機械加工論文
摘要：在頭腦奧林匹克競賽的桐木結構承重長(cháng)期題中，桐木條和膠水黏合如何達到二次承壓極限是個(gè)值得研究的問(wèn)題。本文是筆者多年來(lái)的研究，針對15克桐木結構二次承壓中的桐木加工的方法、材料力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行剖析，提出了機械加工使切削工具更精準，并嘗試完善機械加工的方法，籍此提出個(gè)人的一些觀(guān)點(diǎn)，讓更多的同學(xué)參與其中。
關(guān)鍵詞：機械加工;削角器;桐木條承重
15克桐木二次承壓結構比賽的設計是材料力學(xué)的問(wèn)題。桐木承壓結構先通過(guò)數學(xué)和物理的計算設計，然后將精選的桐木條通過(guò)手工工藝，做成幾何形狀。通過(guò)三秒膠黏合，使其與預先計算設計好的結構在材料力學(xué)和造型美學(xué)上完美結合。加工工藝貫穿整個(gè)設計制作過(guò)程，這不但要有好的數學(xué)和物理的計算與設計，還要有很好的手工制作精度。為了使木材能在更高精確度上成型和控制，切削工具必須精準。
1、最佳承壓極限結構的空心圓管方案分析
要使桐木承壓結構有足夠的穩度，成形后的結構底座的占地面積得盡可能寬。支撐柱在受壓中要保持穩定需要足夠的直徑長(cháng)度比[1]。支撐柱做成空心體可以增加直徑，圓是在任何方向上都是對稱(chēng)均勻的，研究證明空心圓管結構是承壓的最佳設計方案。制作木管的方法是把木條削成等腰梯形，然后圍著(zhù)一根直徑合適的鋼圓棒黏合成正多邊形，再打磨內外表面，磨成圓管。黏合時(shí)先把加工后的桐木黏合成兩個(gè)半圓柱體，再把兩個(gè)半圓柱體黏成一個(gè)圓柱體，木條根數一定是偶數。木條的根數越多，木材和膠水的融合度越高，對精確度要求就越高。因為在工藝的精度較低的情況下黏合面切削得不平整，會(huì )導致膠水堆積在黏合縫，不與木材融合，降低荷載比。只有膠水被木材的平整黏合面均勻吸收才可以提升結構的穩固強度。在工藝精度低的情況下，木條根數越多，出問(wèn)題的概率越大。也就是說(shuō)木條根數越多，對工藝的精確度的依賴(lài)性越強，要達到預知計算好的精確度，使用的切削工具必須由機械精確加工。
2、正十八邊形使用的削角器設計分析
根據多次試驗的圓管結構分析，十八根寬3.1mm的等腰梯形木條拼成圓管木材對膠水的吸收恰好達到飽和點(diǎn)，此時(shí)木材和膠水的質(zhì)量比是最合適的比例。正十八邊形圓管要把原規格為1.5mm×3.2mm×1000mm的桐木條，切成長(cháng)20.6cm兩個(gè)對應側面邊緣削成80°的斜角。進(jìn)行精確的手工切割得借助10°削角器。削角器是由兩塊20.0mm×30.0mm×216mm的304不銹鋼磚組合成，內部鑲嵌固定的六角螺絲、導軌、彈簧。兩枚內六角螺絲固定兩塊鋼磚作為一個(gè)整體，移動(dòng)彈簧使兩塊鋼磚可以靈活開(kāi)合，兩塊鋼磚重合平面形成10°斜面。在較低一側鋼磚底部加鉆兩個(gè)螺絲孔固定底座。在上邊一側的鋼磚可以移動(dòng)，上開(kāi)一個(gè)深3.14mm寬1.50mm的直角槽。底座用10mm厚電木板制作大小236mm×220mm的底板。用法：將木條夾在直角槽里，壓下手柄夾緊木條，用界紙刀把木條平推削成底角80°的等腰梯形。
3、機械加工削角器的制作分析
看似簡(jiǎn)單的削角器是機械工藝的定制產(chǎn)品。削角器的精確度，直接影響能否切出精準的80°斜面的木條。而且，直接影響空心圓管的強度，從而影響整個(gè)結構的受力。
3.1削角器的精度對結構的影響
削角器槽深3.14mm是為了使削出的等腰梯形木條黏合成正十八邊形管后內切圓直徑略大于17.73mm,再進(jìn)行手工打磨，并用五十分度游標卡尺校對。當圓管受壓，不失穩時(shí)任何高度上的截面受壓力相等。但當它失穩，產(chǎn)生彎曲時(shí)，中部彎矩最大。通過(guò)手工打磨做到中點(diǎn)處外徑在17.72mm至17.74mm之間，兩端口外徑在17.66mm至17.68mm之間。整條圓管平均外徑是17.70mm，從中點(diǎn)到端口截面有細微變化，能稍微提高圓管的縱向穩度。削角器制作時(shí)，切削鋼磚工藝不恰當容易造成最關(guān)鍵的斜面角度邊緣磨損。這樣導致削切木條時(shí)的精確度下降，黏合面不夠平整。在工藝精度低的情況下只能減少木條數量，對精度的要求得降低。
3.2減少誤差成為關(guān)鍵
機械加工工藝對削角器精度的影響主要體現在加工工藝的幾何誤差。特別是打磨工藝過(guò)程的每一道工序和每一個(gè)環(huán)節都會(huì )對削角器的'質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，采用的機械成型運動(dòng)產(chǎn)生的誤差是存在的。這就要求切削工具在加工過(guò)程中，要嚴格執行工藝標準，提高精度[2]。
3.3技術(shù)人員的水平和素質(zhì)是機械成型的決定因素
制作削角器要求操作人員和技術(shù)人員有較高的工藝水平和綜合素質(zhì)，具有機械加工成型的技術(shù)與經(jīng)驗的專(zhuān)業(yè)知識，并結合設備的技術(shù)條件因地制宜。削角器采用的加工原理并不復雜，當技術(shù)人員技術(shù)水平高、責任心強可以保證加工精度，更重要的是產(chǎn)生的誤差在允許的范圍內，可以滿(mǎn)足實(shí)際運用。目前，筆者所在的學(xué)校條件有限，聯(lián)系的工廠(chǎng)所能做出的削角器精度不夠，最關(guān)鍵的是鋼磚邊緣不平整且角度不夠精準。導致削切木條時(shí)的精確度下降，黏合面不夠平整。經(jīng)過(guò)反復地削切木條練習，筆者雖然漸漸適應了削角器不規范的部位，平均黏合縫大小0.065mm,黏合縫還不能控制在0.01mm以下，受制于機械加工的工藝問(wèn)題。
4結語(yǔ)
經(jīng)過(guò)多次試驗，從材料力學(xué)的研究出發(fā)，到發(fā)現機械加工對結構承重的重大影響。在不斷地提升自我能力的過(guò)程中發(fā)現了問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，在今后的研究中盡可能地加以完善，為研究實(shí)踐提供了方向。
參考文獻：
[1]呂建雄.蔣佳荔.木材動(dòng)態(tài)黏彈性基礎研究[M].科學(xué)出版社，2015.
[2]任妙芳.淺析機械加工精度的影響因素及提高措施[J].機械研究與應用，2010(2):124-126.
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