姬靈超，董九志，蔣秀明

(天津工業(yè)大學 天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室，天津 300387)

0 引言

單邊雙針縫合技術(shù)是碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體成型制造的關(guān)鍵，由于其自由度高、靈活性好，且不受縫合對象空間形狀影響，已經(jīng)被西方發(fā)達國家廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。歐美國家致力于在飛機項目上用單邊雙針縫合技術(shù)縫合制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，促進了縫合設(shè)備的研制與改良。德國ALTIN Naehtechnik公司對單邊雙針縫合設(shè)備及技術(shù)進行了一系列研究，用機械手臂控制縫合頭專門用于復(fù)合材料預(yù)制件生產(chǎn)。KSL公司采用工業(yè)機器人結(jié)合單邊雙針縫合技術(shù)，先后用于對家具用品、汽車氣囊以及碳/碳復(fù)合材料飛機零部件的生產(chǎn)制造[1-2]。

天津工業(yè)大學姚福林等人對復(fù)合材料單邊縫合機械手系統(tǒng)及其縫合行為進行研究，制作單邊雙針縫合設(shè)備并進行縫合實驗[3]。南京航空航天大學潘杰等人對三維增強復(fù)合材料單面雙針縫合裝備技術(shù)進行研究，對搭接預(yù)浸料進行縫合并驗證了縫合性能[4]?？傮w來說，我國對單邊雙針縫合技術(shù)的研究還處于探索和實驗階段，縫合設(shè)備及縫合動作還存在很大的不穩(wěn)定性，且現(xiàn)有縫合工藝縫合時多采用玻璃纖維或芳綸纖維等紗線，相關(guān)資料表明[5]，碳/碳復(fù)合材料作為航天類結(jié)構(gòu)件時，采用碳纖維縫合最能滿足其特殊的性能要求，筆者對工藝改進后可直接采用碳纖維進行縫合，明顯提高了材料性能。

1 單邊雙針縫合工藝

現(xiàn)有的單邊雙針縫合工藝是由兩根縫合針在縫料一側(cè)配合完成，其主要工藝過程如圖1所示，圖中傾斜放置的為引線針，垂直放置的為鉤線針。

圖1 單邊雙針縫合工藝線跡形成過程

縫合開始時，先由引線針帶著紗線穿過縫料到達縫料下表面，當引線針到達下極限位置后在回退的過程中，由于紗線與縫料之間存在摩擦力，會使部分紗線在縫料下表面聚集形成線環(huán)，然后鉤線針滯后于引線針刺穿縫料，并在引線針上線環(huán)達到理想狀態(tài)時鉤住線環(huán)，把線環(huán)帶回到縫料上表面，隨后鉤線針帶著紗線相對縫料向前移動一個針距，待鉤線針再次下降刺入縫料時其針桿穿過線環(huán)，鉤線針下到縫料下表面鉤住線環(huán)，并將線環(huán)帶回從上一線環(huán)中穿出，依次循環(huán)，形成環(huán)環(huán)相扣的鎖扣線跡，即OSS線跡，如圖2所示。

圖2 OSS線跡

改進前的縫合工藝，為實現(xiàn)線跡的環(huán)環(huán)鎖扣，鉤線針每次縫合需要從上一線環(huán)中穿過，到達縫料下面鉤住線環(huán)后，再把線環(huán)從上一線環(huán)中帶出，此過程中，鉤線針針鉤朝前放置(縫合路徑的前進方向)并在線環(huán)形態(tài)達到理想狀態(tài)時直接鉤取線環(huán)，因為鉤線針只能沿其軸線做往復(fù)直線運動，鉤取線環(huán)的過程只能靠線環(huán)自己進入針鉤，這就對線環(huán)及針鉤的位置配合關(guān)系要求極為嚴格，稍有偏差就會鉤取失敗，如圖3a)所示。

a) 漏鉤 b) 誤鉤 1—鉤線針；2—引線針。圖3 改進前鉤線針鉤線方式

若鉤線針成功鉤住線環(huán)，再將線環(huán)帶回縫料上表面時，由于紗線受張力的影響，因為鉤線針刺入縫料時穿過而被套在針桿上的線環(huán)此時已經(jīng)緊貼針桿，并會在鉤線針針鉤露出縫料上表面的同時順勢滑入針鉤，這就會使鉤針把上一周期的線環(huán)連同鉤起，造成誤鉤，如圖3b)所示，一旦發(fā)生漏鉤、誤鉤問題縫合就會被迫停止，這就是原有縫合工藝不能連續(xù)進行縫合的關(guān)鍵因素。

2 單邊雙針縫合工藝改進

2.1 鉤線環(huán)鉤線方式改進

基于上述縫合工藝的不足，對縫合工藝進行改進，改進后的鉤線過程如圖4所示。

a) 鉤線 b) 穿環(huán) 1—鉤線針；2—引線針；3—撥線機構(gòu)。圖4 改進后鉤線針鉤線方式

工藝改進前由引線針帶著紗線刺穿縫料到達縫料底部，并在回退過程中形成線環(huán)，鉤線針滯后于引線針下降到縫料下表面，在線環(huán)成型后直接鉤住線環(huán)并把紗線帶到縫料上表面，此工藝在鉤線過程中，鉤線針針鉤朝前放置(縫合路徑的前進方向)。

工藝改進后，在引線針上線環(huán)成型后，鉤線針由直接鉤取線環(huán)轉(zhuǎn)為先插入線環(huán)，同時給紗線適當張力，確保紗線緊貼針桿，在鉤線針上升的過程中，紗線在縫料底部沿針桿向下滑動，待鉤線針針鉤接近縫料下表面時，線環(huán)沿針桿滑入針鉤，實現(xiàn)針鉤鉤線過程，如圖4a)所示。

2.2 鉤線針針鉤朝向改進

改進前，鉤線針針鉤朝前放置(縫合路徑的前進方向)。這樣會使鉤線針帶著紗線返回到縫料上表面時發(fā)生誤鉤問題，并在鉤線針相對于縫料向前移動時帶著上一線環(huán)一起移動，速度過快或張力過大時還有可能扯斷紗線。

改進后，鉤線針針鉤朝后放置，這樣即可避免鉤線針針鉤在露出縫料時誤鉤到上一線環(huán)。

2.3 增加撥線機構(gòu)

改進后，針鉤朝后放置，為了實現(xiàn)線跡鎖扣，需要增加撥線機構(gòu)[6-7]，當鉤線針帶著紗線到達上極限位置時把紗線撥回使其重新套在針桿上，滿足鉤線針在刺入縫料時必須從上一線環(huán)中穿過的要求，如圖4b)所示。

改進后的縫合工藝線跡形成過程如圖5所示。

其線跡形成過程為：先由引線針帶著紗線穿過縫料并在回退時形成線環(huán)，鉤線針滯后于引線針刺入縫料，在線環(huán)形成時先插入線環(huán)，隨后在上升過程中由紗線自行滑入針鉤，鉤線針將線帶到縫料上表面，并向前移動，在其到達上極限位置時，由撥線機構(gòu)將紗線撥回，使鉤線針再次下降時能夠穿入線環(huán)，實現(xiàn)線跡鎖扣。

圖5 改進后縫合工藝線跡形成過程

3 工藝改進前后實驗對比

為了驗證改進后的縫合工藝能否成功避免漏鉤、誤鉤，分別采用兩種工藝進行縫合實驗。實驗采用專門針對改進工藝設(shè)計的單邊雙針縫合樣機。

通過觀察鉤線針鉤線情況，在縫合實驗中發(fā)現(xiàn)，原有的縫合工藝，很容易出現(xiàn)漏鉤、誤鉤問題，如圖6所示。

a) 漏鉤

b) 誤鉤

改進后的縫合工藝，可以有效避免漏鉤、誤鉤缺陷，如圖7a)所示，鉤線針順利鉤住線環(huán)，針鉤方向朝后，恰好從上一線環(huán)中把紗線帶出，避免了誤鉤；圖7b)是在鉤線針即將下降時撥線鉤把線環(huán)撥回環(huán)繞針桿的過程。

a) 鉤線針鉤取線環(huán)

b) 撥線鉤撥回線環(huán)

圖7 改進后工藝鉤針鉤取線環(huán)

4 結(jié)論

4.1單邊雙針縫合技術(shù)是用來對碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體進行加工生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，現(xiàn)有的縫合工藝由鉤線針和引線針配合完成，縫合過程由于鉤線針針鉤朝向問題會產(chǎn)生漏鉤、誤鉤，導(dǎo)致縫合過程無法繼續(xù)進行，也無法保證材料性能。

4.2針對現(xiàn)有工藝中的缺陷對單邊雙針縫合工藝進行了改進，改變鉤線針針鉤朝向，增加撥線機構(gòu)，并采用針對改進工藝專門設(shè)計的單邊縫合裝置樣機進行縫合實驗，驗證改進后的縫合工藝可有效避免漏鉤、誤鉤，保證縫合連續(xù)穩(wěn)定進行，增強材料性能。