锭盘的发展与演进

翁 明，高金龙，刘 刚

（河南二纺机股份有限公司，河南 信阳 464000）

0 引言

经济的发展导致市场竞争日趋激烈，企业生存时刻面临着各方面的严峻挑战。高产是提高企业经济效益最基本的措施，而环锭细纱机高产最基本的措施是高速化。锭子是环锭细纱机的关键部件，也是加捻卷绕机构中的核心部件，其性能良好与否与细纱机产量、纱线的质量等密切相关。要实现细纱机高速化生产，首先要实现锭子高速化。锭子高速化一定要走在细纱机高速化的前列，且两者之间应拉开距离。锭盘的发展与演进就是为了顺应锭子高速、高效和节能的要求而产生的。我们在锭盘的结构设计、形状设计和使用材料上做了很大的改进与调整，以期锭盘在高速、高效和节能型的锭子上更好地发挥其作用。

1 锭盘的出现

纤维加捻成纱的发明也正是纱锭的起源，锭子的起源至少要追溯到新石器时代。当时我们的祖先发明了一种纺纱工具，就是现代纺锭的鼻祖——纺缚。纺缚在当时是由陶片或石片制作的缚盘及缚杆两部分组成。西汉时期冶铁技术得到较大发展，出现了用铁杆制作的纺缚［1］。后来手工纺车用的锭子就成为现代细纱机锭子的雏形。到了18世纪，工业革命大大促进了纺织技术的发展，古老的手工纺纱逐渐被机器纺纱所取代，先后历经以下几个阶段。

1.1 珍妮纺纱机。该纺纱机有16～18个锭子，是纺纱技术上的一大进步。

1.2 水力传动的纺纱机。从此机器传动代替了人力传动，这种纺纱机牵伸由三对罗拉完成，加捻所用的锭子是翼锭。翼锭在高速时锭臂在离心力的作用下易发生很大变形，影响转动，同时因空气阻力大导致机器的功率消耗过大。

1.3 走锭纺纱机。

1.4 自动走锭纺纱机。这种纺纱方法纺出的纱线细而柔软，比环锭纺丰满，手感柔软，整齐度、均匀性好，但其加捻和卷绕过程是先后分别完成的，因此机器生产率和劳动效率都较低。

到了19世纪中叶，美国发明家费尔斯（Fales）和詹克斯（Jenks）设计了一种平面轴承锭子。当时锭速约为6kr／min，其上下轴承均用滑动轴承且不封闭，由于不能储油防尘，所以需要每天加油，且易油污机器及纱线。后来，美国的拉贝思（Rabbeth）将锭底和轴承封闭在一个壳体内，使锭子发展成为由锭杆、锭盘、支承件、锭脚、锭钩、制动器等零部件组成的综合体［2］。

2 杆盘的作用及质量要求

2.1 带动纱管转动以完成对纱线的加捻及卷绕

我们知道锭子主要由杆盘和下支撑组成，杆盘是锭子的高速回转部件，带动套在其上的纱管转动以完成对纱线的加捻及卷绕作用。为了保证锭子在高速纺纱时杆盘的振程在规定范围以内，所以要求杆盘有很好的跳动和同轴度。杆盘是由锭杆和锭盘通过锥面压配在一起的，图1是现行光杆杆盘的示意及跳动要求［3］。为了保证锭杆和锭盘压配后的质量要求，锭杆与锭盘也必须满足各自的质量要求，图2是锭盘示意及质量要求［4］。

图1 光杆锭子杆盘圆跳动要求

图2 锭盘结构

2.2 锭盘起传动带轮的作用

细纱机主轴上滚盘通过皮带（锭带）和锭盘锭带档组成传动系统。当细纱机主轴带动滚盘旋转时，滚盘就通过套在锭盘锭带档的皮带将动力传递给杆盘带动杆盘高速回转，杆盘又带动套在其上的纱管转动以完成对纱线的加捻及卷绕作用。锭子的转速越高，纺纱效率就越高。假如锭子转速为16kr／min需6h落纱一次，那么，当锭速为20kr／min时则仅需4h就可以落纱一次。由此可知，要提高锭子转速有3种基本方案可供选择，即提高细纱机主轴转速、增大滚盘直径和减小锭盘锭带档直径。虽然，提高细纱机主轴转速和增大滚盘直径可以提高锭子转速，但增加了细纱机的能耗，得不偿失，且细纱机大轴长度达到30m～50m，加之当今细纱机制造水平的限制，过高的转速易引起细纱机振动，影响成纱质量，进而限制了锭子速度的提高。目前细纱机锭子最高转速达30kr／min～35kr／min，所以减小锭盘锭带档直径已成为业内公认的最简单、最实用的提高锭子转速、节能和增效的方法。

3 铸铁锭盘

3.1 铸铁锭盘是历史的选择

早期的锭盘受当时材料和制造工艺水平以及纺纱速度普遍较低（12kr／min～16kr／min）的限制，全部是铸铁锭盘。从图2看到，这样形状的零件采用铸铁件也是很合理的工艺路线，价格比较便宜，所以到目前为止，国内市场上所有速度低于16kr／min的锭子仍是配用的铸铁锭盘。目前铸铁锭盘虽仍有不小的市场空间，但随着技术的进步和市场竞争的日趋激烈，纺织企业对高速、高效、节能型锭子的需求变得越来越迫切，铸铁锭盘因其本身的不足和缺陷将会越来越不能适应未来技术的发展和市场需求。

3.2 铸铁锭盘的局限

3.2.1 工作环境差

铸铁锭盘的铸造生产规模小，技术水平低，污染严重，能源和原材料消耗高，机加工车间粉尘大，吸尘器的作用极为有限，所以工人劳动条件非常差。

3.2.2 材料均匀性差，不适应高速

由于受我国整体铸造水平较低的限制，铸铁锭盘的质量不高，加工余量大，存在砂眼、夹杂、卷气和疏松等缺陷。铸铁锭盘的这些缺陷导致了其质量偏心，高速时会引起锭子的强迫振动，所以不能用在高速锭子上。

3.2.3 材料强度差，不能做小锭带档

铸铁锭盘的材料强度有限，为了避免锭盘锭带档断裂，至少要有2mm的厚度。如果用φ7.8mm的纺锭轴承锭盘锭带档最小只能做到φ22mm，如果用φ6.8mm的纺锭轴承锭盘锭带档最小也只能做到φ20.5mm，但为了提速，锭盘锭带档要求设计为φ19mm或φ18.5mm，甚至更小，很明显这对于铸铁锭盘来说是不可能做到的。

3.2.4 毛坯供应不足

铸铁铸造和加工受到国家产业结构调整的限制，市场供给逐年萎缩，所以锭盘毛坏供应不足。

4 钢锭盘

4.1 钢锭盘是功能性选择，是技术发展的必然

随着历史的发展和技术的进步，锭子的高速化已不仅仅是一个概念或趋势，而成了迫切的技术要求，在这样的背景条件下，为了满足高速锭子的制造和使用要求，钢锭盘便应运而生了。

4.2 钢锭盘的特点

[66]U Nu, Burma Looks Ahead: Translation of Selected Speeches by the Hon’ble U Nu from 19th July 1951 to 4th August 1952. Rangoon, Government printing and Stationary, 1953, p. 98.

4.2.1 材料均匀性好，适应高速

钢锭盘材料均匀性好，加工时只要满足图2所示锭盘的各项精度要求，基本不存在质量偏心的问题，可以很好地满足高速锭子对锭盘的要求。

4.2.2 材料刚度好，可做小锭带档，适应高速

钢锭盘的材料刚度好。为了保证锭盘锭带档有足够的强度和刚度，最薄处只需要有0.5mm的厚度，如果用φ7.8mm的纺锭轴承锭盘锭带档最小可以做到φ19.5mm，如果用φ6.8mm的纺锭轴承锭盘锭带档最小可以做到φ18.5mm，甚至更小，可以满足纺纱企业对锭子提速的要求。

4.2.3 材料成本高

钢锭盘的材料成本高，而且加工难度较铸铁锭盘大，所以设备投入和刀具消耗等费用也相对较多。由于钢锭盘初始加工使用棒料车削工艺，导致毛坯有很大的加工余量，见图2。材料利用率也很低。

5 降低钢锭盘成本的方法

为了更好地体现和发挥钢锭盘的优势，必须降低钢锭盘的成本，一方面要选择合理的设备和刀具，另一方面要提高材料利用率，以降低成本。

5.1 挤压毛坯

最开始做钢锭盘时，很少使用数控车床及机加工刀具，所以钢锭盘材料的可加工性就显得尤为重要。为了适应当时的设备、刀具、工艺等技术条件，选择易切削Y15钢作为钢锭盘材料，但价格比较昂贵。如果采用棒料车削，锭子配用钢锭盘势必造成成本明显增加。由于易切削Y15钢有很好的塑性，采用挤压毛坯的工艺路线比较可行，先将合适的棒料挤压成如图3所示的毛坯形状，然后通过机加工加工出成品。但用Y15钢加工的锭盘在使用过程中非常不耐磨，用一段时间后锭带档有明显磨损。随着加工手段和技术的提高，改用45钢加工锭盘，45钢虽然很难适用挤压毛坯的工艺路线，但价格相对便宜，既保证了成本又解决了锭带档磨损问题［5］。

图3 钢锭盘挤压毛坯形状

5.2 铝套管锭子的出现

图4 铝套管锭子锭盘

为了适应纺织行业高速、节能、自动化的要求，铝套管锭子应运而生［6］。铝套管锭子所配用锭盘与光杆锭子配用锭盘相比，在结构上有明显的变化。图4为常用铝套管锭子配用的锭盘。铝套管锭子配用锭盘与光杆锭子配用锭盘相比，材料利用率有了明显提高。且加工铝套管锭子锭盘时不再采用挤压工序，在一定程度上也降低了锭盘成本。

6 钢锭盘的发展

6.1 锭带档的小型化

研究发现，减小锭盘锭带档直径已成为业内公认的提高锭子转速、节能和增效最简单、最实用的方法。近年来锭子锭盘的锭带档直径做得越来越小，一方面是纺纱企业提速增效的需要，另一方面也展现了各锭子制造企业的技术和生产实力。近年来市场上相继出现了锭带档直径分别为18.5mm和18 mm的锭子。河南二纺机股份有限公司生产的一种超高速锭子锭带档直径最小已达到15mm，为国内乃至世界最小的锭带档［7］。

6.2 钢锭盘的加工

钢锭盘加工主要围绕图2所示的精度要求进行。从图2看到，锭盘所有外圆对锭盘压配锥孔（基准A）的跳动、工艺孔（2∶100锥孔）对压配锥孔的跳动都是0.02mm，端面对压配锥孔的跳动是0.03 mm。为了保证精度，锭盘现行加工工艺基本都是先夹住外圆做好工艺孔，然后将锭盘固定在车床上自车成的死芯轴上完成外圆及压配锥孔的精加工，如图5所示。由于工装死芯轴是在车床上自车的，其跳动可以控制在0.005mm以内，这样加工的锭盘可以满足图2所示的各项形位公差要求，但每次装夹锭盘时的敲击会对机床主轴造成一定的伤害。

图5 锥孔锭盘加工时工装结构示意

6.3 小锭带档给锭盘设计提出新要求（直工艺孔）

随着锭盘锭带档直径越来越小，对锭盘的结构设计提出了新要求。原来的带锥度的工艺孔设计已不能适应，必须将带锥度的工艺孔改为直孔。如图6所示，锭盘工艺孔套在上轴承座外圆上，上轴承座里面装有纺锭轴承，现行常用的纺锭轴承有φ7.8 mm和φ6.8mm两种。想将锭带档做到φ19mm甚至φ18.5mm，必须选用φ6.8mm的纺锭轴承，其外圆是φ14.5mm，这样轴承座的外圆最小可以做到φ16mm。而要保证杆盘能够正常转动，锭盘工艺孔与轴承座外圆之间至少要有0.8mm直径量上的间隙，这也就意味着此时锭盘工艺孔最小是φ16.8mm，这时锭盘工艺孔必须设计为直孔，否则无法满足锭盘锭带档的最低强度要求。锭带档设计得越小，锭带档厚度就越小。为了满足锭带档的最低强度要求，其厚度不得小于0.5mm，比如锭盘锭带档设计为φ18.5mm，锭带宽18mm，锭带弧为R250mm，工艺孔锥度选用2∶100（锥度太小往芯轴上拍时差别太大），当满足锭盘工艺孔上部与轴承座外圆的最小间隙0.8mm时，图6中Ⅰ处的厚度只有0.4mm，但如果将工艺孔设计为φ16.8mm直孔，则可以保证锭带档的最小厚度为0.7mm。

图6 锭子杆盘件与锭脚上轴承配合示意

6.4 新工装的设计（胀力芯轴）

锭盘工艺孔设计成直孔后，如果仍然用原来的死芯轴作为锭盘精车的工装，就须先将锭盘工艺孔作成较小的锥孔，等在死芯轴上精车后反过来夹住外圆将工艺孔镗成直孔。很明显，这样的工艺安排很不合理，但在锭盘初设计为直工艺孔时，其工艺就是这样编排的。一方面是因为当时小尺寸锭带档的锭子（φ19mm或φ18.5mm）还比较少，工艺虽然麻烦，但还可以用；随着小锭带档锭子的产量越来越大，此工艺就费时、费钱又费力。所以，设计一种简单、方便、高效、有足够精度、可以夹持锭盘直工艺孔的工装来完成锭盘的精加工迫在眉睫。通过多次摸索、实验和改进，我们设计了如图7所示的工装（胀力芯轴）。该工装完全满足直工艺孔锭盘的精加工要求，其加工的锭盘各项形位公差完全满足产品设计要求。该工装设计的关键在于弹簧夹头的设计，如图8所示。该弹簧夹头两端开口，这样弹簧夹头在张开时呈圆柱形而不是锥形，在夹持锭盘直工艺孔时有足够的接触面积，保证了足够的夹持力，而且跳动很小。

图7 直孔锭盘工装夹具结构示意

图8 新工装弹簧夹头结构

6.5 新工装的优点

新工装的使用简化了锭盘加工工艺，缩短了工序流程，另一方面在使用胀力芯轴加工锭盘时，只需将锭盘工艺孔套放在弹簧夹头上，然后液压夹紧，避免使用死芯轴时每次装夹锭盘都要用榔头敲击对机车造成损害。

7 结语

锭盘历经铸铁锭盘到钢锭盘的转变，见证了纺织行业技术的进步和提高。相信在以后的岁月里，纺织行业的技术进步必然会使锭盘以及锭子其它零部件日臻完美，而且锭盘锭带档会越来越小型化。

［1］《纺织史话》编写组.纺织史话［M］.上海：上海纺织科学研究院，1978.

［2］陈瑞琪.纺纱锭子的理论与实践［M］.北京：纺织工业出版社，1990.

［3］河南二纺机股份有限公司.杆盘检验规程［Z］.

［4］河南二纺机股份有限公司.锭盘检验规程［Z］.

［5］河南二纺机股份有限公司.锭盘加工工艺［Z］.

［6］赵志军，刘红方.刍议高速锭子的开发实验［J］.纺织器材，2005，32（3）：36－37.

［7］刘万宏.新型锭子对节能降耗增效的影响［J］.纺织器材，2010，37（2）：40－42.