三通孔明鎖的手工“增材”制作

朱石明

孔明鎖相傳是三國時(shí)期諸葛孔明根據(jù)八卦玄學(xué)的原理而發(fā)明，又名“別悶棍”“六子聯(lián)方”“莫奈何”“難人木”等。它不用釘子和繩子，完全靠自身結(jié)構(gòu)的連接支撐，體現(xiàn)了古人的智慧。作為一種傳統(tǒng)的益智玩具，僅有很少的人能真正玩轉(zhuǎn)孔明鎖，很多人往往是拿在手中拆解不了，或者好不容易拆解了卻無法拼回原樣。

在一次STEM科技實(shí)踐項(xiàng)目中，我?guī)ьI(lǐng)學(xué)生進(jìn)行三通孔明鎖制作的實(shí)踐。

一、技術(shù)方案

采用增材制造技術(shù)進(jìn)行制作。增材制造技術(shù)是指基于可以離散排布的耗材，運(yùn)用層層堆積的原理，制作成結(jié)構(gòu)復(fù)雜物體的一種加工技術(shù)。基于不同的分類原則和理解方式，增材制造技術(shù)還有快速制造、3D打印等多種稱謂。

作為STEM科技實(shí)踐項(xiàng)目，本次活動(dòng)還需體現(xiàn)“綠色、低碳、環(huán)保”的設(shè)計(jì)理念。在達(dá)到相同的技術(shù)性能的情況下，材料用量較少的方案得分會(huì)更高。

二、限定器材

本次活動(dòng)提供的材料和工具如下。

材料為椴木方木條1根，其規(guī)格為20mm×20mm×1 000mm。

工具為手工鋸1把，砂紙1張，熱熔膠槍1把，膠棒1根，木工銼1把，直尺1把，角尺1把，鉛筆1支。

三、思路方案

將4根邊長為10mm的方木條粘合在一起即可組成邊長為20mm的方木條，且如果在粘合前預(yù)留需空出的缺口，就不需要使用傳統(tǒng)的方法鋸槽了。具體如何制作呢？

（一）方案討論

假設(shè)1：如圖2所示數(shù)據(jù)，將鎖件兩端空出40mm，即鎖件總長為100mm，則三通孔明鎖總體積為：

V=20×20×20+20×20×40×6

=8 000+96 000=104 000mm3。

則需要10mm×10mm方木條的長度為：

L=V/100=104 000/100=1 040mm，1 040mm>1 000mm。

結(jié)論：此方案中，所供方木條的長度不夠。

假設(shè)2：如圖紙所示數(shù)據(jù)，將鎖件兩端空出30mm，即鎖件總長為80 mm，則三通孔明鎖總體積為：

V=20×20×20+20×20×30×6

=8 000+72 000=80 000mm3。

則需要10mm×10mm方木條的長度為：

L=V/100=80 000/100=800mm，800mm<1 000mm。

結(jié)論：此方案中，所供方木條長度足夠，如果沒有鋸切操作的失誤，將剩余200mm的木條。

假設(shè)3：如圖紙所示數(shù)據(jù)，將鎖件兩端空出20mm，即鎖件總長為60mm。此方案所供方木條長度雖然足夠，但作品比較小，使用時(shí)手感較差，手能持握的部位較短，且會(huì)影響作品的美觀。

假設(shè)4：如圖紙所示數(shù)據(jù)，將鎖件兩端空出10mm，則作品會(huì)更小，使用時(shí)手感差等問題將更突出。

由此可見，方案2為最優(yōu)選。

（二）數(shù)量統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)出各種規(guī)格長度的木條分別所需的數(shù)量，如表1。

四、制作過程

（一）木條鋸切

按表1分別鋸出不同規(guī)格的木條，用木工銼將木條的毛刺修整平滑。由于鎖件2的中間是圓柱體，所以需用木工銼將其中一根80mm的木條的最中間20mm銼成圓柱體，即兩端各預(yù)留30mm的長度，保證圓柱體部分處于中間。

（二）鎖件合成

用熱熔膠槍依照?qǐng)D紙將木條粘合成3個(gè)鎖件。注意：為便于裝配，鎖件中間的間隙應(yīng)略大，如兩個(gè)30mm鎖件間應(yīng)空20mm，實(shí)際粘合時(shí)需空22mm; 30mm、40mm鎖件間應(yīng)空10mm，實(shí)際粘合時(shí)需空12mm。與總長80mm的木條相比，兩端正好各多1mm，最后可通過砂紙磨平。

（三）鎖件組裝

將粘合好的3個(gè)鎖件進(jìn)行組裝，無法拼裝的可以用銼刀再進(jìn)行細(xì)微修改。

首次玩孔明鎖的人可能要嘗試20多分鐘才能悟出其中的訣竅，所以本次活動(dòng)將安排45min～120min的時(shí)間供學(xué)生組裝、解開孔明鎖。最終制作而成的三通孔明鎖如圖4所示。

五、評(píng)價(jià)與交流

讓學(xué)生展示自己制作完成的孔明鎖，并進(jìn)行交流發(fā)言。依據(jù)相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)給每個(gè)作品打分。

1.按要求完成3個(gè)鎖件的制作，每個(gè)鎖件計(jì)20分，共計(jì)60分。

2.鎖件能完美組合成孔明鎖，計(jì)20分。

3.孔明鎖光滑、美觀，鎖件間的縫隙很小，計(jì)20分。

六、提升與反思

（一）“解鎖大法”

要玩轉(zhuǎn)孔明鎖，需要反復(fù)拆解孔明鎖，總結(jié)其中的規(guī)律。師生們總結(jié)了三通孔明鎖解鎖與上鎖的 “五字要訣”。

解鎖操作要領(lǐng)：偏轉(zhuǎn)鎖件2，取下鎖件1，移去鎖件2，放下鎖件3;

上鎖操作要領(lǐng)：手持鎖件3，偏放鎖件2，正放鎖件1，旋正鎖件2。

（二）識(shí)破“設(shè)計(jì)陷阱”

在方案確認(rèn)階段，為何不能依據(jù)三通孔明鎖的圖紙直接鋸切制作？

這里可用“整體法”進(jìn)行分析：在原三通孔明鎖的構(gòu)造圖紙中，3個(gè)鎖件組裝完成后，從X、Y、Z三個(gè)方向觀察，相當(dāng)于都有1根20mm×20mm×100mm的方木條，但這3根方木條中，重疊了2個(gè)20mm×20mm×20mm的立方塊。

原圖紙中的三通孔明鎖總體積為：

V1=20×20×100×3-20×20×20×2

=104 000mm3

而教師提供的原材料木條總體積為：

V2=10×10×1 000

=100 000mm3

本次STEM科技實(shí)踐活動(dòng)中，預(yù)先設(shè)有“陷阱”，如果不加以必要的分析就做不出一個(gè)成功的三通孔明鎖。

七、小結(jié)

本次活動(dòng)創(chuàng)造性地融合了增材制造技術(shù)的原理，大大提高了手工制作孔明鎖的效率，化繁為簡。它不僅能讓學(xué)生了解木工加工的工藝，而且能讓學(xué)生從三通孔明鎖的結(jié)構(gòu)中感受傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)的獨(dú)特魅力，加深對(duì)增材制造技術(shù)的理解。