碳纤维缝纫线用机针的改进

范晓健，李　晶

(西安工程大学 机电工程学院，西安　710048)



碳纤维缝纫线用机针的改进

范晓健，李晶

(西安工程大学 机电工程学院，西安710048)

为了减小机针线孔对碳纤维缝纫线的剪切应力以降低断线率，应用摩擦学原理，在线孔中加装滚轮，变滑动摩擦为滚动摩擦，改进缝纫机针设计，有效降低了缝纫生产的断线率。

碳纤维；缝纫线；机针；滚动摩擦；断线率

0　引言

缝纫机针作为缝纫生产的主要器材，其功能即为穿透缝料、引导缝纫线、形成由线环[1]缝制的衣服。制造缝纫机针的材料通常为优质的工具钢，经冲压、铣磨等机械加工而成，以使其具有硬度高、弹性好、耐磨耐用性好等特性；必要时，还可以对其进行镀镍或镀铬，以降低织物与缝纫机针之间的摩擦[2]。在缝纫加工过程中，缝纫机针的性能对生产效率以及产品质量有着直接影响；因此，缝纫机针性能的改进尤为重要。

国内外对缝纫机针进行了各种研究，然而这些研究多局限于对缝纫机针的选择，涉及缝纫机针在使用过程中容易产生的针洞、疵点、针温、机针穿透力变弱及其表面粗糙度变差等问题；而少有改进缝纫机针性能的研究。缝纫机针一般应具备以下性能：缝纫中热量产生少；熔化残留物附着率小；高硬度、高强度、高耐磨性；使用寿命长；更小的穿透阻力；防静电；跳针、跳线概率小。

层合复合材料出现于20世纪 60年代末，然而其层间断裂隐患一直为人们广泛关注[3]。随着缝纫技术的发展，缝纫复合材料可以有效地解决其层间断裂问题[4]；但由于碳纤维耐冲击性能差、剪切强度低、单纤维非常脆弱，碳纤维缝纫线在缝纫过程中极易断裂[5-7]。

机针性能的改进有很多方法，如可以优选材料，也可以采取科学的热处理工艺，笔者则是通过改变机针结构来改进机针的缝纫功能。在机针的线孔中加装滚轮，当碳纤维缝纫线经过线孔时带动滚轮滚动，滚轮与销轴之间形成滚动摩擦，从而避免碳纤维纱线与缝纫机针线孔的直接接触，使滚动摩擦代替滑动摩擦[8]，从而减少断线率，进而提高缝纫质量和缝纫效率。

1　普通缝纫机针的构造及成缝原理

1.1机针构造

机针是缝纫机不可或缺的成缝工作件，机针引导缝纫线穿刺缝料，通过成缝器钩取缝线并在缝纫机针回升时形成线环，最终通过挑线机构拉紧形成线迹。尽管不同缝纫机针在外形上有很大差异，但其基本结构依然存在共同之处。在生产中使用最多、最普遍的是平缝机针，下面以其为例简述缝纫机针的基本结构。

图1是平缝机针的结构示意，它由以下几个部分构成。

针肩1是针柄到针尖的过渡段，呈圆锥形，从上到下逐步变细，直径较针柄小，较针身大，这主要是为了增强机针的强度。为避免断针刺破缝料，通常在针肩下方进行特别处理，使机针遭破坏时正好在此处断裂。

长针槽2位于针肩正下方，其作用是为缝纫线提供一个具有保护作用的通道，当缝纫线在针槽中通过时可以有效减少缝纫线与缝料之间的摩擦；因此，长针槽要经过精细研磨以保光滑。

针尖3是线孔至尖端较纤细的部分，针尖将缝料的纱线或纤维推开，必要时将缝料割裂，以使机针穿过缝料；针尖是缝纫机针最关键的结构部位，缝纫线在线孔处顺直向下进而改变运动方向，横向通过针孔。

针杆4是从针肩到线孔的过渡部分，其主要作用是运输缝纫线，即引导缝纫线穿过缝纫料；当缝纫机针穿过缝料时，其承受的摩擦力最大。

针穴5位于针杆下端、线孔上端，其凹陷的形状是为了使机针与旋梭尖的连接更加紧密，以利于更好地形成线圈，也方便缝纫机在工作时旋梭尖能够精准地钩取缝纫线以形成线圈。

线孔6是缝纫线在机针上的通道，位于针尖与针杆的交接处，其作用是引导缝纫线穿过缝料。在缝纫过程中，缝纫线在线孔中快速、重复地滑动以使任何缝纫线都能顺利地通过。

短针槽7处于针孔附近，其长度约是针孔长度的2倍，作用是在缝纫机针穿过缝料时引导面线；当机针回升时，利用槽外缝纫线与面料产生的摩擦力阻止缝纫线随缝纫机针上升，进而促进形成线环。缝纫机针穿透缝料时，由于最大力量位于线孔的横向部位，因而必须削减此部位应力避免过于集中，而短针槽能有效减少对缝料的损伤。

针顶8即机针的顶端部分，呈锥体状，其作用是为了确保机针安装位置，使顶部无空位，以保持机针稳固。

针柄9是机针直径最大处，与缝纫机上的安装位置相配合；因此，针柄必须平整，否则，工作时易使机针弹出或折断。

1.2机针成缝原理

缝纫机在缝纫时，针尖穿透缝料后线孔随着针杆下降，当机针位置越来越低时需要的缝纫线也越来越多，在机针到达最低点、机针将缝纫线送入成缝器内时，成缝器周期性旋转带动缝纫线，然后机针开始上升并退出缝料。因为缝纫线与缝料间的摩擦力大于缝纫线与针槽间的摩擦力，所以在面料下侧的缝纫线利于形成线圈。此时，针板下的成缝器就引导底线穿过线圈完成线迹的穿套；然后，挑线机构拉动缝线将多余的缝线拉出面料并适当拉紧，以形成一个完整的线迹。与此同时，在机针不断上升直至完全退出缝料后，送布机构将缝料向前推进一个针迹的距离，则完成一个缝纫周期，也为机针的下一个缝纫周期做好准备。缝纫的成缝过程即为：进针→下线→线圈形成→穿套→退针→紧圈→形成线迹→送布。

2　机针的改进设计

针对碳纤维缝纫线特性，以摩擦学原理及普通工业缝纫针为基础，在针型、针号、形状及外观一定的情况下，进行改进设计。

2.1结构

改进设计后的机针如图2所示，由针顶、针柄、针肩、长针槽、线孔、短针槽、针尖、滚轮、销轴、针穴等组成。

2.2工作原理

以普通机针为原型，加长了线孔并在线孔内加装了用销轴固定的滚轮，销轴与线孔壁为过盈配合，而销轴与滚轮为间隙配合。当缝纫操作时，碳纤维缝纫线穿过带滚轮的机针线孔带动滚轮转动，减轻与销轴的滚动摩擦，避免了碳纤维缝纫线与针眼的直接接触，从而降低缝纫断线的问题。

3　改进后缝纫线的受力分析

如图3所示，缝纫中的缝纫线在线孔处受到多种力的共同作用，又因为缝纫线单位长度的质量很小，所以，在分析中省略重力。滚动摩擦是由于物体和平面接触处的形变引起的，缝纫线受拉力F的作用而压入线孔的支承面，其自身也受压缩而变形，在向前滚动时接触前方的支承面隆起，这使得支承面对缝纫线的弹力作用点从最低点前移，所以弹力FN与拉力F不在一直线上，而形成了一个阻碍滚动的力偶矩，进而形成滚动摩擦。滚动摩擦力的大小由滚动摩擦力偶矩决定，它与滑动摩擦力Ff(物体沿另一物体表面滑动时产生的摩擦力)无法比较大小。无论是滑动摩擦或滚动摩擦，都是平动的阻力，只不过对两种运动所表现的作用不同而已，一个表现为阻抗性，一个表现为辅助性；实验表明在其他条件相同的情况下，克服滚动摩擦力矩使物体运动需要的力FR比克服滑动摩擦力Ff所需要的力小得多，而且在一般情况下FR只有Ff的1/40～1/60。

在其他条件一定的情况下，通过普通机针或改进机针的拉力F、正压力FN是相同的，不同的是滑动摩擦力Ff与滚动摩擦力FR的区别；当机针改进之后，缝纫线受到的摩擦力明显下降(FR≤Ff)，因此缝纫线受到的切应力F切也在一定程度上减小，进而降低了缝线的断线率。

4　结语

工业缝纫机用机针作为主要器材，对缝纫质量以及生产效率有着决定性作用，针对在缝纫过程中的断线问题，在线孔中添加滚轮，以滚动摩擦代替滑动摩擦，减小线孔对碳纤维缝纫线的剪切应力，从而降低断线率、提高生产效率。

[1] 辜建容，原一高，朱世根.提高缝纫机针性能的技术途径[J].纺织器材，2006，33(3)：20-23.

[2] 陈继红.缝针与缝疵分析[J].武汉科技学院学报，2000，15(1)：104-108.

[3] 陈南梁，罗永康.缝合技术在复合材料上的应用及发展[J].产业用纺织品，2007，25(2)：1-5.

[4] 马元春，俸翔，卢子兴，等.缝纫泡沫夹芯复合材料板的稳定性分析[J].复合材料学报，2011，28(2)：201-205.

[5] 刘阳.碳纤维复合材料应用进展[J].新材料与应用，2011(5)：76-78.

[6] 王海英.碳纤维的发展前景与市场分析[J].高科技纤维与应用，2007，32(4)：23-26.

[7] 贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

[8] 刘正林.摩擦学原理[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

范晓健(1989—)，男，河北邢台人，硕士，研究方向为机械设计。

TS103.82

B

1001-9634(2016)01-0034-03