碳/碳复合材料预制体单边双针缝合工艺研究及改进

姬灵超，董九志，蒋秀明

(天津工业大学 天津市现代机电装备技术重点实验室，天津 300387)

0 引言

单边双针缝合技术是碳/碳复合材料预制体成型制造的关键，由于其自由度高、灵活性好，且不受缝合对象空间形状影响，已经被西方发达国家广泛应用于工业生产。欧美国家致力于在飞机项目上用单边双针缝合技术缝合制造复杂结构件，促进了缝合设备的研制与改良。德国ALTIN Naehtechnik公司对单边双针缝合设备及技术进行了一系列研究，用机械手臂控制缝合头专门用于复合材料预制件生产。KSL公司采用工业机器人结合单边双针缝合技术，先后用于对家具用品、汽车气囊以及碳/碳复合材料飞机零部件的生产制造[1-2]。

天津工业大学姚福林等人对复合材料单边缝合机械手系统及其缝合行为进行研究，制作单边双针缝合设备并进行缝合实验[3]。南京航空航天大学潘杰等人对三维增强复合材料单面双针缝合装备技术进行研究，对搭接预浸料进行缝合并验证了缝合性能[4]。总体来说，我国对单边双针缝合技术的研究还处于探索和实验阶段，缝合设备及缝合动作还存在很大的不稳定性，且现有缝合工艺缝合时多采用玻璃纤维或芳纶纤维等纱线，相关资料表明[5]，碳/碳复合材料作为航天类结构件时，采用碳纤维缝合最能满足其特殊的性能要求，笔者对工艺改进后可直接采用碳纤维进行缝合，明显提高了材料性能。

1 单边双针缝合工艺

现有的单边双针缝合工艺是由两根缝合针在缝料一侧配合完成，其主要工艺过程如图1所示，图中倾斜放置的为引线针，垂直放置的为钩线针。

图1 单边双针缝合工艺线迹形成过程

缝合开始时，先由引线针带着纱线穿过缝料到达缝料下表面，当引线针到达下极限位置后在回退的过程中，由于纱线与缝料之间存在摩擦力，会使部分纱线在缝料下表面聚集形成线环，然后钩线针滞后于引线针刺穿缝料，并在引线针上线环达到理想状态时钩住线环，把线环带回到缝料上表面，随后钩线针带着纱线相对缝料向前移动一个针距，待钩线针再次下降刺入缝料时其针杆穿过线环，钩线针下到缝料下表面钩住线环，并将线环带回从上一线环中穿出，依次循环，形成环环相扣的锁扣线迹，即OSS线迹，如图2所示。

图2 OSS线迹

改进前的缝合工艺，为实现线迹的环环锁扣，钩线针每次缝合需要从上一线环中穿过，到达缝料下面钩住线环后，再把线环从上一线环中带出，此过程中，钩线针针钩朝前放置(缝合路径的前进方向)并在线环形态达到理想状态时直接钩取线环，因为钩线针只能沿其轴线做往复直线运动，钩取线环的过程只能靠线环自己进入针钩，这就对线环及针钩的位置配合关系要求极为严格，稍有偏差就会钩取失败，如图3a)所示。

a) 漏钩 b) 误钩 1—钩线针；2—引线针。图3 改进前钩线针钩线方式

若钩线针成功钩住线环，再将线环带回缝料上表面时，由于纱线受张力的影响，因为钩线针刺入缝料时穿过而被套在针杆上的线环此时已经紧贴针杆，并会在钩线针针钩露出缝料上表面的同时顺势滑入针钩，这就会使钩针把上一周期的线环连同钩起，造成误钩，如图3b)所示，一旦发生漏钩、误钩问题缝合就会被迫停止，这就是原有缝合工艺不能连续进行缝合的关键因素。

2 单边双针缝合工艺改进

2.1 钩线环钩线方式改进

基于上述缝合工艺的不足，对缝合工艺进行改进，改进后的钩线过程如图4所示。

a) 钩线 b) 穿环 1—钩线针；2—引线针；3—拨线机构。图4 改进后钩线针钩线方式

工艺改进前由引线针带着纱线刺穿缝料到达缝料底部，并在回退过程中形成线环，钩线针滞后于引线针下降到缝料下表面，在线环成型后直接钩住线环并把纱线带到缝料上表面，此工艺在钩线过程中，钩线针针钩朝前放置(缝合路径的前进方向)。

工艺改进后，在引线针上线环成型后，钩线针由直接钩取线环转为先插入线环，同时给纱线适当张力，确保纱线紧贴针杆，在钩线针上升的过程中，纱线在缝料底部沿针杆向下滑动，待钩线针针钩接近缝料下表面时，线环沿针杆滑入针钩，实现针钩钩线过程，如图4a)所示。

2.2 钩线针针钩朝向改进

改进前，钩线针针钩朝前放置(缝合路径的前进方向)。这样会使钩线针带着纱线返回到缝料上表面时发生误钩问题，并在钩线针相对于缝料向前移动时带着上一线环一起移动，速度过快或张力过大时还有可能扯断纱线。

改进后，钩线针针钩朝后放置，这样即可避免钩线针针钩在露出缝料时误钩到上一线环。

2.3 增加拨线机构

改进后，针钩朝后放置，为了实现线迹锁扣，需要增加拨线机构[6-7]，当钩线针带着纱线到达上极限位置时把纱线拨回使其重新套在针杆上，满足钩线针在刺入缝料时必须从上一线环中穿过的要求，如图4b)所示。

改进后的缝合工艺线迹形成过程如图5所示。

其线迹形成过程为：先由引线针带着纱线穿过缝料并在回退时形成线环，钩线针滞后于引线针刺入缝料，在线环形成时先插入线环，随后在上升过程中由纱线自行滑入针钩，钩线针将线带到缝料上表面，并向前移动，在其到达上极限位置时，由拨线机构将纱线拨回，使钩线针再次下降时能够穿入线环，实现线迹锁扣。

图5 改进后缝合工艺线迹形成过程

3 工艺改进前后实验对比

为了验证改进后的缝合工艺能否成功避免漏钩、误钩，分别采用两种工艺进行缝合实验。实验采用专门针对改进工艺设计的单边双针缝合样机。

通过观察钩线针钩线情况，在缝合实验中发现，原有的缝合工艺，很容易出现漏钩、误钩问题，如图6所示。

a) 漏钩

b) 误钩

改进后的缝合工艺，可以有效避免漏钩、误钩缺陷，如图7a)所示，钩线针顺利钩住线环，针钩方向朝后，恰好从上一线环中把纱线带出，避免了误钩；图7b)是在钩线针即将下降时拨线钩把线环拨回环绕针杆的过程。

a) 钩线针钩取线环

b) 拨线钩拨回线环

图7 改进后工艺钩针钩取线环

4 结论

4.1单边双针缝合技术是用来对碳/碳复合材料预制体进行加工生产的关键技术之一，现有的缝合工艺由钩线针和引线针配合完成，缝合过程由于钩线针针钩朝向问题会产生漏钩、误钩，导致缝合过程无法继续进行，也无法保证材料性能。

4.2针对现有工艺中的缺陷对单边双针缝合工艺进行了改进，改变钩线针针钩朝向，增加拨线机构，并采用针对改进工艺专门设计的单边缝合装置样机进行缝合实验，验证改进后的缝合工艺可有效避免漏钩、误钩，保证缝合连续稳定进行，增强材料性能。