摘要：在头脑奥林匹克竞赛的桐木结构承重长期题中，桐木条和胶水黏合如何达到二次承压极限是个值得研究的问题。本文是笔者多年来的研究，针对15克桐木结构二次承压中的桐木加工的方法、材料力学问题进行剖析，提出了机械加工使切削工具更精准，并尝试完善机械加工的方法，籍此提出个人的一些观点，让更多的同学参与其中。
关键词：机械加工;削角器;桐木条承重
15克桐木二次承压结构比赛的设计是材料力学的问题。桐木承压结构先通过数学和物理的计算设计，然后将精选的桐木条通过手工工艺，做成几何形状。通过三秒胶黏合，使其与预先计算设计好的结构在材料力学和造型美学上完美结合。加工工艺贯穿整个设计制作过程，这不但要有好的数学和物理的计算与设计，还要有很好的手工制作精度。为了使木材能在更高精确度上成型和控制，切削工具必须精准。
1、最佳承压极限结构的空心圆管方案分析
要使桐木承压结构有足够的稳度，成形后的结构底座的占地面积得尽可能宽。支撑柱在受压中要保持稳定需要足够的直径长度比[1]。支撑柱做成空心体可以增加直径，圆是在任何方向上都是对称均匀的'，研究证明空心圆管结构是承压的最佳设计方案。制作木管的方法是把木条削成等腰梯形，然后围着一根直径合适的钢圆棒黏合成正多边形，再打磨内外表面，磨成圆管。黏合时先把加工后的桐木黏合成两个半圆柱体，再把两个半圆柱体黏成一个圆柱体，木条根数一定是偶数。木条的根数越多，木材和胶水的融合度越高，对精确度要求就越高。因为在工艺的精度较低的情况下黏合面切削得不平整，会导致胶水堆积在黏合缝，不与木材融合，降低荷载比。只有胶水被木材的平整黏合面均匀吸收才可以提升结构的稳固强度。在工艺精度低的情况下，木条根数越多，出问题的概率越大。也就是说木条根数越多，对工艺的精确度的依赖性越强，要达到预知计算好的精确度，使用的切削工具必须由机械精确加工。
2、正十八边形使用的削角器设计分析
根据多次试验的圆管结构分析，十八根宽3.1mm的等腰梯形木条拼成圆管木材对胶水的吸收恰好达到饱和点，此时木材和胶水的质量比是最合适的比例。正十八边形圆管要把原规格为1.5mm×3.2mm×1000mm的桐木条，切成长20.6cm两个对应侧面边缘削成80°的斜角。进行精确的手工切割得借助10°削角器。削角器是由两块20.0mm×30.0mm×216mm的304不锈钢砖组合成，内部镶嵌固定的六角螺丝、导轨、弹簧。两枚内六角螺丝固定两块钢砖作为一个整体，移动弹簧使两块钢砖可以灵活开合，两块钢砖重合平面形成10°斜面。在较低一侧钢砖底部加钻两个螺丝孔固定底座。在上边一侧的钢砖可以移动，上开一个深3.14mm宽1.50mm的直角槽。底座用10mm厚电木板制作大小236mm×220mm的底板。用法：将木条夹在直角槽里，压下手柄夹紧木条，用界纸刀把木条平推削成底角80°的等腰梯形。
3、机械加工削角器的制作分析
看似简单的削角器是机械工艺的定制产品。削角器的精确度，直接影响能否切出精准的80°斜面的木条。而且，直接影响空心圆管的强度，从而影响整个结构的受力。
3.1削角器的精度对结构的影响
削角器槽深3.14mm是为了使削出的等腰梯形木条黏合成正十八边形管后内切圆直径略大于17.73mm,再进行手工打磨，并用五十分度游标卡尺校对。当圆管受压，不失稳时任何高度上的截面受压力相等。但当它失稳，产生弯曲时，中部弯矩最大。通过手工打磨做到中点处外径在17.72mm至17.74mm之间，两端口外径在17.66mm至17.68mm之间。整条圆管平均外径是17.70mm，从中点到端口截面有细微变化，能稍微提高圆管的纵向稳度。削角器制作时，切削钢砖工艺不恰当容易造成最关键的斜面角度边缘磨损。这样导致削切木条时的精确度下降，黏合面不够平整。在工艺精度低的情况下只能减少木条数量，对精度的要求得降低。
3.2减少误差成为关键
机械加工工艺对削角器精度的影响主要体现在加工工艺的几何误差。特别是打磨工艺过程的每一道工序和每一个环节都会对削角器的质量产生直接的影响，采用的机械成型运动产生的误差是存在的。这就要求切削工具在加工过程中，要严格执行工艺标准，提高精度[2]。
3.3技术人员的水平和素质是机械成型的决定因素
制作削角器要求操作人员和技术人员有较高的工艺水平和综合素质，具有机械加工成型的技术与经验的专业知识，并结合设备的技术条件因地制宜。削角器采用的加工原理并不复杂，当技术人员技术水平高、责任心强可以保证加工精度，更重要的是产生的误差在允许的范围内，可以满足实际运用。目前，笔者所在的学校条件有限，联系的工厂所能做出的削角器精度不够，最关键的是钢砖边缘不平整且角度不够精准。导致削切木条时的精确度下降，黏合面不够平整。经过反复地削切木条练习，笔者虽然渐渐适应了削角器不规范的部位，平均黏合缝大小0.065mm,黏合缝还不能控制在0.01mm以下，受制于机械加工的工艺问题。
4结语
经过多次试验，从材料力学的研究出发，到发现机械加工对结构承重的重大影响。在不断地提升自我能力的过程中发现了问题的实质，在今后的研究中尽可能地加以完善，为研究实践提供了方向。
参考文献：
[1]吕建雄.蒋佳荔.木材动态黏弹性基础研究[M].科学出版社，2015.
[2]任妙芳.浅析机械加工精度的影响因素及提高措施[J].机械研究与应用，2010(2):124-126.
本文来源：https://www.010zaixian.com/shiyongwen/2159587.htm