金属针布产品设计及其优化

1、金属针布的产品设计及其优化冯喜奎1 秦汝明2（1.浙江锦峰纺织机械有限公司； 2. 河南工业大学 机电工程学院）摘要：为了提高国产金属针布的质量，运用产品设计的基本观点，对金属针布产品设计进行归纳和分类，完整而详细地表述了产品设计的总体要求，在外形轮廓及齿形参数设计中，强调了金属针布结构区间及作用。并在此基础上从齿尖高耐磨、平整度、冲模寿命、抗轧强度、防断裂、高效转移、纤维调控7个方面进行了优化设计的探讨。倡导优化设计，强调唯有通过新思维，进行创新设计和优化设计才能突显产品的效能，形成产品亮点，使国产针布的品质达到国际先进水平。关键词：金属针布; 优化设计;高耐磨;抗轧强度;平整度(圆整度);

2、宽高比;梳理机；高效转移Product design and optimization About metallic card clothingFENG Xi-kui1，QIN Ru-ming2（1 2School of Mechanical and Electrical Engineering ，Henan University of Technology，Zhengzhou 450006 ）Abstract: In order to upgrade the wire quality of the domestic metallic card clothing，design of the w

3、ire of the metallic card clothing were categorized，adopting the general product design theory. Comprehensive description was given to the general requirement of the product design. The structural region and its function of the wire of the metallic card clothing is highlighted in the design of the pr

4、ofile design and teeth design. And more, high wear resistance of tooth tine , roundness, punching die life, strength of collapse resistance , anti-breakage, high-efficiency transfer， fibre control were approached farther on the basis of the above-said. Optimization design was advocate. Only by new t

5、hinking, creative design and optimization the product efficiency and the advantages of the wire of the metallic clothing stand out, reaching the height of the product of the same kind overseas.Key Words: metallic card clothing；optimization design；high wear resistance；strength of collapse resistance;

6、 smoothness (roundness);width-height rate; carding machine; high-efficiency transfer国外新型梳棉机及配套器材的引进，加上国内业界的不懈努力，使国产金属针布的质量得到了提升，其品种规格的总和已达数百种之多。矮、尖、薄、密和小角度诠释了过去国外先进针布的特点和优越性，对国产针布的进步起到至关重要的作用。目前，我国纺织行业产能过剩、效益下滑，针布平均售价逼近生产成本，不利于针布制造企业积累资金实现技改升级，要生存就要敢于突围、善于突破。梳理装备和技术还在不断的发展和进步，纺织行业仍然会是我国的重要产业，这是针布行业生

7、存和发展的土壤和源动力。对原有金属针布规格的改良设计和归并设计，全新规格的创新设计，从设计和制造上赋予产品特有功效和亮点，是针布研发和生产者面临的一个长久而重要的课题。1 金属针布产品设计的分类1.1 创新型设计应用新原理、新技术、新材料、新工艺，设计具有新结构、新功能金属针布的全新设计，具有世界首创的特点，属自主创新设计。1.2 改进型设计在原有产品的基础上进行改进，使针布产品在结构、功能、品质上具有新的特点和新的突破。 1.3 模仿型设计对国内外市场上已有的针布产品进行仿造的设计。1.4 形成系列型设计在原有的产品大类中开发出新的品种和规格。1.5 降低成本型设计保持原有功能不变，以较低的

8、成本提供同样性能的设计，指利用新科技、新措施改进生产工艺、提高生产效率、节约主辅材的针布产品设计。2 金属针布产品设计的总体要求2.1满足社会及行业发展的要求21世纪是经济全球化和科技高速发展的时代, 大量新技术的运用使纺织装备的科技含量剧增。一方面新型纺织装备(梳理机械)对金属针布这一关键器材提出新的、更高的要求,另一方面富含新技术的新型高效梳理器材也助推着新型梳理机械的技术进步。器材与装备的互动发展,正有力地促进世界纺织产业的进步与发展。跟踪国内外纺织技术发展，吸纳世界先进技术，加强自主创新，开发先进的针布产品，满足社会发展和纺织行业升级的需求，是器材行业不可推卸的社会责任。2.2具有完善

9、的效能及质量,满足使用要求从市场和用户需要出发，充分满足梳理设备对针布产品的功效要求。 2.2.1 安全性设计产品时，必须对使用过程的种种不安全因素，采取有利措施，加以防范,确保使用时的设备和人身安全。2.2.2 效能及质量 针布产品的效能表现在能有效地完成对纤维的穿刺、吸纳、握持、均混、分梳、释放、转移和除杂，随品种不同其效能的侧重和强化不同，同时要适用不同的纤维、纱支，并与梳理机械及工艺相适应，还要尽量少损伤纤维。 针布产品的质量主要表现在产品的“六度三好”: 平整度 , 锋利度 , 表面粗糙度 , 耐磨度 , 淬火均匀度、抗轧强度、成卷包装好、接头好（无接头或接头不显示）、色泽好（无色差

10、）。2.2.3 可靠性针布产品在规定的时间内和预定的使用条件下，能正常地达到预期的产量和质量指标。2.2.4 易用性产品有良好的包装，方便容易的退绕和包卷，包卷后免(少)处理即可使用，免(易)维护。 2.3 具有理想的经济效益产品要为社会所承认被用户接受，并能取得经济效益。产品设计要做到标准化、系列化，具有一定的互换性和适纺性。无限制地增加产品规格数量，不但给客户订货增加麻烦，加大其备用器材库存，同时也给制造企业增加负担，影响经济效益和社会效益。设计和试制新产品的主要目的之一，是为了满足市场不断变化的需求，好的设计要能够重点解决客户所关心的功效焦点，如：降低结杂、高耐磨、减少短绒、高产高速等；

11、同时产品设计要注重节约能源和原材料、提高劳动生产率、降低成本，为国家建设创新型、资源节约型、环境友好型产业的发展战略做贡献。2.4 具备良好的制造工艺特性制造工艺对产品设计的最基本要求，就是产品结构应符合工艺原则。即在规定的产量规模条件下，能采用经济的加工方法，制造出合乎质量要求的产品。这就要求所设计的产品结构能够最大限度地降低产品制造的劳动量，减轻产品的重量，减少材料消耗，缩短生产周期和降低成本。3 外形轮廓及规格参数的设计3.1 金属针布的结构区间及其作用如图1所示,金属针布的结构区间可分为四个部分:梳齿部、齿颈部、肩部、基部。梳齿部: 分布着适合相应梳理功效要求的梳齿。齿颈部: 承接梳齿

12、并将其固接到肩部、基部。肩 部: 基部向齿颈部和梳齿部的过渡,是金工设计规则和梳针齿隙的双重需要。基 部: 针布向梳理辊包覆、嵌镶、定位的基础。 图1 金属针布的区间划分3.2 外形轮廓的确定 外形轮廓几何尺寸的确定取决于该梳理元件在梳理机中的服役场所,工作中所承受的负荷(正压力、磨擦力、梳理力等)的大小和性质,在梳理机中对纤维的主要作用,梳理机对该元件的设计寿命要求等。锡林针布以分梳为主，纤维梳理度要求其工作单元的密度要高,其特点是齿密高,轮廓小。道夫针布以转移为主，要求其有足够的纤维握持空间及能力,不必过密但要有足够齿深。刺条以开松和除杂为主,负荷大且不匀,撞击力大,要有足够的强度和抗轧伤

13、能力,必要时以自锁和嵌镶固定。固定盖板针布用来加强分梳与除杂，齿密不高、齿距较大、前角较小，要求不充塞、不嵌杂，抗轧性能好，以负角齿形为宜。 整体锡林用来精梳棉束,要求横向齿密高,纤维容量大,要足够的薄,较大的齿深。3.3 齿形及规格参数设计 金属针布的齿形及规格参数设计涉及梳理的理论、设备、工艺配置、条干指标、生产机台试验、梳理元件的失效分析等诸多因素,其理论、规则的探索和总结广多1 2 3 4 5 ,作者对此不作赘述，仅从产品优化设计的几个主要侧面进行探讨。4 金属针布的优化设计4.1 齿尖的高耐磨设计梳理机的心脏是针布，针布的关键在齿尖。针布产品尤其新型高端锡林，几何尺寸很小，需要我们把

14、视线聚焦到关注点-齿尖，放大关注点后进行分析和探讨。针布的高耐磨涉及磨损机理、材质、热处理、表膜强化等诸多方面612，这里仅从齿尖的形体特征进行分析和探讨。4.1.1 可用磨损体积如图2所示，以梳理为主的锡林针布主要失效形式是因磨损而造成的齿尖区域衰退，图中着色部份即是可供磨损的齿体体积。 图2 可供磨损的齿体体积4.1.2 影响可用磨损体积的因素 齿尖厚度(b3)、齿尖角()和齿尖形状是可用磨损体积的三个主要影响因素。4.1.3齿尖的高耐磨设计在不影响齿尖锋利度、穿刺能力和纤维伸直度的前提下，要保证齿尖区域有足够的厚度（尤其是高产高速梳理、化纤梳理专用针布），较大的齿尖角。优化设计齿尖形状，

15、可增加齿尖可用磨损体积。图3所示是其一例，弧尖和直尖相比较，A是二者共有面积，B、C是各自多出的面积，显然C > B。若图中三条曲线分别代表齿尖部不同的磨损边界，磨损到第1、2、3边界时弧尖齿的可用磨损面积分别是直尖齿的1.90倍、1.46倍、1.33倍,越靠近齿尖,越是早期磨损，越能体现弧尖齿的耐磨性。另外，弧尖齿形磨损后的锐度保持优于直尖齿形,如图4所示，如此可以延长磨针周期，减少磨针，延长针布寿命。研究并结合衰退轨迹的齿部优化设计有广阔的创新空间和前景。图3 齿尖部位的优化设计一图4 齿尖磨损后锐度保持比较图5所示是锡林的弧顶齿形耐磨设计，采用弧顶有效地增加了齿顶可用磨损体积，可明

16、显提高针布耐磨性和寿命。 图5 锡林的弧顶耐磨设计4.1.4 提高齿尖耐磨度的冲模及工艺设计4.1.4.1适调下模高度避免斜尖针布齿形冲切时,不可避免地要产生塌角和冲切面斜度13,如图6(a)所示,其上侧为塌角侧,下侧为毛刺侧。针布冲切时经常出现沿齿尖宽（厚）度的斜尖现象，使齿尖的可用磨损体积减小，前期耐磨度下降。适调冲切平面的高度和冲模几何参数可改善斜尖现象，生成图6(b)所示的齿尖，提高齿尖方正度和齿尖前期耐磨性。图6 齿尖方正度差别4.1.4.2合理设计冲刀前角,冲屑脱离无撕裂如图7所示，冲齿时有时出现呈撕裂状的“毛刺尖”，此种齿尖耐磨性极差。如图8所示，适调冲模角度，可避免此种缺陷。

17、图7 撕裂状齿尖示意图 图8 合理剪冲示意图4.1.4.3剪冲起点和终点的设计冲齿尽管是舜间完成的，但齿屑的形成和剥离却有一个完整且重要的冲剪工艺过程。如图9所示，把冲剪的起点设计在齿尖处较合理，因为此时将要生成的齿屑还被固定在坯片上，不易发生扭尖，有利于生成尖锐且规整的齿尖，终点设计在齿底或余量边沿较好，可避免出现撕裂尖、扭尖及鹊嘴。 图9 剪冲的起点和终点设计4.2 提高平整度的优化设计4.2.1齿距偏差造成的齿高差针布冲齿时由于机械传动等因素,不可避免地要产生齿距偏差p,造成尖顶针布的齿高差h（如图10所示），影响针布的平整度。图10 齿距偏差造成的齿高差 表1列出了p为0.03mm齿距

18、偏差时，不同前角（）对应于不同齿尖角（）的齿高差h，图11表示前角、齿尖角、齿高差的关系曲线，即前角相同条件下齿高差h与齿尖角成反比，同齿尖角条件下齿高差与前角成反比，小前角小齿尖角时齿高差较大。表1:前角和齿尖角对齿高差h的影响。前角（度）齿尖角（度）303540150.0410.0320.026200.0360.0280.022250.0310.0240.018300.0260.0190.014350.0210.0150.010 图11 齿高差与齿尖角的关系（p=0.03mm）4.2.2 减小齿高差的齿尖优化设计 某些规格因为其特有的功效要求,必须设计成小前角和小齿尖角,为了减小齿高差,可

19、对其齿尖部进行优化设计,如图12所示,上侧是尖部折背齿形,下侧是弧顶齿形。图12 减小齿高差的齿尖优化设计4.2.3 背尖角和背切角的运用与掌控 图12所示齿形的背尖角() ，当为弧尖时为背切角（'），不但是控制齿高差的重要参数，也是齿尖优化的关键，对耐磨度、尖部方正度、冲模寿命有一定的影响。4.2.4 针布宽高比的优化设计设针布基部宽b1和总高h1之比为其宽高比k,即: k=b1/h1 。如图13和图1所示,当齿颈高设计过大时(图13下侧),宽高比将变小,包覆时的稳固度将下降,会出现向两侧的不确定倾斜,造成横向齿密不匀,齿高不一致,平整度下降。 图13 金属针布宽高比的比较 针布包覆

20、时，根据包卷张力及筒径不同，截面上的应力分布有差异，但通常会出现如图14所示的应力分布，即截面上应力呈线性分布，越靠向齿底拉应力越大，越靠向滚筒拉应力越小，在其紧贴滚筒的一小部份截面甚至出现压应力。针布宽高比越小齿底处的拉应力越大，而此处恰好是较薄的齿根，在其塑性和韧性不足时，将发生拉裂及断条现象。图14 包覆后截面上的应力分布 无特殊加大需要时，要尽量将齿颈高压缩，增加k值，以提升包覆的平整度。部份28系列针布存在k值过小的弊端。k值较大即意味针布相对较矮，针布的矮化可有效地改善其包覆效果。4.3 提高冲模寿命的齿形设计4.3.1 弧尖齿形的优化设计 对于某些规格，弧顶(或称弧尖)齿形能表现

21、出优越性。但对弧顶的具体形态需要优化处理，在满足功能的前提下要关注其工艺特性，即冲模的寿命。笔者分别对不同的锡林和道夫弧尖形态作优化处理的跟踪试验，证明合理优化不但提升齿尖的方正度，还可大幅提升冲模寿命（是原来的23倍），创下单刀道夫11盘，锡林10盘的效果。图15是弧尖形态比对分析的示例之一。图15 道夫弧尖形态测绘比对4.3.2 多弧段复杂齿形的优化设计 特殊梳理条件下的大齿深大纤维容量的某些针布齿形较为复杂,会出现连续多段弧线的连接（多达4段或5段）4 ,对多弧段参数确定及圆滑连接作优化处理，可有效地提高冲模寿命。4.3.3 齿背(前)线折点的优化处理 如图16所示,齿背面(有时为齿前面

22、)轮廓线折点处的R大小,对冲模寿命有很大影响,是对模时造成擦伤的敏感部位,R过小冲模寿命不足,过大将失去设计折点的意图，恰当地优化处理可两者兼顾。 图16 齿背(前)面折点的优化处理4.4抗轧伤(倒齿)的齿形设计 某些规格因特殊要求,其齿形齿深大、齿尖角极小、前角又较大,使用中齿部经常被轧伤而弯倒。针对此齿形特点，需进行抗弯倒的齿形设计。4.4.1 道夫的两段组合齿形设计 上半齿大前角，满足适纺性能要求，属淬硬区不易弯倒；下半齿采用小前角加强抗弯倒能力,如图17所示。 图17 道夫双段组合抗轧弯齿形(4545)4.4.2 弧形齿抗轧设计 齿的上部大前角，满足适纺性能要求，淬硬后不易弯倒；中、下

23、部采用弧形缓连，显得较为直立，改善其抗弯倒能力，如图18所示。 图18 弧形齿(Graf N-4030B 0,9)4.5 防断裂的齿形设计4.5.1 加大宽高比 压缩齿颈高 产品设计时在确保使用性能的前提下，尽量加大宽高比，如图13、图14所示,缩小齿颈部的高度，减小包覆时齿根部拉应力的幅高，避免拉裂现象发生。4.5.2 扩大齿底小R对某些小齿距、大齿深的负角齿形,如图19所示，要设法避开齿底的小R陡弧,力学分析可知,此处是拉应力的峰值,应力最为集中,属危险截面区,小R的陡弧会诱发弯曲断裂破坏。 图19 齿底小陡弧齿形4.6 提高转移率的优化设计4.6.1 鹰嘴齿形(齿尖前倾齿形)设计如图20

24、所示，鹰嘴齿形的齿尖部像老鹰的嘴一样向齿尖指向一侧倾斜，是弧形变角齿尖齿形(美国Hollingsworth,日本KANAI公司有此齿形)。顶部的齿背可为锥形或弧形，齿前面可为弧形或折线形，齿尖局部的实际工作角比齿下部减小10º30º，该齿形的道夫极易从锡林上接转纤维，接转后握持和凝聚能力极好，是高速、高产梳棉机用高效转移道夫的理想齿形,能显著提高转移率14 。 图20 道夫的鹰嘴齿形4.6.2 组合齿形设计如图21所示，该齿形的齿部实际上是两部份组合而成的，它的上半齿(可小于半齿)前角比下半齿增大5 º15 º。该齿形握持和凝聚纤维的能力得到加强, 也是

25、高效转移道夫的齿形之一14 。 图21 道夫的两段组合齿形4.6.3横纹齿形设计如图22所示，该齿形的齿部斜面上沿针布长度方向加工成横纹。横纹所形成的凸凹沟既增加了与纤维的接触面积又增加了齿斜面的摩擦系数，使握持和凝聚纤维的能力得到加强,能有效提高转移率。 图22 条纹齿面道夫齿形4.6.4弧形齿高效转移设计如图18所示，齿前面和齿背面均采用弧形设计，该齿形新颖之处在于其前角可在32°45°之间过渡，完美地解决了道夫针布握持纤维和易被轧伤这对矛盾，十分益于齿面对纤维的握持，呈现高效转移效果。4.7 调控纤维分布及状态的齿形优化设计依据梳理学理论对针布的简单齿形（如直齿、平底等）进行优化处理，以调控纤维在工作区的分布、状态、受力特点，侧重及强化不同的功效（如分梳、转移、除杂、均混等），适应特定的梳理机械及工艺配置，适纺特定纤维及纱支，改善条干指标。齿形可涉及负角、折线、凸（凹）背、曲线形、流线形、弧形齿、鹰嘴齿等。5 结束语5.1 金属针布产品设计要和梳理主机的用途、工艺特点、技术要求及其针布的主要失效型式相结合。5.2 借鉴国外新型和高端产品时，不