CN112716546A - 一种复合材料专用z向零张力缝合针及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料专用Z向零张力缝合针及其使用方法，涉及复合材料编织成型领域，设有针体，针体上侧设有纱线引导滑槽，针体前端设有穿刺针尖，穿刺针尖后部设有针头穿线孔，穿刺针尖后部设有针头导线孔；穿刺针尖下侧上设有穿刺平台，穿刺针尖上设有穿线槽。使用方法为：对厚度为D的平铺层进行缝合；纱线经引导滑槽、针头导线孔出针头至少1mm；缝合时，针体向前运动，穿刺针尖带动纱线穿过平铺层后继续向前运行1mm‑D；针体向后运动、穿刺针尖前端脱离平铺层后，针体平动至少1mm，重复上述动作，完成缝合操作。本发明具有结构简单、使用方便，不会破坏平铺层结构及其纤维线，产品性能佳、一致性高等优点。

Description

一种复合材料专用Z向零张力缝合针及其使用方法

技术领域

本发明涉及复合材料编织成型领域，详细讲是一种结构简单、使用方便，不会破坏平铺层结构及其纤维线，纵向（Z向）置入的连续纤维线不会断裂，产品性能佳、一致性高的复合材料专用Z向零张力缝合针及其使用方法。

背景技术

我们知道，陶瓷基复合材料和树脂基复合材料是以玻纤、碳纤维或其他高性能连续纤维作为增强体的轻质、高强度、高模量的新型材料，在航空结构件和摩擦件，航天耐烧蚀部件以及新能源汽车上有着广泛的应用。其中复合材料层合板是一类适合大型构件的常用复合材料。

常规复合材料层合板一般采用单向碳纤维布或经纬编织布按照不同铺层夹角进行铺层，或者直接采用多轴向布进行铺层，然后注射树脂模压固化成型。当承受较大的完全载荷或者交变载荷时，由于层间（Z向）缺乏连续纤维增强，层间抗剪切较弱，因此容易导致使用过程中出现开层的破坏现象，影响复合材料的可靠性。因此，复合材料层合板在平面（X，Y平面）内铺层的同时，需要在厚度方向（Z向）置入连续纤维（碳纤维、玻纤、芳纶或者其他高性能连续），以提高层间剪切力。现有的在复合材料层合板厚度方向加入连续纤维一般是采用传统的钩针缝合，现有的这种使用钩针向复合材料层合板厚度方向加入连续纤维的工艺，钩针易误勾到平铺层（X，Y平面层）的纤维线、破坏平铺层结构及纤维线，且在缝合（平铺层）的厚度大于20mm的时，容易导致纵向（Z向）置入的连续纤维断线，影响最终产品性能、使其一致性差。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构简单、使用方便，不会破坏平铺层结构及其纤维线，纵向（Z向）置入的连续纤维线不会断裂，产品性能佳、一致性高的复合材料专用Z向零张力缝合针及其使用方法。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种复合材料专用Z向零张力缝合针，设有呈杆状的针体，针体上侧设有轴向设置的纱线引导滑槽，针体前端设有呈锥状的穿刺针尖，穿刺针尖后部或穿刺针尖后部及针体前端部设有与引导滑槽前端相连、与针体轴线呈10°-25°夹角、由后至前向下倾斜的针头穿线孔，针头穿线孔下侧的穿刺针尖后部或穿刺针尖后部及针体前端部上设有由后至前向上倾斜、与针头穿线孔连通的针头导线孔，针头导线孔与针头穿线孔间夹角不小于90°，针头导线孔前端面与针头穿线孔前端面于穿刺针尖中部或中后部相交；穿刺针尖下侧上设有由穿刺针尖前端至穿刺针尖长度的0.25-0.5倍处的穿刺平台，穿刺针尖轴线位于穿刺平台上，穿刺平台后侧的穿刺针尖上设有与穿刺平台位于同一平面、后侧与针头导线孔和/或针头穿线孔相交、宽度与针头穿线孔直径相同的穿线槽。

本发明中所述的针头导线孔与针头穿线孔间夹角优选91-95°。

本发明中所述的呈锥状的穿刺针尖的锥形母线为弧形。弧形的半径为穿刺针尖轴向长度的6-10倍。

本发明中所述的引导滑槽由导向限位槽和纱线缓存槽组成，纱线缓存槽位于针体前部，导向限位槽位于纱线缓存槽后侧；纱线缓存槽的横截面大于导向限位槽横截面。针头穿线孔后端与纱线缓存槽前端连通。

本发明中所述的纱线缓存槽的长度为针体长度的0.05-0.2倍，所述的导向限位槽的长度为针体长度的0.5-0.9倍；纱线缓存槽和导向限位槽为圆形槽或多边形槽，纱线缓存槽的横截面面积为导向限位槽横截面面积的1.3-1.6倍。纱线（纤维线）位于导向限位槽内时，纱线上的任意一点距导向限位槽两侧壁的距离为0.01-0.1mm；纱线在导向限位槽内不易弯曲、晃动，不容易从导向限位槽内脱出，不易引发意外事故。

本发明中所述的纱线缓存槽的长度为针体长度的0.1倍，所述的导向限位槽的长度为针体长度的0.8倍；纱线缓存槽和导向限位槽为圆形槽或多边形槽，纱线缓存槽的横截面为梯形、导向限位槽的横截面为矩形；纱线缓存槽的横截面面积为导向限位槽横截面面积的1.5倍。纱线位于导向限位槽内时，纱线上的任意一点距导向限位槽两侧壁的距离不大于0.05mm。纱线在导向限位槽内不易弯曲、晃动，不容易从导向限位槽内脱出，不易引发意外事故。

本发明中所述的针体上下厚度为2-8mm，引导滑槽的深度为针体上下厚度的0.25-0.5倍。使用的纱线的直径为引导滑槽深度的0.6-1倍，优选0.8-0.9倍。所述的针头穿线孔的直径为引导滑槽深度的0.8-1.2倍；优选针头穿线孔的直径为引导滑槽深度的0.82-0.92倍。所述的针头导线孔最下方的点到针头穿线孔的距离为针头穿线孔直径的0.3-0.6倍；优选0.5倍。

一种复合材料专用Z向零张力缝合针的使用方法，其特征在于包括如下步骤：

a、将复合材料专用Z向零张力缝合针安装在缝合机器上， 对复合材料层合板的多层碳纤维布重叠平铺后形成厚度为D的平铺层进行缝合；

b、将纱线经引导滑槽引至针头穿线孔处，纱线经针头穿线孔进入针头导线孔内，由针头导线孔伸出针头至少1mm；

c、对平铺层进行缝合时，缝合机器带动针体向前运动，穿刺针尖带动纱线穿过厚度为D的平铺层后继续向前运行1 mm-D；

d、缝合机器带动针体向后运动，穿刺针尖前端脱离平铺层后，缝合机器带动针体平动至少1 mm；

e 、重复步骤c、步骤d动作，对平铺层完成缝合操作。

本发明中步骤c所述的穿刺针尖带动纱线穿过厚度为D的平铺层后继续向前运行的距离为L（L的长度在1 mm-D之间）；缝合机器带动针体向后运动至针头导线孔进入平铺层内、距离平铺层前侧面为L时，穿刺针尖前侧的纱线不再跟随穿刺针尖向后运动（由于平铺层与穿刺针尖前部的纱线间的摩擦力使穿刺针尖前部的纤维线停止向后运动）。平铺层和复合材料专用Z向零张力缝合针的不同，使L的大小不同，根据实际的L大小调节步骤c中穿刺针尖带动纤维线穿过厚度为D的平铺层后继续向前运行的距离数值。

使用本发明对平铺层进行缝合的过程中，穿刺针尖向前刺入平铺层，将平铺层的纤维线（纤维束）向四周挤压，穿刺针尖向前行至针头导线孔进入平铺层过程中，用于缝合的纱线在平铺层的纤维线推挤作用下在沿针头导线孔向后延伸，伸出针头导线孔的部分被挤压在针体与平铺层之间；当向后延伸出针头导线孔的纱线被挤压在针体与平铺层之间后，穿刺针尖继续向下运动时，用于缝合的纱线会从引导滑槽内向前滑动、经针头穿线孔和针头导线孔行至针体与平铺层之间，位于针体与平铺层之间的纱线被二者挤压固定，针体外表平滑、对纱线的摩擦力很小、几乎为零，远远小于纱线与平铺层间的摩擦力。穿刺针尖由平铺层前侧向后运动初期，由于针头穿线孔与纱线间的摩擦力作用，会携带纱线向后运动，此过程中，纱线缓存槽内的纱线弯曲、缓存部分纱线，当穿刺针尖向后运动至进入平铺层内（穿刺针尖前部的纱线与平铺层的纤维线接触）、穿刺针尖前部的纱线与平铺层间摩擦力不小于针头穿线孔与纱线间的摩擦力后，穿刺针尖不再携带纱线向后运动，穿刺针尖独自向后运动至脱离平铺层，针头穿线孔和针头导线孔的设置及角度配合，实现了述功能；由于针头穿线孔的轴线与针体轴线呈10°-25°夹角，可保证穿刺针尖由平铺层前侧向后运动初期，平铺层前侧的纱线跟随穿刺针尖向后运动，尤其是在针头穿线孔的轴线与针体轴线呈15°-20°夹角时，穿刺针尖由平铺层前侧向后运动初期纱线都会跟随穿刺针尖向后运动，避免出现纱线不跟随穿刺针尖向后运动、留在平铺层前侧的工况发生，且平铺层前侧的纱线跟随穿刺针尖向后运动的距离误差很小，提高了产品性能。本发明具有结构简单、使用方便，不会破坏平铺层结构及其纤维线，纵向（Z向）置入的连续纤维线不会断裂，产品性能佳、一致性高等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是图2的B-B剖视图。

图5是本发明的立体结构示意图。

图6是本发明另一角度的立体结构放大图。

具体实施方式

如图1-6所示的复合材料专用Z向零张力缝合针，设有呈圆杆状的针体5，针体5上侧设有轴向设置的纱线（纤维线）引导滑槽，从图1、图2、图5中可以看出，所述的引导滑槽由导向限位槽4和纱线缓存槽3组成，纱线缓存槽3位于针体5前部，导向限位槽4位于纱线缓存槽3后侧；纱线缓存槽3的横截面大于导向限位槽4横截面。针体5前端设有呈锥状的穿刺针尖1，穿刺针尖1后部及针体5前端部、二者连接处设有后端与纱线缓存槽3前端连通、与针体轴线（纵向）呈15°夹角、由后至前向下倾斜的针头穿线孔2，针头穿线孔2下侧的穿刺针尖1后部上设有由后至前向上倾斜、与针头穿线孔2连通的针头导线孔6，针头导线孔6也可以称为针头导线槽口，针头导线孔6前端面与针头穿线孔2前端面于穿刺针尖1中部或中后部相交，针头导线孔6与针头穿线孔2间的角度不小于90°，优选91-100°，本实施例中为92度，防止纱线（纤维线）由针头穿线孔2向针头导线孔6内滑动的过程中，针头导线孔6与针头穿线孔2相交处的刃部卡切纱线（纤维线）；进一步的针头导线孔6与针头穿线孔2相交处（设有倒角）平滑过渡连接，不易损伤纱线的纤维丝，提高产品质量。穿刺针尖1下侧上采用去除材料法设有由穿刺针尖1前端至穿刺针尖（轴向）长度的0.3倍处的穿刺平台8，穿刺针尖1轴线位于穿刺平台8上，穿刺平台8后侧的穿刺针尖上采用去除材料法设有与穿刺平台8位于同一平面、后侧与针头导线孔和针头穿线孔相交、宽度与针头穿线孔2直径相同的穿线槽7。穿刺平台8和穿线槽7的设置，在保留了针头导线孔和针头穿线孔相交处两侧的穿刺针尖下半部材料作为穿刺导向部外，去除了针头导线孔和针头穿线孔相交处正前方的穿刺针尖下半部的材料，使穿线更简便、顺利的同时，保留了穿刺针尖的穿刺导向功能，穿刺针尖更易穿过平铺层的多层碳纤维布、不易损伤平铺层的纤维丝线，穿线槽左右两侧的穿刺针尖部分实现对平铺层的多层碳纤维布的纤维丝线导向作用，在便于穿线的前提下不易损伤纤维丝线。

本实施例中所述的纱线缓存槽的（轴向）长度为针体（轴向）长度的0.1倍，所述的导向限位槽的（轴向）长度为针体（轴向）长度的0.8倍；纱线缓存槽和导向限位槽为多边形槽，纱线缓存槽的横截面为梯形、导向限位槽的横截面为矩形；纱线缓存槽的横截面面积为导向限位槽横截面面积的1.5倍。纱线位于导向限位槽内时，纱线上的任意一点距导向限位槽两侧壁的距离为0.01-0.05mm；纱线在导向限位槽内不易弯曲、晃动，不容易从导向限位槽内脱出，不易引发意外事故，且纱线与导向限位槽间摩擦力为零或几乎为零。所述的针体上下方向的厚度为6mm，引导滑槽的深度为2.4 mm。使用的纱线的直径为2 mm。所述的针头穿线孔的直径为2.1 mm。所述的穿刺针尖上针头导线孔最下部的点到针头穿线孔的距离为1 mm。

本发明进一步改进，所述的呈锥状的穿刺针尖的锥形母线为弧形；弧形的半径为穿刺针尖轴向长度的6-10倍，穿刺针尖穿刺平铺层的多层碳纤维布时更不易损伤平铺层的纤维丝线。

一种复合材料专用Z向零张力缝合针的使用方法，包括如下步骤：

a、将复合材料专用Z向零张力缝合针安装在缝合机器上， 对复合材料层合板的多层碳纤维布重叠平铺后形成厚度为D的平铺层进行缝合；

b、将纱线经引导滑槽引至针头穿线孔处，纤维线经针头穿线孔进入针头导线孔内，由针头导线孔（向下）伸出针头至少1mm，优选3-5 mm，根据预缝合的平铺层对纤维线的摩擦力大小进行调整；

c、对平铺层进行缝合时，缝合机器带动针体向前运动，穿刺针尖带动纤维线穿过厚度为D的平铺层后继续向前运行2 mm-D，优选5-10 mm，根据平铺层对纤维线的摩擦力大小进行调整；

d、缝合机器带动针体向后运动，穿刺针尖前端脱离平铺层后，缝合机器带动针体平动（相对平铺层平行移动）至少1 mm，通常移动平铺层的一个纤维线的宽度；

e 、重复步骤c、步骤d的操作，对平铺层完成缝合操作。

本发明中步骤c所述的穿刺针尖带动纤维线穿过厚度为D的平铺层后继续向前运行的距离为L（L=3 mm-D）；缝合机器带动针体向后运动至针头导线孔距离平铺层前侧面为L时，穿刺针尖前侧的纤维线不再跟随穿刺针尖向后运动（由于平铺层与穿刺针尖前侧的纤维线间的摩擦力使穿刺针尖前侧的纤维线停止向后运动）。根据平铺层和复合材料专用Z向零张力缝合针的不同，L的大小不同，根据实际的L大小调节步骤c中穿刺针尖带动纤维线穿过厚度为D的平铺层后继续向前运行的距离数值。

使用本发明对平铺层进行缝合的过程中，穿刺针尖向前刺入平铺层，将平铺层的纤维线（纤维束）向四周挤压，穿刺针尖向前行至针头导线孔进入平铺层过程中，用于缝合的纱线在平铺层的纤维线推挤作用下在沿针头导线孔向后延伸，伸出针头导线孔的部分被挤压在针体与平铺层之间；当向后延伸出针头导线孔的纱线被挤压在针体与平铺层之间后，穿刺针尖继续向下运动时，用于缝合的纱线会从引导滑槽内向前滑动、经针头穿线孔和针头导线孔行至针体与平铺层之间，位于针体与平铺层之间的纱线被二者挤压固定，针体外表平滑、对纱线的摩擦力很小、几乎为零，远远小于纱线与平铺层间的摩擦力。穿刺针尖由平铺层前侧向后运动初期，由于针头穿线孔与纱线间的摩擦力作用，会携带纱线向后运动，此过程中，纱线缓存槽内的纱线弯曲、缓存部分纱线，当穿刺针尖向后运动至进入平铺层内（穿刺针尖前部的纱线与平铺层的纤维线接触）、穿刺针尖前部的纱线与平铺层间摩擦力不小于针头穿线孔与纱线间的摩擦力后，穿刺针尖不再携带纱线向后运动，穿刺针尖独自向后运动至脱离平铺层，针头穿线孔和针头导线孔的设置及角度配合，实现了述功能；由于针头穿线孔的轴线与针体轴线呈10°-25°夹角，可保证穿刺针尖由平铺层前侧向后运动初期，平铺层前侧的纱线跟随穿刺针尖向后运动，尤其是在针头穿线孔的轴线与针体轴线呈15°-20°夹角时，穿刺针尖由平铺层前侧向后运动初期纱线都会跟随穿刺针尖向后运动，避免出现纱线不跟随穿刺针尖向后运动、留在平铺层前侧的工况发生，且平铺层前侧的纱线跟随穿刺针尖向后运动的距离误差很小，提高了产品性能。纱线缓存槽内缓存的纱线使留在平铺层内的纱线的张力进一步减小、几乎为零，缝合机器带动针体平动时，纱线缓存槽内缓存的纱线用于平动所需的纱线，避免针体平动增加平铺层内的纱线张力。本发明具有结构简单、使用方便，不会破坏平铺层结构及其纤维线，纵向（Z向）置入的连续纤维线不会断裂，不需要底线，缝合时纱线的张力几乎为零，平铺层的层间结合力高，产品性能佳、一致性高等优点。

Claims (9)

1.一种复合材料专用Z向零张力缝合针，设有呈杆状的针体，其特征在于针体上侧设有轴向设置的纱线引导滑槽，针体前端设有呈锥状的穿刺针尖，穿刺针尖后部或穿刺针尖后部及针体前端部设有与引导滑槽前端相连、与针体轴线呈10°-25°夹角、由后至前向下倾斜的针头穿线孔，针头穿线孔下侧的穿刺针尖后部或穿刺针尖后部及针体前端部上设有由后至前向上倾斜、与针头穿线孔连通的针头导线孔，针头导线孔与针头穿线孔间夹角不小于90°，针头导线孔前端面与针头穿线孔前端面于穿刺针尖中部或中后部相交；穿刺针尖下侧上设有由穿刺针尖前端至穿刺针尖长度的0.25-0.5倍处的穿刺平台，穿刺针尖轴线位于穿刺平台上，穿刺平台后侧的穿刺针尖上设有与穿刺平台位于同一平面、后侧与针头导线孔和/或针头穿线孔相交、宽度与针头穿线孔直径相同的穿线槽。

2.根据权利要求1所述的复合材料专用Z向零张力缝合针，其特征在于所述的针头导线孔与针头穿线孔间夹角为91-95°。

3.根据权利要求1所述的复合材料专用Z向零张力缝合针，其特征在于所述的呈锥状的穿刺针尖的锥形母线为弧形。

4.根据权利要求1所述的复合材料专用Z向零张力缝合针，其特征在于所述的引导滑槽由导向限位槽和纱线缓存槽组成，纱线缓存槽位于针体前部，导向限位槽位于纱线缓存槽后侧；纱线缓存槽的横截面大于导向限位槽横截面。

5.根据权利要求4所述的复合材料专用Z向零张力缝合针，其特征在于所述的纱线缓存槽的长度为针体长度的0.05-0.2倍，所述的导向限位槽的长度为针体长度的0.5-0.9倍；纱线缓存槽和导向限位槽为圆形槽或多边形槽，纱线缓存槽的横截面面积为导向限位槽横截面面积的1.3-1.6倍。

6.根据权利要求4所述的复合材料专用Z向零张力缝合针，其特征在于所述的纱线缓存槽的长度为针体长度的0.1倍，所述的导向限位槽的长度为针体长度的0.8倍；纱线缓存槽和导向限位槽为圆形槽或多边形槽，纱线缓存槽的横截面为梯形、导向限位槽的横截面为矩形；纱线缓存槽的横截面面积为导向限位槽横截面面积的1.5倍。

7.根据权利要求4所述的复合材料专用Z向零张力缝合针，其特征在于所述的针体上下厚度为2-8mm，引导滑槽的深度为针体上下厚度的0.25-0.5倍。

8.一种复合材料专用Z向零张力缝合针的使用方法，其特征在于包括如下步骤：

a、将复合材料专用Z向零张力缝合针安装在缝合机器上， 对复合材料层合板的多层碳纤维布重叠平铺后形成厚度为D的平铺层进行缝合；

b、将纱线经引导滑槽引至针头穿线孔处，纱线经针头穿线孔进入针头导线孔内，由针头导线孔伸出针头至少1mm；

c、对平铺层进行缝合时，缝合机器带动针体向前运动，穿刺针尖带动纱线穿过厚度为D的平铺层后继续向前运行1 mm-D；

d、缝合机器带动针体向后运动，穿刺针尖前端脱离平铺层后，缝合机器带动针体平动至少1 mm；

e 、重复步骤c、步骤d动作，对平铺层完成缝合操作。

9.根据权利要求8所述的一种复合材料专用Z向零张力缝合针的使用方法，其特征在于步骤c所述的穿刺针尖带动纱线穿过厚度为D的平铺层后继续向前运行的距离为L；缝合机器带动针体向后运动至针头导线孔进入平铺层内、距离平铺层前侧面为L时，穿刺针尖前侧的纱线不再跟随穿刺针尖向后运动。

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