桐木結構承重及其機械加工的研究

彭麟真(廣州市第二中學，廣東 廣州 510530)

桐木結構承重及其機械加工的研究

彭麟真(廣州市第二中學，廣東 廣州 510530)

在頭腦奧林匹克競賽的桐木結構承重長期題中，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克桐木結構二次承壓中的桐木加工的方法、材料力學問題進行剖析，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，籍此提出個人的一些觀點，讓更多的同學參與其中。

機械加工;削角器;桐木條承重

15克桐木二次承壓結構比賽的設計是材料力學的問題。桐木承壓結構先通過數學和物理的計算設計，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，使其與預先計算設計好的結構在材料力學和造型美學上完美結合。加工工藝貫穿整個設計制作過程，這不但要有好的數學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，出問題的概率越大。也就是說木條根數越多，對工藝的精確度的依賴性越強，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，此時木材和膠水的質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20.6cm兩個對應側面邊緣削成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。在較低一側鋼磚底部加鉆兩個螺絲孔固定底座。在上邊一側的鋼磚可以移動，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，不失穩時任何高度上的截面受壓力相等。但當它失穩，產生彎曲時，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度。

削角器制作時，切削鋼磚工藝不恰當容易造成最關鍵的斜面角度邊緣磨損。這樣導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量，對精度的要求得降低。

3.2 減少誤差成為關鍵

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。特別是打磨工藝過程的每一道工序和每一個環節都會對削角器的質量產生直接的影響，采用的機械成型運動產生的誤差是存在的。這就要求切削工具在加工過程中，要嚴格執行工藝標準，提高精度[2]。

3.3 技術人員的水平和素質是機械成型的決定因素

制作削角器要求操作人員和技術人員有較高的工藝水平和綜合素質，具有機械加工成型的技術與經驗的專業知識，并結合設備的技術條件因地制宜。削角器采用的加工原理并不復雜，當技術人員技術水平高、責任心強可以保證加工精度，更重要的是產生的誤差在允許的范圍內，可以滿足實際運用。

目前，筆者所在的學校條件有限，聯系的工廠所能做出的削角器精度不夠，最關鍵的是鋼磚邊緣不平整且角度不夠精準。導致削切木條時的精確度下降，黏合面不夠平整。經過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題。

4 結語

經過多次試驗，從材料力學的研究出發，到發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程中發現了問題的實質，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.木材動態黏彈性基礎研究[M].科學出版社，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.

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