關于鋁套管錠子支持器結構的思考

楊端秀，邊文廣，趙 炬

(經(jīng)緯智能紡織機械有限公司，山西 晉中 030601)

1 鋁套管錠子支持器的重要性

環(huán)錠細紗機集體落紗控制系統(tǒng)在接到滿紗信號后即驅動伺服系統(tǒng)、將全部滿管紗從錠子上拔下、再將空筒管插到錠子上，然后啟動新一輪紡紗過程。落紗工作在較短的時間內即可完成[1]，用工量減少、勞動強度降低，提高了勞動生產(chǎn)率。

紡紗用錠子桿盤結構常見的有光桿和鋁套管兩種[2]，光桿錠子的桿盤上部錐度與塑料經(jīng)紗筒管管芯孔形成圓錐面配合，經(jīng)紗管借下壓錐面與錠桿密合產(chǎn)生的靜摩擦力隨錠子同步高速旋轉以實現(xiàn)卷繞紗線的功能；當紡紗結束拔管時則要克服該靜摩擦力。由于錐度結合面的緣故，向錠子上套裝筒管時若下壓力不足而靜摩擦力小，會導致跳管問題；若下壓力大則靜摩擦力大、拔管力也要大，甚至會因拔管力不足而拔不出，對自動落紗裝置插、拔管都非常不利。鋁套管錠子直徑增大則提高了其剛性，而支持器、彈簧及其同步旋轉時產(chǎn)生的離心力則共同撐緊、帶動筒管卷繞紗線；當插、拔筒管所需要的力均勻一致，則下壓筒管可以達到同一水平面上。正是由于帶有彈簧支持器的鋁套管錠子的機構解決了支撐筒管及插、拔筒管的問題，才使集體落紗得以實現(xiàn)。

2 支持器的安裝結構及其特點

在鋁套管錠子上加工安裝支持器的內凹臺階沉孔[3]時，因制造工藝不同，其結構亦有異，見圖1。

a) 前3種加工工藝 b) 第4種加工工藝

圖1a)內凹臺階沉孔尺寸D，為圓或長圓，或將尺寸D方向與鋁套管軸線方向一致，為此，有3種不同的加工工藝。第1種加工工藝為T型槽銑刀插入支持器孔一定的深度后，偏離支持器孔中心一定距離、旋轉1周銑出凹臺階，然后移回中心退出銑刀；第2種加工工藝為銑刀插入支持器孔一定的深度后，沿著垂直于鋁套管軸線的水平方向左右移動銑出凹臺階，然后退出銑刀；第3種加工工藝類似第2種，則為沿鋁套管軸線方向上下移動。圖1b)為第4種加工工藝，即當T型槽銑刀插入支持器孔后，繞鋁套管軸線水平擺動一定的角度后再退出銑刀。

比較以上4種加工工藝，除深度方向進、退刀運動相同外，第1種加工工藝相對另外3種較為復雜，既需要移動還需要旋轉，而另外3種則為純直線移動或純旋轉運動，因此，采用后3種加工工藝的居多。需要說明的是T型槽銑刀是專用銑刀，圓柱面上的切削刃結構及長度與標準T型槽類似；刀具頂端的橫刃與鍵槽銑刀相同，可軸向進給，故橫刃的數(shù)量較少、切削效率低。此外，平行于刀具頂端的末端同時參與切削，為了避免頂端面、末端面與已加工平面的摩擦而均有向中心方向的偏角，故在刀具使用一段時間后會因磨損而使其圓柱長度減小。由此，切削刀具必須特殊制作且費用較高。

從支持器的受力角度來看，前3種工藝加工出了平面底部結構，彈簧與支持器底孔接觸情況優(yōu)于第4種工藝加工出的底部圓柱面結構，可以使支持器穩(wěn)定地保持垂直于底平面的方向，而圓柱面底部結構則不利于保持穩(wěn)定的受力方向。由此可知，底部圓柱面結構易引起更多的均布差異，這是造成錠子擺動大的因素之一。

從支持器孔的安裝結構來看，底部無論是平面或是圓柱面都存在：受加工設備本身制造、調整精度的影響，三等分圓周很難在實踐中實現(xiàn)且存在誤差、不利于高速旋轉錠子的穩(wěn)定；在鋁套管軸線方向、3個內凹臺階沉孔切削刀具高度的位置，以及切削刀具的直徑和圓柱面切削刃長度，均存在不同等級的差異而易造成完工后鋁套管質心偏離軸心，錠子旋轉離心力對其擺動和穩(wěn)定性有一定的影響。

對生產(chǎn)效率而言，每個鋁套管上都均勻分布著3個支持器內凹臺階沉孔，即3倍于錠子的數(shù)量，其加工工作量大，且在加工過程中因切削尺寸較小，相對于上下料、空刀行程無效率優(yōu)勢，切削時間損耗及工序周轉損耗也相對較大。從彈簧、支持器的安裝效率來看，其數(shù)量多、個頭小而須逐個整理、擺放，使用夾鉗夾緊支持器產(chǎn)生變形后，再對準臺階孔放入，手工操作量非常大。

對質量控制而言，因支持器制造過程中使用的板料厚度均勻程度及沖壓尺寸控制不可能完全一致，故會造成一定的差異，而支持器彈簧也存在著彈簧絲長度、卷繞直徑的差異；因此，兩者的質心、質量可能存在一定的偏差，在高速旋轉時會引起離心力的差異，造成錠子擺動。

綜上，支持器的安裝機構存在一定的不利因素，且成本較大，應考慮替代方案以克服不利因素、提高支持器的可靠性、降低生產(chǎn)費用，提高效益。

3 支持器彈簧的計算

彈簧產(chǎn)生單位變形所需的載荷F′稱為彈簧剛度，表示使彈簧產(chǎn)生單位變形時所需的力，其剛度愈大則需要的力愈大、彈簧的彈力就愈大。此外，技術要求所需要的彈簧剛度和彈簧變形量必須與實物彈簧表征參數(shù)相符，才能達到實際的彈力要求。

彈簧剛度F′的計算公式：F′=Gd4/(8D3n)。

式中：

G——材料切變模量/MPa；

d——彈簧鋼絲直徑/mm；

D——彈簧中徑/mm；

n——有效圈數(shù)。

為核算2種常用支持器彈簧的合理剛度，須進行計算分析。2種不同尺寸規(guī)格的彈簧結構如圖2所示。第1種規(guī)格參數(shù)：彈簧鋼絲直徑d為0.6 mm，彈簧中徑D為4.5 mm，螺距t為3.8 mm，有效圈數(shù)n為1，如圖2a)所示；第2種規(guī)格參數(shù)：彈簧鋼絲直徑d為0.6 mm，彈簧中徑D為3.8 mm，螺距t為1.75 mm，有效圈數(shù)n為2.5，如圖2b)所示。

a) 第1種 b) 第2種

3.1 彈簧設計剛度的計算

按照GB/T 23935—2009《圓柱螺旋彈簧設計計算》和GB/T 1358—2009《圓柱螺旋彈簧尺寸系列》進行計算分析。彈簧材質為中等抗拉強度、靜載荷、冷拉碳素光面彈簧鋼絲，其標記為GB/T 4357-0.6 mm-SM；工作條件：靜負荷或負荷有變化，循環(huán)次數(shù)N≤104，屬于不頻繁動載荷。

3.1.1 第1種彈簧的剛度F1′和螺旋角α1的計算

F1′=Gd4/(8D3n)=78 500×

0.64/(8×4.53×1)=13.96(N/mm)

α1=arctan[t/(πD)]=

arctan[3.8/(3.14×4.5)]=15.01(°)

由于一般彈簧的螺旋角取α=5°～9°，計算結果遠大于推薦值，不滿足推薦要求。

旋繞比C=D/d=4.5/0.6=7.5，為了使彈簧本身較為穩(wěn)定、不顫動和過軟，C值不能太大；但為避免卷繞時彈簧絲受到強烈彎曲，C值又不應太小。C值的范圍為4～16，常用值為5～8，計算結果符合推薦范圍。

3.1.2 第2種彈簧的剛度F2′和螺旋角α2的計算

F2′=Gd4/8D3n=78 500×

0.64/(8×3.83×2.5)=9.27(N/mm)

α2=arctan[t/(πD)]=8.34(°)，滿足α=5°～9°的推薦要求。

3.2 彈簧剛度的技術要求

不考慮預壓縮量，按技術要求計算。支持器突出鋁套管外表面的高度為0.7 mm±0.2 mm、筒管夾持力為5 N～15 N[4]，彈簧剛度的技術要求：

F3′=15/(0.7-0.2)=30(N/mm)

F4′=15/(0.7+0.2)=16.67(N/mm)

由上述計算可知，技術要求所需要的彈簧剛度F3′，F(xiàn)4′大于彈簧設計剛度F1′，F(xiàn)2′，因此，在不考慮彈簧預壓縮的情況下，筒管最大夾持力無法達到15 N的技術要求，值得探究。相反由于支持器彈簧在安裝過程中還有一定的壓縮量，并受內凹臺階的約束，按設計圖紙的三維實體模型檢查計算的壓縮量最大為1.4 mm，支持器突出鋁套管外表面的高度為0.5 mm，再次計算彈簧剛度的技術要求：

F3′=F4′=15/(1.4+0.5)=7.9(N/mm)

由此可見，技術要求所需要的彈簧剛度F3′，F(xiàn)4′均小于彈簧設計剛度F1′，F(xiàn)2′，設計剛度均滿足2種彈簧的技術要求，因此，2種彈簧均可使用。從彈簧的穩(wěn)定性考慮，優(yōu)選F2′設計，產(chǎn)品見圖2b)。

4 支持器內凹臺階沉孔三維造型

在Creo三維設計軟件中對支持器的內凹臺階沉孔進行造型，第4種加工工藝所采用的造型方法相對前3種更為復雜，造型建模示意見圖3，加工工藝造型建模步驟如下。

圖3 內凹臺階沉孔尺寸

a) 以O為原點建立坐標系，沿z軸方向，拉伸出刀具直徑為d的孔至深度。

b) 建立刀具最高點P2的截面OP2曲線，參數(shù)方程如下：

m=d/2,刀具半徑;

a=arcsin(m/R)，刀具最遠(高)點與z軸的夾角[注：Creo軟件中為a=asin(m/R)]；

b=arcsin(D/2/R)，刀具結束位置，最遠點與z軸的夾角[注：Creo軟件中為b=asin(D/2/R)]；

c=b-a，刀具轉動總角度的1/2；

z=mcos(t×90)，z，y，x為參數(shù)方程，其中t為參數(shù)；

y=msin(t×90)；

x=y/tanα。

c) 將該曲線以xz平面鏡像。

d) 用面掃描功能，沿軌跡R，兩曲線掃描至P3及刀具P0外圓直母線至P1。

e) 用面拉伸功能，拉伸刀具結束位置。

f) 利用編輯功能中的修剪、合并及曲面功能中的造型—曲面修剪、通過相交產(chǎn)生交線等手段，獲得由刀具運動所形成的材料切除空間及表面。

g) 以xz平面鏡像上述空間及表面，完成支持器臺階沉孔的設計造型。

h) 將支持器投影至刀具所形成的空間表面，找出接觸點，即可計算出彈簧的預壓縮量。

5 對鋁套管錠子支持器的研究

2016年初，我們利用光電測振儀等展開對錠子的系統(tǒng)研究，用不同質量的配重環(huán)模擬空筒管、滿筒管及質心位置在軸線不同高度的情況，采用O型橡膠密封圈將配重環(huán)定位于鋁套管的中部進行振程檢測。該方法未利用原錠子的支持器撐緊配重環(huán)，并結合光桿錠子加工工藝較簡單的特點，設想擬簡化廣泛采用的彈性支持器結構。

隨著非金屬彈性材料的技術進步，應用其脹緊經(jīng)紗筒管有了可能，若借助筒管內壁壓縮彈性體、使其發(fā)生彈性變形，進而依靠其回彈力充分夾緊筒管、并隨錠子同步旋轉而實現(xiàn)卷繞紗線的目的。當車削加工鋁套管外圓錐時，通過增加換刀動作和相應的切槽程序，在鋁套管上部切削出一個矩形截面凹槽，矩形截面凹槽形成的圓柱體中心與鋁套管的中心一致而同軸；凹槽用于定位彈性體支持器，這相比在專機上加工3個均布內凹沉孔的工序經(jīng)濟得多。

彈性支持器采用具有耐磨特性的聚氨酯材料，注塑或混煉成型模具簡單、生產(chǎn)效率高，其內徑小于鋁套管外圓錐面上的矩形截面凹槽圓柱面的直徑，可緊緊束縛在鋁套管凹槽的圓柱面上，而彈性支持器的長度大于其凹槽的寬度、被卡緊在凹槽的兩側面間，能起到軸向定位的作用；其數(shù)圈薄翼翅狀外徑由小變大、與經(jīng)紗筒管的內錐度一致，且等量大于筒管相應截面處的直徑，使筒管插在錠子上后各翼翅的變形量均等而保證筒管不偏斜、受力均勻；薄翼翅間預留了一定的空間，為彎曲變形、擠壓變形創(chuàng)造了容納的空間條件，且其呈對稱的圓環(huán)狀使設計模具分型面時容易進行，注塑模具結構簡單易實現(xiàn)。

在組合安裝彈性支撐器時，借助外力及少量工藝減磨粉劑，從鋁套管頂端套入并逐漸撐大彈性支持器內孔，同時推向鋁套管的矩形凹槽，當其到達凹槽時即自然回縮而束緊凹槽底部的圓柱面，而凹槽兩側面則將其卡緊。因為，彈性支持器同比的零件數(shù)量少、組合工藝簡單、生產(chǎn)成本低，可以代替3組鐵殼式彈性支持器。

為了不抱死筒管，彈性支持器的外輪廓也可以設計為條帶狀，以避免彈力過大，并使徑向翼翅或軸向凸筋變形時有足夠的空間容納其變形量，見圖4、圖5；且彈性支持器有一定的吸振阻尼性，有利于吸收部分沖擊能量、提升錠子的旋轉精度、減少紡紗斷頭。

圖4 彈性支持器示意一

圖5 彈性支持器示意二

6 結語

6.1鋁套管錠子是環(huán)錠細紗機的重要紡紗專件，其彈簧支持器機構支撐經(jīng)紗筒管且易于插、拔經(jīng)紗筒管，為集體落紗予以技術保障，但支持器的安裝及其功能存在不足，生產(chǎn)成本亦較高、須提高其可靠性。

6.2彈性支持器借助經(jīng)紗筒管壓縮彈性體而發(fā)生彈性變形，且依靠回彈力撐緊筒管使其隨錠子同步旋轉實現(xiàn)紗線的卷繞；彈性支持器采用耐磨聚氨酯材料，其注塑或混煉成型模具簡單，生產(chǎn)效率高、成本低，具有一定的吸振阻尼性，利于吸收部分沖擊能量、提升錠子的旋轉精度、減少紡紗斷頭。