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    桐木結(jié)構(gòu)承重及其機械加工的研究

    2017-03-03 09:19:22彭麟真廣州市第二中學(xué)廣東廣州510530
    化工管理 2017年29期
    關(guān)鍵詞:桐木木條圓管

    彭麟真(廣州市第二中學(xué),廣東 廣州 510530)

    桐木結(jié)構(gòu)承重及其機械加工的研究

    彭麟真(廣州市第二中學(xué),廣東 廣州 510530)

    在頭腦奧林匹克競賽的桐木結(jié)構(gòu)承重長期題中,桐木條和膠水黏合如何達到二次承壓極限是個值得研究的問題。本文是筆者多年來的研究,針對15克桐木結(jié)構(gòu)二次承壓中的桐木加工的方法、材料力學(xué)問題進行剖析,提出了機械加工使切削工具更精準(zhǔn),并嘗試完善機械加工的方法,籍此提出個人的一些觀點,讓更多的同學(xué)參與其中。

    機械加工;削角器;桐木條承重

    15克桐木二次承壓結(jié)構(gòu)比賽的設(shè)計是材料力學(xué)的問題。桐木承壓結(jié)構(gòu)先通過數(shù)學(xué)和物理的計算設(shè)計,然后將精選的桐木條通過手工工藝,做成幾何形狀。通過三秒膠黏合,使其與預(yù)先計算設(shè)計好的結(jié)構(gòu)在材料力學(xué)和造型美學(xué)上完美結(jié)合。加工工藝貫穿整個設(shè)計制作過程,這不但要有好的數(shù)學(xué)和物理的計算與設(shè)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(zhǔn)。

    1 最佳承壓極限結(jié)構(gòu)的空心圓管方案分析

    要使桐木承壓結(jié)構(gòu)有足夠的穩(wěn)度,成形后的結(jié)構(gòu)底座的占地面積得盡可能寬。支撐柱在受壓中要保持穩(wěn)定需要足夠的直徑長度比[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均勻的,研究證明空心圓管結(jié)構(gòu)是承壓的最佳設(shè)計方案。

    制作木管的方法是把木條削成等腰梯形,然后圍著一根直徑合適的鋼圓棒黏合成正多邊形,再打磨內(nèi)外表面,磨成圓管。黏合時先把加工后的桐木黏合成兩個半圓柱體,再把兩個半圓柱體黏成一個圓柱體,木條根數(shù)一定是偶數(shù)。

    木條的根數(shù)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,會導(dǎo)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)固強度。在工藝精度低的情況下,木條根數(shù)越多,出問題的概率越大。也就是說木條根數(shù)越多,對工藝的精確度的依賴性越強,要達到預(yù)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(shè)計分析

    根據(jù)多次試驗的圓管結(jié)構(gòu)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,此時木材和膠水的質(zhì)量比是最合適的比例。正十八邊形圓管要把原規(guī)格為1.5mm×3.2mm×1000mm的桐木條,切成長20.6cm兩個對應(yīng)側(cè)面邊緣削成80°的斜角。進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(nèi)部鑲嵌固定的六角螺絲、導(dǎo)軌、彈簧。兩枚內(nèi)六角螺絲固定兩塊鋼磚作為一個整體,移動彈簧使兩塊鋼磚可以靈活開合,兩塊鋼磚重合平面形成10°斜面。在較低一側(cè)鋼磚底部加鉆兩個螺絲孔固定底座。在上邊一側(cè)的鋼磚可以移動,上開一個深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(zhǔn)的80°斜面的木條。而且,直接影響空心圓管的強度,從而影響整個結(jié)構(gòu)的受力。

    3.1 削角器的精度對結(jié)構(gòu)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(nèi)切圓直徑略大于17.73mm,再進行手工打磨,并用五十分度游標(biāo)卡尺校對。當(dāng)圓管受壓,不失穩(wěn)時任何高度上的截面受壓力相等。但當(dāng)它失穩(wěn),產(chǎn)生彎曲時,中部彎矩最大。通過手工打磨做到中點處外徑在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,從中點到端口截面有細微變化,能稍微提高圓管的縱向穩(wěn)度。

    削角器制作時,切削鋼磚工藝不恰當(dāng)容易造成最關(guān)鍵的斜面角度邊緣磨損。這樣導(dǎo)致削切木條時的精確度下降,黏合面不夠平整。在工藝精度低的情況下只能減少木條數(shù)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(xiàn)在加工工藝的幾何誤差。特別是打磨工藝過程的每一道工序和每一個環(huán)節(jié)都會對削角器的質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響,采用的機械成型運動產(chǎn)生的誤差是存在的。這就要求切削工具在加工過程中,要嚴格執(zhí)行工藝標(biāo)準(zhǔn),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)驗的專業(yè)知識,并結(jié)合設(shè)備的技術(shù)條件因地制宜。削角器采用的加工原理并不復(fù)雜,當(dāng)技術(shù)人員技術(shù)水平高、責(zé)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(nèi),可以滿足實際運用。

    目前,筆者所在的學(xué)校條件有限,聯(lián)系的工廠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(zhǔn)。導(dǎo)致削切木條時的精確度下降,黏合面不夠平整。經(jīng)過反復(fù)地削切木條練習(xí),筆者雖然漸漸適應(yīng)了削角器不規(guī)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題。

    4 結(jié)語

    經(jīng)過多次試驗,從材料力學(xué)的研究出發(fā),到發(fā)現(xiàn)機械加工對結(jié)構(gòu)承重的重大影響。在不斷地提升自我能力的過程中發(fā)現(xiàn)了問題的實質(zhì),在今后的研究中盡可能地加以完善,為研究實踐提供了方向。

    [1]呂建雄.蔣佳荔.木材動態(tài)黏彈性基礎(chǔ)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(yīng)用,2010(2):124-126.

    彭麟真(2000-),性別:男,籍貫:廣州 學(xué)校:廣州市第二中學(xué)研究方向:材料力學(xué)、機械工程。

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