典型零件表面成形方法演示儀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

楊鈺琦

摘 要：典型零件表面如圓柱面、錐面、球面等是《機(jī)械制造工藝學(xué)》等課程教學(xué)中教師需要重點(diǎn)教授的內(nèi)容，但由于機(jī)械制造工藝學(xué)的強(qiáng)實(shí)踐性和現(xiàn)有教學(xué)條件的限制，不便于學(xué)生理解掌握相關(guān)知識(shí)。該文創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種典型零件表面成形方法演示儀，模擬并簡(jiǎn)化車(chē)床，通過(guò)“模擬刀具”在“演示模型”上“留下軌跡”，清晰逼真地再現(xiàn)典型零件表面形成過(guò)程，力求對(duì)現(xiàn)有教學(xué)有所裨益。

關(guān)鍵詞：零件表面成形方法 演示儀 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG50 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（a）-0055-03

典型零件表面主要包括圓柱面、錐面、球面等。在《機(jī)械制造工藝學(xué)》等課程教學(xué)中，典型零件表面的成形方法是教師需要重點(diǎn)教授的知識(shí)點(diǎn)。就機(jī)械加工而言，零件表面成形是根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求選用相應(yīng)的切削加工方法，在機(jī)床上通過(guò)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從工件毛坯上切除多余金屬，使之形成符合要求的外形、尺寸的表面的過(guò)程，機(jī)械加工過(guò)程就是工件表面的形成過(guò)程。無(wú)論是哪種機(jī)械加工機(jī)器，其基本原理和理論知識(shí)依舊是相通的，因此掌握好典型零件表面的成形方法仍然是系統(tǒng)全面地掌握機(jī)械加工知識(shí)的基礎(chǔ)。在現(xiàn)有的教學(xué)中，由于機(jī)械加工本身的抽象性，老師的課程講解難以使學(xué)生深入理解刀具與工件之間的運(yùn)動(dòng)形式。同時(shí)，因?yàn)榻虒W(xué)課時(shí)或教學(xué)實(shí)踐條件的限制，學(xué)生難以在實(shí)踐環(huán)節(jié)操作中真正掌握機(jī)械加工的要領(lǐng)。

有鑒于此，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種展示零件表面成形方法的教學(xué)演示儀，模擬車(chē)床切削加工原理，通過(guò)“模擬刀具”在“演示模型”上“留下軌跡”，清晰逼真地再現(xiàn)典型零件表面形成過(guò)程。

1 典型零件表面成形方法演示儀的原理簡(jiǎn)介

典型零件表面成形方法演示儀主要涉及車(chē)削加工技術(shù)和平面連桿機(jī)構(gòu)。

車(chē)床加工即車(chē)削，是機(jī)械制造業(yè)中最基本、最廣泛、最重要的一種工藝方法[2]。車(chē)削時(shí)，一般工件旋轉(zhuǎn)，車(chē)刀在平面內(nèi)做直線或曲線移動(dòng)實(shí)現(xiàn)切削加工，可用于加工工件的內(nèi)外圓柱面、端面、圓錐面、成形面和螺紋等。車(chē)削內(nèi)外圓柱面時(shí)，車(chē)刀沿平行于工件旋轉(zhuǎn)軸線的方向運(yùn)動(dòng)。如果車(chē)刀的運(yùn)動(dòng)軌跡與工件旋轉(zhuǎn)軸線成一斜角，就能加工出圓錐面。車(chē)削時(shí)，工件由機(jī)床主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)做主運(yùn)動(dòng)，夾持在刀架上的車(chē)刀做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

連桿機(jī)構(gòu)是指由低副連接剛性構(gòu)件組成的機(jī)構(gòu)，其可以分為平面連桿機(jī)構(gòu)和空間連桿機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)在工程中使用比較普遍，如，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、聯(lián)合收割機(jī)下割刀等[4]。連桿機(jī)構(gòu)主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）連桿機(jī)構(gòu)采用低副面接觸、承載大、便于潤(rùn)滑、不易磨損，形狀簡(jiǎn)單、易加工，容易獲得較高的制造精度。（2）連桿曲線豐富，可以滿足使用者不同要求。（3）連桿機(jī)構(gòu)可以改變桿的相對(duì)長(zhǎng)度，進(jìn)而改變從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

典型零件表面成形方法演示儀通過(guò)“模擬”車(chē)床，將傳統(tǒng)車(chē)床的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，主要提取出車(chē)床的“主軸箱”和“進(jìn)給箱”兩部分，通過(guò)手動(dòng)搖動(dòng)實(shí)現(xiàn)工件（即演示模型）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，借助于絲桿螺母將進(jìn)給手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為“模擬刀具”的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)調(diào)整“模擬刀具”的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱面、球面、圓錐面等的演示。演示時(shí)，“模擬刀具”在“演示模型”上“留下軌跡”，由此清晰逼真地再現(xiàn)典型零件表面的成形過(guò)程。

2 典型零件表面成形方法演示儀的組成及工作過(guò)程

2.1 演示儀的組成

典型零件表面成形方法演示儀基于車(chē)削加工的原理，通過(guò)“模擬”車(chē)床，借助于連桿機(jī)構(gòu)調(diào)整刀具的位置，從而實(shí)現(xiàn)不同典型零件表面（圓柱面、圓錐面、外球面等）的加工演示過(guò)程。其主要包括三大主要部件：主運(yùn)動(dòng)部件、刀具進(jìn)給部件、基座部件，以及演示模型（工件）。如圖1所示為典型零件表面成形方法演示儀的結(jié)構(gòu)示意圖。

（1）主運(yùn)動(dòng)部件。

主運(yùn)動(dòng)部件主要模擬車(chē)床的“主軸箱”部件，并對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，其主要包括手輪、支架、軸承、旋轉(zhuǎn)軸、螺釘?shù)?。在加工演示時(shí)，預(yù)先準(zhǔn)備好的演示模型（工件）通過(guò)螺紋連接安裝在旋轉(zhuǎn)軸上。使用者通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，進(jìn)而帶動(dòng)演示模型（工件）的轉(zhuǎn)動(dòng)。其通過(guò)簡(jiǎn)化的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)，類(lèi)似于車(chē)床主軸箱帶動(dòng)工件實(shí)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

（2）刀具進(jìn)給部件。

刀具進(jìn)給部件主要包括兩大部分：平面四連桿機(jī)構(gòu)和刀具部分。

平面四連桿機(jī)構(gòu)主要用于調(diào)整刀具的位置，進(jìn)而使演示儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同零件表面的演示。如圖1所示，演示儀中的平面四連桿機(jī)構(gòu)根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求應(yīng)該是一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，其曲柄演化成為了圓盤(pán)。因此，其4桿長(zhǎng)需要滿足一定的條件：最長(zhǎng)桿與最短桿的長(zhǎng)度之和小于其他兩桿長(zhǎng)度之和，且最短桿為連架桿，即圖1中圓盤(pán)的半徑應(yīng)該最短，使圓盤(pán)與基座底板形成的轉(zhuǎn)動(dòng)副為周轉(zhuǎn)副，且在圓盤(pán)上設(shè)置有轉(zhuǎn)動(dòng)手柄。

刀具部分是整個(gè)演示儀的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要用于實(shí)現(xiàn)刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。刀具部分主要包括刀架、刀具、導(dǎo)桿、絲桿螺母組件、手輪、軸承等。絲桿螺母組件安裝在刀架上，絲桿與手輪連接。所述刀具實(shí)際為畫(huà)筆，其能夠在演示模型上畫(huà)出痕跡，進(jìn)而能夠清晰刻畫(huà)出刀具在工件上走過(guò)的軌跡。刀具安裝在螺母上并能調(diào)整其伸出的長(zhǎng)短，方便調(diào)整筆尖相對(duì)于工件的位置。演示時(shí)，使用者通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)刀具進(jìn)給部件的手輪進(jìn)而帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，在絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)的作用下，進(jìn)而使螺母實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，由于刀具安裝在螺母上，所以通過(guò)螺母的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具的移動(dòng)。導(dǎo)桿可以對(duì)螺母的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)向。

平面四連桿機(jī)構(gòu)和刀具部分通過(guò)立柱連接。立柱的上端與刀架連接，立柱的下端設(shè)置有萬(wàn)向輪（或牛眼輪）。萬(wàn)向輪（或牛眼輪）與基座部件的底板接觸，可以在底板平面上運(yùn)動(dòng)。平面四連桿機(jī)構(gòu)一方面可以調(diào)整刀具部分的位置；另一方面將其運(yùn)動(dòng)傳遞給刀具部分進(jìn)而實(shí)現(xiàn)球面的加工演示。

（3）基座部件。

基座部件是典型零件表面成形方法演示儀的機(jī)架。其主要包括底板、墊塊等。主運(yùn)動(dòng)部件的支架與基座底板互相固結(jié)，進(jìn)而使主運(yùn)動(dòng)部件安裝在機(jī)架上。平面四連桿機(jī)構(gòu)分別在底板兩處與底板鉸接形成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，進(jìn)而使刀具進(jìn)給部件與機(jī)架相連?；装迳显O(shè)置有定位孔，在通過(guò)平面四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)刀具部分進(jìn)而位置調(diào)整后，通過(guò)插入銷(xiāo)釘，進(jìn)而將刀具部分固定在底板上。

2.2 演示儀的工作過(guò)程

典型零件表面成形方法演示儀通過(guò)“模擬”車(chē)床，并通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)調(diào)整“模擬刀具”的位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱面、球面、圓錐面等的演示。

（1）圓柱面的成形演示過(guò)程。

演示圓柱面的成形過(guò)程時(shí)，首先安裝好模擬工件，再通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)平面連桿處的轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，調(diào)整刀具位置，使刀具所在軸線與工件旋轉(zhuǎn)軸線垂直，并利用銷(xiāo)釘將連桿固定。然后分別旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)部件和刀具進(jìn)給部件的手輪，使工件旋轉(zhuǎn)，刀具在絲桿螺母的傳動(dòng)作用下，刀具沿平行于工件旋轉(zhuǎn)軸線的方向運(yùn)動(dòng)，刀具實(shí)際為一畫(huà)筆，其會(huì)在工件上畫(huà)出走過(guò)的痕跡，進(jìn)而清晰展現(xiàn)圓柱面的成形過(guò)程。

（2）圓錐面的成形演示過(guò)程。

演示圓錐面的成形過(guò)程與圓柱面的成形演示過(guò)程基本相同，其區(qū)別在于演示圓錐面的成形過(guò)程時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)平面連桿處的轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，調(diào)整刀具位置，使刀具所在軸線與工件旋轉(zhuǎn)軸線成一銳角，再利用銷(xiāo)釘將連桿固定。

（3）外球面的成形演示過(guò)程。

演示外球面的成形過(guò)程時(shí)，在安裝好模擬工件之后，先調(diào)整模擬刀具與模擬工件的位置，使其恰好接觸。然后再轉(zhuǎn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)部件處的手柄和平面四連桿機(jī)構(gòu)（曲柄搖桿機(jī)構(gòu)）處的轉(zhuǎn)動(dòng)手柄。在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的作用下，刀具呈半圓弧狀往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而與工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合，即可清晰演示出外球面的成形過(guò)程。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及其前景

（1）結(jié)構(gòu)新穎，設(shè)計(jì)獨(dú)特。該演示儀通過(guò)將機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬和簡(jiǎn)化，突出重點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)平面連桿調(diào)整刀具的位置，豐富了演示儀的功能，“模擬刀具”在“演示模型”上“留下軌跡”，以形象展示機(jī)械加工時(shí)典型零件表面成形方法基本原理，使得觀察者印象深刻，對(duì)加工過(guò)程理解更加深刻。

（2）該演示儀操作簡(jiǎn)單，演示功能豐富。學(xué)生可以親自動(dòng)手操作，切身體驗(yàn)不同零件表面的形成方法，有利于提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“理論”與“實(shí)踐”的統(tǒng)一和結(jié)合，達(dá)到不同知識(shí)同步學(xué)習(xí)的效果。同時(shí)該演示儀配有多種典型表面的“演示模型”，可以實(shí)現(xiàn)幾種典型表面成形方法的對(duì)比演示，功能豐富多彩。

4 結(jié)語(yǔ)

典型零件表面成形方法演示儀通過(guò)“模擬車(chē)床”，清晰逼真地再現(xiàn)圓柱面、圓錐面、外球面等零件表面的形成過(guò)程。該典型零件表面成形演示儀小巧輕盈，將傳統(tǒng)車(chē)床的復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，通過(guò)“模擬刀具”在“演示模型”上“留下軌跡”，清晰再現(xiàn)零件表面成形過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，加深對(duì)知識(shí)的掌握和具體的理解，很好地彌補(bǔ)了現(xiàn)有機(jī)械加工教學(xué)環(huán)節(jié)存在的不足，具有很好的教學(xué)實(shí)用價(jià)值，且成本低廉，具有很好的應(yīng)用前景。

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