鉗工銼削輔助找平銼刀裝置的設計與實現

2025-03-23 00:00:00董文君孫長勇王學軍米燦浩李晨薇

現代信息科技 2025年4期

摘" 要：銼刀是在鉗工加工中廣泛應用的工具之一。使用時，可能出現金屬表面銼削加工的平面度和直線度不符合要求、銼刀過度磨損等問題。對此，文章提出了一種鉗工銼削輔助找平銼刀裝置設計，主要通過裝置上設計的多種傳感器感知使用者的用力情況，并及時對使用者錯誤使用銼刀的問題及時提醒更正，保證了前、后刀身受力基本一致、銼削量基本一致，使工件能夠更好地達到銼削要求，提高工件的合格率。

關鍵詞：手工銼刀；輔助找平；銼削

中圖分類號：TP368.1；TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）04-0185-04

Design and Implementation of Filing Auxiliary Leveling File Device for Fitters

DONG Wenjun， SUN Changyong， WANG Xuejun， MI Canhao， LI Chenwei

（School of Mechanical Engineering， Shandong Huayu University of Technology， Dezhou" 253034， China）

Abstract： The file is one of the widely used tools in fitter processing. During the use， there may be issues with the flatness and straightness of the metal surface filing process that do not meet the requirements， as well as excessive wear of the file. In this regard， this paper proposes a design of filing auxiliary leveling file device for fitters， which mainly senses the user's force situation through various sensors designed on the device， and timely reminds and corrects the problem of incorrect use of the file by the user. It ensures that the force on the front and rear of the file body is basically consistent and the filing amount is basically consistent， so that the workpiece can better meet the filing requirements and the qualified rate of the workpiece can be improved.

Keywords： handmade file; auxiliary leveling; filing

0" 引" 言

手工操作是鉗工的主要工作方式，具有工藝范圍廣、靈活性與適應性強等特點，而銼刀是鉗工常用工具之一，是一種非常實用的手工工具，用途廣泛，例如在機械加工技術專業培養方案中作為該機械的技能訓練實踐項目、綜合貫穿實踐項目“鏨口錘子制作”項目等也需要銼刀的使用[1]；根管預備的臨床實踐中，也需要銼削插入角實驗[2]；在脈沖熔融-紅外吸收/熱導法測定高鈷鑄造高溫合金中超低氧和氮中采用線切割-銼刀打磨、水冷切割-銼刀打磨進行制樣[3]。

現在，鉗工銼刀的材料研究主要集中在尋求更佳的材料，傳統的銼刀材料如高速鋼、碳素工具鋼等已逐漸被新型材料如陶瓷碳化硅、金剛石等所取代。碳纖維增強碳化硅陶瓷基（Cf/SiC）復合材料是一種應用普遍的纖維增強陶瓷基復合材料，針對Cf/SiC復合材料復雜曲面難加工問題提出了超聲振動銼削加工方法[4]。采用金剛石砂輪磨削技術對碳纖維復合材料加工具有技術成熟、成本低和操作簡單的優點[5]。新材料雖具有更好的性能，能顯著提高銼刀的使用壽命和工作效率，但高效率的銼削工件還是需要人為操控加工，例如常用的三種鋼軌端面機械加工流程最終都需要精銼來完成[6]，手工誤差不易控制，現在機器尚不能完全取代鉗工。鉗工在操作過程中，難免會受到多種因素的影響，從而影響工件精度[7]。鉗工在初步實操中由于操作不當容易出現銼削平面凹凸不平、塌角等現象。在實際銼削工作中，需使用適當的力度將銼刀放在材料上，避免使用過大力量造成工件的磨損量過大，這要求鉗工反復觀察工件狀態并適時做出相應整改措施，對初學者對于力度的控制較難，學習難度增大。

此外，鉗工姿勢在鉗工工作中同樣重要，需要不斷反復規范的操作姿勢，對于初學者來說難以時刻保持規范操作并把握判斷銼削使用力度，這不僅需大量工件練習，且費時費力，而在銼削工作時，人眼和手部動作也難以保證精準角度。

目前雖然已經出現了電動的銼刀，卻僅達到省力的作用效果。而本文所述的鉗工銼削輔助找平銼刀裝置能夠及時提醒使用者用力、角度，有及時矯正的效果，能夠更快更好地幫助初學者掌握銼削工作，養成良好規范的操作習慣，降低銼削工件的廢品率，達成銼削工作能夠更加省時、經濟、規范的效果。而本文所提出的鉗工銼削輔助找平銼刀裝置設計能夠有效強化銼削基本操作練習訓練，針對鉗工在銼削工作時的鉗工用力大小、操縱銼刀角度進行設定提醒，可以輔助初學者矯正姿勢、快速上手。

1" 結構設計

本文所設計的鉗工銼削輔助找平銼刀裝置，裝置部分由板銼刀刀柄和板銼刀刀身兩部分組成。板銼刀刀身通過其兩端兩個承孔，通過兩個埋頭螺釘克服3個彈簧的彈力固定在板銼刀刀柄上，使用埋頭螺釘避免剮蹭到銼削材料。當板銼刀刀身固定在板銼刀刀柄上時，兩個埋頭螺釘的力矩要求一樣，這樣可以保證板銼刀刀身與兩個壓力傳感器的壓力值基本一致，在銼削工作時消除信號誤差，防止誤報警。

鉗工銼削輔助找平銼刀裝置主要包括控制單元、功能開關、語音播報器、壓力傳感器1和壓力傳感器2、傾角傳感器1和傾角傳感器2、電源等。

本文所設計的鉗工銼削輔助找平銼刀裝置設計通過控制單元對語音播報器、壓力傳感器1和壓力傳感器2、傾角傳感器1和傾角傳感器2進行自動控制。為提醒和及時糾正鉗工工作者的不當操作設計了語音播報器，在檢測操作過程中如果出現異常情況，語音播報器工作，對操作者進行提醒。通過預期功能設計，初步繪制鉗工銼削輔助找平銼刀裝置三維設計圖，如圖1所示。

2" 硬件設計

2.1" 壓力傳感器

本文所設計的鉗工銼削輔助找平銼刀裝置設置了壓力傳感器1和壓力傳感器2，用于檢測板銼刀銼削過程中前（壓力傳感器1）、后（壓力傳感器2）刀身用力地變化情況是否符合要求范圍。在板銼刀前部刀身在工件上時，左手用力而右手保持平面；而到板銼刀后部刀身在工件上時，則右手用力而左手保持平衡，這樣就使板銼刀刀身在工件上銼削時，前、后刀身受力基本一致，從而使前、后刀身銼削量也基本一致，達到銼削的質量要求。如果銼削過程前后刀身用力不符合設定要求范圍，就會語音提示操作者進行調整。

每種銼削刀具有不同的銼削特點，所具有的銼削力也有所差異，在實際應用銼削刀具時，刃傾角、主偏角及前角都會影響銼削力，當工件平面受到分布不均的銼削力、過大或過小的銼削力時，會導致工件銼削面凹凸不平、銼削量過大或需銼削時間長等問題，以下是本文鉗工銼削輔助找平銼刀裝置針對銼刀使用角度使用方面設計的兩個傾角傳感器。

2.2" 傾角傳感器

根據工程的具體情況，選用適當的銼削方式，不同的銼削方式有不一樣的角度要求。在測試FGH97鎳基粉末冶金高溫合金電鍍鉻鍍層性能時用銼刀便要求從基體沿45°角銼向鍍層或用高速旋轉的砂輪對試樣邊緣進行磨削[8]，在高溫合金表面Ni/Al2O3復合鍍層的性能測試中使用銼刀沿45°方向銼非主要面以露出基體金屬與鍍層的界面觀察鍍層的結合情況[9]。同時可用于檢測銼削平面的凸出不平的情況，例如在艉軸劃傷和修復中就有所應用[10]。

針對水平方向上的角度檢測與控制，本文所設計的鉗工銼削輔助找平銼刀裝置設置了傾角傳感器1，用于檢測裝置銼削過程的刀身橫向水平方向的傾角角度，保證刀身相對銼削材料橫向水平晃動量不能太大，防止銼削橫向平面度和直線度不符要求。其有底座可以調整傾角傳感器的初始信號參數，例如交叉銼、順向銼等對于水平角度有一定要求的銼削方法。針對豎直方向上的角度檢測與控制，本文所設計的鉗工銼削輔助找平銼刀裝置設置了傾角傳感器2，用于檢測裝置銼削過程的刀身縱向水平方向的傾角角度，保證刀身相對銼削材料縱向水平晃動量不能太大，防止銼削縱向平面度和直線度不符要求，其有底座可以調整傾角傳感器的初始信號參數。

在實際工作中自身技術成熟度不夠會造成很大的損失，而本文所設計的鉗工銼削輔助找平銼刀裝置設計在未設定X、Y、Z方向上的傾角大小和前后壓力大小時，可以通過鉗工銼削工作者的自由活動尋找適合的方向，顯示屏可以讀取參數，進行參數設定，不僅取用靈活方便，也可以用于檢測工件平面質量如何，無論使用者自身技術如何，通過參數的設定、提醒等進行及時干預，可以降低損失。

2.3" 語音播報器

為提醒使用者及時更改，本文所設計的鉗工銼削輔助找平銼刀裝置設置了語音播報器，當開機時，語音播報器就會播報提醒“開機初始化中”；當傾角參數或壓力參數偏離設定參數時，語音播報器就會播報“X或Y或Z方向上傾角過大或過小”或“前或后壓力過大”，及時提醒使用者糾正銼削工作時的銼刀傾角及用力大小。

本文所設計的鉗工銼削輔助找平銼刀裝置的電路簡圖，如圖2所示。

3" 程序設計

在使用本裝置時，先打開功能開關，初始化完成后顯示屏上顯示本裝置各項參數為0，若自由移動銼刀，可實時監測傾角數據和所受壓力大小變化；若輸入參數后，在使用鉗工銼削輔助找平銼刀裝置銼削材料的過程中，其上面的傾角傳感器1檢測鉗工銼削輔助找平銼刀裝置銼削運行橫向水平的傾角角度范圍，保證刀身相對銼削材料橫向水平晃動量不能太大，否則橫向銼削平面度和直線度不符合要求，如果檢測的橫向水平傾角信號參數范圍超過設定參數范圍，控制單元得到信號后控制語音播報器提示操作者糾正鉗工銼削輔助找平銼刀裝置的橫向水平運行位置狀態。其上面的傾角傳感器2檢測裝置銼削運行縱向水平的傾角角度范圍，保證刀身相對銼削材料縱向水平晃動量不能太大，否則縱向銼削平面度和直線度不符合要求，如果檢測的垂直水平傾角信號參數范圍超過設定參數范圍，控制單元得到信號后控制語音播報器提示操作者糾正裝置的縱向水平運行位置狀態。這樣最終保證板銼刀與銼削材料無論是橫向還是縱向相對是平行的，使銼削過程達到要求。

一般鉗工銼削輔助找平銼刀裝置在銼削過程中，當板銼刀前部刀身在工件上時，左手用力而右手保持平面；而到板銼刀后部刀身在工件上時，則右手用力而左手保持平衡，這樣就使板銼刀刀身在工件上銼削時，前、后刀身受力基本一致，從而使前、后刀身銼削量也基本一致，達到銼削的質量要求。如果在銼削過程，左、右手的轉換達不到標準要求，從而使前、后刀身檢測受力的壓力傳感器1和壓力傳感器2的檢測數值相差較大，控制單元把得到的信號參數與設定的參數進行對比，如果判定銼削過程前、后刀身用力不符合設定要求范圍，控制單元控制語音播報器提示操作者進行調整直至符合設定范圍。這樣使板銼刀刀身在單次銼削的量，刀身前、后基本是一致的，保證了銼削質量。本文所設計的鉗工銼削輔助找平銼刀裝置的PLC部分總程序圖如圖3所示，流程圖如圖4所示。

4" 應用效果及測試

本文所設計的鉗工銼削輔助找平銼刀裝置已經初步做出實物裝置，在實物裝置測試階段，打開功能開關后，語音播報器“初始化”，各項數據初始化完成，輸入不同銼削方法的不同角度，設置測試角度偏離豎直平面0°、5°、10°、15°為測試角度，偏離水平平面0°、5°、10°、15°為測試角度，分為八組測量成品銼削面角度，每組測試分別進行20次，取平均值為最后測試結果，每次測試完成后都將裝置關機重新開機（完成每次開機數據初始化，保證上一次的測試結果不會影響到下一次的測試），裝置均可完成上述預期設計功能，且在對所制工件進行平面抹油檢測后，得出所制出的工件均符合使用要求標準的試驗結果，初步制出的實物裝置圖如圖5所示，部分測試結果如表1、表2所示。

根據測試結果，經測量，實際測量值與垂直平面偏離角度和水平平面偏離角度平均偏差角度均在0.05°內，其中測量數據97.5%的測量角度數據均在0.05°內，銼削工件精度較高，滿足鉗工實訓所有角度誤差控制在1°以內的要求。

5" 結" 論

本設計不僅從傳統意義上幫助鉗工初學者矯正、熟悉銼削角度、力度工作，而且在銼削加工中能提高工件的合格率。未來，鉗工銼刀行業將繼續朝著高性能、高效、安全性和高環保性的方向發展，不僅能夠保證銼削工件的合格率，更能夠幫助銼削工作者的整體姿勢規范化，銼刀工具的制造和使用過程將更加智能化和自動化。

參考文獻：

[1] 劉良震.混合式學習環境下中職學校項目化教學研究 [D].聊城：聊城大學，2019.

[2] 李文祥.牙齒根管預備銼削運動方式及銼削力預報研究 [D].濟南：山東大學，2020.

[3] 年季強，陳穎杰，呂水永.脈沖熔融-紅外吸收/熱導法測定高鈷鑄造高溫合金中超低氧和氮 [J].冶金分析，2021，41（5）：9-17.

[4] 姜杰，萬淑敏，林彬，等.超聲振動銼削加工Cf/SiC復合材料試驗研究 [J].機械科學與技術，2018，37（8）：1246-1252.

[5] 唐軍，李文星，趙波.超聲輔助銼削加工系統的設計研究 [J].制造技術與機床，2018（6）：131-137.

[6] 倪崢嶸，高文會，王震峰，等.鋼軌氣壓焊接端面微觀特征分析 [J].鐵道建筑，2021，61（6）：112-115.

[7] 林玲.多元智能理論在“鉗工實訓”中的應用性研究 [D].天津：天津職業技術師范大學，2020.

[8] 唐恩軍，張華軍，黃選民，等.FGH97鎳基粉末冶金高溫合金電鍍鉻 [J].電鍍與涂飾，2022，41（19）：1361-1364.