一種小提琴制作手工電刨機(jī)的設(shè)計(jì)

吳新栗，王 丹，馬 飛，黃 俊，賈瑞清

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

隨著小提琴制造業(yè)的不斷進(jìn)步以及國(guó)內(nèi)小提琴的需求量急劇增加，而小提琴的制作工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低，勢(shì)必不能滿足市場(chǎng)需求，因此應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)手段和設(shè)備來輔助小提琴制作已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。

1 手工電刨機(jī)工作原理

目前，對(duì)于小提琴琴板的加工主要依靠手工，小提琴面板和背板的切削主要依靠圓弧銅刨子手工切削（如圖1 所示），勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。而小提琴制作愛好者多數(shù)為女性，對(duì)于圓弧銅刨子的使用顯得尤為吃力，而目前市場(chǎng)上還沒有更適用于這方面的工具，這勢(shì)必影響整個(gè)小提琴制作效率。

本文在調(diào)研了解上述問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種能夠應(yīng)用于小提琴琴板加工的小型電刨機(jī)。

圖1 圓弧銅刨子Fig.1 Arc copper plane

該手工電刨機(jī)主要包括驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、刀片組合設(shè)計(jì)、切削調(diào)節(jié)裝置、排屑裝置。其中驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、腳踏板、軟軸連接、主軸安裝。切削調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)主要包括調(diào)節(jié)螺桿、切削接觸面弧面設(shè)計(jì)。具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

此電刨機(jī)的工作原理為：驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過軟軸將動(dòng)力傳送到電刨機(jī)中，帶動(dòng)電刨機(jī)主軸上銑刀片旋轉(zhuǎn)，雙手控制電刨機(jī)力度對(duì)小提琴琴板進(jìn)行切削，排屑孔連接排屑裝置將切削的木屑進(jìn)行收集。通過調(diào)節(jié)螺桿的升降可以控制每次的切削量，還可以通過腳踏板控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩。

圖2 電刨機(jī)原理示意圖Fig.2 Principle diagram of electric plane

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過軟軸連接到電刨機(jī)主軸，主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)安裝在主軸上的組合銑刀片轉(zhuǎn)動(dòng)，雙手控制電刨機(jī)把柄向前推動(dòng)即可完成切削琴板的工作，可通過控制腳踏板來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩。如圖2 所示。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)置設(shè)計(jì)會(huì)使得電刨機(jī)顯得過于笨重，不便于手工操作，外置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可解決這種問題。此外，驅(qū)動(dòng)電機(jī)外置設(shè)計(jì)更是考慮到切削背板硬質(zhì)木材的問題。

2.2 刀片組合設(shè)計(jì)

刀片組合由主軸上的銑刀片和橡膠墊片交替安裝，通過反向螺母擰緊，動(dòng)力傳遞主要依靠反向螺母施加于銑刀片和橡膠墊片上的摩擦力。

為了防止第一代電刨機(jī)出現(xiàn)切削不均勻的問題，該刀片組合設(shè)計(jì)采用楔形橡膠墊片和厚度為1mm 和2mm兩種不同規(guī)格的銑刀片組合而成，不僅能夠保證切削表面平整，而且還能夠使得電刨機(jī)在切削過程中橫向切削，解決了第一代電刨機(jī)中出現(xiàn)犁溝的弊端。如圖3 所示。

圖3 刀片組合設(shè)計(jì)Fig.3 Combination design of blades

2.3 切削量調(diào)節(jié)裝置

銑刀片鋸齒長(zhǎng)度約2mm，在小提琴琴板材料加工過程中并不是每次都是切削2mm 厚度，增加切削量調(diào)節(jié)裝置可解決該問題。切削量調(diào)節(jié)裝置由調(diào)節(jié)螺桿和彈簧底板組合而成，通過調(diào)節(jié)螺桿的升降使得彈簧底板變形，變向調(diào)節(jié)銑刀片鋸齒的切削深度。調(diào)節(jié)范圍為0～2mm 無級(jí)調(diào)節(jié)，如圖4 所示。

圖4 切削量調(diào)節(jié)裝置Fig.4 Adjust device of cutting output

2.4 排屑裝置

電刨機(jī)加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的木屑，如不采取措施易造成環(huán)境粉塵污染，將對(duì)人體健康造成危害。該排屑裝置能夠?qū)⒓庸み^程中產(chǎn)生的木屑完全進(jìn)行收集，保證了小提琴加工制作的環(huán)境問題。

第一代電刨機(jī)中排屑裝置安裝在外殼尾部，可以順利完成排屑，但是影響人工操作和美觀，現(xiàn)該裝置安裝在與軟軸相同方向的端蓋上，與軟軸一同與外部裝置連接，如圖5 所示。

圖5 排屑裝置Fig.5 Chip removal device

3 選型及載荷計(jì)算

3.1 電機(jī)選型計(jì)算

根據(jù)工作要求和轉(zhuǎn)速需求（n=6000 rpm），擬選用LY－128 型550W 吊磨機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，軟軸直徑d=6mm，扭矩T=0.5N·m。

式中：Tc—軟軸傳遞的計(jì)算轉(zhuǎn)矩（N·cm）；T—軟軸從動(dòng)端所需傳遞的轉(zhuǎn)矩（N·cm）；n—軟軸工作轉(zhuǎn)速（r/min）；K1—過載系數(shù)（取K1=1）；K2—轉(zhuǎn)向系數(shù)（取K2=1）；K3—跨距系數(shù)（取K3=1.25）；η—軟軸傳動(dòng)效率（取η=0.9）。由機(jī)械手冊(cè)查得6 mm 軟軸額定轉(zhuǎn)速n0=3200 r/min，彎曲半徑為1000 mm 時(shí)軟軸的傳遞的最大轉(zhuǎn)矩T0為140 N·cm。

3.2 軸承校核

根據(jù)轉(zhuǎn)速6000rpm 和安裝尺寸d=12mm 的要求擬選用型號(hào)為61901z 深溝球軸承，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得Cr=2900N，C0r=1500N，軸承承受純徑向載荷Fr=100N，使用時(shí)間Lh=8000h。

當(dāng)量動(dòng)載荷：P＝Fr=100N

由C＜Cr可得，所選擇的61901z 軸承滿足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)小提琴琴板加工的實(shí)際情況，提出了能夠應(yīng)用于小提琴加工制作中琴板切削的電動(dòng)工具，解決了純?nèi)斯な峙賱趧?dòng)強(qiáng)度大的問題，提高了小提琴琴板加工的效率。并在第一代電刨機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，已成功用于中央音樂學(xué)院。

[1]付蕾.小提琴制作工藝數(shù)字化測(cè)試方法的研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），2014.

[2]張愛林.小提琴制作工藝數(shù)字化測(cè)試方法的研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），2011.

[3]王平. 木材力學(xué)性質(zhì)和木材切削力與木材密度之間的關(guān)系[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，5.

[4]林石.木材切削力的測(cè)定方法[J].木工機(jī)床，1996，3.