細(xì)紗機(jī)中注塑件的功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)

楊 林，邊文廣

（1.國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100029；2.經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司，山西 晉中 030601）

0 引言

環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)是紡紗工程中的重點(diǎn)設(shè)備，因此，一個(gè)紡紗企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的大小是以細(xì)紗錠子的總數(shù)量來(lái)衡量的，并以每千錠小時(shí)產(chǎn)出細(xì)紗重量來(lái)衡量細(xì)紗機(jī)的生產(chǎn)能力，足見(jiàn)細(xì)紗機(jī)對(duì)紡紗企業(yè)的重要性。工程塑料（POM）具有良好的介電特性，且具有質(zhì)量輕、耐磨、耐熱、耐侵蝕等物理、化學(xué)特性，有別于金屬材料，因而廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。隨著工程塑料原料種類的增多、產(chǎn)量的提高和注塑制成品生產(chǎn)工藝水平的提升，以塑代鋼的思想深入到了現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品及日常用品等領(lǐng)域，同樣對(duì)紡織機(jī)械設(shè)計(jì)及制造產(chǎn)生較大影響，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的工程塑料零部件，可以達(dá)到優(yōu)化零部件的功能特性、提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本等目的，因此注塑零部件在環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)中的占比逐漸提高。

細(xì)紗機(jī)的粗紗喂入裝置由吊錠、導(dǎo)紗桿、橫動(dòng)導(dǎo)紗喇叭等構(gòu)成，每只導(dǎo)紗喇叭與錠子一一對(duì)應(yīng)，除導(dǎo)紗桿的高低位置必須按工藝設(shè)置之外，導(dǎo)紗喇叭橫動(dòng)喂入點(diǎn)要準(zhǔn)確對(duì)正羅拉齒部中心。材質(zhì)為POM 或增強(qiáng)尼龍的導(dǎo)紗喇叭經(jīng)注塑成型，目前導(dǎo)紗喇叭有單口、雙口等多種不同的形式以滿足紡紗工藝的需要，采用封閉環(huán)狀的喇叭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上基本相同，用六角頭螺釘將導(dǎo)紗喇叭的連接板固定在導(dǎo)紗扁鐵上，通過(guò)蝸輪副及偏心裝置實(shí)現(xiàn)大周期上的小周期橫動(dòng)作用[1]。

由于導(dǎo)紗喇叭在細(xì)紗機(jī)中的配用數(shù)量非常之大，每當(dāng)更換粗紗、工藝變動(dòng)等情況發(fā)生時(shí)，就需要通過(guò)導(dǎo)紗喇叭重新穿引粗紗，穿引粗紗的操作需要完成捏、搓、穿、拽等動(dòng)作，消耗的人力勞動(dòng)強(qiáng)度大，消耗時(shí)間的總量長(zhǎng)，但由于不會(huì)像細(xì)紗接頭次數(shù)頻繁，而往往被人們忽略。

1 導(dǎo)紗喇叭的應(yīng)用概述

環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)的工作過(guò)程大致為：從置于吊錠上的粗紗筒管退繞出的粗紗，經(jīng)導(dǎo)紗桿（棒）、導(dǎo)紗喇叭進(jìn)入牽伸機(jī)構(gòu)，由羅拉間線速度的差異將粗紗逐漸抽長(zhǎng)拉細(xì)，使粗紗須條得到充分牽伸、并達(dá)到細(xì)紗工藝要求，再經(jīng)過(guò)導(dǎo)紗鉤、氣圈環(huán)、鋼絲圈，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的錠子帶動(dòng)下，最終卷繞于細(xì)紗筒管上。導(dǎo)紗鉤、氣圈環(huán)、鋼絲圈是具有開口的開放式結(jié)構(gòu)的環(huán)狀零件，僅需要簡(jiǎn)單的掛、繞動(dòng)作即可將紗線須條穿入環(huán)內(nèi)，一氣呵成達(dá)到約束須條的目的，可見(jiàn)非封閉的開放式結(jié)構(gòu)對(duì)于掛接紗線非常方便。

相對(duì)于過(guò)紗零件導(dǎo)紗鉤、氣圈環(huán)、鋼絲圈的開放式結(jié)構(gòu)，常用的導(dǎo)紗喇叭則是封閉型的通道結(jié)構(gòu)，作業(yè)時(shí)，必須從入口端穿入，從出口端引出，由于粗紗須條直徑較大，不便于順利通過(guò)喇叭通道，作業(yè)人員需要將粗紗須條用手指搓捻成較尖而細(xì)的形狀，再行穿入通道后放開手指移至出口端，第二次捏住露出尖細(xì)的須條頭部，將須條牽拽到皮圈表面，完成粗紗須條掛接過(guò)程。由于需要經(jīng)過(guò)搓捻、移行、捏緊、穿引、拖拽等動(dòng)作，其工作效率相比于掛、繞動(dòng)作的既簡(jiǎn)單又順暢的操作效率要低得多。

2 革新導(dǎo)紗喇叭口的思考

在環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)中，過(guò)紗零部件導(dǎo)紗喇叭、鋼絲圈、氣圈環(huán)、導(dǎo)紗鉤均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，但除導(dǎo)紗喇叭呈封閉環(huán)之外，其余3 種均有開口便于掛紗操作，為此值得研究導(dǎo)紗喇叭是否可以改變封閉環(huán)的現(xiàn)狀。

導(dǎo)紗喇叭在細(xì)紗機(jī)中的作用是集束須條，在橫動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下隨導(dǎo)紗扁鐵做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以便使須條減少對(duì)皮輥、皮圈的集中磨損，延長(zhǎng)皮輥、皮圈的使用周期。導(dǎo)紗喇叭口的結(jié)構(gòu)一般為單通道型，如圖1，從導(dǎo)紗桿上垂吊而下的粗紗須條沿入口端的上部曲面進(jìn)入通道，從出口端的下邊沿部分被牽拉而出，通道內(nèi)的須條呈傾斜的直線狀態(tài)，通道的左右兩邊起到約束阻擋作用，使須條隨往復(fù)機(jī)構(gòu)做橫向移動(dòng)。雖然雙通道或多通道導(dǎo)紗喇叭占有一定的份額，但總體而言單通道型導(dǎo)紗喇叭占比非常大。

圖1 導(dǎo)紗喇叭及牽伸系統(tǒng)

現(xiàn)階段導(dǎo)紗喇叭的結(jié)構(gòu)，無(wú)論是單通道還是多通道，均為封閉式的過(guò)紗零件，在對(duì)粗紗進(jìn)行操作時(shí)均需要搓捻、移行、捏緊、拖拽等動(dòng)作而穿引通道，對(duì)應(yīng)于每錠一個(gè)喇叭使用量來(lái)說(shuō)，從降低勞動(dòng)復(fù)雜性、操作方便快捷和提高工作效率的角度來(lái)看，設(shè)想要改進(jìn)封閉結(jié)構(gòu)的導(dǎo)紗喇叭為側(cè)邊開放式結(jié)構(gòu)，有必要進(jìn)行探究和實(shí)踐。

3 曲線、曲面在細(xì)紗機(jī)中的應(yīng)用情況

從零部件的分析和設(shè)計(jì)方面來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中廣泛使用了直線、圓弧所形成的平直面和圓弧面，這是由直線、圓弧有著分析計(jì)算便捷的特點(diǎn)決定的，而曲線、曲面則由于計(jì)算的復(fù)雜性使用得相對(duì)較少，特別是在計(jì)算機(jī)廣泛使用之前更是如此，實(shí)踐中凸輪、齒輪等類零部件才應(yīng)用了曲線、曲面的理論分析與成果。

一臺(tái)環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)通常由千余種不同結(jié)構(gòu)的零（部）件構(gòu)成，除了少量的齒輪齒廓、絲桿、成形凸輪之外，含有非平直面、非圓弧面構(gòu)成的較復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的零件近乎沒(méi)有?？v觀細(xì)紗機(jī)零件表面構(gòu)成情況，形似喇叭而得名的導(dǎo)紗喇叭可以說(shuō)獨(dú)樹一幟，具有相對(duì)獨(dú)立的較復(fù)雜的曲面形式，由粗紗入口的圓形，逐漸過(guò)渡到長(zhǎng)圓形較小截面的出口，通道內(nèi)部要求光滑平順，因其并非影響紡紗質(zhì)量的關(guān)鍵零件，很少被人們關(guān)注。

依托于現(xiàn)有注塑工藝、模具制作的生產(chǎn)條件，重點(diǎn)在于如何構(gòu)建側(cè)邊開放式導(dǎo)紗喇叭曲面通道的設(shè)計(jì)思路與方法。

4 注塑件側(cè)邊開放式導(dǎo)紗喇叭的設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)首先是要對(duì)注塑件導(dǎo)紗喇叭的功能特點(diǎn)進(jìn)行充分了解，之后還要考慮工程塑料材料特性，是否適合其工作環(huán)境，是否可采用工程塑料及相關(guān)工藝手段進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，再進(jìn)一步考慮采用注塑工藝來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)加工。然而無(wú)論如何，零部件的優(yōu)化基礎(chǔ)不僅需要嚴(yán)謹(jǐn)構(gòu)思，更需要也必須設(shè)計(jì)出完善的模型，才能達(dá)成預(yù)期目標(biāo)。

注塑件的材料為聚甲醛樹脂POM（俗稱賽鋼），經(jīng)常用于齒輪、軸承、儀表骨架等產(chǎn)品，是一種具有高硬度、高剛性、高耐磨性的材料，另外其摩擦系數(shù)小并有良好的自潤(rùn)滑特點(diǎn)，即使在紡紗車間高溫、潮濕環(huán)境中，由其制成的注塑件不易吸濕，尺寸穩(wěn)定性好，也一樣能夠正常使用。利用POM 材質(zhì)的低摩擦、自潤(rùn)滑、耐磨損、尺寸穩(wěn)定、比剛度高等特性，將其作為過(guò)紗的導(dǎo)紗喇叭用材非常合適。

喇叭狀的導(dǎo)紗喇叭模型設(shè)計(jì)，采用三維設(shè)計(jì)能更加直觀、全面地反映設(shè)計(jì)意圖，細(xì)化的參數(shù)優(yōu)于二維工程圖的表達(dá)，同時(shí)三維模型有利于后續(xù)的注塑模具設(shè)計(jì)和模具表面型腔尺寸檢測(cè)。因此要求三維設(shè)計(jì)軟件能用其各功能模塊最方便地來(lái)實(shí)現(xiàn)曲線、曲面造型目的。第二個(gè)要求是方便設(shè)計(jì)對(duì)象仔細(xì)分解成各個(gè)圖元，并逐一構(gòu)建這些圖元，達(dá)到三維設(shè)計(jì)軟件的要求條件。另外在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要假設(shè)與試算，不斷分解、細(xì)化和抽象綜合圖元所需的合理參數(shù)值，并反復(fù)循環(huán)。

就本導(dǎo)紗喇叭來(lái)說(shuō)，采用CREO 軟件的邊界混合功能，在一個(gè)或兩個(gè)方向上由曲線圖元（控制曲線）定義曲面的邊界，構(gòu)建從圓形截面的粗紗入口端過(guò)渡（收縮）到近似圓形的中部、再逐漸變化到長(zhǎng)橢圓形截面的出口端，形成光滑的內(nèi)表面粗紗通道，達(dá)到邊界明確、曲率連續(xù)的空間曲面[2]，之后再用CREO 軟件的加厚功能形成實(shí)體模型。

在構(gòu)建導(dǎo)紗喇叭的曲面之前，需要判斷構(gòu)成各條控制曲線連續(xù)性的合理程度，連續(xù)性高的曲線能更精確、更完整地定義光滑曲面形狀，構(gòu)建高質(zhì)量曲面。否則曲面片之間就會(huì)產(chǎn)生棱邊、折皺、尖峰、破洞等不光滑的情況，并會(huì)進(jìn)一步影響實(shí)體模型的光滑程度。因此各條控制曲線的設(shè)計(jì)或分解成為重要環(huán)節(jié)。如圖2 是免穿引側(cè)邊開口式導(dǎo)紗喇叭第一、二方向控制曲線分布情況。

圖2 第一、二方向控制曲線的分布

主視圖、俯視圖分別如圖3～4。在主視圖中A～F各截面分別是粗紗出口、過(guò)渡面1、過(guò)渡面2、粗紗入口、水平基面（距基點(diǎn)P00 的高度為S12+S13/2）、側(cè)邊開口基面（S17）。如圖3 頂部曲線由直線S06、半徑S05大圓弧及另一小圓弧構(gòu)成；底部曲線由一段直線、一段圓弧構(gòu)成，兩者相切于點(diǎn)P006，過(guò)P006 連接頂部曲線上的點(diǎn)P007，且延長(zhǎng)線通過(guò)S05 大圓弧的圓心。

圖3 導(dǎo)紗喇叭主視圖

圖4 的俯視圖中，點(diǎn)P004 為水平基面E 與直徑S01 圓入口曲線的相交點(diǎn)，側(cè)邊曲線由直線和圓弧構(gòu)成，半徑S32 的圓弧過(guò)點(diǎn)P004 相切直線S31 于點(diǎn)P002。S31 直線的長(zhǎng)度小于S06，通過(guò)參數(shù)值的調(diào)整使側(cè)邊與頂部收縮時(shí)避免出現(xiàn)折回。

圖4 導(dǎo)紗喇叭俯視圖

第一方向控制曲線由截面A、B、C、D 上的4 條曲線組成?？刂魄€I 和控制曲線II，如圖5 左上角，其形狀相同，由短軸半徑S11 橢圓、半徑S14 上下圓弧、半徑S16 側(cè)開口圓弧構(gòu)成，各段連接且相切；控制曲線III，如圖5 左下角，由橢圓與側(cè)開口半徑S22 圓弧構(gòu)成，橢圓長(zhǎng)軸為點(diǎn)P006 到點(diǎn)P007 間的距離，橢圓過(guò)側(cè)邊曲線與截面C 的交點(diǎn)P003，并決定橢圓短軸半徑；控制曲線IV，如圖5 右側(cè)，直徑S01 圓與側(cè)開口半徑S42 圓弧構(gòu)成，為達(dá)到掛、繞紗方便的目的，其起始點(diǎn)P011′、末端點(diǎn)P111′的位置依據(jù)側(cè)邊開口基面F 適當(dāng)調(diào)整。

圖5 第一方向控制曲線

第二方向控制曲線共5 條：由第一方向各控制曲線的起始點(diǎn)構(gòu)成的曲線、主視圖頂部曲線、俯視圖側(cè)邊曲線、主視圖底部曲線、第一方向各控制曲線末端點(diǎn)構(gòu)成的曲線。

5 免穿引側(cè)邊開放式導(dǎo)紗喇叭的優(yōu)勢(shì)

首先是對(duì)環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)零部件的功能設(shè)計(jì)思路的一種創(chuàng)新嘗試，將導(dǎo)紗喇叭、導(dǎo)紗鉤、氣圈環(huán)、鋼絲圈統(tǒng)一為適當(dāng)開口環(huán)形的過(guò)紗零件，并完善了曲面的控制曲線，明確了控制曲線的設(shè)計(jì)要點(diǎn)；其次是在于開口基面處于水平面，便于注塑時(shí)的脫模處理；最后是便于更換粗紗，用掛、繞的方法代替穿引的方法，達(dá)到動(dòng)作要素簡(jiǎn)化、操作快速高效的目的，從而提高工作效率并降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

從吊錠上的粗紗管退繞出的粗紗須條需要導(dǎo)入導(dǎo)紗喇叭時(shí)，操作人員用手指輕捏須條自由端頭，稍向?qū)Ъ喞热肟诙诵毕路綌[動(dòng)，同時(shí)掛入側(cè)邊開口上邊緣處，掛牢之后順勢(shì)向出口端拉拽，此時(shí)須條自然會(huì)貼合到入口端的曲面部分，不間斷地沿側(cè)邊開口上邊緣及縫隙輕拉拽至出口端，由寬于上邊緣的下邊緣圓弧面承接須條的下垂，并方便地導(dǎo)入到通道內(nèi)部，滑落于通道的底部，沿出口端下邊緣引出，達(dá)到簡(jiǎn)單而順暢操作的目的。由于開口基面靠近出口端的上邊，須條落入通道內(nèi)后，通道的左右兩邊仍有一定的高度，能夠起到約束阻擋作用，可使須條隨往復(fù)機(jī)構(gòu)做橫向移動(dòng)。一個(gè)連貫的牽拉動(dòng)作使從上垂吊下來(lái)的須條，貼合在入口端曲面上部，從出口端底邊引出，通道內(nèi)呈傾斜狀態(tài)，完成粗紗的集束導(dǎo)引作業(yè)。

6 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)成環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)的零件數(shù)量很多，功能各有不同，其中一部分在紡紗過(guò)程中與紗線須條直接相聯(lián)系，會(huì)影響成紗質(zhì)量指標(biāo)，同時(shí)對(duì)作業(yè)人員的操作有一定的影響，不斷優(yōu)化、簡(jiǎn)化某一個(gè)動(dòng)作要素，看似微不足道，但是面對(duì)數(shù)以萬(wàn)億錠計(jì)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模，就不能說(shuō)是一件小事。作為工程技術(shù)人員和管理人員既要深入鉆研注塑領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)，結(jié)合注塑材料特性、工藝方法，通過(guò)分析和研究不同領(lǐng)域的應(yīng)用，用注塑手段使零部件的功能得到優(yōu)化，推進(jìn)產(chǎn)品走向高端化，也要深入實(shí)踐腳踏實(shí)地發(fā)現(xiàn)和解決“小問(wèn)題”，才能全面優(yōu)化社會(huì)資源，提高生產(chǎn)水平。