指尖陀螺的設計與制作

陳康瑋，高媛媛

（江蘇省徐州技師學院機械工程學院，江蘇 徐州 221000）

指尖陀螺作為一種玩具，受到了廣大的歡迎。不論大人、小孩都可以在閑暇之余放松一下。技工院校的學生的喜歡學習一些通過機械、手工制作的物品，結合一體化課程改革，本文將從指尖陀螺的設計、加工工藝、裝配等方面介紹整體的過程。

1 指尖陀螺的結構

圖1 平面圖

圖2 爆炸圖

指尖陀螺結構主要由陀螺本體、軸承、端蓋、螺栓四部分組成，如圖1所示，圖2是裝配后的爆炸圖。

2 主要零件的加工工藝

主要介紹指尖陀螺本體的加工工藝，如圖3所示。

圖中雙點劃線為毛坯，毛坯尺寸為90×90×10mm，從圖形形狀可以看到，第二面的余量去除時不容易裝夾，那么可以用到“落料”的工藝方法。

2.1 定位基準的選擇

該零件采用平口鉗裝夾，利用平口鉗鉗口、墊塊及鉗口開口位置的限位塊來限制工件的6個自由度，如圖4所示。

圖3 指尖陀螺本體平面圖

圖4 工件裝夾示意圖

2.2 加工階段的劃分

可以分為粗加工、半精加工、精加工、超精加工四部分，本例中只需前面三部分即可。

粗加工主要是快速地去除多余余量，消除毛坯表面的殘留。半精加工主要是進一步消除毛坯的誤差復映的影響，使精加工余量均勻化。精加工主要是為了達到工件加工精度的要求、配合的要求，還要達到表面質量的要求。

2.3 正面形狀的加工工藝

2.3.1 機床的選擇

選用三軸加工中心，型號：VMC600，機床最高轉速8000r/min。X/Y/Z軸行程為600/400/500。

2.3.2 刀具的選用

表1 刀具卡

表2 工步表

2.3.3 軸承的選用與配合

軸承選用深溝球軸承697微型軸承。如圖5所示。外圈直徑17，內圈直徑7，厚度5。

圖5 深溝球軸承697

采用基軸制過度配合，確定陀螺本體軸承孔公差為φ17K7/h6，即上偏差為0.017，下偏差為-0.012。

2.3.4 落料加工工藝

落料工藝通常用在沖壓件上，用壓力機將材料從母材中分離出來的一種加工工藝。那么，在數控銑削加工中如何用的呢？

（1）首先，夾持工件底部毛坯，加工出指尖陀螺內外輪廓。如圖6所示。

（2）利用落料原理，加工工件反面余量。見圖7所示。

圖6 指尖陀螺外形加工

圖7 加工反面余量

（3）指尖陀螺實物圖，見圖8所示。

3 加工質量檢驗

機械加工中，零件的幾何參數的形成取決于工件和刀具在切削過程中相互位置的關系，而工件和刀具又安裝在夾具和機床上面，并受其約束，因此，機床、夾具、刀具和工件所組成的統一體稱為“工藝系統”。

工藝系統的誤差是“因”，加工誤差是“果”。所以，工藝系統誤差為原始誤差。

原始誤差可分為幾何誤差、受力變形引起的誤差、受熱變形引起的誤差及工件內應力引起的誤差。

圖8 指尖陀螺實物圖

3.1 誤差的性質

誤差的性質可分為系統性誤差、隨機性誤差兩種。

（1）系統性誤差的特點。系統誤差的主要特點是可重復性、單向性和可測性、易減少和消除。如原理誤差，刀具、機床、量具和夾具的制造誤差，調整誤差，工藝系統的受力變形等都屬于常值系統性誤差，與加工時間（加工順序）沒有關系。刀具磨損和刀具的受熱變形是隨加工時間（加工順序）有規律地變化，屬于變值系統性誤差。

（2）隨機性誤差的特點。隨機誤差的主要特點是大小和方向都不固定，其絕對值不可預知，也無法進行精確的測量。但是，隨機誤差隨著測定次數的增加，正負誤差可以相互抵償，誤差的平均值將逐漸趨向于零，所以具備抵償性和有界性。

3.2 尺寸精度檢驗

主要測量與軸承配合的內孔直徑，可以通過三點內徑千分尺進行測量。

3.3 減小表面粗糙度的措施

（1）選擇合理的切削用量：①適當減小進給量；②選擇適當的切削速度；③選擇適當的切削深度。

（2）選擇適當的刀具幾何參數。

①增大刃傾角對減小表面粗糙度值有利。

②減少刀具的主偏角，副偏角，增大刀尖圓弧半徑，可以減少切削殘留面積，使其表面粗糙度值減少。

③改善工件材料的性能。

④選擇合適的切削液。

鋁合金專用切削液分四種：一種純油性叫切削油；三種水性，兌水使用，分別為乳化液，半合成切削液，全合成切削液。

切削油：純油性，直接使用，潤滑冷卻防銹性能極佳，但不易清洗。

乳化液：50%的含油量，潤滑冷卻防銹性能僅次于切削油，但穩定性不好，壽命短易發臭。

半合成切削液：30%的含油量左右，綜合性能最好。

全合成切削液：不含基礎油，由各種添加劑組合而出，冷卻性能，清洗性能極佳，潤滑防銹性一般。

⑤選擇合適的刀具。

⑥防止或減少工藝系統的振動。

4 裝配

4.1 深溝球軸承與指尖陀螺的裝配

本例中，軸承的外圈與指尖陀螺本體配合較緊，內圈與軸頸的配合較松，所以，應先將軸承壓入指尖陀螺孔里。軸承的裝配一般可以用以下幾種方法：

（1）當配合過盈量較小時，可用壓入法壓入軸承。如套筒壓入法、用銅棒對稱地在軸承內外圈斷面均勻敲入。

（2）當配合過盈量較大時，可用壓力機械壓入。如螺旋式或杠桿齒條式壓力機。如果壓力不能滿足，可以采用油壓機裝配。

（3）當配合過盈量很大時，可用溫差法裝配。小型軸承，可以掛在油中加熱；對于較大的軸承，可以將軸承放在油箱內網格上加熱，可以避免軸承局部過熱。加熱到80～100℃，即可裝配。

本文中的指尖陀螺采用過度配合，裝配時，采用錘擊法即可。要注意不要損傷工件表面。裝配完成后，如圖9所示。

圖9 裝配完成后的指尖陀螺