范曉健，李　晶

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安　710048)

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碳纖維縫紉線用機(jī)針的改進(jìn)

范曉健，李晶

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安710048)

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

碳纖維；縫紉線；機(jī)針；滾動(dòng)摩擦；斷線率

0　引言

縫紉機(jī)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(jī)針的材料通常為優(yōu)質(zhì)的工具鋼，經(jīng)沖壓、銑磨等機(jī)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(shí)，還可以對(duì)其進(jìn)行鍍鎳或鍍鉻，以降低織物與縫紉機(jī)針之間的摩擦[2]。在縫紉加工過(guò)程中，縫紉機(jī)針的性能對(duì)生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量有著直接影響；因此，縫紉機(jī)針性能的改進(jìn)尤為重要。

國(guó)內(nèi)外對(duì)縫紉機(jī)針進(jìn)行了各種研究，然而這些研究多局限于對(duì)縫紉機(jī)針的選擇，涉及縫紉機(jī)針在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生的針洞、疵點(diǎn)、針溫、機(jī)針穿透力變?nèi)跫捌浔砻娲植诙茸儾畹葐?wèn)題；而少有改進(jìn)縫紉機(jī)針性能的研究。縫紉機(jī)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??；高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性；使用壽命長(zhǎng)；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(jì) 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(wèn)題[4]；但由于碳纖維耐沖擊性能差、剪切強(qiáng)度低、單纖維非常脆弱，碳纖維縫紉線在縫紉過(guò)程中極易斷裂[5-7]。

機(jī)針性能的改進(jìn)有很多方法，如可以?xún)?yōu)選材料，也可以采取科學(xué)的熱處理工藝，筆者則是通過(guò)改變機(jī)針結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)機(jī)針的縫紉功能。在機(jī)針的線孔中加裝滾輪，當(dāng)碳纖維縫紉線經(jīng)過(guò)線孔時(shí)帶動(dòng)滾輪滾動(dòng)，滾輪與銷(xiāo)軸之間形成滾動(dòng)摩擦，從而避免碳纖維紗線與縫紉機(jī)針線孔的直接接觸，使?jié)L動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦[8]，從而減少斷線率，進(jìn)而提高縫紉質(zhì)量和縫紉效率。

1　普通縫紉機(jī)針的構(gòu)造及成縫原理

1.1機(jī)針構(gòu)造

機(jī)針是縫紉機(jī)不可或缺的成縫工作件，機(jī)針引導(dǎo)縫紉線穿刺縫料，通過(guò)成縫器鉤取縫線并在縫紉機(jī)針回升時(shí)形成線環(huán)，最終通過(guò)挑線機(jī)構(gòu)拉緊形成線跡。盡管不同縫紉機(jī)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(jī)針，下面以其為例簡(jiǎn)述縫紉機(jī)針的基本結(jié)構(gòu)。

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

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

長(zhǎng)針槽2位于針肩正下方，其作用是為縫紉線提供一個(gè)具有保護(hù)作用的通道，當(dāng)縫紉線在針槽中通過(guò)時(shí)可以有效減少縫紉線與縫料之間的摩擦；因此，長(zhǎng)針槽要經(jīng)過(guò)精細(xì)研磨以保光滑。

針尖3是線孔至尖端較纖細(xì)的部分，針尖將縫料的紗線或纖維推開(kāi)，必要時(shí)將縫料割裂，以使機(jī)針穿過(guò)縫料；針尖是縫紉機(jī)針最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部位，縫紉線在線孔處順直向下進(jìn)而改變運(yùn)動(dòng)方向，橫向通過(guò)針孔。

針桿4是從針肩到線孔的過(guò)渡部分，其主要作用是運(yùn)輸縫紉線，即引導(dǎo)縫紉線穿過(guò)縫紉料；當(dāng)縫紉機(jī)針穿過(guò)縫料時(shí)，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(jī)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(jī)在工作時(shí)旋梭尖能夠精準(zhǔn)地鉤取縫紉線以形成線圈。

線孔6是縫紉線在機(jī)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(guò)縫料。在縫紉過(guò)程中，縫紉線在線孔中快速、重復(fù)地滑動(dòng)以使任何縫紉線都能順利地通過(guò)。

短針槽7處于針孔附近，其長(zhǎng)度約是針孔長(zhǎng)度的2倍，作用是在縫紉機(jī)針穿過(guò)縫料時(shí)引導(dǎo)面線；當(dāng)機(jī)針回升時(shí)，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(jī)針上升，進(jìn)而促進(jìn)形成線環(huán)。縫紉機(jī)針穿透縫料時(shí)，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(guò)于集中，而短針槽能有效減少對(duì)縫料的損傷。

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

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

1.2機(jī)針成縫原理

縫紉機(jī)在縫紉時(shí)，針尖穿透縫料后線孔隨著針桿下降，當(dāng)機(jī)針位置越來(lái)越低時(shí)需要的縫紉線也越來(lái)越多，在機(jī)針到達(dá)最低點(diǎn)、機(jī)針將縫紉線送入成縫器內(nèi)時(shí)，成縫器周期性旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)縫紉線，然后機(jī)針開(kāi)始上升并退出縫料。因?yàn)榭p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(shí)，針板下的成縫器就引導(dǎo)底線穿過(guò)線圈完成線跡的穿套；然后，挑線機(jī)構(gòu)拉動(dòng)縫線將多余的縫線拉出面料并適當(dāng)拉緊，以形成一個(gè)完整的線跡。與此同時(shí)，在機(jī)針不斷上升直至完全退出縫料后，送布機(jī)構(gòu)將縫料向前推進(jìn)一個(gè)針跡的距離，則完成一個(gè)縫紉周期，也為機(jī)針的下一個(gè)縫紉周期做好準(zhǔn)備。縫紉的成縫過(guò)程即為：進(jìn)針→下線→線圈形成→穿套→退針→緊圈→形成線跡→送布。

2　機(jī)針的改進(jìn)設(shè)計(jì)

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

2.1結(jié)構(gòu)

改進(jìn)設(shè)計(jì)后的機(jī)針如圖2所示，由針頂、針柄、針肩、長(zhǎng)針槽、線孔、短針槽、針尖、滾輪、銷(xiāo)軸、針穴等組成。

2.2工作原理

以普通機(jī)針為原型，加長(zhǎng)了線孔并在線孔內(nèi)加裝了用銷(xiāo)軸固定的滾輪，銷(xiāo)軸與線孔壁為過(guò)盈配合，而銷(xiāo)軸與滾輪為間隙配合。當(dāng)縫紉操作時(shí)，碳纖維縫紉線穿過(guò)帶滾輪的機(jī)針線孔帶動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，減輕與銷(xiāo)軸的滾動(dòng)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(wèn)題。

3　改進(jìn)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?yàn)榭p紉線單位長(zhǎng)度的質(zhì)量很小，所以，在分析中省略重力。滾動(dòng)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(dòng)時(shí)接觸前方的支承面隆起，這使得支承面對(duì)縫紉線的彈力作用點(diǎn)從最低點(diǎn)前移，所以彈力FN與拉力F不在一直線上，而形成了一個(gè)阻礙滾動(dòng)的力偶矩，進(jìn)而形成滾動(dòng)摩擦。滾動(dòng)摩擦力的大小由滾動(dòng)摩擦力偶矩決定，它與滑動(dòng)摩擦力Ff(物體沿另一物體表面滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力)無(wú)法比較大小。無(wú)論是滑動(dòng)摩擦或滾動(dòng)摩擦，都是平動(dòng)的阻力，只不過(guò)對(duì)兩種運(yùn)動(dòng)所表現(xiàn)的作用不同而已，一個(gè)表現(xiàn)為阻抗性，一個(gè)表現(xiàn)為輔助性；實(shí)驗(yàn)表明在其他條件相同的情況下，克服滾動(dòng)摩擦力矩使物體運(yùn)動(dòng)需要的力FR比克服滑動(dòng)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(guò)普通機(jī)針或改進(jìn)機(jī)針的拉力F、正壓力FN是相同的，不同的是滑動(dòng)摩擦力Ff與滾動(dòng)摩擦力FR的區(qū)別；當(dāng)機(jī)針改進(jìn)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(jìn)而降低了縫線的斷線率。

4　結(jié)語(yǔ)

工業(yè)縫紉機(jī)用機(jī)針作為主要器材，對(duì)縫紉質(zhì)量以及生產(chǎn)效率有著決定性作用，針對(duì)在縫紉過(guò)程中的斷線問(wèn)題，在線孔中添加滾輪，以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，減小線孔對(duì)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。

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[2] 陳繼紅.縫針與縫疵分析[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào)，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.

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[8] 劉正林.摩擦學(xué)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(tái)人，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。

TS103.82

B

1001-9634(2016)01-0034-03