姬靈超，董九志，蔣秀明

(天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點實驗室，天津 300387)

0 引言

單邊雙針縫合技術(shù)是碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體成型制造的關(guān)鍵，由于其自由度高、靈活性好，且不受縫合對象空間形狀影響，已經(jīng)被西方發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。歐美國家致力于在飛機(jī)項目上用單邊雙針縫合技術(shù)縫合制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，促進(jìn)了縫合設(shè)備的研制與改良。德國ALTIN Naehtechnik公司對單邊雙針縫合設(shè)備及技術(shù)進(jìn)行了一系列研究，用機(jī)械手臂控制縫合頭專門用于復(fù)合材料預(yù)制件生產(chǎn)。KSL公司采用工業(yè)機(jī)器人結(jié)合單邊雙針縫合技術(shù)，先后用于對家具用品、汽車氣囊以及碳/碳復(fù)合材料飛機(jī)零部件的生產(chǎn)制造[1-2]。

天津工業(yè)大學(xué)姚福林等人對復(fù)合材料單邊縫合機(jī)械手系統(tǒng)及其縫合行為進(jìn)行研究，制作單邊雙針縫合設(shè)備并進(jìn)行縫合實驗[3]。南京航空航天大學(xué)潘杰等人對三維增強(qiáng)復(fù)合材料單面雙針縫合裝備技術(shù)進(jìn)行研究，對搭接預(yù)浸料進(jìn)行縫合并驗證了縫合性能[4]。總體來說，我國對單邊雙針縫合技術(shù)的研究還處于探索和實驗階段，縫合設(shè)備及縫合動作還存在很大的不穩(wěn)定性，且現(xiàn)有縫合工藝縫合時多采用玻璃纖維或芳綸纖維等紗線，相關(guān)資料表明[5]，碳/碳復(fù)合材料作為航天類結(jié)構(gòu)件時，采用碳纖維縫合最能滿足其特殊的性能要求，筆者對工藝改進(jìn)后可直接采用碳纖維進(jìn)行縫合，明顯提高了材料性能。

1 單邊雙針縫合工藝

現(xiàn)有的單邊雙針縫合工藝是由兩根縫合針在縫料一側(cè)配合完成，其主要工藝過程如圖1所示，圖中傾斜放置的為引線針，垂直放置的為鉤線針。

圖1 單邊雙針縫合工藝線跡形成過程

縫合開始時，先由引線針帶著紗線穿過縫料到達(dá)縫料下表面，當(dāng)引線針到達(dá)下極限位置后在回退的過程中，由于紗線與縫料之間存在摩擦力，會使部分紗線在縫料下表面聚集形成線環(huán)，然后鉤線針滯后于引線針刺穿縫料，并在引線針上線環(huán)達(dá)到理想狀態(tài)時鉤住線環(huán)，把線環(huán)帶回到縫料上表面，隨后鉤線針帶著紗線相對縫料向前移動一個針距，待鉤線針再次下降刺入縫料時其針桿穿過線環(huán)，鉤線針下到縫料下表面鉤住線環(huán)，并將線環(huán)帶回從上一線環(huán)中穿出，依次循環(huán)，形成環(huán)環(huán)相扣的鎖扣線跡，即OSS線跡，如圖2所示。

圖2 OSS線跡

改進(jìn)前的縫合工藝，為實現(xiàn)線跡的環(huán)環(huán)鎖扣，鉤線針每次縫合需要從上一線環(huán)中穿過，到達(dá)縫料下面鉤住線環(huán)后，再把線環(huán)從上一線環(huán)中帶出，此過程中，鉤線針針鉤朝前放置(縫合路徑的前進(jìn)方向)并在線環(huán)形態(tài)達(dá)到理想狀態(tài)時直接鉤取線環(huán)，因為鉤線針只能沿其軸線做往復(fù)直線運動，鉤取線環(huán)的過程只能靠線環(huán)自己進(jìn)入針鉤，這就對線環(huán)及針鉤的位置配合關(guān)系要求極為嚴(yán)格，稍有偏差就會鉤取失敗，如圖3a)所示。

a) 漏鉤 b) 誤鉤 1—鉤線針；2—引線針。圖3 改進(jìn)前鉤線針鉤線方式

若鉤線針成功鉤住線環(huán)，再將線環(huán)帶回縫料上表面時，由于紗線受張力的影響，因為鉤線針刺入縫料時穿過而被套在針桿上的線環(huán)此時已經(jīng)緊貼針桿，并會在鉤線針針鉤露出縫料上表面的同時順勢滑入針鉤，這就會使鉤針把上一周期的線環(huán)連同鉤起，造成誤鉤，如圖3b)所示，一旦發(fā)生漏鉤、誤鉤問題縫合就會被迫停止，這就是原有縫合工藝不能連續(xù)進(jìn)行縫合的關(guān)鍵因素。

2 單邊雙針縫合工藝改進(jìn)

2.1 鉤線環(huán)鉤線方式改進(jìn)

基于上述縫合工藝的不足，對縫合工藝進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的鉤線過程如圖4所示。

a) 鉤線 b) 穿環(huán) 1—鉤線針；2—引線針；3—撥線機(jī)構(gòu)。圖4 改進(jìn)后鉤線針鉤線方式

工藝改進(jìn)前由引線針帶著紗線刺穿縫料到達(dá)縫料底部，并在回退過程中形成線環(huán)，鉤線針滯后于引線針下降到縫料下表面，在線環(huán)成型后直接鉤住線環(huán)并把紗線帶到縫料上表面，此工藝在鉤線過程中，鉤線針針鉤朝前放置(縫合路徑的前進(jìn)方向)。

工藝改進(jìn)后，在引線針上線環(huán)成型后，鉤線針由直接鉤取線環(huán)轉(zhuǎn)為先插入線環(huán)，同時給紗線適當(dāng)張力，確保紗線緊貼針桿，在鉤線針上升的過程中，紗線在縫料底部沿針桿向下滑動，待鉤線針針鉤接近縫料下表面時，線環(huán)沿針桿滑入針鉤，實現(xiàn)針鉤鉤線過程，如圖4a)所示。

2.2 鉤線針針鉤朝向改進(jìn)

改進(jìn)前，鉤線針針鉤朝前放置(縫合路徑的前進(jìn)方向)。這樣會使鉤線針帶著紗線返回到縫料上表面時發(fā)生誤鉤問題，并在鉤線針相對于縫料向前移動時帶著上一線環(huán)一起移動，速度過快或張力過大時還有可能扯斷紗線。

改進(jìn)后，鉤線針針鉤朝后放置，這樣即可避免鉤線針針鉤在露出縫料時誤鉤到上一線環(huán)。

2.3 增加撥線機(jī)構(gòu)

改進(jìn)后，針鉤朝后放置，為了實現(xiàn)線跡鎖扣，需要增加撥線機(jī)構(gòu)[6-7]，當(dāng)鉤線針帶著紗線到達(dá)上極限位置時把紗線撥回使其重新套在針桿上，滿足鉤線針在刺入縫料時必須從上一線環(huán)中穿過的要求，如圖4b)所示。

改進(jìn)后的縫合工藝線跡形成過程如圖5所示。

其線跡形成過程為：先由引線針帶著紗線穿過縫料并在回退時形成線環(huán)，鉤線針滯后于引線針刺入縫料，在線環(huán)形成時先插入線環(huán)，隨后在上升過程中由紗線自行滑入針鉤，鉤線針將線帶到縫料上表面，并向前移動，在其到達(dá)上極限位置時，由撥線機(jī)構(gòu)將紗線撥回，使鉤線針再次下降時能夠穿入線環(huán)，實現(xiàn)線跡鎖扣。

圖5 改進(jìn)后縫合工藝線跡形成過程

3 工藝改進(jìn)前后實驗對比

為了驗證改進(jìn)后的縫合工藝能否成功避免漏鉤、誤鉤，分別采用兩種工藝進(jìn)行縫合實驗。實驗采用專門針對改進(jìn)工藝設(shè)計的單邊雙針縫合樣機(jī)。

通過觀察鉤線針鉤線情況，在縫合實驗中發(fā)現(xiàn)，原有的縫合工藝，很容易出現(xiàn)漏鉤、誤鉤問題，如圖6所示。

a) 漏鉤

b) 誤鉤

改進(jìn)后的縫合工藝，可以有效避免漏鉤、誤鉤缺陷，如圖7a)所示，鉤線針順利鉤住線環(huán)，針鉤方向朝后，恰好從上一線環(huán)中把紗線帶出，避免了誤鉤；圖7b)是在鉤線針即將下降時撥線鉤把線環(huán)撥回環(huán)繞針桿的過程。

a) 鉤線針鉤取線環(huán)

b) 撥線鉤撥回線環(huán)

圖7 改進(jìn)后工藝鉤針鉤取線環(huán)

4 結(jié)論

4.1單邊雙針縫合技術(shù)是用來對碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體進(jìn)行加工生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，現(xiàn)有的縫合工藝由鉤線針和引線針配合完成，縫合過程由于鉤線針針鉤朝向問題會產(chǎn)生漏鉤、誤鉤，導(dǎo)致縫合過程無法繼續(xù)進(jìn)行，也無法保證材料性能。

4.2針對現(xiàn)有工藝中的缺陷對單邊雙針縫合工藝進(jìn)行了改進(jìn)，改變鉤線針針鉤朝向，增加撥線機(jī)構(gòu)，并采用針對改進(jìn)工藝專門設(shè)計的單邊縫合裝置樣機(jī)進(jìn)行縫合實驗，驗證改進(jìn)后的縫合工藝可有效避免漏鉤、誤鉤，保證縫合連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，增強(qiáng)材料性能。