杨钰琦
摘 要：典型零件表面如圆柱面、锥面、球面等是《机械制造工艺学》等课程教学中教师需要重点教授的内容，但由于机械制造工艺学的强实践性和现有教学条件的限制，不便于学生理解掌握相关知识。该文创新设计了一种典型零件表面成形方法演示仪，模拟并简化车床，通过“模拟刀具”在“演示模型”上“留下轨迹”，清晰逼真地再现典型零件表面形成过程，力求对现有教学有所裨益。
关键词：零件表面成形方法 演示仪 创新设计
中图分类号：TG50 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（a）-0055-03
典型零件表面主要包括圆柱面、锥面、球面等。在《机械制造工艺学》等课程教学中，典型零件表面的成形方法是教师需要重点教授的知识点。就机械加工而言，零件表面成形是根据具体的设计要求选用相应的切削加工方法，在机床上通过刀具与工件的相对运动，从工件毛坯上切除多余金属，使之形成符合要求的外形、尺寸的表面的过程，机械加工过程就是工件表面的形成过程。无论是哪种机械加工机器，其基本原理和理论知识依旧是相通的，因此掌握好典型零件表面的成形方法仍然是系统全面地掌握机械加工知识的基础。在现有的教学中，由于机械加工本身的抽象性，老师的课程讲解难以使学生深入理解刀具与工件之间的运动形式。同时，因为教学课时或教学实践条件的限制，学生难以在实践环节操作中真正掌握机械加工的要领。
有鉴于此，创新设计了一种展示零件表面成形方法的教学演示仪，模拟车床切削加工原理，通过“模拟刀具”在“演示模型”上“留下轨迹”，清晰逼真地再现典型零件表面形成过程。
1 典型零件表面成形方法演示仪的原理简介
典型零件表面成形方法演示仪主要涉及车削加工技术和平面连杆机构。
车床加工即车削，是机械制造业中最基本、最广泛、最重要的一种工艺方法[2]。车削时，一般工件旋转，车刀在平面内做直线或曲线移动实现切削加工，可用于加工工件的内外圆柱面、端面、圆锥面、成形面和螺纹等。车削内外圆柱面时，车刀沿平行于工件旋转轴线的方向运动。如果车刀的运动轨迹与工件旋转轴线成一斜角，就能加工出圆锥面。车削时，工件由机床主轴带动旋转做主运动，夹持在刀架上的车刀做进给运动。
连杆机构是指由低副连接刚性构件组成的机构，其可以分为平面连杆机构和空间连杆机构。连杆机构在工程中使用比较普遍，如，活塞发动机、纺织机械、印刷机械、联合收割机下割刀等[4]。连杆机構主要具有如下优点：（1）连杆机构采用低副面接触、承载大、便于润滑、不易磨损，形状简单、易加工，容易获得较高的制造精度。（2）连杆曲线丰富，可以满足使用者不同要求。（3）连杆机构可以改变杆的相对长度，进而改变从动件运动规律。
典型零件表面成形方法演示仪通过“模拟”车床，将传统车床的复杂结构进行简化，主要提取出车床的“主轴箱”和“进给箱”两部分，通过手动摇动实现工件（即演示模型）的旋转运动，借助于丝杆螺母将进给手轮的转动转化为“模拟刀具”的进给运动，并通过连杆机构调整“模拟刀具”的位置，实现对圆柱面、球面、圆锥面等的演示。演示时，“模拟刀具”在“演示模型”上“留下轨迹”，由此清晰逼真地再现典型零件表面的成形过程。
2 典型零件表面成形方法演示仪的组成及工作过程
2.1 演示仪的组成
典型零件表面成形方法演示仪基于车削加工的原理，通过“模拟”车床，借助于连杆机构调整刀具的位置，从而实现不同典型零件表面（圆柱面、圆锥面、外球面等）的加工演示过程。其主要包括三大主要部件：主运动部件、刀具进给部件、基座部件，以及演示模型（工件）。如图1所示为典型零件表面成形方法演示仪的结构示意图。
（1）主运动部件。
主运动部件主要模拟车床的“主轴箱”部件，并对其进行了简化，其主要包括手轮、支架、轴承、旋转轴、螺钉等。在加工演示时，预先准备好的演示模型（工件）通过螺纹连接安装在旋转轴上。使用者通过转动手轮，进而带动演示模型（工件）的转动。其通过简化的机构实现工件的旋转，类似于车床主轴箱带动工件实现的旋转运动。
（2）刀具进给部件。
刀具进给部件主要包括两大部分：平面四连杆机构和刀具部分。
平面四连杆机构主要用于调整刀具的位置，进而使演示仪能够实现对不同零件表面的演示。如图1所示，演示仪中的平面四连杆机构根据运动要求应该是一个曲柄摇杆机构，其曲柄演化成为了圆盘。因此，其4杆长需要满足一定的条件：最长杆与最短杆的长度之和小于其他两杆长度之和，且最短杆为连架杆，即图1中圆盘的半径应该最短，使圆盘与基座底板形成的转动副为周转副，且在圆盘上设置有转动手柄。
刀具部分是整个演示仪的执行机构，其主要用于实现刀具的进给运动。刀具部分主要包括刀架、刀具、导杆、丝杆螺母组件、手轮、轴承等。丝杆螺母组件安装在刀架上，丝杆与手轮连接。所述刀具实际为画笔，其能够在演示模型上画出痕迹，进而能够清晰刻画出刀具在工件上走过的轨迹。刀具安装在螺母上并能调整其伸出的长短，方便调整笔尖相对于工件的位置。演示时，使用者通过转动刀具进给部件的手轮进而带动丝杆转动，在丝杆螺母传动的作用下，进而使螺母实现移动，由于刀具安装在螺母上，所以通过螺母的移动实现刀具的移动。导杆可以对螺母的运动进行导向。
平面四连杆机构和刀具部分通过立柱连接。立柱的上端与刀架连接，立柱的下端设置有万向轮（或牛眼轮）。万向轮（或牛眼轮）与基座部件的底板接触，可以在底板平面上运动。平面四连杆机构一方面可以调整刀具部分的位置；另一方面将其运动传递给刀具部分进而实现球面的加工演示。
（3）基座部件。
基座部件是典型零件表面成形方法演示仪的机架。其主要包括底板、垫块等。主运动部件的支架与基座底板互相固结，进而使主运动部件安装在机架上。平面四连杆机构分别在底板两处与底板铰接形成两个转动副，进而使刀具进给部件与机架相连。基座底板上设置有定位孔，在通过平面四连杆机构对刀具部分进而位置调整后，通过插入销钉，进而将刀具部分固定在底板上。
2.2 演示仪的工作过程
典型零件表面成形方法演示仪通过“模拟”车床，并通过连杆机构调整“模拟刀具”的位置，可以实现对圆柱面、球面、圆锥面等的演示。
（1）圆柱面的成形演示过程。
演示圆柱面的成形过程时，首先安装好模拟工件，再通过转动平面连杆处的转动手柄，调整刀具位置，使刀具所在轴线与工件旋转轴线垂直，并利用销钉将连杆固定。然后分别旋转主运动部件和刀具进给部件的手轮，使工件旋转，刀具在丝杆螺母的传动作用下，刀具沿平行于工件旋转轴线的方向运动，刀具实际为一画笔，其会在工件上画出走过的痕迹，进而清晰展现圆柱面的成形过程。
（2）圆锥面的成形演示过程。
演示圓锥面的成形过程与圆柱面的成形演示过程基本相同，其区别在于演示圆锥面的成形过程时，通过转动平面连杆处的转动手柄，调整刀具位置，使刀具所在轴线与工件旋转轴线成一锐角，再利用销钉将连杆固定。
（3）外球面的成形演示过程。
演示外球面的成形过程时，在安装好模拟工件之后，先调整模拟刀具与模拟工件的位置，使其恰好接触。然后再转动主运动部件处的手柄和平面四连杆机构（曲柄摇杆机构）处的转动手柄。在曲柄摇杆机构的作用下，刀具呈半圆弧状往复运动，进而与工件的旋转运动复合，即可清晰演示出外球面的成形过程。
3 创新点及其前景
（1）结构新颖，设计独特。该演示仪通过将机床的结构进行模拟和简化，突出重点结构，并通过平面连杆调整刀具的位置，丰富了演示仪的功能，“模拟刀具”在“演示模型”上“留下轨迹”，以形象展示机械加工时典型零件表面成形方法基本原理，使得观察者印象深刻，对加工过程理解更加深刻。
（2）该演示仪操作简单，演示功能丰富。学生可以亲自动手操作，切身体验不同零件表面的形成方法，有利于提高学生实践动手能力，同时实现“理论”与“实践”的统一和结合，达到不同知识同步学习的效果。同时该演示仪配有多种典型表面的“演示模型”，可以实现几种典型表面成形方法的对比演示，功能丰富多彩。
4 结语
典型零件表面成形方法演示仪通过“模拟车床”，清晰逼真地再现圆柱面、圆锥面、外球面等零件表面的形成过程。该典型零件表面成形演示仪小巧轻盈，将传统车床的复杂结构简化，通过“模拟刀具”在“演示模型”上“留下轨迹”，清晰再现零件表面成形过程，促进学生将理论知识与实践相结合，加深对知识的掌握和具体的理解，很好地弥补了现有机械加工教学环节存在的不足，具有很好的教学实用价值，且成本低廉，具有很好的应用前景。
参考文献
[1]连奎.对机械制造工艺学教学方法的探索[J].职业教育研究，2006（4）：74.
[2]杜国臣，曹光明.硬车削技术及其应用[J].潍坊学院学报，2002（6）：61-64.
[3]张华培，王志刚，王孙，等.连杆机构的应用研究及发展趋势综述[J].科技展望，2014（14）：119-120.
