一种小提琴制作手工电刨机的设计

吴新栗，王 丹，马 飞，黄 俊，贾瑞清

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083）

0 引言

随着小提琴制造业的不断进步以及国内小提琴的需求量急剧增加，而小提琴的制作工艺复杂、生产周期长、生产效率低，势必不能满足市场需求，因此应用先进的科学手段和设备来辅助小提琴制作已经成为必然的趋势。

1 手工电刨机工作原理

目前，对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圆弧铜刨子手工切削（如图1 所示），劳动强度非常大。而小提琴制作爱好者多数为女性，对于圆弧铜刨子的使用显得尤为吃力，而目前市场上还没有更适用于这方面的工具，这势必影响整个小提琴制作效率。

本文在调研了解上述问题的基础上，设计了一种能够应用于小提琴琴板加工的小型电刨机。

图1 圆弧铜刨子Fig.1 Arc copper plane

该手工电刨机主要包括驱动结构、刀片组合设计、切削调节装置、排屑装置。其中驱动结构包括驱动电机、脚踏板、软轴连接、主轴安装。切削调节装置设计主要包括调节螺杆、切削接触面弧面设计。具体结构如图2 所示。

此电刨机的工作原理为：驱动电机通过软轴将动力传送到电刨机中，带动电刨机主轴上铣刀片旋转，双手控制电刨机力度对小提琴琴板进行切削，排屑孔连接排屑装置将切削的木屑进行收集。通过调节螺杆的升降可以控制每次的切削量，还可以通过脚踏板控制电机的转速和扭矩。

图2 电刨机原理示意图Fig.2 Principle diagram of electric plane

2 主要结构设计

2.1 驱动结构设计

驱动结构由驱动电机通过软轴连接到电刨机主轴，主轴旋转带动安装在主轴上的组合铣刀片转动，双手控制电刨机把柄向前推动即可完成切削琴板的工作，可通过控制脚踏板来调节电机的转速和扭矩。如图2 所示。

驱动电机内置设计会使得电刨机显得过于笨重，不便于手工操作，外置结构设计可解决这种问题。此外，驱动电机外置设计更是考虑到切削背板硬质木材的问题。

2.2 刀片组合设计

刀片组合由主轴上的铣刀片和橡胶垫片交替安装，通过反向螺母拧紧，动力传递主要依靠反向螺母施加于铣刀片和橡胶垫片上的摩擦力。

为了防止第一代电刨机出现切削不均匀的问题，该刀片组合设计采用楔形橡胶垫片和厚度为1mm 和2mm两种不同规格的铣刀片组合而成，不仅能够保证切削表面平整，而且还能够使得电刨机在切削过程中横向切削，解决了第一代电刨机中出现犁沟的弊端。如图3 所示。

图3 刀片组合设计Fig.3 Combination design of blades

2.3 切削量调节装置

铣刀片锯齿长度约2mm，在小提琴琴板材料加工过程中并不是每次都是切削2mm 厚度，增加切削量调节装置可解决该问题。切削量调节装置由调节螺杆和弹簧底板组合而成，通过调节螺杆的升降使得弹簧底板变形，变向调节铣刀片锯齿的切削深度。调节范围为0～2mm 无级调节，如图4 所示。

图4 切削量调节装置Fig.4 Adjust device of cutting output

2.4 排屑装置

电刨机加工过程中会产生大量的木屑，如不采取措施易造成环境粉尘污染，将对人体健康造成危害。该排屑装置能够将加工过程中产生的木屑完全进行收集，保证了小提琴加工制作的环境问题。

第一代电刨机中排屑装置安装在外壳尾部，可以顺利完成排屑，但是影响人工操作和美观，现该装置安装在与软轴相同方向的端盖上，与软轴一同与外部装置连接，如图5 所示。

图5 排屑装置Fig.5 Chip removal device

3 选型及载荷计算

3.1 电机选型计算

根据工作要求和转速需求（n=6000 rpm），拟选用LY－128 型550W 吊磨机作为驱动电机，软轴直径d=6mm，扭矩T=0.5N·m。

式中：Tc—软轴传递的计算转矩（N·cm）；T—软轴从动端所需传递的转矩（N·cm）；n—软轴工作转速（r/min）；K1—过载系数（取K1=1）；K2—转向系数（取K2=1）；K3—跨距系数（取K3=1.25）；η—软轴传动效率（取η=0.9）。由机械手册查得6 mm 软轴额定转速n0=3200 r/min，弯曲半径为1000 mm 时软轴的传递的最大转矩T0为140 N·cm。

3.2 轴承校核

根据转速6000rpm 和安装尺寸d=12mm 的要求拟选用型号为61901z 深沟球轴承，由机械设计手册查得Cr=2900N，C0r=1500N，轴承承受纯径向载荷Fr=100N，使用时间Lh=8000h。

当量动载荷：P＝Fr=100N

由C＜Cr可得，所选择的61901z 轴承满足要求。

4 结束语

本文根据小提琴琴板加工的实际情况，提出了能够应用于小提琴加工制作中琴板切削的电动工具，解决了纯人工手刨劳动强度大的问题，提高了小提琴琴板加工的效率。并在第一代电刨机的基础上对其进行了优化，已成功用于中央音乐学院。

[1]付蕾.小提琴制作工艺数字化测试方法的研究[D].中国矿业大学（北京），2014.

[2]张爱林.小提琴制作工艺数字化测试方法的研究[D].中国矿业大学（北京），2011.

[3]王平. 木材力学性质和木材切削力与木材密度之间的关系[J].东北林业大学学报，2002，5.

[4]林石.木材切削力的测定方法[J].木工机床，1996，3.