异形纤维喷丝板的设计、加工及应用研究

论文摘要

高精度异形喷丝板是开发异形纤维这一差别化纤维品种的基本出发点,本文对异形纤维喷丝板的设计、加工及其应用进行了系统研究。首先结合麻花钻结构、钻削机理以及纠偏理论,对异形纤维喷丝板导孔的加工技术进行了实验分析,发现孔心偏斜问题是麻花钻加工大深径比喷丝板导孔无法避免的。理论分析及实验结果表明,通过周期的进给,保证每次进给量为一个定值,可以很好实现纠偏效果。同时,优选了导孔加工时的正确切削用量,并提出了提高切削性能的钻头改进方法。其次,研制了加工喷丝板异形微孔的专用电火花机床,包括由计算机数控编程控制实现五轴联动,通过电极回转中心的补偿技术解决定位精度,通过导向器的设计解决喷丝板加工的尺寸精度问题。以此为基础,通过组合拼装实际加工了四种复杂微孔形状,并最终得到基于基本单元的异形喷丝板微孔设计加工的关键技术。对电火花银电极挤出成形过程进行了数值模拟,分析了摩擦力对挤压力、应力分布以及凸模尺寸的影响,为模腔结构设计提供了理论依据,以此为指导开发了三叶形整体银电极加工模具,在自行设计的国产挤压装置上压制出三叶形纤维喷丝板微孔用银电极,并进行了喷丝板的工业化生产,喷丝板微孔抽检结果符合标准要求。通过对“自动对焦”、“喷丝板微孔图像处理和特征参数测量”及“自动定位”三个部分的研究,开发出了光机电一体化的喷丝板全自动智能检测系统,解决了目前喷丝板检测可能出现的误检、漏检等问题,同时大大提高了检测的精度和效率。再次,对异形纤维成形理论进行研究。以矩形喷丝板微孔纺制扁平截面纤维为基本单元,建立了扁平截面纤维纺丝动力学模型,并根据异形纤维截面变形过程中表面积减少所引起的能量差与系统中伴随流动而逸散的能量守恒关系,建立了异形纤维截面形变动力学模型。首次将纺丝动力学基本方程与截面形变动力学模型相结合,建立了异形纤维纺丝成形数学模型,据此对椭圆形纤维成形过程进行了数值模拟,与Takarada等人的模拟和实验结果进行了对比分析,取得了非常一致的验证结果。此外,还利用该模型对扁平纤维纤维成形时的温度、速度、张力和异形度沿纺程的变化进行了模拟,表明喷丝板微孔矩形长宽比、纺丝温度、冷却吹风起始位置、吹风速度对纤维异形度产生不同程度的影响,并由此实际指导开发了天津石化高异形度扁平纤维,最终得到纤维长宽比为7.738,与模型的预测结果一致。在扁平纤维开发基础上,分别对三叶、五叶和十字形复杂截面纤维异形度随纺丝工艺参数变化进行了实验研究,发现随泵供量的增加,异形度增大;随纺丝温度的提高,异形度降低。同时,对三种纤维纺丝成形过程中异形度沿纺程分布进行了数值模拟以及批量化生产验证,结果显示理论预测异形度与实际纤维的平均异形度非常相近,说明所建立的异形纤维成形数值模型适合于模拟三叶、五叶和十字形纤维的成形过程,所确立的三种纤维形状系数方法是合理和可行的。最后,对特殊截面的异形纤维进行了研制。首先设计了三套方案开发多孔中空纤维,并采用铜电极加工喷丝板,最终成功纺制出dpf为25dtex、16孔中空纤维,验证了所提出的基于基本单元异形喷丝板设计理论是正确的。在此基础上,进一步采用放电和机械性能良好的纯金属银作为电极材料,设计加工了直径仅为0.5mm马蹄形微细银电极,并采用数控组合拼装技术实现了多孔的高精度喷丝板微孔的加工,首次成功开发出dpf为15dtex、17中空三维卷曲纤维,顺利实现产业化生产且纤维质量指标测试结果达到企业标准要求。随后进行了细旦、高异形度五叶形纤维的开发,通过异形纤维成形理论分析出纤维成形不好的原因,采用增加保温配合上端吹风装置以及合理的控制纺丝工艺参数,最终成功批量化生产得到平均单叶长宽比为1.78的细旦五叶形纤维。作为前述异形喷丝板设计加工理论的应用,论文还对国内目前一直未能突破的PTT/PET并列复合异形纤维喷丝板进行了开发。较早设计的“直孔方案”复合异形喷丝板的纺丝实验结果显示所得复合异形纤维的抗剥离性能差;经过理论和模拟分析表明,“直孔方案”中PET/PTT熔体的结合主要是在牵伸力作用下距喷丝板一定位置产生,而非膨化胀大效应。因此本研究修改了喷丝板的孔道设计方案,将喷丝板导孔和微孔设计成30。的倾斜态,并对倾斜孔道的设计方案、加工方法以及加工工具进行了详尽的理论研究和实际开发,最终成功的加工出了高位置精度的双倾斜微孔复合喷丝板,为进一步开发性能优良的PTT/PET并列复合异形纤维提供技术支撑。本论文通过对异形纤维从喷丝板加工、纤维成形理论及实际生产的研究,使异形纤维的生产从定性摸索转变到定量控制,为我国异形纤维近年来的快速发展作出了贡献。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1.绪论
• 1.1 异形纤维种类、功能及应用
• 1.2 异形纤维的生产技术
• 1.3 异形纤维的发展现状和趋势
• 1.4 异形纤维喷丝板的制备技术
• 1.4.1 喷丝板的结构和特性
• 1.4.2 异形纤维喷丝板的分类
• 1.4.3 异形纤维喷丝板的选材及加工方法
• 1.4.3.1 喷丝板用材料
• 1.4.3.2 异形喷丝板孔道的加工方法
• 1.4.4 异形喷丝板孔道加工技术的现状及存在问题
• 1.5 本论文研究的主要内容及意义
• 参考文献
• 2.异形喷丝板的设计、加工与检验
• 2.1 异形喷丝板的设计方法及过程
• 2.2 异形喷丝板导孔加工工艺参数的实验及优化
• 2.2.1 麻花钻结构及钻削机理分析
• 2.2.1.1 麻花钻头的结构
• 2.2.1.2 麻花钻的基本几何结构
• 2.2.1.3 麻花钻钻削机理分析
• 2.2.2 周期进给加工工艺的纠偏理论
• 2.2.3 切削工艺的优化
• 2.2.4 普通麻花钻的结构性能改造
• 2.3 异形喷丝板微孔的开发和研制
• 2.3.1 异形喷丝板专用电火花数控加工机床的研制
• 2.3.1.1 普通电火花机床的加工原理
• 2.3.1.2 异形喷丝板专用电火花数控机床的研制
• 2.3.1.3 改进后喷丝板专用电火花机床的独特功能
• 2.3.2 改进后喷丝板专用电火花机床的应用实例
• 2.4 异形喷丝板微孔整体电极的研制与开发
• 2.4.1 微腔模具挤压设备的设计与选用
• 2.4.1.1 挤压工艺的选择
• 2.4.1.2 冷挤压模具结构设计及材料的选用
• 2.4.2 微腔模具挤压成型理论与数值模拟
• 2.4.2.1 挤压成型理论概述
• 2.4.2.2 异形微电极模具挤压过程的数值模拟
• 2.4.3 应用设计实例——三叶形微孔电极模具的开发
• 2.4.3.1 电极尺寸的设计
• 2.4.3.2 三叶形纤维喷丝板微孔电极模具加工工艺
• 2.4.3.3 三叶形纤维喷丝板微孔电极模具加工缺陷及检验标准
• 2.4.3.4 三叶形纤维喷丝板微孔的加工
• 2.5 全自动喷丝板微孔视觉检测系统的研制
• 2.5.1 前言
• 2.5.1.1 喷丝板检测技术概述
• 2.5.1.2 喷丝板检测技术现状
• 2.5.1.3 喷丝板种类及微孔排布特点
• 2.5.2 喷丝板全自动检测系统的硬件结构
• 2.5.3 喷丝板全自动检测系统的软件设计
• 2.5.3.1 自动定位设计
• 2.5.3.2 自动对焦
• 2.5.3.3 图像采集和特征参数的提取
• 2.5.4 界面设计及系统功能
• 2.5.5 喷丝板全自动检测系统的整体结构
• 2.5.6 全自动喷丝板检测系统的应用实例
• 2.5.6.1 圆形微孔喷丝板的检测
• 2.5.6.2 异形孔喷丝板的检测
• 2.6 结论
• 参考文献
• 3.异形纤维纺丝成形理论及实践
• 3.1 前言
• 3.2 异形纤维成形机理的研究
• 3.2.1 异形纤维纺丝成形过程
• 3.2.2 圆形截面纤维熔融纺丝动力学数学模型
• 3.2.2.1 圆形截面纤维纺丝纺程上的力平衡方程
• 3.2.2.2 圆形截面纤维纺丝动力学数学模型的建立
• 3.2.3 异形纤维截面形变动力学模型
• 3.2.4 异形纤维纺丝成形动力学数学模型建立
• 3.2.4.1 异形纤维成形过程中的热传递机理
• 3.2.4.2 异形纤维成形过程中温度方程的建立
• 3.2.4.3 异形纤维成形数学模型建立
• 3.2.5 异形截面纤维成形计算机数值模拟
• 3.2.5.1 粘度和表面张力的确定
• 3.2.5.2 异形纤维纺丝成形数值模拟程序
• 3.3 椭圆截面纤维纺丝成形数值模拟方程的验证
• 3.4 扁平纤维纺丝成形数值模拟及其开发
• 3.4.1 扁平纤维纺丝成形数值模拟
• 3.4.2 扁平纤维开发生产
• 3.5 结论
• 参考文献
• 4.复杂异形截面纤维的开发及其成形理论的研究
• 4.1 PET三叶（三角）形纤维的开发及其纺丝成形数值模拟
• 4.1.1 PET三叶（三角）形纤维的开发及批量化生产
• 4.1.2 PET三叶（三角）形纤维纺丝成形数值模拟
• 4.2 PET五叶形纤维的开发及其纺丝成形数值模拟
• 4.2.1 PET五叶形纤维的开发及批量化生产
• 4.2.2 PET五叶形纤维纺丝成形数值模拟
• 4.3 PET十字形纤维的开发及其纺丝成形数值模拟
• 4.3.1 PET十字形纤维的开发及批量化生产
• 4.3.2 PET十字形纤维纺丝成形数值模拟
• 4.4 三叶（三角）、十字和五叶形纤维模拟形状系数与异形度之间关系
• 4.5 结论
• 参考文献
• 5.特种涤纶异形纤维的开发与生产实践
• 5.1 高异形度纤维开发之一——多孔中空纤维的研制与生产
• 5.1.1 不同中空孔数涤纶纤维弹性度的研究
• 5.1.2 纤度为25dtex、16孔中空纤维的开发
• 5.1.2.1 实验方案的设计
• 5.1.2.2 纺丝实验
• 5.1.2.3 结果分析与讨论
• 5.1.3 纤度为15dtex、17孔中空纤维的开发
• 5.1.3.1 微细银电极的研制及喷丝板微孔的加工
• 5.1.3.2 多孔中空纤维工厂实际放样生产
• 5.2 高异形度纤维开发之二——细旦五叶形纤维的研制与生产
• 5.2.1 细旦五叶形纤维的纺丝实验
• 5.2.1.1 常规3dtex五叶形截面纤维的纺丝实验
• 5.2.1.2 细旦1.5dtex五叶形纤维喷丝微孔尺寸的确定
• 5.2.1.3 1.5dtex细旦五叶形纤维的试纺实验
• 5.2.2 细旦1.5dtex五叶形纤维的实际生产
• 5.3 特种异形纤维的开发——PTT/PET并列复合异形纤维的研制
• 5.3.1 PTT/PET并列复合异形纤维开发背景
• 5.3.2 双直孔型并列复合纤维喷丝板的研制
• 5.3.2.1 直孔型喷丝板孔道的设计
• 5.3.2.2 并列复合型纤维的纺丝实验
• 5.3.3 双倾斜通道并列复合纤维喷丝板的研制
• 5.3.3.1 双倾斜通道喷丝板的设计
• 5.3.3.2 双倾斜通道喷丝板的加工难点
• 5.3.3.3 倾斜导孔的加工
• 5.3.3.4 倾斜微孔的加工
• 5.4 其它异形截面纤维的开发和生产
• 5.5 结论
• 参考文献
• 6.结论和展望
• 攻读博士学位期间发表的学术论文目录
• 致谢