變剛度夾具裝卸過(guò)程中熱力特性轉(zhuǎn)變方法研究

尹海斌，李朝旭

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.湖北省數(shù)字制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

電腦刺繡機(jī)在刺繡之前，布料需要繃直夾緊，目前刺繡廠商大多采用彈簧鋼夾具將布料夾緊在移框上。而彈簧鋼夾具的剛度較大，這就導(dǎo)致其拆卸比較困難。為了夾緊布料又要裝卸輕松，該夾具需要具備在夾緊與裝卸兩種狀態(tài)之間的切換功能。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多相關(guān)性研究。徐志剛等設(shè)計(jì)了一種組合夾具[1]，通過(guò)控制機(jī)構(gòu)的夾持力或位移來(lái)實(shí)現(xiàn)夾具的等效剛度變化；陳虹微等設(shè)計(jì)了液壓自動(dòng)定心夾具[2]，通過(guò)調(diào)整流體的壓力來(lái)改變夾具夾緊松開(kāi)狀態(tài)。這些設(shè)計(jì)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜而力重比低、夾緊力要維持而耗能等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，筆者研制了一種基于形狀記憶聚合物(shape memory polymer, SMP)的變剛度夾具[3]，但目前還沒(méi)有一種合適的熱力轉(zhuǎn)變裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)便利化裝卸。

目前，對(duì)熱驅(qū)動(dòng)的SMP材料的熱力轉(zhuǎn)變方式主要可以分為以下3種:①非接觸型[4]，該類(lèi)型不需要直接接觸SMP表面或使用傳熱介質(zhì)，使用光能或磁場(chǎng)等方式對(duì)SMP進(jìn)行加熱；②直接接觸型[5]，其加熱元件與SMP表面直接接觸傳導(dǎo)熱量；③介質(zhì)接觸型[6]，其通過(guò)加熱元件加熱傳熱介質(zhì)，常用的介質(zhì)接觸型加熱方式有水浴與空氣加熱的方式，再通過(guò)這些介質(zhì)對(duì)SMP進(jìn)行加熱。在本文的應(yīng)用場(chǎng)景中，非接觸加熱型無(wú)需加熱介質(zhì)，可以在極端條件下對(duì)多個(gè)SMP進(jìn)行加熱，但是這種加熱方式需要特定材料配方的夾具，不屬于本文討論范圍。直接接觸型的加熱方式雖然快速，但加熱的元件必須與變剛度夾具表面進(jìn)行直接接觸。介質(zhì)接觸型中，水浴需要變剛度夾具完全浸沒(méi)在水中會(huì)讓變剛度夾具沾染水漬，在一定程度上影響繡花機(jī)布料的品質(zhì)；而空氣加熱方式往往只能實(shí)現(xiàn)單面加熱，速度相對(duì)較低，不過(guò)也無(wú)需加熱原件直接接觸變剛度夾具，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)夾具同時(shí)加熱。相關(guān)文獻(xiàn)只能定性參考，沒(méi)有定量分析變剛度夾具在一定加熱方式下溫度的變化規(guī)律。

筆者定量研究了直接接觸與介質(zhì)接觸加熱方式下變剛度夾具溫度變化規(guī)律，為研制一種合適的夾具熱力特性轉(zhuǎn)變裝置提供理論數(shù)據(jù)。

1 夾具的熱力特性與轉(zhuǎn)變需求

1.1 變剛度夾具材料特性

本實(shí)驗(yàn)中采用的夾具材料為形狀記憶聚合物(SMP)[7]，是一種可控的刺激響應(yīng)型形狀變化聚合物。其中形狀記憶材料根據(jù)不同的作用機(jī)理可以劃分為熱驅(qū)動(dòng)SMP[8]、電驅(qū)動(dòng)SMP[9]、光驅(qū)動(dòng)SMP、磁驅(qū)動(dòng)SMP 、水驅(qū)動(dòng)SMP[10-11]等。本實(shí)驗(yàn)所用夾具材料為熱驅(qū)動(dòng)SMP，其可在熱刺激作用下實(shí)現(xiàn)變形且能夠自我恢復(fù)，加熱可以激活大分子的運(yùn)動(dòng)能力，從而驅(qū)動(dòng)分子鏈返回到與永久形狀相對(duì)應(yīng)較高的熵態(tài)。

圖1為所使用的變剛度夾具的SMP材料的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(dynamic thermomechanical analysis, DMA)曲線圖，圖1中的曲線分別代表該SMP樣品的彈性模量、粘性模量與tanD隨溫度的變化。其中，彈性模量又被稱為儲(chǔ)能模量，即當(dāng)材料發(fā)生形變時(shí)，因彈性形變而存儲(chǔ)的能量；粘性模量又被稱為損耗模量，即當(dāng)材料發(fā)生形變時(shí)，因粘性形變而損耗的能量；tanD為損耗角正切，反映材料彈性模量與粘性模量的比例，其峰值為SMP材料的轉(zhuǎn)化溫度。可以看到本實(shí)驗(yàn)所使用的SMP的轉(zhuǎn)化溫度在60 ℃附近。

圖1 SMP材料的DMA曲線圖

1.2 夾具的裝卸方式

筆者設(shè)計(jì)的夾具兩凸臺(tái)夾緊方案如圖2所示。變剛度夾具初始形狀如圖2(a)所示，此時(shí)夾具內(nèi)外兩側(cè)凸臺(tái)之間的距離比繡框的夾布檔大小更大，夾具處于張開(kāi)狀態(tài)。若要進(jìn)行安裝，就需要將變剛度夾具加熱至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以上溫度，此時(shí)夾具變軟，剛度變??；如果施加適當(dāng)?shù)耐饬ψ饔糜趭A具外表面，可改變其初始形狀，使夾具內(nèi)外兩側(cè)凸臺(tái)與繡框上的夾布檔外輪廓緊密配合，高溫變軟和外力壓緊狀態(tài)如圖2(b)所示。為了固化夾具夾緊狀態(tài)的形狀，維持夾緊力度，需冷卻夾具使其溫度低于Tg，冷卻固化后形狀如圖2(c)所示，它具有較高的剛度，此時(shí)夾具凸臺(tái)夾緊移框上布料安裝部分，使繡品布料夾緊于繡框上的夾布檔的外表面，滿足電腦繡花機(jī)工作時(shí)布料所需的夾持力度。當(dāng)電腦繡花機(jī)繡花工作結(jié)束，需取下布料時(shí)，對(duì)夾具再次加熱，使其溫度高于Tg，夾具就會(huì)變軟并將從冷卻固化形狀恢復(fù)到初始形狀，實(shí)現(xiàn)其便利拆卸過(guò)程，夾具最終形狀如圖2(d)所示。

圖2 SMP夾具的裝卸方式示意圖

1.3 裝卸中的熱力轉(zhuǎn)變需求

本實(shí)驗(yàn)所采用的變剛度夾具玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)為60 ℃，當(dāng)夾具溫度高于該溫度時(shí)SMP變軟，剛度變小，此時(shí)才能夠進(jìn)行變剛度夾具的安裝與拆卸。為保證變剛度夾具在生產(chǎn)過(guò)程中的安裝與拆卸效率，在設(shè)計(jì)它的加熱裝置時(shí)，需控制加熱所用的時(shí)間，使其盡可能短，讓變剛度夾具內(nèi)部溫度更快速的達(dá)到Tg。由于變剛度夾具安裝的加熱過(guò)程可單獨(dú)提前進(jìn)行，拆卸過(guò)程無(wú)法做到這一點(diǎn)，其效率相對(duì)更加重要。在本實(shí)驗(yàn)中，在保證兩種加熱方式溫度一致的前提下，應(yīng)確保拆卸時(shí)加熱單根變剛度夾具的時(shí)間盡可能接近工人效率，要求兩種方式的純拆卸過(guò)程所用時(shí)間盡可能的接近人工的純拆卸時(shí)間，再通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方式增加裝卸復(fù)數(shù)根的夾具整體過(guò)程效率，從而達(dá)到在不影響布料生產(chǎn)的前提下，解放人力的目的。

2 兩種加熱方案的理論分析

2.1 介質(zhì)接觸型加熱方式理論分析

2.1.1 介質(zhì)接觸型加熱方式物理模型

對(duì)于變剛度夾具的拆卸過(guò)程，要解決的是如何對(duì)其快速加熱的問(wèn)題，它常用的加熱模式是水浴加熱。由于水浴方式占用空間極大，并且會(huì)讓變剛度夾具沾染水漬，在一定程度上影響繡花機(jī)布料的品質(zhì)，因此在變剛度夾具的裝卸中水浴加熱方案都不是最佳選擇。筆者將討論使用空氣熱對(duì)流對(duì)夾具進(jìn)行加熱的方案，并進(jìn)行分析。圖3為介質(zhì)接觸型加熱方案的物理模型，通過(guò)電機(jī)風(fēng)扇將外部的風(fēng)從上部的進(jìn)風(fēng)口吹至風(fēng)道，空氣經(jīng)過(guò)加熱芯進(jìn)行加熱，之后在擴(kuò)風(fēng)道中擴(kuò)散，使得熱風(fēng)在出風(fēng)口處吹至300 mm長(zhǎng)的變剛度夾具表面時(shí)盡可能均勻。其中擴(kuò)風(fēng)道的形狀設(shè)計(jì)類(lèi)似于吹風(fēng)機(jī)的扁風(fēng)嘴模組[12]。由于本方案采用的是手持式工裝，要求模型輕量化，擴(kuò)風(fēng)道外殼采用的是尼龍材料，故對(duì)流體的最高溫度不能超過(guò)其熔點(diǎn)。

圖3 介質(zhì)接觸型加熱方案物理模型

2.1.2 熱力特性理論分析

變剛度夾具的介質(zhì)接觸型加熱方式是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程，可表示為：

(1)

式中:θm為給定時(shí)間的過(guò)余溫度；θ0為以過(guò)余溫度表示的初始條件；tg為變剛度夾具的內(nèi)部溫度；t∞為加熱的空氣溫度；t0為變剛度夾具的初始溫度。

(2)

(3)

(4)

式中:X為無(wú)量綱距離；h為對(duì)流換熱系數(shù);r為變剛度夾具的厚度;λ為變剛度夾具的導(dǎo)熱率;a為變剛度夾具的熱擴(kuò)散率;τ為變剛度夾具的加熱時(shí)間。

根據(jù)式(1)和式(3)的計(jì)算結(jié)果可查表[13]得Fo的數(shù)值，將其帶入式(4)計(jì)算得出變剛度夾具在介質(zhì)接觸型加熱方式下達(dá)到轉(zhuǎn)化溫度時(shí)需要的時(shí)間τ。

2.2 直接接觸型加熱方式理論分析

2.2.1 介質(zhì)接觸型加熱方式物理模型

直接接觸型加熱方式是較為通用的SMP加熱方式，常用于需要快速制熱或無(wú)加熱介質(zhì)的場(chǎng)合。圖4為直接接觸型加熱模型，直接采用加熱片接觸變剛度夾具的方式進(jìn)行加熱，加熱片溫度分別設(shè)置為恒定110 ℃、130 ℃和150 ℃。

圖4 直接接觸型加熱模型

2.2.2 介質(zhì)接觸型加熱方式物理模型

在理想情況下，若要使得變剛度夾具從常溫條件下，提升溫度至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg),所需要的熱量Q可表示為：

Q=Φτ=VρC(tg-t0)

(5)

式中：Φ為變剛度夾具表面的熱流密度；τ為變剛度夾具的加熱時(shí)間；V為變剛度夾具所需加熱的體積；ρ為變剛度夾具的密度；C為變剛度夾具的比熱容；tg為變剛度夾具的內(nèi)部溫度；t0為常溫溫度。

由于加熱的目標(biāo)溫度遠(yuǎn)低于加熱片的恒定最高溫度，且加熱時(shí)間較短，可近似認(rèn)為變剛度夾具內(nèi)表面接觸的繡框溫度恒定，此時(shí)誤差相對(duì)較小，其理想熱流密度計(jì)算公式為：

(6)

式中：λ為變剛度夾具的導(dǎo)熱率；S為變剛度夾具外表面面積；δ為變剛度夾具的厚度；tw1為變剛度夾具外表面的加熱溫度；tw2為變剛度夾具內(nèi)表面的初始溫度。

2.3 理論分析參數(shù)與結(jié)果

在理論分析中，變剛度夾具的導(dǎo)熱系數(shù)為0.22 W/(m·℃)，比熱容為400 J/(kg·℃)，密度為1 268 kg/m3，對(duì)流換熱系數(shù)為150 W/(m2·℃)，常溫溫度為26 ℃。最后計(jì)算的兩種加熱方式下的理論分析溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 兩種加熱方式下的理論分析溫度變化曲線圖

3 兩種加熱方案的仿真分析

3.1 介質(zhì)接觸型加熱方式仿真分析

3.1.1 出風(fēng)口參數(shù)設(shè)置與結(jié)果

為保證出風(fēng)口最低溫度，對(duì)模型進(jìn)行仿真，確定對(duì)應(yīng)加熱芯的設(shè)置溫度。由于實(shí)際中加熱的風(fēng)道金屬外部將會(huì)包裹隔熱材料，故在仿真中風(fēng)道外壁模型、流體與加熱芯模型可近似簡(jiǎn)化，與擴(kuò)風(fēng)道部分一樣采用尼龍材料，在設(shè)置邊界時(shí)設(shè)置擴(kuò)風(fēng)道部分表面為自然對(duì)流散熱。流體為空氣，加熱芯材料選用Cr20Ni80。然后進(jìn)行劃分網(wǎng)格，流體部分的網(wǎng)格尺寸為0.005 m，風(fēng)道外壁的網(wǎng)格尺寸為0.005 m，加熱芯的網(wǎng)格尺寸為0.000 5 m。

采用k-ε模型進(jìn)行計(jì)算分析。流體入口參數(shù)設(shè)置為：流體流速為5 m/s，溫度為26 ℃，水力直徑為0.035 m。流體出口水力直徑設(shè)置為0.012 m。設(shè)置風(fēng)道外壁的溫度為26 ℃，類(lèi)型為convection，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為15 W/(m2·℃)。初始化后，迭代300次進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算得到的其中一次風(fēng)道出風(fēng)口的溫度云圖如圖6所示，測(cè)點(diǎn)位置為出風(fēng)口整體的最低溫度，通過(guò)調(diào)整加熱芯的恒定溫度，當(dāng)加熱芯溫度分別設(shè)置為恒定320 ℃、354 ℃和376 ℃，可以得到該測(cè)點(diǎn)溫度為110 ℃、130 ℃和150 ℃。其中當(dāng)出風(fēng)口溫度最低點(diǎn)溫度為150 ℃時(shí)，為滿足尼龍材料使用的極限溫度，之后使用計(jì)算得出的出風(fēng)口溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行變剛度夾具仿真分析。

圖6 出風(fēng)口溫度云圖

3.1.2 夾具部分模型材料特性與參數(shù)設(shè)置

圖7(a)為變剛度夾具模型，導(dǎo)熱系數(shù)為0.22 W/(m·℃)，比熱容為400 J/(kg·℃)，密度為1 268 kg/m3。圖7(b)為變剛度夾具模型的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為1 mm。圖7中標(biāo)注點(diǎn)為變剛度夾具的裝卸溫度臨界點(diǎn)，當(dāng)該點(diǎn)以上溫度均高于SMP的轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，視為達(dá)到裝卸條件。設(shè)置夾具初始溫度為26 ℃，表面溫度為出風(fēng)口的最低溫度。

圖7 夾具物理模型與網(wǎng)格

3.1.3 夾具轉(zhuǎn)化時(shí)間結(jié)果

對(duì)變剛度夾具進(jìn)行仿真計(jì)算，介質(zhì)接觸型加熱方式的測(cè)點(diǎn)溫度在110 ℃下夾具達(dá)到裝卸臨界時(shí)間的溫度云圖如圖8所示。

圖8 介質(zhì)接觸型110 ℃時(shí)夾具裝卸臨界時(shí)間溫度云圖

圖9為介質(zhì)接觸型加熱方式理論與仿真溫度對(duì)比曲線圖，從圖9可知，當(dāng)對(duì)變剛度夾具表面熱對(duì)流加熱溫度為110 ℃、130 ℃和150 ℃時(shí)，為滿足拆卸需求，理論所需加熱時(shí)間分別為5.8 s、4.6 s與4.1 s，仿真所需加熱時(shí)間分別為5.6 s、4.5 s與3.8 s。圖10為介質(zhì)接觸型的理論與仿真誤差圖，理論與仿真分析之間的誤差均小于0.08。

圖9 介質(zhì)接觸型測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線圖

圖10 介質(zhì)接觸型理論與仿真誤差

在仿真計(jì)算中，為保證模型形狀的緊湊性，使用的是圓柱形的進(jìn)風(fēng)口加熱流體，通過(guò)擴(kuò)風(fēng)口使得流體能完全加熱變剛度夾具，故在出風(fēng)口中心與邊緣處存在一定的溫度差，結(jié)果采用的是出風(fēng)口處溫度最低點(diǎn)(測(cè)點(diǎn))的溫度動(dòng)態(tài)曲線。由于在理論模型中，近似將變剛度夾具橫截面擴(kuò)展為無(wú)限大的內(nèi)部溫度均勻的平板進(jìn)行計(jì)算，而在仿真計(jì)算時(shí)，與理論模型相比，夾具的內(nèi)部溫度為梯度變化，且加熱的外表面面積大于需要被加熱的內(nèi)表面，故在曲線前半段，理論模型計(jì)算結(jié)果快于仿真的計(jì)算結(jié)果，而后半段會(huì)稍慢于仿真計(jì)算的結(jié)果。

3.2 直接接觸型加熱方式仿真分析

3.2.1 模型材料特性與參數(shù)設(shè)置

設(shè)置變剛度夾具模型參數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.22 W/(m·℃)，比熱容為400 J/(kg·℃)，密度為1 268 kg/m3。變剛度夾具模型網(wǎng)格尺寸為1 mm。夾具物理模型與網(wǎng)絡(luò)如圖7所示。

在軟件中設(shè)置夾具與環(huán)境初始溫度為26 ℃，選取變剛度夾具上表面加熱方式種類(lèi)為T(mén)emperature，溫度分別為110 ℃、130 ℃和150 ℃。計(jì)算加熱時(shí)長(zhǎng)為6 s，每次計(jì)算間隔為0.1 s。

3.2.2 溫度與夾具轉(zhuǎn)化時(shí)間結(jié)果

在保證加熱片溫度為110 ℃的情況下，夾具達(dá)到裝卸臨界時(shí)間的溫度云圖如圖11所示。

圖11 直接接觸型110 ℃時(shí)夾具裝卸臨界時(shí)間溫度云圖

圖12為直接接觸型加熱方式的理論與仿真溫度對(duì)比曲線圖，從圖12可知，當(dāng)與變剛度夾具表面接觸的加熱電阻恒溫分別為110 ℃、130 ℃和150 ℃時(shí)，為滿足拆卸需求，理論分析所需時(shí)間為3 s、2.4 s、2.1 s，在仿真計(jì)算中為2.7 s、2.3 s、2 s。圖13為直接接觸型的理論與仿真誤差圖，理論與仿真分析之間的誤差均小于0.3，并且在夾具溫度為60 ℃附近時(shí)，誤差小于0.06。

圖12 直接接觸型方式測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線圖

由于在理論分析中，近似將變剛度夾具截面擴(kuò)展為無(wú)限大的內(nèi)部溫度均勻的平板進(jìn)行計(jì)算，而在仿真分析的時(shí)候，與理論分析相比，夾具的內(nèi)部溫度為梯度變化，且加熱的外表面面積大于需要被加熱的內(nèi)表面，故在曲線前半段，理論分析計(jì)算結(jié)果快于仿真的計(jì)算結(jié)果，中段會(huì)稍慢于仿真計(jì)算的結(jié)果。隨著溫度的升高，夾具內(nèi)側(cè)溫度逐漸接近外側(cè)溫度，導(dǎo)致熱流密度急劇降低，使得最后一段理論分析曲線會(huì)再次高于仿真分析曲線。

3.3 兩種加熱方式結(jié)果對(duì)比分析

由于理論分析結(jié)果與仿真分析結(jié)果相差較小，這里只選用仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。圖14為兩方案的溫度對(duì)比曲線圖。在同等加熱溫度110 ℃的條件下，為滿足變剛度夾具拆卸需求，介質(zhì)接觸型的方案所需仿真分析加熱時(shí)間為5.6 s，直接接觸型加熱方案加熱時(shí)間為2.7 s。隨著溫度升高到130 ℃與150 ℃時(shí)，兩種加熱方式加熱變剛度夾具的時(shí)間也在逐漸縮短，介質(zhì)接觸型的方案所需時(shí)間分別為4.5 s與3.8 s，而直接接觸型加熱方案所需時(shí)間為2.3 s與2 s。介質(zhì)接觸型加熱方式即使在加熱溫度為150 ℃時(shí)也未達(dá)到直接接觸型加熱方式110 ℃溫度下的加熱效果。并且可以看到隨著溫度的升高，兩種加熱方式加熱效率的提升也在逐漸降低。

圖14 兩種加熱方式測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線圖

4 結(jié)論

筆者使用了理論與仿真分析方式，對(duì)于變剛度夾具的直接與介質(zhì)接觸型加熱方式進(jìn)行了對(duì)比，研究了兩種加熱方式下變剛度夾具的溫度變化規(guī)律。該研究為進(jìn)一步設(shè)計(jì)變剛度夾具裝卸機(jī)構(gòu)中的加熱模塊提供了熱力學(xué)理論支撐。

研究表明，直接接觸型比介質(zhì)接觸型加熱方式響應(yīng)速度更快。加熱響應(yīng)較快的直接接觸型加熱方式在150 ℃加熱溫度下，對(duì)單根變剛度夾具的加熱時(shí)間約為2 s，與人工拆卸彈簧鋼夾具的時(shí)間基本相同。若再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)夾具加熱，還會(huì)提升變剛度夾具裝卸的總體效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。