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)

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。