范曉健，李　晶

(西安工程大學 機電工程學院，西安　710048)

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碳纖維縫紉線用機針的改進

范曉健，李晶

(西安工程大學 機電工程學院，西安710048)

為了減小機針線孔對碳纖維縫紉線的剪切應(yīng)力以降低斷線率，應(yīng)用摩擦學原理，在線孔中加裝滾輪，變滑動摩擦為滾動摩擦，改進縫紉機針設(shè)計，有效降低了縫紉生產(chǎn)的斷線率。

碳纖維；縫紉線；機針；滾動摩擦；斷線率

0　引言

縫紉機針作為縫紉生產(chǎn)的主要器材，其功能即為穿透縫料、引導(dǎo)縫紉線、形成由線環(huán)[1]縫制的衣服。制造縫紉機針的材料通常為優(yōu)質(zhì)的工具鋼，經(jīng)沖壓、銑磨等機械加工而成，以使其具有硬度高、彈性好、耐磨耐用性好等特性；必要時，還可以對其進行鍍鎳或鍍鉻，以降低織物與縫紉機針之間的摩擦[2]。在縫紉加工過程中，縫紉機針的性能對生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量有著直接影響；因此，縫紉機針性能的改進尤為重要。

國內(nèi)外對縫紉機針進行了各種研究，然而這些研究多局限于對縫紉機針的選擇，涉及縫紉機針在使用過程中容易產(chǎn)生的針洞、疵點、針溫、機針穿透力變?nèi)跫捌浔砻娲植诙茸儾畹葐栴}；而少有改進縫紉機針性能的研究?？p紉機針一般應(yīng)具備以下性能：縫紉中熱量產(chǎn)生少；熔化殘留物附著率小；高硬度、高強度、高耐磨性；使用壽命長；更小的穿透阻力；防靜電；跳針、跳線概率小。

層合復(fù)合材料出現(xiàn)于20世紀 60年代末，然而其層間斷裂隱患一直為人們廣泛關(guān)注[3]。隨著縫紉技術(shù)的發(fā)展，縫紉復(fù)合材料可以有效地解決其層間斷裂問題[4]；但由于碳纖維耐沖擊性能差、剪切強度低、單纖維非常脆弱，碳纖維縫紉線在縫紉過程中極易斷裂[5-7]。

機針性能的改進有很多方法，如可以優(yōu)選材料，也可以采取科學的熱處理工藝，筆者則是通過改變機針結(jié)構(gòu)來改進機針的縫紉功能。在機針的線孔中加裝滾輪，當碳纖維縫紉線經(jīng)過線孔時帶動滾輪滾動，滾輪與銷軸之間形成滾動摩擦，從而避免碳纖維紗線與縫紉機針線孔的直接接觸，使?jié)L動摩擦代替滑動摩擦[8]，從而減少斷線率，進而提高縫紉質(zhì)量和縫紉效率。

1　普通縫紉機針的構(gòu)造及成縫原理

1.1機針構(gòu)造

機針是縫紉機不可或缺的成縫工作件，機針引導(dǎo)縫紉線穿刺縫料，通過成縫器鉤取縫線并在縫紉機針回升時形成線環(huán)，最終通過挑線機構(gòu)拉緊形成線跡。盡管不同縫紉機針在外形上有很大差異，但其基本結(jié)構(gòu)依然存在共同之處。在生產(chǎn)中使用最多、最普遍的是平縫機針，下面以其為例簡述縫紉機針的基本結(jié)構(gòu)。

圖1是平縫機針的結(jié)構(gòu)示意，它由以下幾個部分構(gòu)成。

針肩1是針柄到針尖的過渡段，呈圓錐形，從上到下逐步變細，直徑較針柄小，較針身大，這主要是為了增強機針的強度。為避免斷針刺破縫料，通常在針肩下方進行特別處理，使機針遭破壞時正好在此處斷裂。

長針槽2位于針肩正下方，其作用是為縫紉線提供一個具有保護作用的通道，當縫紉線在針槽中通過時可以有效減少縫紉線與縫料之間的摩擦；因此，長針槽要經(jīng)過精細研磨以保光滑。

針尖3是線孔至尖端較纖細的部分，針尖將縫料的紗線或纖維推開，必要時將縫料割裂，以使機針穿過縫料；針尖是縫紉機針最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部位，縫紉線在線孔處順直向下進而改變運動方向，橫向通過針孔。

針桿4是從針肩到線孔的過渡部分，其主要作用是運輸縫紉線，即引導(dǎo)縫紉線穿過縫紉料；當縫紉機針穿過縫料時，其承受的摩擦力最大。

針穴5位于針桿下端、線孔上端，其凹陷的形狀是為了使機針與旋梭尖的連接更加緊密，以利于更好地形成線圈，也方便縫紉機在工作時旋梭尖能夠精準地鉤取縫紉線以形成線圈。

線孔6是縫紉線在機針上的通道，位于針尖與針桿的交接處，其作用是引導(dǎo)縫紉線穿過縫料。在縫紉過程中，縫紉線在線孔中快速、重復(fù)地滑動以使任何縫紉線都能順利地通過。

短針槽7處于針孔附近，其長度約是針孔長度的2倍，作用是在縫紉機針穿過縫料時引導(dǎo)面線；當機針回升時，利用槽外縫紉線與面料產(chǎn)生的摩擦力阻止縫紉線隨縫紉機針上升，進而促進形成線環(huán)?？p紉機針穿透縫料時，由于最大力量位于線孔的橫向部位，因而必須削減此部位應(yīng)力避免過于集中，而短針槽能有效減少對縫料的損傷。

針頂8即機針的頂端部分，呈錐體狀，其作用是為了確保機針安裝位置，使頂部無空位，以保持機針穩(wěn)固。

針柄9是機針直徑最大處，與縫紉機上的安裝位置相配合；因此，針柄必須平整，否則，工作時易使機針彈出或折斷。

1.2機針成縫原理

縫紉機在縫紉時，針尖穿透縫料后線孔隨著針桿下降，當機針位置越來越低時需要的縫紉線也越來越多，在機針到達最低點、機針將縫紉線送入成縫器內(nèi)時，成縫器周期性旋轉(zhuǎn)帶動縫紉線，然后機針開始上升并退出縫料。因為縫紉線與縫料間的摩擦力大于縫紉線與針槽間的摩擦力，所以在面料下側(cè)的縫紉線利于形成線圈。此時，針板下的成縫器就引導(dǎo)底線穿過線圈完成線跡的穿套；然后，挑線機構(gòu)拉動縫線將多余的縫線拉出面料并適當拉緊，以形成一個完整的線跡。與此同時，在機針不斷上升直至完全退出縫料后，送布機構(gòu)將縫料向前推進一個針跡的距離，則完成一個縫紉周期，也為機針的下一個縫紉周期做好準備?？p紉的成縫過程即為：進針→下線→線圈形成→穿套→退針→緊圈→形成線跡→送布。

2　機針的改進設(shè)計

針對碳纖維縫紉線特性，以摩擦學原理及普通工業(yè)縫紉針為基礎(chǔ)，在針型、針號、形狀及外觀一定的情況下，進行改進設(shè)計。

2.1結(jié)構(gòu)

改進設(shè)計后的機針如圖2所示，由針頂、針柄、針肩、長針槽、線孔、短針槽、針尖、滾輪、銷軸、針穴等組成。

2.2工作原理

以普通機針為原型，加長了線孔并在線孔內(nèi)加裝了用銷軸固定的滾輪，銷軸與線孔壁為過盈配合，而銷軸與滾輪為間隙配合。當縫紉操作時，碳纖維縫紉線穿過帶滾輪的機針線孔帶動滾輪轉(zhuǎn)動，減輕與銷軸的滾動摩擦，避免了碳纖維縫紉線與針眼的直接接觸，從而降低縫紉斷線的問題。

3　改進后縫紉線的受力分析

如圖3所示，縫紉中的縫紉線在線孔處受到多種力的共同作用，又因為縫紉線單位長度的質(zhì)量很小，所以，在分析中省略重力。滾動摩擦是由于物體和平面接觸處的形變引起的，縫紉線受拉力F的作用而壓入線孔的支承面，其自身也受壓縮而變形，在向前滾動時接觸前方的支承面隆起，這使得支承面對縫紉線的彈力作用點從最低點前移，所以彈力FN與拉力F不在一直線上，而形成了一個阻礙滾動的力偶矩，進而形成滾動摩擦。滾動摩擦力的大小由滾動摩擦力偶矩決定，它與滑動摩擦力Ff(物體沿另一物體表面滑動時產(chǎn)生的摩擦力)無法比較大小。無論是滑動摩擦或滾動摩擦，都是平動的阻力，只不過對兩種運動所表現(xiàn)的作用不同而已，一個表現(xiàn)為阻抗性，一個表現(xiàn)為輔助性；實驗表明在其他條件相同的情況下，克服滾動摩擦力矩使物體運動需要的力FR比克服滑動摩擦力Ff所需要的力小得多，而且在一般情況下FR只有Ff的1/40～1/60。

在其他條件一定的情況下，通過普通機針或改進機針的拉力F、正壓力FN是相同的，不同的是滑動摩擦力Ff與滾動摩擦力FR的區(qū)別；當機針改進之后，縫紉線受到的摩擦力明顯下降(FR≤Ff)，因此縫紉線受到的切應(yīng)力F切也在一定程度上減小，進而降低了縫線的斷線率。

4　結(jié)語

工業(yè)縫紉機用機針作為主要器材，對縫紉質(zhì)量以及生產(chǎn)效率有著決定性作用，針對在縫紉過程中的斷線問題，在線孔中添加滾輪，以滾動摩擦代替滑動摩擦，減小線孔對碳纖維縫紉線的剪切應(yīng)力，從而降低斷線率、提高生產(chǎn)效率。

[1] 辜建容，原一高，朱世根.提高縫紉機針性能的技術(shù)途徑[J].紡織器材，2006，33(3)：20-23.

[2] 陳繼紅.縫針與縫疵分析[J].武漢科技學院學報，2000，15(1)：104-108.

[3] 陳南梁，羅永康.縫合技術(shù)在復(fù)合材料上的應(yīng)用及發(fā)展[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2007，25(2)：1-5.

[4] 馬元春，俸翔，盧子興，等.縫紉泡沫夾芯復(fù)合材料板的穩(wěn)定性分析[J].復(fù)合材料學報，2011，28(2)：201-205.

[5] 劉陽.碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用進展[J].新材料與應(yīng)用，2011(5)：76-78.

[6] 王海英.碳纖維的發(fā)展前景與市場分析[J].高科技纖維與應(yīng)用，2007，32(4)：23-26.

[7] 賀福.碳纖維及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[8] 劉正林.摩擦學原理[M].北京：高等教育出版社，2009.

Improvement of the Sewing Needle of Carbon Fiber Application

FAN Xiaojian,LI Jing

(The Mechtronical Engineering College Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China)

In order to reduce the breakage of the sewing thread of carben fiber due to the shearing stress from the thread hole on the sewing machine and to do some modification on the sewing needle,a roller is installed on the thread hole considering the tribology,and the needle is redesigned.The rolling friction is employed instead of sliding friction,effectively reducing breakage of the thread.

carbon fiber；sewing；needle；rolling friction；breakage

2015-08-31

范曉健(1989—)，男，河北邢臺人，碩士，研究方向為機械設(shè)計。

TS103.82

B

1001-9634(2016)01-0034-03