典型零件表面成形方法演示儀的創新設計

楊鈺琦

摘 要：典型零件表面如圓柱面、錐面、球面等是《機械制造工藝學》等課程教學中教師需要重點教授的內容，但由于機械制造工藝學的強實踐性和現有教學條件的限制，不便于學生理解掌握相關知識。該文創新設計了一種典型零件表面成形方法演示儀，模擬并簡化車床，通過“模擬刀具”在“演示模型”上“留下軌跡”，清晰逼真地再現典型零件表面形成過程，力求對現有教學有所裨益。

關鍵詞：零件表面成形方法 演示儀 創新設計

中圖分類號：TG50 文獻標識碼：A 文章編號：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《機械制造工藝學》等課程教學中，典型零件表面的成形方法是教師需要重點教授的知識點。就機械加工而言，零件表面成形是根據具體的設計要求選用相應的切削加工方法，在機床上通過刀具與工件的相對運動，從工件毛坯上切除多余金屬，使之形成符合要求的外形、尺寸的表面的過程，機械加工過程就是工件表面的形成過程。無論是哪種機械加工機器，其基本原理和理論知識依舊是相通的，因此掌握好典型零件表面的成形方法仍然是系統全面地掌握機械加工知識的基礎。在現有的教學中，由于機械加工本身的抽象性，老師的課程講解難以使學生深入理解刀具與工件之間的運動形式。同時，因為教學課時或教學實踐條件的限制，學生難以在實踐環節操作中真正掌握機械加工的要領。

有鑒于此，創新設計了一種展示零件表面成形方法的教學演示儀，模擬車床切削加工原理，通過“模擬刀具”在“演示模型”上“留下軌跡”，清晰逼真地再現典型零件表面形成過程。

1 典型零件表面成形方法演示儀的原理簡介

典型零件表面成形方法演示儀主要涉及車削加工技術和平面連桿機構。

車床加工即車削，是機械制造業中最基本、最廣泛、最重要的一種工藝方法[2]。車削時，一般工件旋轉，車刀在平面內做直線或曲線移動實現切削加工，可用于加工工件的內外圓柱面、端面、圓錐面、成形面和螺紋等。車削內外圓柱面時，車刀沿平行于工件旋轉軸線的方向運動。如果車刀的運動軌跡與工件旋轉軸線成一斜角，就能加工出圓錐面。車削時，工件由機床主軸帶動旋轉做主運動，夾持在刀架上的車刀做進給運動。

連桿機構是指由低副連接剛性構件組成的機構，其可以分為平面連桿機構和空間連桿機構。連桿機構在工程中使用比較普遍，如，活塞發動機、紡織機械、印刷機械、聯合收割機下割刀等[4]。連桿機構主要具有如下優點：（1）連桿機構采用低副面接觸、承載大、便于潤滑、不易磨損，形狀簡單、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）連桿機構可以改變桿的相對長度，進而改變從動件運動規律。

典型零件表面成形方法演示儀通過“模擬”車床，將傳統車床的復雜結構進行簡化，主要提取出車床的“主軸箱”和“進給箱”兩部分，通過手動搖動實現工件（即演示模型）的旋轉運動，借助于絲桿螺母將進給手輪的轉動轉化為“模擬刀具”的進給運動，并通過連桿機構調整“模擬刀具”的位置，實現對圓柱面、球面、圓錐面等的演示。演示時，“模擬刀具”在“演示模型”上“留下軌跡”，由此清晰逼真地再現典型零件表面的成形過程。

2 典型零件表面成形方法演示儀的組成及工作過程

2.1 演示儀的組成

典型零件表面成形方法演示儀基于車削加工的原理，通過“模擬”車床，借助于連桿機構調整刀具的位置，從而實現不同典型零件表面（圓柱面、圓錐面、外球面等）的加工演示過程。其主要包括三大主要部件：主運動部件、刀具進給部件、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構示意圖。

（1）主運動部件。

主運動部件主要模擬車床的“主軸箱”部件，并對其進行了簡化，其主要包括手輪、支架、軸承、旋轉軸、螺釘等。在加工演示時，預先準備好的演示模型（工件）通過螺紋連接安裝在旋轉軸上。使用者通過轉動手輪，進而帶動演示模型（工件）的轉動。其通過簡化的機構實現工件的旋轉，類似于車床主軸箱帶動工件實現的旋轉運動。

（2）刀具進給部件。

刀具進給部件主要包括兩大部分：平面四連桿機構和刀具部分。

平面四連桿機構主要用于調整刀具的位置，進而使演示儀能夠實現對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構根據運動要求應該是一個曲柄搖桿機構，其曲柄演化成為了圓盤。因此，其4桿長需要滿足一定的條件：最長桿與最短桿的長度之和小于其他兩桿長度之和，且最短桿為連架桿，即圖1中圓盤的半徑應該最短，使圓盤與基座底板形成的轉動副為周轉副，且在圓盤上設置有轉動手柄。

刀具部分是整個演示儀的執行機構，其主要用于實現刀具的進給運動。刀具部分主要包括刀架、刀具、導桿、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。所述刀具實際為畫筆，其能夠在演示模型上畫出痕跡，進而能夠清晰刻畫出刀具在工件上走過的軌跡。刀具安裝在螺母上并能調整其伸出的長短，方便調整筆尖相對于工件的位置。演示時，使用者通過轉動刀具進給部件的手輪進而帶動絲桿轉動，在絲桿螺母傳動的作用下，進而使螺母實現移動，由于刀具安裝在螺母上，所以通過螺母的移動實現刀具的移動。導桿可以對螺母的運動進行導向。

平面四連桿機構和刀具部分通過立柱連接。立柱的上端與刀架連接，立柱的下端設置有萬向輪（或牛眼輪）。萬向輪（或牛眼輪）與基座部件的底板接觸，可以在底板平面上運動。平面四連桿機構一方面可以調整刀具部分的位置；另一方面將其運動傳遞給刀具部分進而實現球面的加工演示。

（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架。其主要包括底板、墊塊等。主運動部件的支架與基座底板互相固結，進而使主運動部件安裝在機架上。平面四連桿機構分別在底板兩處與底板鉸接形成兩個轉動副，進而使刀具進給部件與機架相連。基座底板上設置有定位孔，在通過平面四連桿機構對刀具部分進而位置調整后，通過插入銷釘，進而將刀具部分固定在底板上。

2.2 演示儀的工作過程

典型零件表面成形方法演示儀通過“模擬”車床，并通過連桿機構調整“模擬刀具”的位置，可以實現對圓柱面、球面、圓錐面等的演示。

（1）圓柱面的成形演示過程。

演示圓柱面的成形過程時，首先安裝好模擬工件，再通過轉動平面連桿處的轉動手柄，調整刀具位置，使刀具所在軸線與工件旋轉軸線垂直，并利用銷釘將連桿固定。然后分別旋轉主運動部件和刀具進給部件的手輪，使工件旋轉，刀具在絲桿螺母的傳動作用下，刀具沿平行于工件旋轉軸線的方向運動，刀具實際為一畫筆，其會在工件上畫出走過的痕跡，進而清晰展現圓柱面的成形過程。

（2）圓錐面的成形演示過程。

演示圓錐面的成形過程與圓柱面的成形演示過程基本相同，其區別在于演示圓錐面的成形過程時，通過轉動平面連桿處的轉動手柄，調整刀具位置，使刀具所在軸線與工件旋轉軸線成一銳角，再利用銷釘將連桿固定。

（3）外球面的成形演示過程。

演示外球面的成形過程時，在安裝好模擬工件之后，先調整模擬刀具與模擬工件的位置，使其恰好接觸。然后再轉動主運動部件處的手柄和平面四連桿機構（曲柄搖桿機構）處的轉動手柄。在曲柄搖桿機構的作用下，刀具呈半圓弧狀往復運動，進而與工件的旋轉運動復合，即可清晰演示出外球面的成形過程。

3 創新點及其前景

（1）結構新穎，設計獨特。該演示儀通過將機床的結構進行模擬和簡化，突出重點結構，并通過平面連桿調整刀具的位置，豐富了演示儀的功能，“模擬刀具”在“演示模型”上“留下軌跡”，以形象展示機械加工時典型零件表面成形方法基本原理，使得觀察者印象深刻，對加工過程理解更加深刻。

（2）該演示儀操作簡單，演示功能豐富。學生可以親自動手操作，切身體驗不同零件表面的形成方法，有利于提高學生實踐動手能力，同時實現“理論”與“實踐”的統一和結合，達到不同知識同步學習的效果。同時該演示儀配有多種典型表面的“演示模型”，可以實現幾種典型表面成形方法的對比演示，功能豐富多彩。

4 結語

典型零件表面成形方法演示儀通過“模擬車床”，清晰逼真地再現圓柱面、圓錐面、外球面等零件表面的形成過程。該典型零件表面成形演示儀小巧輕盈，將傳統車床的復雜結構簡化，通過“模擬刀具”在“演示模型”上“留下軌跡”，清晰再現零件表面成形過程，促進學生將理論知識與實踐相結合，加深對知識的掌握和具體的理解，很好地彌補了現有機械加工教學環節存在的不足，具有很好的教學實用價值，且成本低廉，具有很好的應用前景。

參考文獻

[1] 連奎.對機械制造工藝學教學方法的探索[J].職業教育研究，2006（4）：74.

[2] 杜國臣，曹光明.硬車削技術及其應用[J].濰坊學院學報，2002（6）：61-64.

[3] 張華培，王志剛，王孫，等.連桿機構的應用研究及發展趨勢綜述[J].科技展望，2014（14）：119-120.