Konstrukce a povrchové úpravy strojních šicích jehel

Šicí jehly prochází neustále vývojem, zdokonaluje se především konstrukce a hledají se i nejvhodnějších povrchové úpravy. V dávných dobách plnily funkci jehel tenké špičaté kosti, trny nebo jiné pomocné předměty. Postupem doby se začaly vyvíjet první šicí nástroje, jehly ze dřeva nebo kosti, které později nahradil bronz a železo. Ve 14. století se norimberským výrobcům předmětů poprvé podařilo vyrobit jehlu z ocelového drátu. Toto zlepšení bylo oslavováno jako triumf techniky.Na základě historických pramenů je známo, že až do 18. století se provádělo šití v celém světě ručním způsobem. Koncem 18. století se vyskytují první snahy nahradit ruční šití šitím strojovým.První pokusy o sestrojení šicího stroje byly uskutečněny kolem roku 1755, kdy v Anglii usazený Němec Friedrich Weisenthal se pokoušel o stroj, který napodoboval ruční šití. Použil nový typ šicí jehly, viz obr. 4, která měla ouško uprostřed a hroty na obou koncích. Takto upravené jehly napodobující ruční steh se používají u šicích strojů i v dnešní době.V roce 1800 Němec Balthasar Krems zkonstruoval šicí stroj a použil šicí jehlu, která měla ouško u hrotu (obr. 5). Tento vynález je základním kamenem, jenž otevřel cestu úspěšného zavedení šicího stoje s nepřetržitou dodávkou nitě a dal podnět vývoji šicích jehel.Teprve až v roce 1845 bostonský mechanik Eliae Howe sestavil první skutečně pracující šicí stroj (u něhož použil všechny dosud známé elementy, jako jehlu s ouškem u hrotu, lodičkový člunek, podávání materiálu), který vytvářel dodnes používaný dvounitný vázaný steh.Jedním z dalších důležitých mezníků ve vývoji šicího stroje a konstrukce šicí jehly byl rok 1852, kdy A. B. Wilson zkonstruoval první šicí stroj s rotačním jednootáčkovým brýlovým chapačem. Tento šicí stroj pracoval s obloukovou šicí jehlou s ouškem na jejím hrotu a se zcela nově konstruovaným ponorným podavačem materiálu.Dalším, kdo se začal zabývat výrobou šicích stojů a strojních šicích jehel, byl Američan Isaac Merrit Singer, který zdokonalil Howeovy konstrukce a dosáhl velmi rychle podstatných úspěchů ve výrobě a konstrukci šicích strojů. Až doposud se vyráběly jehly pro tyto stroje ručním způsobem, který byl velmi náročný a drahý.V současné době se výrobou strojních šicích jehel zabývá řada firem.

K výrobě strojních šicích jehel se používá tzv. jehlový drát. Jehlové dráty jsou z tažené nadeutektoidní oceli s vyšším obsahem uhlíku cca 0,8 % (z nástrojových uhlíkových ocelí nejčastěji třídy ČSN 19 192, ČSN 19 221, ČSN 19 222), žíhané na měkko se strukturou globulárního perlitu. Ocelový drát potřebného průměru je navinut na cívkách. Odvíjením z cívky je následně narovnáván a sekán na příslušnou délku vyráběné jehly. Průměr ocelového drátu odpovídá průměru dříku jehly, tj. největšímu průměru jehly.Charakteristickým znakem každé strojní šicí jehly je její délka a průměr dříku. Z těchto údajů se také vychází při označování strojních šicích jehel. Dále se průměr dříku zmenšuje, vytváří se příslušný průměr stvolu jehly. Současně se vytváří přechodový kužel a u odstupňované jehly i přechodová část. Po zhotovení stvolu jehly se lisuje ouško jehly a vybrání nad ouškem. V další fázi se vytvoří dlouhé a krátké drážky. Nakonec se vybrousí špice a hrot jehly.Pak následuje tepelné zpracování jehly, které je důležitou výrobní operací a provádí se za účelem docílení vhodné struktury, resp. požadovaných vlastností (např. tvrdost, otěruvzdornost, houževnatost, pevnost atd.).Tepelné zpracování se skládá ze tří způsobů žíhání na měkko, kalení se zmrazováním a popouštění. Výslednou mikrostrukturu strojních šicích jehel tvoří velmi jemný martenzit, drobná zrnka jemnozrnně a rovnoměrně vyloučených karbidů a zbytkový austenit.Pak následuje leštění jehly v oblasti ouška a pro zvýšení odolnosti strojních šicích jehel proti mechanickému a termickému namáhání v procesu šití se v konečné fázi výroby povrchy jehel upravují.

V současné době se provádí řada povrchových úprav strojních šicích jehel. Správná volba povrchové úpravy strojní šicí jehly snižuje koeficient tření mezi strojní šicí jehlou a šitým materiálem a chrání strojní šicí jehlu proti korozi a šitý materiál proti porušení.Nejčastěji se strojní šicí jehly povrchově upravují leštěním, chromováním, niklováním, nanášením povlaku nitridu titanu (TiN), teflonu a objevují se i strojní šicí jehly s keramickými povlaky hrotu.Leštění je nejjednodušší povrchovou úpravou jehel, avšak neposkytuje ochranu strojní šicí jehly proti korozi, která může být způsobena chlazením jehly vodní mlhovinou.Chromování patří mezi nejpoužívanější povrchové úpravy strojních šicích jehel, které se používají v průmyslové výrobě. Chromový povrch chrání strojní šicí jehlu nejen proti korozi, ale zejména jí poskytuje vysokou odolnost proti opotřebení během procesu spojování materiálů. Chromovaná strojní šicí jehla má mimořádně hladký a lesklý povrch, čímž je omezeno ulpívání částeček apretury a natavenin šitého materiálu na jejím povrchu a je tedy vhodná pro šití syntetickými nitěmi při šití vysokou rychlostí (5 m.s-1).Niklování je dalším způsobem povlakování strojních šicích jehel. Takto vyrobené jehly nepodléhají snadno korozi, velmi pomalu se v šicím procesu zahřívají a vykazují dostatečnou odolnost proti teplotám pod 250 °C. Při teplotách nad 250 °C, které vznikají např. v důsledku multidirekcionálního šití nebo vlivem povrchové úpravy šitého materiálu, nastává rozklad povrchové vrstvy jehly. Současně vlivem této teploty dochází k natavení vpichových otvorů v šitém materiálu.Povlakováním šicích jehel nitridem titanu (TiN) získáváme jehly s extrémní tvrdostí a vysokou pružností špičky odolávající opotřebení a prasknutí. Při vysokorychlostním šití odolávají kmitání a vibracím, které vznikají při vpichu do šitého materiálu a při podávání šitého materiálu. Tyto jehly se díky vynikajícím vlastnostem povrchu TiN využívají na spojování technických textilií používaných např. v automobilovém průmyslu.Strojní šicí jehly s teflonovým povlakem se používají především při šití syntetických materiálů. Teflon je obchodní název pro polytetrafluoretylen. Jde o termoplastickou pevnou, chemicky a tepelně značně odolnou hmotu. Vlivem tepelných vlastností (nízká tepelná vodivost) tohoto povlaku je teplo z jehly odváděno převážně na šitý materiál a šicí nit. Tímto dochází k natavení materiálu ze syntetických vláken po ušití 100 až 150 mm textilie. Měření teplot strojních šicích jehel s teflonovým povlakem ukázala, že se tyto jehly na povrchu zahřívají více než jehly chromované. Jedinou výhodou těchto jehel je, že nedochází k usazování zbytků natavenin šicího a šitého materiálu na jejich povrchu. Tyto jehly nelze použít při spojování technických textilií používaných v automobilovém průmyslu.Jehly povlakované keramikou jsou zatím ve vývoji a určité uplatnění začínají nacházet pouze v oděvním průmyslu.

Povrchové úpravy jehel se provádějí elektrochemicky (galvanickým pokovováním) nebo plazmovými technologiemi. Plazmové technologie vytvářejí povlaky na základě rychlého roztavení prášků přivedených plynem do plazmy a vržením drobných kapiček velkou rychlostí na povrch součásti. Tloušťka povlaku dosahuje hodnoty 0,3 mm. Tato povrchová úprava jehel patří v současné době k jedné z nejlepších.Povrchové úpravy jehel elektrochemickým způsobem jsou jedním z nejrozšířenějších způsobů vytváření povlaků. Důvodem je vysoká přesnost vylučovaných povlaků o tloušťce 10-3 až 10-4 mm. Tímto způsobem se vytvářejí povlaky jehel chromováním a niklováním. Povlaky jehel z TiN se nanášejí pomocí výboje elektrického oblouku, který vytvoří kovovou plazmu v atmosféře dusíku. Nanesením je dosaženo homogenního tvrdého povlaku o tloušťce 0,4 µm. Životnost strojní šicí jehly s povrchovou úpravou TiN je podstatně vyšší v porovnání s o ostatními povlaky.

Výše uvedené povrchové úpravy strojních šicích jehel mají také velký vliv na životnost a opotřebení povrchu jehel, tj. na dobu, po kterou je strojní šicí jehla schopna vytvářet kvalitní steh.Opotřebení je úzce závislé na typu povrchové úpravy jehly a podmínkách spojovacího procesu. Pro ilustraci je na obr. 8 až 13 uvedeno opotřebení strojních šicích jehel povrchovou úpravou chromu, nitridu titanu a teflonu po 8 a 40 hodinách šicího procesu. Z obrázků je patrný různý stupeň opotřebení jehel. Jehly s povrchem chromu nevykazují výrazné opotřebení ani po 40 hodinách, naopak u jehel s povlaky nitridu titanu a teflonu jsou tyto povlaky již po 8 hodinách šicího procesu značně poškozeny.

V současné době je věnována velká pozornost nejen povrchovým úpravám jehel, ale též i vývoji nových tvarů jehel, které by měly odstranit problémy související se spojováním nových typů syntetických textilních materiálů vysokou rychlostí pohybu jehly. Vlákna textilních materiálů se přitom musí v neuvěřitelně krátké době 0,0003 s vyhnout strojní šicí jehle, aby nebyly touto jehlou proseknuty.Rozhodující roli má jehla, a tudíž standardně používané jehly nesplňují zcela tyto požadavky. To vedlo ke konstrukčním změnám jehel, které by tyto negativní vlivy ve spojovacím procesu odstranily. Geometrické změny tvaru průřezu, těla, hrotu strojní šicí jehly a nanesení nových typů povlaků vedou ke zvýšení jejich tuhosti a pevnosti a ke snížení teploty povrchu.Pro spojování nových druhů materiálů pro výrobu automobilových technických textilií (airback, čalounění sedáků a dveří) jsou vyvíjeny nové druhy špiček a hrotů jehel. Nové špičky jehel jsou protáhlejší a užší, což snižuje odpor šité technické textilie proti průpichu a způsobuje snížení teploty na špici a hrotu jehly. Nový kuželový tvar hrotu umožňuje ústrojí pro zachycení smyčky vytvořit nepoškozený steh technické textilie.Příspěvek vznikl s podporou grantového projektu MSM 4674788501.

Ing. Jana Zouharová

Technická univerzita v Liberci

www.vslib.cz

iva.nova@tul.cz