i l ，同时，要保证加工表面的光洁度。 2 1 3 针尾曲 ，l-一 q 暑 l i 。 ， l h j 6 1 5 6 霉 p 阿一 2 3 一 d 一 1 3 _ 图2 2 膛曲实物测绘图 移圈针安装在电脑横机上的时候，并不是直接放在针槽内，而是与其针床上 的挺针片结合在一起后安装在针槽内。为了固定移圈针在针槽内的位置，就要使 得移圈针的尾部有一定的弹性和一定角度的偏斜。针尾越薄，其弹性就越好，但 是同时针尾的刚性会相对变差，导致在使用过程中的变形，甚至折断。所以，在 针尾部开一个深度适中的尾曲，来增加移圈针的弹性，从而保证其在工作中的稳 定性。经过测量，其结构简图如下所示。从图2 3 中可以看出，尾曲的厚度还不 到针身厚度的一半，仅为o 3 3 n m ，同时，必须保证加工表面的质量。 、聃 竹 毛缱蛾一誊1 tlll鼍 iil，一 i ll l 一i l l 1 s 2 1 4 针侧曲 图2 3 尾曲实物测绘图 经过观察，在膛曲部位的边缘还有一个侧曲的设计。其主要作用是在移圈的 时候另一枚针可以更容易的进入弹簧片的底部，来完成移圈的动作。主要是对另 一面针床上的针头其导向作用，类似于轴类零件的倒角。图2 4 为侧曲部位的实 物测量图。 东华大学硕士学位论文第二章加工方案的确定 2 1 5 弹簧片安装槽 a 1 + c _ i - 一 l l i 一 i = ：萨弋专；享却 njo- jb p 3 0 。 o 1 _ 图2 - 4 侧曲实物测绘图 安装槽与弹簧片通过定位销装配在一起。该槽有以下几点要求： 首先，安装槽的宽度尺寸要与弹簧片的尺寸相配合起来，若其宽度尺寸过大， 就会造成弹簧片的安装不够牢固，而尺寸偏小时又会造成弹簧片安装困难。 其次，一定要保证弹簧片安装槽底面为平面，这样，才能和弹簧片的平面紧 密贴合在一起，保证弹簧片安装足够牢固。 最后，安装槽的深度也要适当，不能过深或者过浅。 经过测量，安装槽的结构简图如下所示： 1 4 51 4 点 一l3 6 6 3 l 一， 。一ll 一1 1 s e c t i on - 一。 j 2 1 5 夏 d i n j bi ， 2 1 6 弹簧片定位小槽 图2 5 安装槽实物测绘图 安装槽只能保证弹簧片的安装位置，同时，弹簧片还需要有一个定位小槽来 进行定位，使得退圈时不受阻碍。弹簧片的尖部要紧贴在定位小槽内壁，这样一 来，定位小槽的宽度和深度都要适当，同时要与安装槽的尺寸配合起来，保证弹 簧片的尖端落在里面，否则的话，就会影响翻针的质量。图2 6 为定位小槽的实 物测量图。 东华大学硕士学位论文 第二章加工方案的确定 1 + 下 l i ；1 ii i 二= = = ko 、之一 一 i 、 ，j 。? bi ， in - u 3 4 0 6 1 l j10 i _ f s e c t i o nb - b 图2 - 6 弹簧片定位小槽实物测绘图 通过以上技术分析，并参照市场进口移圈针的情况，对移圈针槽曲的技术要 求及加工难点总结如下表2 1 所示。 表2 1 槽曲技术要求 平面槽曲 技术要求 加工难点 名称 尺寸精度位置精度形状要求切削量 针尾曲 中( o 0 2 ) 低轮廓曲面 o 4 5 切削量大，约2 3 针厚 弹簧片高 宽( 0 0 2 ) 高轮廓曲面 o 3 4 切削量大，机床定位精度 安装槽 深( + o 0 2 ) ( 0 0 1 5 ) 高、刀具安装精度高 针膛曲 中( 0 0 2 )高( 0 0 2 ) 轮廓曲面 0 2 9 切削量大，需仿形或数控 针侧曲 低低 轮廓曲面 | 锥铣刀 弹簧片 定位槽 低 高( 0 0 2 ) 轮廓曲面 0 3 4 机床定位精度高 针头曲 高( 0 0 1 ) 低 轮廓曲面 0 1 2 尺寸精度高 从上述技术要求来看，移圈针六处平面槽曲虽然尺寸不一，但具有类似的形 状特征，均属于轮廓曲面，分布在针身的三个不同表面上。从一般的加工经验来 看，应当采用两轴联动的铣床来进行加工。但是由于该类机床的主轴总是垂直或 平行于工作台平面，工件装夹好之后只能完成一个表面的加工，工件需要进行多 次装夹，累计重复定位误差较大，而且，铣削加工的效率比较低，为实现槽曲加 工的批量化快速稳定生产，从其他新型加工方法着手考虑槽曲加工的工艺方案。 2 2 加工方法确定 经过对六处平面槽曲技术要求的分析，我们认为通过模具加工、电火花加工 以及铣削加工三种方法是可行的。三种加工方案分别如下所述： 1 3 东华大学硕士学位论文 第二章加工方案的确定 2 2 1 模具加工 基于传统的铣削加工对于槽曲加工的针损比较大，且槽曲加工需要具备较高 尺寸精度和较高的尺寸一致性，我们联想到具有高精度、高复杂程度、高一致性、 高生产率和低消耗的模具加工方法。用模具生产制件所体现出来的这些优势是其 他加工制造方法所不能比拟的。模具是工业生产的基础工艺装备，使用模具生产 能够提高效率，易于进行大批量、标准化的生产，少切削甚至无切削的生产，可 有效的降低产品成本【2 6 1 。 因此，我们通过模具加工的方式来设计平面槽曲的加工方案。由于有六处槽 曲需要加工，涉及到多工位加工，故我们设想通过多工位级进模对针坯进行冲压 加工。 多工位级进模是模具的一种，它是在单工序冲压模具的基础上发展起来的多 工序集成模具。它由多个工位组成，各个工位按照顺序关联完成不同的加工，在 冲床的一次行程中完成一系列的不同的冲压加工。一次行程完成以后，由冲床送 料机按照一个固定的步距将材料向前移动，这样在一副模具上就可以完成多道工 序。而考虑针坯表面要加工多个槽曲，即可选用多工位级进模来进行加工，这样， 多道工序就可以在一副模具上完成【2 7 】。 采用级进模进行冲压加工，其优点在于： 1 ) 级进模是多任务序冲模，在一副模具内，可以包括冲裁、成型、拉伸等 多种多道工序，具有极高的生产率。 2 ) 级进模操作非常安全 3 ) 自动化程度高 4 ) 可以采用高速冲床进行生产 5 ) 可以减少冲床数量，节省半成品的运输和仓库的占用。 相关文献显示，有学者对于曲面零件冲压成形的技术理论进行了一定的研 究，并对其进行了优化改进【2 引。还有研究者针对板料冲压成型加工工艺进行了 研究，提出了多点压板原理、多点压板成型技术与冲压工艺等对板料冲压成形工 艺具有明确的知道作用【2 9 1 。针对多工位级进模的研究也非常多，如对精密级进 模设计的要点分析【3 0 1 、结构设计标准化等的研究【3 1 1 。这些研究对通过多工位级 进模技术对槽曲部位进行冲压加工奠定了一定的基础。 但是经过分析后发现，虽然通过级进模进行冲压加工有以上诸多优点，但是 在压力加工过程中，材料会产生流动，造成局部变形，使得该方案仅能够加工移 圈针表面的四个曲，而无法对弹簧片安装槽和定位小槽进行加工。那么，使用该 方法同时加工表面的六个槽曲是不可行的。我们需要从别的方法入手，来对槽曲 表面进行加工。 1 4 东华大学硕士学位论文第二章加工方案的确定 2 2 2 电火花加工 电火花加工属于特种加工，其最主要的应用领域为普通切削加工方法难以切 削的材料和形状复杂的工件。由于移圈针的膛曲、侧曲、弹簧片安装槽、定位小 槽聚集在针坯的中间部位，那么，我们可以专门设计这样一个电极，经过一次加 工即可完成这四个部位的加工。这样，就不用分成四个部分分别来进行加工，减 小了数次重复定位误差，大大的提高了加工精度。 近年来，电火花加工的应用日益广泛，它是一种利用电、热能量进行加工的 方法，又称为“放电加工”。其加工原理是基于工具和工件( 正、负电极) 之间 的脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形 状及表面质量预定的加工要求【3 引。 采用电火花成型技术进行铣削加工，可采用标准简单电极，在数控系统的控 制下，按预定轨迹作类似机械铣削的成型运动，通过电极和工件间的火花放电蚀 除多余的金属材料，最终获得所需零件的形状。 由于电火花加工是一种非接触式加工，故其具有传统的切削加工无法比拟的 优点。首先，该方法加工没有机械加工的切削力，不会引起工件的变形、位移等， 且不会产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷；其次，其对工件的机械强度、硬度也没有特 殊的要求，这样一来，就突破了传统切削加工中对于刀具的限制；再者，电火花 加工特别适用于表面形状复杂及材料难以切削的工件。 已有研究者采用电火花加工的技术对于高深宽比微细槽的加工提出了一种 自成形和扫描加工相结合的微细扁平电极制作及微细槽加工的工艺方法【3 3 1 。移 圈针的槽与其有类似性，该研究对槽曲加工工艺方法的设计有一定的参考价值。 另外，也有研究提出电火花加工中复杂电极的快速制造方式【3 4 1 ，对于电极的设 计有很大的帮助。 基于以上种种，我们考虑通过电火花铣削加工的方式来对移圈针平面槽进行 加工。 首先，选择合适的电火花加工设备。 其次，根据槽曲部位的特点，设计电极，并进行正确的装夹定位。 最后，编制零件的加工程序。 经过以上几个步骤，就可以开始进行平面槽曲的加工了。使用电火花铣削加 工方式，可以满足移圈针表面槽曲的加工技术要求，该工艺方案具备很多的优点。 但是，该方案也存在以下几点局限性： 1 ) 加工过程中不可避免的存在电极损耗问题，这就会直接影响到加工精度 的问题。如何很好的解决电极损耗的补偿问题，还需要进行进一步的技术研究。 2 ) 加工速度较慢。因为存在电极损耗，为保证加工精度，需及时更换电极。 而更换电极就需要对其进行修复、重新定位找正等等，这样就严重的影响了加工 15 东华大学硕士学位论文第二章加工方案的确定 效率。 综上所述，移圈针平面槽曲的铣削加工方法采用电火花铣削加工具有广泛的 应用前景。但是，目前的技术手段还无法解决其由于更换电极等引起的加工效率 低、成本过高等问题。因而，该方案如果想要达到生产实用化的目的，还需要对 快速返修电极等方面进行研究，以解决生产效率低的问题。 2 2 3 铣削加工 移圈针所用材料为s k 5 钢带，是一种碳素合金钢，具有良好的切削加工性 能。因而，我们可以通过传统的铣削加工方式来对其进行加工。 传统的铣削加工就是通过旋转的刀具来切削工件，是一种高效率的加工方 法。对于移圈针表面槽曲来说，其具有一定的形状、尺寸。这样，就需要两轴联 动的机床来分别控制刀具的运动轨迹和工件的运动轨迹。只有两者配合起来，才 能得到具有一定形状、尺寸要求的槽曲。 铣削加工的方式有很多，从机床的控制方式上来看，主要包括仿形加工和数 控加工两大类。仿形铣削加工主要是通过靠模来控制刀具或者工件的运动轨迹来 进行切削加工，而数控铣削加工则是在普通铣床的基础上集成了数字控制系统， 通过程序代码的控制来进行较精确的铣削加工【3 5 1 。仿形加工的优势在于结构简 单，价格低廉，而数控加工的优势在于自动化程度高、加工精度高。那么，对于 六处平面槽曲的加工我们就从仿形加工和数控加工这两个方面来着手进行设计。 2 3 加工方案拟定 经过前面的分析，我们从传统的铣削加工方式入手，对于六