錠盤的發(fā)展與演進(jìn)

翁 明，高金龍，劉 剛

（河南二紡機(jī)股份有限公司，河南 信陽 464000）

0 引言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展導(dǎo)致市場競爭日趨激烈，企業(yè)生存時(shí)刻面臨著各方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。高產(chǎn)是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最基本的措施，而環(huán)錠細(xì)紗機(jī)高產(chǎn)最基本的措施是高速化。錠子是環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的關(guān)鍵部件，也是加捻卷繞機(jī)構(gòu)中的核心部件，其性能良好與否與細(xì)紗機(jī)產(chǎn)量、紗線的質(zhì)量等密切相關(guān)。要實(shí)現(xiàn)細(xì)紗機(jī)高速化生產(chǎn)，首先要實(shí)現(xiàn)錠子高速化。錠子高速化一定要走在細(xì)紗機(jī)高速化的前列，且兩者之間應(yīng)拉開距離。錠盤的發(fā)展與演進(jìn)就是為了順應(yīng)錠子高速、高效和節(jié)能的要求而產(chǎn)生的。我們在錠盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、形狀設(shè)計(jì)和使用材料上做了很大的改進(jìn)與調(diào)整，以期錠盤在高速、高效和節(jié)能型的錠子上更好地發(fā)揮其作用。

1 錠盤的出現(xiàn)

纖維加捻成紗的發(fā)明也正是紗錠的起源，錠子的起源至少要追溯到新石器時(shí)代。當(dāng)時(shí)我們的祖先發(fā)明了一種紡紗工具，就是現(xiàn)代紡錠的鼻祖——紡縛。紡縛在當(dāng)時(shí)是由陶片或石片制作的縛盤及縛桿兩部分組成。西漢時(shí)期冶鐵技術(shù)得到較大發(fā)展，出現(xiàn)了用鐵桿制作的紡縛［1］。后來手工紡車用的錠子就成為現(xiàn)代細(xì)紗機(jī)錠子的雛形。到了18世紀(jì)，工業(yè)革命大大促進(jìn)了紡織技術(shù)的發(fā)展，古老的手工紡紗逐漸被機(jī)器紡紗所取代，先后歷經(jīng)以下幾個(gè)階段。

1.1 珍妮紡紗機(jī)。該紡紗機(jī)有16～18個(gè)錠子，是紡紗技術(shù)上的一大進(jìn)步。

1.2 水力傳動(dòng)的紡紗機(jī)。從此機(jī)器傳動(dòng)代替了人力傳動(dòng)，這種紡紗機(jī)牽伸由三對(duì)羅拉完成，加捻所用的錠子是翼錠。翼錠在高速時(shí)錠臂在離心力的作用下易發(fā)生很大變形，影響轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)因空氣阻力大導(dǎo)致機(jī)器的功率消耗過大。

1.3 走錠紡紗機(jī)。

1.4 自動(dòng)走錠紡紗機(jī)。這種紡紗方法紡出的紗線細(xì)而柔軟，比環(huán)錠紡豐滿，手感柔軟，整齊度、均勻性好，但其加捻和卷繞過程是先后分別完成的，因此機(jī)器生產(chǎn)率和勞動(dòng)效率都較低。

到了19世紀(jì)中葉，美國發(fā)明家費(fèi)爾斯（Fales）和詹克斯（Jenks）設(shè)計(jì)了一種平面軸承錠子。當(dāng)時(shí)錠速約為6kr／min，其上下軸承均用滑動(dòng)軸承且不封閉，由于不能儲(chǔ)油防塵，所以需要每天加油，且易油污機(jī)器及紗線。后來，美國的拉貝思（Rabbeth）將錠底和軸承封閉在一個(gè)殼體內(nèi)，使錠子發(fā)展成為由錠桿、錠盤、支承件、錠腳、錠鉤、制動(dòng)器等零部件組成的綜合體［2］。

2 桿盤的作用及質(zhì)量要求

2.1 帶動(dòng)紗管轉(zhuǎn)動(dòng)以完成對(duì)紗線的加捻及卷繞

我們知道錠子主要由桿盤和下支撐組成，桿盤是錠子的高速回轉(zhuǎn)部件，帶動(dòng)套在其上的紗管轉(zhuǎn)動(dòng)以完成對(duì)紗線的加捻及卷繞作用。為了保證錠子在高速紡紗時(shí)桿盤的振程在規(guī)定范圍以內(nèi)，所以要求桿盤有很好的跳動(dòng)和同軸度。桿盤是由錠桿和錠盤通過錐面壓配在一起的，圖1是現(xiàn)行光桿桿盤的示意及跳動(dòng)要求［3］。為了保證錠桿和錠盤壓配后的質(zhì)量要求，錠桿與錠盤也必須滿足各自的質(zhì)量要求，圖2是錠盤示意及質(zhì)量要求［4］。

圖1 光桿錠子桿盤圓跳動(dòng)要求

圖2 錠盤結(jié)構(gòu)

2.2 錠盤起傳動(dòng)帶輪的作用

細(xì)紗機(jī)主軸上滾盤通過皮帶（錠帶）和錠盤錠帶檔組成傳動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)細(xì)紗機(jī)主軸帶動(dòng)滾盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾盤就通過套在錠盤錠帶檔的皮帶將動(dòng)力傳遞給桿盤帶動(dòng)桿盤高速回轉(zhuǎn)，桿盤又帶動(dòng)套在其上的紗管轉(zhuǎn)動(dòng)以完成對(duì)紗線的加捻及卷繞作用。錠子的轉(zhuǎn)速越高，紡紗效率就越高。假如錠子轉(zhuǎn)速為16kr／min需6h落紗一次，那么，當(dāng)錠速為20kr／min時(shí)則僅需4h就可以落紗一次。由此可知，要提高錠子轉(zhuǎn)速有3種基本方案可供選擇，即提高細(xì)紗機(jī)主軸轉(zhuǎn)速、增大滾盤直徑和減小錠盤錠帶檔直徑。雖然，提高細(xì)紗機(jī)主軸轉(zhuǎn)速和增大滾盤直徑可以提高錠子轉(zhuǎn)速，但增加了細(xì)紗機(jī)的能耗，得不償失，且細(xì)紗機(jī)大軸長度達(dá)到30m～50m，加之當(dāng)今細(xì)紗機(jī)制造水平的限制，過高的轉(zhuǎn)速易引起細(xì)紗機(jī)振動(dòng)，影響成紗質(zhì)量，進(jìn)而限制了錠子速度的提高。目前細(xì)紗機(jī)錠子最高轉(zhuǎn)速達(dá)30kr／min～35kr／min，所以減小錠盤錠帶檔直徑已成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最簡單、最實(shí)用的提高錠子轉(zhuǎn)速、節(jié)能和增效的方法。

3 鑄鐵錠盤

3.1 鑄鐵錠盤是歷史的選擇

早期的錠盤受當(dāng)時(shí)材料和制造工藝水平以及紡紗速度普遍較低（12kr／min～16kr／min）的限制，全部是鑄鐵錠盤。從圖2看到，這樣形狀的零件采用鑄鐵件也是很合理的工藝路線，價(jià)格比較便宜，所以到目前為止，國內(nèi)市場上所有速度低于16kr／min的錠子仍是配用的鑄鐵錠盤。目前鑄鐵錠盤雖仍有不小的市場空間，但隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場競爭的日趨激烈，紡織企業(yè)對(duì)高速、高效、節(jié)能型錠子的需求變得越來越迫切，鑄鐵錠盤因其本身的不足和缺陷將會(huì)越來越不能適應(yīng)未來技術(shù)的發(fā)展和市場需求。

3.2 鑄鐵錠盤的局限

3.2.1 工作環(huán)境差

鑄鐵錠盤的鑄造生產(chǎn)規(guī)模小，技術(shù)水平低，污染嚴(yán)重，能源和原材料消耗高，機(jī)加工車間粉塵大，吸塵器的作用極為有限，所以工人勞動(dòng)條件非常差。

3.2.2 材料均勻性差，不適應(yīng)高速

由于受我國整體鑄造水平較低的限制，鑄鐵錠盤的質(zhì)量不高，加工余量大，存在砂眼、夾雜、卷氣和疏松等缺陷。鑄鐵錠盤的這些缺陷導(dǎo)致了其質(zhì)量偏心，高速時(shí)會(huì)引起錠子的強(qiáng)迫振動(dòng)，所以不能用在高速錠子上。

3.2.3 材料強(qiáng)度差，不能做小錠帶檔

鑄鐵錠盤的材料強(qiáng)度有限，為了避免錠盤錠帶檔斷裂，至少要有2mm的厚度。如果用φ7.8mm的紡錠軸承錠盤錠帶檔最小只能做到φ22mm，如果用φ6.8mm的紡錠軸承錠盤錠帶檔最小也只能做到φ20.5mm，但為了提速，錠盤錠帶檔要求設(shè)計(jì)為φ19mm或φ18.5mm，甚至更小，很明顯這對(duì)于鑄鐵錠盤來說是不可能做到的。

3.2.4 毛坯供應(yīng)不足

鑄鐵鑄造和加工受到國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的限制，市場供給逐年萎縮，所以錠盤毛壞供應(yīng)不足。

4 鋼錠盤

4.1 鋼錠盤是功能性選擇，是技術(shù)發(fā)展的必然

隨著歷史的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，錠子的高速化已不僅僅是一個(gè)概念或趨勢，而成了迫切的技術(shù)要求，在這樣的背景條件下，為了滿足高速錠子的制造和使用要求，鋼錠盤便應(yīng)運(yùn)而生了。

4.2 鋼錠盤的特點(diǎn)

[66]U Nu, Burma Looks Ahead: Translation of Selected Speeches by the Hon’ble U Nu from 19th July 1951 to 4th August 1952. Rangoon, Government printing and Stationary, 1953, p. 98.

4.2.1 材料均勻性好，適應(yīng)高速

鋼錠盤材料均勻性好，加工時(shí)只要滿足圖2所示錠盤的各項(xiàng)精度要求，基本不存在質(zhì)量偏心的問題，可以很好地滿足高速錠子對(duì)錠盤的要求。

4.2.2 材料剛度好，可做小錠帶檔，適應(yīng)高速

鋼錠盤的材料剛度好。為了保證錠盤錠帶檔有足夠的強(qiáng)度和剛度，最薄處只需要有0.5mm的厚度，如果用φ7.8mm的紡錠軸承錠盤錠帶檔最小可以做到φ19.5mm，如果用φ6.8mm的紡錠軸承錠盤錠帶檔最小可以做到φ18.5mm，甚至更小，可以滿足紡紗企業(yè)對(duì)錠子提速的要求。

4.2.3 材料成本高

鋼錠盤的材料成本高，而且加工難度較鑄鐵錠盤大，所以設(shè)備投入和刀具消耗等費(fèi)用也相對(duì)較多。由于鋼錠盤初始加工使用棒料車削工藝，導(dǎo)致毛坯有很大的加工余量，見圖2。材料利用率也很低。

5 降低鋼錠盤成本的方法

為了更好地體現(xiàn)和發(fā)揮鋼錠盤的優(yōu)勢，必須降低鋼錠盤的成本，一方面要選擇合理的設(shè)備和刀具，另一方面要提高材料利用率，以降低成本。

5.1 擠壓毛坯

最開始做鋼錠盤時(shí)，很少使用數(shù)控車床及機(jī)加工刀具，所以鋼錠盤材料的可加工性就顯得尤為重要。為了適應(yīng)當(dāng)時(shí)的設(shè)備、刀具、工藝等技術(shù)條件，選擇易切削Y15鋼作為鋼錠盤材料，但價(jià)格比較昂貴。如果采用棒料車削，錠子配用鋼錠盤勢必造成成本明顯增加。由于易切削Y15鋼有很好的塑性，采用擠壓毛坯的工藝路線比較可行，先將合適的棒料擠壓成如圖3所示的毛坯形狀，然后通過機(jī)加工加工出成品。但用Y15鋼加工的錠盤在使用過程中非常不耐磨，用一段時(shí)間后錠帶檔有明顯磨損。隨著加工手段和技術(shù)的提高，改用45鋼加工錠盤，45鋼雖然很難適用擠壓毛坯的工藝路線，但價(jià)格相對(duì)便宜，既保證了成本又解決了錠帶檔磨損問題［5］。

圖3 鋼錠盤擠壓毛坯形狀

5.2 鋁套管錠子的出現(xiàn)

圖4 鋁套管錠子錠盤

為了適應(yīng)紡織行業(yè)高速、節(jié)能、自動(dòng)化的要求，鋁套管錠子應(yīng)運(yùn)而生［6］。鋁套管錠子所配用錠盤與光桿錠子配用錠盤相比，在結(jié)構(gòu)上有明顯的變化。圖4為常用鋁套管錠子配用的錠盤。鋁套管錠子配用錠盤與光桿錠子配用錠盤相比，材料利用率有了明顯提高。且加工鋁套管錠子錠盤時(shí)不再采用擠壓工序，在一定程度上也降低了錠盤成本。

6 鋼錠盤的發(fā)展

6.1 錠帶檔的小型化

研究發(fā)現(xiàn)，減小錠盤錠帶檔直徑已成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的提高錠子轉(zhuǎn)速、節(jié)能和增效最簡單、最實(shí)用的方法。近年來錠子錠盤的錠帶檔直徑做得越來越小，一方面是紡紗企業(yè)提速增效的需要，另一方面也展現(xiàn)了各錠子制造企業(yè)的技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)力。近年來市場上相繼出現(xiàn)了錠帶檔直徑分別為18.5mm和18 mm的錠子。河南二紡機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的一種超高速錠子錠帶檔直徑最小已達(dá)到15mm，為國內(nèi)乃至世界最小的錠帶檔［7］。

6.2 鋼錠盤的加工

鋼錠盤加工主要圍繞圖2所示的精度要求進(jìn)行。從圖2看到，錠盤所有外圓對(duì)錠盤壓配錐孔（基準(zhǔn)A）的跳動(dòng)、工藝孔（2∶100錐孔）對(duì)壓配錐孔的跳動(dòng)都是0.02mm，端面對(duì)壓配錐孔的跳動(dòng)是0.03 mm。為了保證精度，錠盤現(xiàn)行加工工藝基本都是先夾住外圓做好工藝孔，然后將錠盤固定在車床上自車成的死芯軸上完成外圓及壓配錐孔的精加工，如圖5所示。由于工裝死芯軸是在車床上自車的，其跳動(dòng)可以控制在0.005mm以內(nèi)，這樣加工的錠盤可以滿足圖2所示的各項(xiàng)形位公差要求，但每次裝夾錠盤時(shí)的敲擊會(huì)對(duì)機(jī)床主軸造成一定的傷害。

圖5 錐孔錠盤加工時(shí)工裝結(jié)構(gòu)示意

6.3 小錠帶檔給錠盤設(shè)計(jì)提出新要求（直工藝孔）

隨著錠盤錠帶檔直徑越來越小，對(duì)錠盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新要求。原來的帶錐度的工藝孔設(shè)計(jì)已不能適應(yīng)，必須將帶錐度的工藝孔改為直孔。如圖6所示，錠盤工藝孔套在上軸承座外圓上，上軸承座里面裝有紡錠軸承，現(xiàn)行常用的紡錠軸承有φ7.8 mm和φ6.8mm兩種。想將錠帶檔做到φ19mm甚至φ18.5mm，必須選用φ6.8mm的紡錠軸承，其外圓是φ14.5mm，這樣軸承座的外圓最小可以做到φ16mm。而要保證桿盤能夠正常轉(zhuǎn)動(dòng)，錠盤工藝孔與軸承座外圓之間至少要有0.8mm直徑量上的間隙，這也就意味著此時(shí)錠盤工藝孔最小是φ16.8mm，這時(shí)錠盤工藝孔必須設(shè)計(jì)為直孔，否則無法滿足錠盤錠帶檔的最低強(qiáng)度要求。錠帶檔設(shè)計(jì)得越小，錠帶檔厚度就越小。為了滿足錠帶檔的最低強(qiáng)度要求，其厚度不得小于0.5mm，比如錠盤錠帶檔設(shè)計(jì)為φ18.5mm，錠帶寬18mm，錠帶弧為R250mm，工藝孔錐度選用2∶100（錐度太小往芯軸上拍時(shí)差別太大），當(dāng)滿足錠盤工藝孔上部與軸承座外圓的最小間隙0.8mm時(shí)，圖6中Ⅰ處的厚度只有0.4mm，但如果將工藝孔設(shè)計(jì)為φ16.8mm直孔，則可以保證錠帶檔的最小厚度為0.7mm。

圖6 錠子桿盤件與錠腳上軸承配合示意

6.4 新工裝的設(shè)計(jì)（脹力芯軸）

錠盤工藝孔設(shè)計(jì)成直孔后，如果仍然用原來的死芯軸作為錠盤精車的工裝，就須先將錠盤工藝孔作成較小的錐孔，等在死芯軸上精車后反過來夾住外圓將工藝孔鏜成直孔。很明顯，這樣的工藝安排很不合理，但在錠盤初設(shè)計(jì)為直工藝孔時(shí)，其工藝就是這樣編排的。一方面是因?yàn)楫?dāng)時(shí)小尺寸錠帶檔的錠子（φ19mm或φ18.5mm）還比較少，工藝雖然麻煩，但還可以用；隨著小錠帶檔錠子的產(chǎn)量越來越大，此工藝就費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢又費(fèi)力。所以，設(shè)計(jì)一種簡單、方便、高效、有足夠精度、可以夾持錠盤直工藝孔的工裝來完成錠盤的精加工迫在眉睫。通過多次摸索、實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，我們設(shè)計(jì)了如圖7所示的工裝（脹力芯軸）。該工裝完全滿足直工藝孔錠盤的精加工要求，其加工的錠盤各項(xiàng)形位公差完全滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。該工裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于彈簧夾頭的設(shè)計(jì)，如圖8所示。該彈簧夾頭兩端開口，這樣彈簧夾頭在張開時(shí)呈圓柱形而不是錐形，在夾持錠盤直工藝孔時(shí)有足夠的接觸面積，保證了足夠的夾持力，而且跳動(dòng)很小。

圖7 直孔錠盤工裝夾具結(jié)構(gòu)示意

圖8 新工裝彈簧夾頭結(jié)構(gòu)

6.5 新工裝的優(yōu)點(diǎn)

新工裝的使用簡化了錠盤加工工藝，縮短了工序流程，另一方面在使用脹力芯軸加工錠盤時(shí)，只需將錠盤工藝孔套放在彈簧夾頭上，然后液壓夾緊，避免使用死芯軸時(shí)每次裝夾錠盤都要用榔頭敲擊對(duì)機(jī)車造成損害。

7 結(jié)語

錠盤歷經(jīng)鑄鐵錠盤到鋼錠盤的轉(zhuǎn)變，見證了紡織行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和提高。相信在以后的歲月里，紡織行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步必然會(huì)使錠盤以及錠子其它零部件日臻完美，而且錠盤錠帶檔會(huì)越來越小型化。

［1］《紡織史話》編寫組.紡織史話［M］.上海：上海紡織科學(xué)研究院，1978.

［2］陳瑞琪.紡紗錠子的理論與實(shí)踐［M］.北京：紡織工業(yè)出版社，1990.

［3］河南二紡機(jī)股份有限公司.桿盤檢驗(yàn)規(guī)程［Z］.

［4］河南二紡機(jī)股份有限公司.錠盤檢驗(yàn)規(guī)程［Z］.

［5］河南二紡機(jī)股份有限公司.錠盤加工工藝［Z］.

［6］趙志軍，劉紅方.芻議高速錠子的開發(fā)實(shí)驗(yàn)［J］.紡織器材，2005，32（3）：36－37.

［7］劉萬宏.新型錠子對(duì)節(jié)能降耗增效的影響［J］.紡織器材，2010，37（2）：40－42.