導料方式及沖孔切斷工藝對導紗針質量的影響

白云峰，陳一鳴，丁 浩，朱世根

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

針織行業中，織針的質量直接影響著針織物的質量和生產效率[1]。導紗針的主要功能是墊紗，作為經編機成圈機構的重要輔助件，其精度要求高、安裝量大，必須使用多工位級進模沖壓成型才能滿足要求[2]。一般導紗針選用帶材作為制針原料，沖裁面多，表面品質難以保證。選用與導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料與切斷方式對導紗針針坯質量的影響，并提出了相應的解決方案，制造出了符合要求的針坯。

1 初步確定沖壓工序

圖1所示為導紗針結構示意圖，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，該型導紗針尺寸小，由針桿、帶導紗孔的針頭與針尾3部分組成。其特點為：①針頭部在厚度方向上呈楔形，與針桿連接處雙側以1.21°的斜面過渡，最薄處為0.23 mm。②圓形導紗孔位于針頭頂端，導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，且與導紗孔具有一定的形位關系。④選用與針桿等寬同厚的扁絲為原料，其外形即為導紗針桿部分的輪廓。⑤針尾還有2個壓印，以提高鑲鑄后導紗針與鑲鑄塊的連接強度。

單位：mm。

結合圖1可知，導紗針成型的基本工序包括：①自由鍛(壓扁)：尾印與雙側斜面過渡的楔形針頭成型；②沖孔：導紗孔成型；③落料：楔形針頭側面輪廓成型，切斷分離。此外，采用級進模生產時，原料上應有導正孔或側刃用以定位。

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

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

扁絲寬度1.05 mm，沖側刃或導正孔都很困難。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正孔。

綜合上述因素后，確定導紗針的沖壓工序如圖2所示。

圖2 導紗針沖壓工序

選用與導紗針針桿等寬同厚的扁絲為原料，扁絲外形即為導紗針輪廓的一部分，故導紗孔與針頭側面輪廓的沖裁過程中的定位基準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個工位沖出雙側導正孔或側刃，以增強加工特征的定位精度[3-5]，而扁絲只能采用單導正孔進行導向，送料過程中容易發生擺動，故必須對扁絲進行有效的橫向定位。

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：導正塊、導正銷和導料銷。圖4為使用圓柱形導料銷時，扁絲的橫向定位示意圖。

圖3 定位零件

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

圖1所示的楔形頭兩側要求關于導紗針中心對稱，則壓扁壓印成型前，需對扁絲進行導向，使其位于模具中心線。如圖4所示，導正塊“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，所以扁絲的送進方向與導正塊的導正方向間可能存在偏移角度。若僅采用單個導正塊進行導向，約束能力較小,扁絲的送進方向可能發生較大偏移，為取得更佳的導正效果，故在導正塊“1”之后添加導正塊“2”進行輔助導向。導正塊導正示意圖見圖5。

圖5 導正塊導正示意圖

導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紗孔和針頭側面輪廓的沖裁位置。沖導正孔時，需利用在第1工位壓出的導紗針尾印確定扁絲的送料長度，此外扁絲經壓扁后局部寬度增加，垂直送料方向的定位基準只能依靠扁絲無變形部分的外形。此時，可采用圖4中“3”“4”處的圓柱形導料銷錯位分布在模具中軸線兩側用于扁絲的橫向定位。

圓柱形導料銷便于脫料，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。但圓柱形導料銷只能通過接觸點約束扁絲的位置，若扁絲局部呈小幅度的波浪狀(圖6(b))，在送料機構送進時，由于接觸面積小，約束力不夠，扁絲容易發生橫向擺動，導致導正孔、導紗孔和外輪廓沖裁時位置不準確。

圖6 圓柱形導料銷導正示意圖

若采用楔形導料銷(圖3(d))替代圓柱形導料銷對扁絲進行橫向定位，可將點接觸優化為線接觸，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為楔形導料銷的導正示意圖，在模具的下行過程中，將扁絲引導并固定在楔形凹槽中，扁絲由導正前的彎曲狀態(圖7(a))經嚴格限制固定在與楔形面平行的位置(圖7(b))。雖然楔形導料銷導正效果較好，但在模具上的安裝難度大。

圖7 楔形導料銷導正示意圖

在圖4中的空位“11”“12”，均設置導正銷(圖3(b))提高送料精度。導正銷和導正孔相互配合，導正銷順利插入導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]。

在經砸扁后的楔形頭沖導紗孔與針頭側面輪廓時均需要進行橫向定位，否則扁絲發生橫向偏移時沖得的導紗針可能出現3種形態，一是如圖8(a)所示，導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，導紗孔偏離理想中心線程度相對較小，外輪廓經沖裁后過渡不佳；三是如圖8(c)所示，導紗孔偏離程度大且外圓輪廓過渡差。

圖8 導紗針形態示意圖

2.2 沖裁實驗及結果分析

為驗證圓柱形導料銷和楔形導料銷對扁絲實際導正效果，按照上述2種導料與定位方案，進行級進模設計、完成了模具加工和模具裝配，使用SWP-B扁絲為原料，沖制了一批導紗針針坯。圖9為放大20倍的導紗針針坯。

圖9 導紗針針坯(×20)

使用基恩士VHX-1000超景深顯微鏡的測繪功能對導紗孔的位置進行檢測，導紗孔位置檢測示意圖見圖10。其測量方法是過導紗孔圓心向導紗針輪廓邊緣作垂線，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|可用來衡量導紗孔圓心偏離中心線的程度。|a-b|的數值越小，則表示導紗孔位置越好。

圖10 導紗孔位置檢測示意圖

圖11為導紗孔偏移數據的箱形圖。由圖可知，采用圓柱形導料銷時，|a-b|最大為106.48 μm，最小為26.82 μm。采用楔形導料銷時|a-b|最大為29.43 μm，最小為0.13 μm。圖中陰影部分是樣本數據按從小到大排序時，第25%到第75%的數據分布情況，楔形導料銷|a-b|數值分布更為集中且數值范圍遠小于圓形導料銷，故而采用楔形導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 導紗孔偏移數據的箱形圖

楔形導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倍獲得的導紗孔照片見圖12，可以發現導紗孔靠近針頭外輪廓的部分(圖12中箭頭指向的部位)向孔內側發生塑性變形，需對變形原因進行探討。

圖12 導紗孔照片(×50)

3 導紗孔變形分析

導紗針外圓輪廓成型屬于典型的開放式沖裁，過程中伴有側向力的產生[8]，導紗孔邊緣距針頭最薄處僅0.45 mm，側向力易致導紗孔變形。

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，易造成導紗孔的變形。為避免導紗孔的變形問題，原則上應在切外輪廓時對導紗孔進行保護(如在導紗孔中插入保護銷)，或將導紗孔和外圓輪廓的沖裁設計在同一工位進行，但考慮到凹凸模的強度及空間復雜程度，很難實現[9-11]；若采用先切斷后沖導紗孔的方案,那么切斷之后,針坯在下一工位的送料就無法實現。

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

圖14 改進后導紗針沖壓排樣圖

1—上模座； 2—墊板； 3—壓扁、壓印凸模； 4—沖導正孔凸模；5—卸料彈簧；6—切斷凸模； 7—沖導紗孔凸模； 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—導紗孔凹模； 17—切斷凹模； 18—導正孔凹模； 19—壓扁、壓印凹模； 20—彈簧；21—下模座； 22—內導柱； 23、27、32——導正塊； 24—外導柱； 25、26、28、29—楔形導料銷； 30—吹氣銷。

根據改進后的排樣方案進行模具設計，導紗針多工位級進模具總裝圖如圖15所示。在模具開啟狀態下，送料機構將扁絲送至指定工位。上模座“1”在壓力機的帶動下向下移動，帶動固定于卸料板“11”上的導料銷(28、29)，將扁絲引導固定在楔形凹槽中，隨后卸料板“11”與凹模固定板“12”將扁絲壓緊。上模繼續下行時，彈簧“5”處于壓縮狀態，使固定在凸模固定板“9”上的切斷凸模“6”與沖孔凸模“7”較卸料板“11”產生相對運動。

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行沖孔，沖孔后上模繼續下行時，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，實現針坯分離。在切斷凹凸模組件工作期間，沖孔凸模仍在沖出的導紗孔中，可增強定位效果。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—切斷凸模保護套； 3—切斷凸模； 4—沖孔凸模；5—沖孔凸模保護套。

圖17 切斷凸模鑲塊

圖18 切斷凹模鑲塊

3.2 改進設計后的針坯檢測

圖19為模具改進后采用切斷分離和沖導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，在圖片上導紗孔邊緣任取3點，即可生成由該3點決定的圓，即圖19標示的實線圓，該圓與導紗孔邊緣符合良好，說明導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標示的虛線圓,表明針坯的外圓輪廓與針桿連接部位實現了平滑過渡。

圖19 改進后模具沖制的導紗孔(×50)

4 結束語

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