董九志， 梅寶龍， 蔣秀明， 楊景朝

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室， 天津 300387)

整體穿刺是織造立體織物的一種工藝技術(shù)，整體穿刺立體織物是一種結(jié)構(gòu)特殊的碳纖維立體織物[1]，可由整體穿刺技術(shù)織造而成，具有良好的整體結(jié)構(gòu)和較高的纖維體積分數(shù)，可作為高性能防熱隔熱碳/碳復(fù)合材料的優(yōu)良基材[2]。我國的整體穿刺技術(shù)最先由南京玻璃纖維研究院實現(xiàn)重大技術(shù)突破[3]，該院生產(chǎn)的整體穿刺立體織物經(jīng)碳復(fù)合制成的碳/碳復(fù)合材料已成功用作高性能防熱材料，使我國在該領(lǐng)域躋身于世界先進水平[4]。

為配合整體穿刺立體織物的生產(chǎn)，南京玻璃纖維研究院研制的高精度液壓整體穿刺機用于實施疊層機織碳布與Z向鋼針陣列整體刺布、移布、加壓密實等操作，提高了立體織物生產(chǎn)的自動化程度及效率[5]，但由于設(shè)備老化或控制精度低，已不能滿足細編穿刺織物生產(chǎn)的需求。2013年，在江蘇省機械設(shè)計研究院的參與下對其進行了技術(shù)改進[6]。2015年，天津工業(yè)大學(xué)研制了由電動機驅(qū)動的整體穿刺機，該穿刺機對穿刺與壓實機構(gòu)、傳動機構(gòu)及工作臺進行設(shè)計，具有較高重復(fù)定位精度，可實現(xiàn)對疊層機織碳布進行整體穿刺與加壓密實功能[7]。

整體織物穿刺編織過程中，對從穿刺機上移下的含有Z向鋼針的織物拆除定位模板，然后安裝于專用的工作臺上，使織物平臥。從Z向鋼針的一端一一置換出鋼針，從另一端對應(yīng)位置將碳纖維引入到織物內(nèi)部，采用單根連續(xù)纖維縫合方式[8]，由碳纖維置換所有鋼針后，便完成了機織碳布整體穿刺織物的編織全過程。

穿刺機上的鋼針在穿刺模板的約束下等距密排，導(dǎo)致鋼針間距小，傳統(tǒng)的夾持器不能滿足換針過程中對鋼針的夾持。雖然傳統(tǒng)夾持器能夾持直徑小于等于1.2 mm的鋼針，但由于其端部直徑遠大于鋼針針間距，在夾持鋼針過程中可與周圍的鋼針發(fā)生干涉；同時在鋼針置換過程中，夾持器需要頻繁地夾緊與松弛，傳統(tǒng)的夾持器在螺紋副的作用下夾緊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能快速地實現(xiàn)夾緊與松弛，效率低。針對單根連續(xù)碳纖維逐根置換鋼針的需求，本文設(shè)計了專用鋼針夾持器，并對其工作過程進行受力分析和仿真，同時驗證了工作原理的可行性。

1 鋼針夾持器結(jié)構(gòu)與工作過程分析

鋼針置換工藝流程如圖1所示。圖1(a)為含Z向鋼針陣列的機織碳布整體穿刺織物，圖1(b)為碳纖維置換鋼針并進行鎖扣，圖1(c)為機織碳布整體穿刺織物。鋼針置換機構(gòu)是鋼針置換及纖維鎖扣裝置的重要組成部分，用于完成取針置換工作，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該機構(gòu)由鋼針夾持器、氣缸、直線滑軌滑塊組件、專用夾緊裝置等組成。鋼針夾持器所含部件為薄壁彈性夾持器與楔形滑塊，薄壁彈性夾持器由專用夾緊裝置夾緊，楔形滑塊固定于直線滑軌滑塊上，由氣缸驅(qū)動其往復(fù)直線運動，完成對鋼針的夾緊與松弛。

圖1 含Z向鋼針立體織物鋼針置換工藝流程Fig.1 Technological process of replacing Z direction steel needle 3-D fabric. (a) 3-D fabric with Z direction steel needle;(b) Steel needle replacement and fiber locking;(c) Piercing 3-D fabric

圖2 鋼針置換機構(gòu)Fig.2 Replacement mechanism of steel needle.(a) Whole assembly drawing; (b) Steel needle gripper

薄壁彈性夾持器孔直徑略大于鋼針直徑，壁厚較薄，其端面上有3個均勻分布的開口，薄壁彈性夾持器端面如圖3所示。選用經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的彈簧鋼(65 Mn)作為薄壁彈性夾持器的材料，由于該材料在受力后發(fā)生彈性形變，孔內(nèi)壁對鋼針產(chǎn)生壓力以夾緊鋼針，當(dāng)外力消除后能快速恢復(fù)至初始狀態(tài)，實現(xiàn)對鋼針快速地夾緊與松弛。

圖3 薄壁彈性夾持器端面Fig.3 End face of thin walled elastic gripper

楔形滑塊與薄壁彈性夾持器的錐度一致，接觸面光滑，以保證鋼針夾持器往復(fù)工作的摩擦力較小，其模型如圖4所示。鋼針夾持器楔形滑塊的驅(qū)動力由氣缸提供，合外力轉(zhuǎn)化為施加在薄壁鋼針夾持器上的均布載荷，使薄壁彈性夾持器發(fā)生彈性形變對鋼針夾緊。初始狀態(tài)為楔形滑塊與薄壁彈性夾持器同軸且間隙均勻。置換時，鋼針夾持器逐漸接近鋼針并保證鋼針進入鋼針夾持器，當(dāng)滿足夾持深度時，楔形滑塊在氣缸的作用下向后運動，其與薄壁鋼針夾持器的間隙逐漸減小，對薄壁彈性夾持器的壓力增加，使薄壁彈性夾持器產(chǎn)生彈性形變，鋼針夾持器內(nèi)壁對鋼針產(chǎn)生夾緊力，其力的大小滿足取針的受力要求。

圖4 鋼針夾持器夾緊鋼針模型Fig.4 Clamping steel needle model of steel needle gripper

夾緊鋼針后，薄壁彈性夾持器與楔形滑塊同步運動，保持鋼針被夾緊的狀態(tài)。待鋼針從立體織物中完全取出，楔形滑塊在氣缸的作用下向前運動，薄壁彈性夾持器受力逐漸減小，其內(nèi)壁對鋼針的夾緊力也逐漸減小，待恢復(fù)到初始位置，完成一次夾針過程。在逐根鋼針置換的過程中，重復(fù)上述工作過程。

2 鋼針夾持器力學(xué)分析與計算

2.1 鋼針受力分析

含Z向鋼針的立體織物碳布經(jīng)緯疊層均勻分布，鋼針針距等距排列，處于鋼針附近的碳纖維受到鋼針圓形截面的擠占向鋼針外滑移繞過鋼針，此為碳纖維繞針彎曲。繞針彎曲的原因是鋼針擠占平直的碳纖維，碳纖維繞針彎曲在鋼針附近，碳布中的纖維產(chǎn)生繞針彎曲將呈現(xiàn)一定均勻分布的特性。穿刺過程中碳布經(jīng)鋼針針尖進入鋼針椎體段，碳纖維繞針彎曲伸長由小到大，作用在鋼針的作用力也由小到大，所以在鋼針直徑處碳纖維對鋼針的作用力達到最大，但Z向鋼針受到繞針彎曲的碳纖維的作用力具有隨機性，會由于碳布結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理，經(jīng)緯紗線密度不均，鋼針排列不夠垂直等增大鋼針受到的作用力。理論上碳布經(jīng)鋼針椎體段進入鋼針直徑處，鋼針受到經(jīng)緯紗線的作用力最大，設(shè)最大作用力為Pwmax，如圖5所示。

圖5 鋼針處于碳纖維繞針彎曲受力示意圖Fig.5 Sketch of steel needle in bending of carbon fiber around needle

鋼針在單層碳布受到的最大靜摩擦力為

fmax=μPwmax

(1)

式中，μ為鋼針與纖維的摩擦因數(shù)。

含Z向鋼針立體織物由n層正交疊層碳布加壓密實而成，所以Z向鋼針受到的最大作用力為F=nfmax，即為最大靜摩擦力。鋼針置換過程中，鋼針逐漸被碳纖維取代，鋼針受到碳布的作用力逐漸減小，其受力示意圖如圖6所示。

圖6 置換鋼針受力示意圖Fig.6 Sketch of displacement steel needle under force

鋼針受摩擦力變化為

F=L-lNfmax

(2)

式中：L為Z向鋼針立體織物的總體厚度，mm；l為被置換鋼針移動的距離，mm；N為每層碳布的厚度，mm。

綜上可知，鋼針夾持器夾持鋼針的力大于Z向鋼針受到的最大作用力F，即可保證鋼針能順利從立體織物中置換出。

2.2 鋼針夾持器受力分析

由鋼針夾持器工作過程可知，楔形滑塊對薄壁彈性夾持器的軸向力使薄壁彈性夾持器發(fā)生彈性形變，該形變使夾持器內(nèi)孔變小，孔內(nèi)壁對鋼針產(chǎn)生壓力夾緊鋼針[9]。

2.2.1楔形滑塊對薄壁彈性夾持器的受力分析

鋼針夾持器外壁與中心線的夾角為α，內(nèi)壁與中心線的夾角為ε。受力后，假定圓錐面上所有點的位移均沿軸向方向且彼此相等。薄壁彈性夾持器受力前后的變形和位移情況如圖7所示。取半徑為r(mm)處的單元體，軸向?qū)挾葹閡(mm)，厚度為b(mm)。取半徑為r+r′處的圓錐形截面，兩截面相距r′，軸向形變?yōu)閐u，r′與x軸的夾角為θ(°)?？傻迷搯卧w上的徑向正應(yīng)變?yōu)?/p>

εr=Δ(r′)r′=(u+du)cosθ-ucosθr′=

dur′cosθ=ε0cosθ

(3)

式中，ε0=dur′。

假定單元體只處于單向受力狀態(tài)，即只受σr作用，根據(jù)胡克定律得到該單元體徑向正應(yīng)力為σr=Eεr=Eε0cosθ=σ0cosθ，其中σ0=Eε0。σ0代表圓錐面r處軸線上的正應(yīng)力，其值可由平衡方程∑Fx=0確定。

F=σrs=σr2∫αβbr′cosθdθ=

12br′σ0(sin2α-sin2β)+br′σ0(α-β)

(4)

由以上平衡方程可知圓錐面上的應(yīng)力為

σ0=2Fbr′[(sin2α-sin2β)+2(α-β)]

(5)

可得正應(yīng)力的計算公式為

σr=2Fcosθbr′[(sin2α-sin2β)+2(α-β)]

(6)

1—受力前的狀態(tài)； 2—受力后的狀態(tài)。圖7 楔形滑塊對薄壁彈性夾持器的受力分析Fig.7 Force analysis of wedge block to thin walled elastic gripper. (a) Deformation and displacement of thin walled elastic gripper; (b) Deformation and displacement of unit body

式中：σr為單元體徑向正應(yīng)力，Pa；S為圓錐面接觸面積，mm2；E為材料的彈性模量，Pa；β和α分別為薄壁彈性夾持器錐面的始末角，(°)。

2.2.2薄壁彈性夾持器對鋼針的受力分析

薄壁彈性夾持器對鋼針夾持過程的3個階段如圖8所示。由圖8(a)可知，薄壁彈性夾持器未受力時，鋼針夾持器內(nèi)壁與鋼針外圓之間的間隙D。

圖8 薄壁鋼針夾持器對鋼針的受力分析Fig.8 Force analysis of thin walled steel needle gripper to steel needle. (a) Non forced state of thin walledelastic gripper; (b) Contact state between inner wall and steel needle; (c) State of clamping steel needle

假設(shè)楔形滑塊對單個夾持器端面的壓力相等，即單個端面受合外力Fa。圖8(b)是當(dāng)夾持器承受合外壓力達到F1時，力的方向指向圓心。內(nèi)壁與鋼針外圓接觸，間隙消除，但孔壁沒有壓力。根據(jù)力的平衡條件，薄壁彈性夾持器承受壓力計算公式為：

Fa=σrA

(7)

F1=2Facosφ-Fa

(8)

由以上平衡方程可知

F1=σrA(2cosφ-1)

(9)

當(dāng)壓力再增大時，鋼針外圓與鋼針夾持器內(nèi)壁之間產(chǎn)生了壓力，壓力達到P時，夾持器端面壓力由Fa增加到F′a，即承受合外壓力F2，方向指向圓心，在該力的作用下鋼針夾持器產(chǎn)生徑向擴張量D1，如圖8(c)所示。根據(jù)力平衡條件，F(xiàn)2=P-F1，可得

F2=P-σrA(2cosφ-1)

(10)

式中：A為楔形滑塊與鋼針夾持器接觸面積，mm2；φ為Fa與垂直方向的夾角，(°)。

3 鋼針夾持器仿真分析

為驗證上述理論計算的正確性，利用Ansys軟件分析計算出鋼針夾持器對鋼針的夾緊力和使用壽命。

薄壁彈性夾持器材料選定65Mn鋼，輸入材料參數(shù)泊松比為0.237 5，彈性模量為1.98×1011Pa，材料密度為7.85 kg/m3，拉伸屈服強度為9.8×108Pa。輸入鋼針夾持器模型，建立楔形滑塊內(nèi)圓錐面與薄壁彈性夾持器外圓錐面、薄壁彈性夾持器內(nèi)圓柱面與鋼針接觸，類型選擇摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.2。對其進行網(wǎng)格劃分，單元類型選擇Mesh200，固定約束選定薄壁彈性夾持器圓柱面，運動設(shè)置選定楔形滑塊內(nèi)圓錐面，對鋼針施加x正方向的力，即鋼針所受的最大靜摩擦力，由實際測得為3.3 N；對楔形滑塊施加x負方向的力F。鋼針夾持器的受力F來自氣立可NU-10-10型氣缸，實際工作時為6個大氣壓，F(xiàn)取理論結(jié)果的70%得軸向力F為

F=1.01×105×6×π×52×10-6×70%N=33.3 N

施加軸向力由0 N增加至33.3 N，通過Ansys軟件計算鋼針受到最大壓力(如圖9所示)，得到鋼針受到壓力隨施加載荷變化的曲線。

圖9 鋼針受壓隨軸向力的變化曲線Fig.9 Change curve of pressure of steel needle with axial force

由圖9可知，當(dāng)加載的力小于7.5 N時，鋼針夾持器孔壁未接觸到鋼針，鋼針不受壓力，隨著加載的力逐漸增大，鋼針的受力逐漸增加，當(dāng)加載的力等于33.3 N時，鋼針夾持器產(chǎn)生向內(nèi)的徑向擴張，鋼針受力最大為20.7 N，大于鋼針所受最大靜摩擦力，可保證將鋼針置換。

在滿足鋼針夾持器夾持鋼針力的同時，設(shè)計中還要考慮其疲勞壽命。仿真計算出鋼針夾持器在反復(fù)夾持工作時的壽命為1×106h，可靠性好，滿足設(shè)計要求。

4 實驗驗證

實驗采用艾普SF-300 N型數(shù)顯高精度拉力推力計，該設(shè)備具有工作跟蹤模式和峰值保持模式，其精度為±0.5%，滿足實驗過程中鋼針夾持器的受力變化和精度要求。選用碳布厚度為0.25 mm，碳布正交疊層經(jīng)穿刺機穿刺、加壓密實，層間距為 0.68 mm，含Z向鋼針立體織物的厚度為32 mm。

測力計測出含Z向鋼針立體織物鋼針所受的最大靜摩擦力為3.3 N。在鋼針夾持器夾持鋼針的過程中，隨著軸向力的逐漸增大，薄壁彈性夾持器發(fā)生彈性形變，當(dāng)軸向力為8.7 N時，內(nèi)壁與鋼針接觸，但鋼針不受力。當(dāng)軸向力為19.4 N時，鋼針夾持器夾緊鋼針，大于鋼針所受的最大靜摩擦力，完成鋼針置換工作，實驗測試過程如圖10所示。

圖10 實驗測試過程Fig.10 Experimental testing process

為驗證鋼針夾持器工作的可靠性與穩(wěn)定性，進行了10次鋼針夾持實驗，結(jié)果見表1。

表1 實驗結(jié)果統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of experiment results N

鋼針夾持置換實驗中，10次鋼針夾持實驗均順利地將鋼針置換，成功率為100%；當(dāng)夾緊力為19.4 N時，鋼針被順利置換。表明鋼針夾持器工作原理正確，工作穩(wěn)定可靠，滿足鋼針置換要求。

5 結(jié) 論

針對含Z向鋼針的立體織物人工逐根置換鋼針的不足及傳統(tǒng)夾持器不能滿足實際需求的現(xiàn)狀，設(shè)計了適用于鋼針置換的專用鋼針夾持器。該專用鋼針夾持器自動化程度高，定位精準，能快速實現(xiàn)夾緊與松弛。對鋼針夾持器工作過程進行受力分析與仿真發(fā)現(xiàn)，鋼針置換工作可靠，能持續(xù)進行。為驗證工作原理的可行性，進行了夾持置換鋼針的實驗，結(jié)果表明鋼針夾持器原理可行，工作可靠。

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