白云峰，陳一鳴，丁 浩，朱世根

(1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620； 2.東華大學(xué) 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620)

針織行業(yè)中，織針的質(zhì)量直接影響著針織物的質(zhì)量和生產(chǎn)效率[1]。導(dǎo)紗針的主要功能是墊紗，作為經(jīng)編機(jī)成圈機(jī)構(gòu)的重要輔助件，其精度要求高、安裝量大，必須使用多工位級進(jìn)模沖壓成型才能滿足要求[2]。一般導(dǎo)紗針選用帶材作為制針原料，沖裁面多，表面品質(zhì)難以保證。選用與導(dǎo)紗針等寬同厚的扁絲作為制針原料，可減少沖裁面，并提高光潔度，本文分析了制造過程中的導(dǎo)料與切斷方式對導(dǎo)紗針針坯質(zhì)量的影響，并提出了相應(yīng)的解決方案，制造出了符合要求的針坯。

1 初步確定沖壓工序

圖1所示為導(dǎo)紗針結(jié)構(gòu)示意圖，材料選用截面尺寸為1.05 mm×0.44 mm的SWP-B鋼扁絲。由圖示出，該型導(dǎo)紗針尺寸小，由針桿、帶導(dǎo)紗孔的針頭與針尾3部分組成。其特點(diǎn)為：①針頭部在厚度方向上呈楔形，與針桿連接處雙側(cè)以1.21°的斜面過渡，最薄處為0.23 mm。②圓形導(dǎo)紗孔位于針頭頂端，導(dǎo)紗孔邊緣距針頭最薄處僅為0.45 mm。③針頭外輪廓采用圓弧過渡，且與導(dǎo)紗孔具有一定的形位關(guān)系。④選用與針桿等寬同厚的扁絲為原料，其外形即為導(dǎo)紗針桿部分的輪廓。⑤針尾還有2個壓印，以提高鑲鑄后導(dǎo)紗針與鑲鑄塊的連接強(qiáng)度。

單位：mm。

結(jié)合圖1可知，導(dǎo)紗針成型的基本工序包括：①自由鍛(壓扁)：尾印與雙側(cè)斜面過渡的楔形針頭成型；②沖孔：導(dǎo)紗孔成型；③落料：楔形針頭側(cè)面輪廓成型，切斷分離。此外，采用級進(jìn)模生產(chǎn)時，原料上應(yīng)有導(dǎo)正孔或側(cè)刃用以定位。

導(dǎo)紗孔直徑與外圓弧輪廓直徑設(shè)計值分別為1.22 mm與1.85 mm，超過了原料尺寸的1.05 mm。因此導(dǎo)紗孔與外緣輪廓的成型需先對扁絲進(jìn)行壓扁。

導(dǎo)紗針的楔形頭與尾印成型時，金屬在送料方向產(chǎn)生塑性流動，該區(qū)域扁絲長度的增加量影響著送料步距，須將這2個可能導(dǎo)致扁絲伸長的部位集中在同一道工序，并沖出導(dǎo)正孔用于定距。

扁絲寬度1.05 mm，沖側(cè)刃或?qū)д锥己芾щy。利用楔形頭的自由鍛，可以在楔形頭前多鍛出一扁平段，在扁絲寬度增加的情況下，在該段沖直徑足夠的導(dǎo)正孔。

綜合上述因素后，確定導(dǎo)紗針的沖壓工序如圖2所示。

圖2 導(dǎo)紗針沖壓工序

選用與導(dǎo)紗針針桿等寬同厚的扁絲為原料，扁絲外形即為導(dǎo)紗針輪廓的一部分，故導(dǎo)紗孔與針頭側(cè)面輪廓的沖裁過程中的定位基準(zhǔn)只能依靠扁絲無變形部分的外形。常見的帶材有充足的空間供第1個工位沖出雙側(cè)導(dǎo)正孔或側(cè)刃，以增強(qiáng)加工特征的定位精度[3-5]，而扁絲只能采用單導(dǎo)正孔進(jìn)行導(dǎo)向，送料過程中容易發(fā)生擺動，故必須對扁絲進(jìn)行有效的橫向定位。

2 扁絲的定位方案

2.1 定位零件的選用

圖3所示為選用的定位零件：導(dǎo)正塊、導(dǎo)正銷和導(dǎo)料銷。圖4為使用圓柱形導(dǎo)料銷時，扁絲的橫向定位示意圖。

圖3 定位零件

1、2、5—導(dǎo)正塊； 3、4、6、7、8—圓柱形導(dǎo)料銷； 9—壓扁壓印； 10—沖導(dǎo)正孔； 11、12—空位； 13—沖導(dǎo)紗孔； 14—切斷分離。

圖1所示的楔形頭兩側(cè)要求關(guān)于導(dǎo)紗針中心對稱，則壓扁壓印成型前，需對扁絲進(jìn)行導(dǎo)向，使其位于模具中心線。如圖4所示，導(dǎo)正塊“1”“2”上均開有1.12 mm×0.55 mm的槽口(圖3(a))，其尺寸略大于扁絲截面尺寸，所以扁絲的送進(jìn)方向與導(dǎo)正塊的導(dǎo)正方向間可能存在偏移角度。若僅采用單個導(dǎo)正塊進(jìn)行導(dǎo)向，約束能力較小,扁絲的送進(jìn)方向可能發(fā)生較大偏移，為取得更佳的導(dǎo)正效果，故在導(dǎo)正塊“1”之后添加導(dǎo)正塊“2”進(jìn)行輔助導(dǎo)向。導(dǎo)正塊導(dǎo)正示意圖見圖5。

圖5 導(dǎo)正塊導(dǎo)正示意圖

導(dǎo)正孔具有確定送料步距與扁絲垂直送料方向中心的作用，其位置精度決定了導(dǎo)紗孔和針頭側(cè)面輪廓的沖裁位置。沖導(dǎo)正孔時，需利用在第1工位壓出的導(dǎo)紗針尾印確定扁絲的送料長度，此外扁絲經(jīng)壓扁后局部寬度增加，垂直送料方向的定位基準(zhǔn)只能依靠扁絲無變形部分的外形。此時，可采用圖4中“3”“4”處的圓柱形導(dǎo)料銷錯位分布在模具中軸線兩側(cè)用于扁絲的橫向定位。

圓柱形導(dǎo)料銷便于脫料，同時模具上安裝較為簡單，在扁絲自身直線度特別理想時(圖6(a))，有助于獲得較好的定位效果。但圓柱形導(dǎo)料銷只能通過接觸點(diǎn)約束扁絲的位置，若扁絲局部呈小幅度的波浪狀(圖6(b))，在送料機(jī)構(gòu)送進(jìn)時，由于接觸面積小，約束力不夠，扁絲容易發(fā)生橫向擺動，導(dǎo)致導(dǎo)正孔、導(dǎo)紗孔和外輪廓沖裁時位置不準(zhǔn)確。

圖6 圓柱形導(dǎo)料銷導(dǎo)正示意圖

若采用楔形導(dǎo)料銷(圖3(d))替代圓柱形導(dǎo)料銷對扁絲進(jìn)行橫向定位，可將點(diǎn)接觸優(yōu)化為線接觸，有效地制約扁絲在送料過程中的橫向擺動，配合導(dǎo)正孔的輔助定位，可保證扁絲在各工位具有更高的定位精度。圖7為楔形導(dǎo)料銷的導(dǎo)正示意圖，在模具的下行過程中，將扁絲引導(dǎo)并固定在楔形凹槽中，扁絲由導(dǎo)正前的彎曲狀態(tài)(圖7(a))經(jīng)嚴(yán)格限制固定在與楔形面平行的位置(圖7(b))。雖然楔形導(dǎo)料銷導(dǎo)正效果較好，但在模具上的安裝難度大。

圖7 楔形導(dǎo)料銷導(dǎo)正示意圖

在圖4中的空位“11”“12”，均設(shè)置導(dǎo)正銷(圖3(b))提高送料精度。導(dǎo)正銷和導(dǎo)正孔相互配合，導(dǎo)正銷順利插入導(dǎo)正孔時還可起到輔助扁絲垂直于送料方向定位的作用[6-7]。

在經(jīng)砸扁后的楔形頭沖導(dǎo)紗孔與針頭側(cè)面輪廓時均需要進(jìn)行橫向定位，否則扁絲發(fā)生橫向偏移時沖得的導(dǎo)紗針可能出現(xiàn)3種形態(tài)，一是如圖8(a)所示，導(dǎo)紗孔與理想中心線有較大程度偏離，外輪廓過渡良好；二是如圖8(b)所示，導(dǎo)紗孔偏離理想中心線程度相對較小，外輪廓經(jīng)沖裁后過渡不佳；三是如圖8(c)所示，導(dǎo)紗孔偏離程度大且外圓輪廓過渡差。

圖8 導(dǎo)紗針形態(tài)示意圖

2.2 沖裁實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證圓柱形導(dǎo)料銷和楔形導(dǎo)料銷對扁絲實(shí)際導(dǎo)正效果，按照上述2種導(dǎo)料與定位方案，進(jìn)行級進(jìn)模設(shè)計、完成了模具加工和模具裝配，使用SWP-B扁絲為原料，沖制了一批導(dǎo)紗針針坯。圖9為放大20倍的導(dǎo)紗針針坯。

圖9 導(dǎo)紗針針坯(×20)

使用基恩士VHX-1000超景深顯微鏡的測繪功能對導(dǎo)紗孔的位置進(jìn)行檢測，導(dǎo)紗孔位置檢測示意圖見圖10。其測量方法是過導(dǎo)紗孔圓心向?qū)Ъ嗎樰喞吘壸鞔咕€，分別測得上、下垂距的值a、b。其中上、下垂距差的絕對值|a-b|可用來衡量導(dǎo)紗孔圓心偏離中心線的程度。|a-b|的數(shù)值越小，則表示導(dǎo)紗孔位置越好。

圖10 導(dǎo)紗孔位置檢測示意圖

圖11為導(dǎo)紗孔偏移數(shù)據(jù)的箱形圖。由圖可知，采用圓柱形導(dǎo)料銷時，|a-b|最大為106.48 μm，最小為26.82 μm。采用楔形導(dǎo)料銷時|a-b|最大為29.43 μm，最小為0.13 μm。圖中陰影部分是樣本數(shù)據(jù)按從小到大排序時，第25%到第75%的數(shù)據(jù)分布情況，楔形導(dǎo)料銷|a-b|數(shù)值分布更為集中且數(shù)值范圍遠(yuǎn)小于圓形導(dǎo)料銷，故而采用楔形導(dǎo)料銷作為定位零件能有效減少扁絲的橫向偏移，獲得更好的定位效果。

圖11 導(dǎo)紗孔偏移數(shù)據(jù)的箱形圖

楔形導(dǎo)料銷的使用雖可起到較好的定位效果，但使用基恩士VHX-1000超景深顯微鏡，將針坯放大50倍獲得的導(dǎo)紗孔照片見圖12，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)紗孔靠近針頭外輪廓的部分(圖12中箭頭指向的部位)向孔內(nèi)側(cè)發(fā)生塑性變形，需對變形原因進(jìn)行探討。

圖12 導(dǎo)紗孔照片(×50)

3 導(dǎo)紗孔變形分析

導(dǎo)紗針外圓輪廓成型屬于典型的開放式?jīng)_裁，過程中伴有側(cè)向力的產(chǎn)生[8]，導(dǎo)紗孔邊緣距針頭最薄處僅0.45 mm，側(cè)向力易致導(dǎo)紗孔變形。

圖13 針坯非封閉沖裁受力情況

3.1 切斷過程中的孔變形解決方案

由上可知，采用先沖孔后切外輪廓的工序安排，易造成導(dǎo)紗孔的變形。為避免導(dǎo)紗孔的變形問題，原則上應(yīng)在切外輪廓時對導(dǎo)紗孔進(jìn)行保護(hù)(如在導(dǎo)紗孔中插入保護(hù)銷)，或?qū)?dǎo)紗孔和外圓輪廓的沖裁設(shè)計在同一工位進(jìn)行，但考慮到凹凸模的強(qiáng)度及空間復(fù)雜程度，很難實(shí)現(xiàn)[9-11]；若采用先切斷后沖導(dǎo)紗孔的方案,那么切斷之后,針坯在下一工位的送料就無法實(shí)現(xiàn)。

將針坯的外形沖裁與沖導(dǎo)紗孔安排在相鄰的2個工位(圖14中第5、6工位所示)，可實(shí)現(xiàn)針坯分離、外圓輪廓與導(dǎo)紗孔的一次性沖裁。

圖14 改進(jìn)后導(dǎo)紗針沖壓排樣圖

1—上模座； 2—墊板； 3—壓扁、壓印凸模； 4—沖導(dǎo)正孔凸模；5—卸料彈簧；6—切斷凸模； 7—沖導(dǎo)紗孔凸模； 8、14—螺栓；9—凸模固定板； 10—止板； 11—卸料板； 12—凹模固定板； 13—下墊板； 15、31—銷釘； 16—導(dǎo)紗孔凹模； 17—切斷凹模； 18—導(dǎo)正孔凹模； 19—壓扁、壓印凹模； 20—彈簧；21—下模座； 22—內(nèi)導(dǎo)柱； 23、27、32——導(dǎo)正塊； 24—外導(dǎo)柱； 25、26、28、29—楔形導(dǎo)料銷； 30—吹氣銷。

根據(jù)改進(jìn)后的排樣方案進(jìn)行模具設(shè)計，導(dǎo)紗針多工位級進(jìn)模具總裝圖如圖15所示。在模具開啟狀態(tài)下，送料機(jī)構(gòu)將扁絲送至指定工位。上模座“1”在壓力機(jī)的帶動下向下移動，帶動固定于卸料板“11”上的導(dǎo)料銷(28、29)，將扁絲引導(dǎo)固定在楔形凹槽中，隨后卸料板“11”與凹模固定板“12”將扁絲壓緊。上模繼續(xù)下行時，彈簧“5”處于壓縮狀態(tài)，使固定在凸模固定板“9”上的切斷凸模“6”與沖孔凸?！?”較卸料板“11”產(chǎn)生相對運(yùn)動。

切斷凸模與沖孔凸模相對位置如圖16所示，“3”“4”為切斷凸模與沖孔凸模在下行過程中的相對位置，沖孔凸模相對于切斷凸模有0.6 mm的高度差。此時沖孔凸模首先接觸扁絲進(jìn)行沖孔，沖孔后上模繼續(xù)下行時，切斷凹凸模組件(圖17、18)沿著刃口輪廓切出相鄰針坯連接處的外緣輪廓，同時也將中間載體切除，實(shí)現(xiàn)針坯分離。在切斷凹凸模組件工作期間，沖孔凸模仍在沖出的導(dǎo)紗孔中，可增強(qiáng)定位效果。切斷時, 扁絲上的楔形頭還沒有孔,外圓輪廓不易變形。

1—卸料板； 2—切斷凸模保護(hù)套； 3—切斷凸模； 4—沖孔凸模；5—沖孔凸模保護(hù)套。

圖17 切斷凸模鑲塊

圖18 切斷凹模鑲塊

3.2 改進(jìn)設(shè)計后的針坯檢測

圖19為模具改進(jìn)后采用切斷分離和沖導(dǎo)紗孔一次完成的工藝獲得的針坯。利用VHX-1000超景深顯微鏡的測繪功能，在圖片上導(dǎo)紗孔邊緣任取3點(diǎn)，即可生成由該3點(diǎn)決定的圓，即圖19標(biāo)示的實(shí)線圓，該圓與導(dǎo)紗孔邊緣符合良好，說明導(dǎo)紗孔變形問題已解決。使用同種方法可獲得由外圓輪廓確定的圓，即圖19標(biāo)示的虛線圓,表明針坯的外圓輪廓與針桿連接部位實(shí)現(xiàn)了平滑過渡。

圖19 改進(jìn)后模具沖制的導(dǎo)紗孔(×50)

4 結(jié)束語

導(dǎo)紗針各加工特征均與扁絲在送料過程中的定位緊密相關(guān)。將壓扁壓印集中在一道工序，采用導(dǎo)正塊、導(dǎo)正銷與導(dǎo)料銷作為定位零件，保證了成型過程中扁絲位置的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)相較于圓柱形導(dǎo)料銷，楔形導(dǎo)料銷能更有效地減小送料過程中的扁絲橫向偏移，達(dá)到了較好的定位效果。針對導(dǎo)紗孔變形的問題，提出了切斷分離與沖導(dǎo)紗孔一次完成的工藝，結(jié)果證實(shí)該方案可有效避免側(cè)向力造成的導(dǎo)紗孔變形。經(jīng)對比檢測，新沖制獲得的導(dǎo)紗針針坯，尺寸穩(wěn)定、導(dǎo)紗孔無變形，針坯外形輪廓過渡好，整體品質(zhì)良好。