年工程图学学报泡塑料车床式切割机的研制与在制图实践课中的应用管巧娟（深圳职业技术学院机电工程学院，广东深圳518055要：研制了泡沫塑料车床式切割机，通过电热丝刀具，可切割出形状多样的泡沫材质的塑件。切割机由机架、刀架、毛坯夹紧装置以及电源装置组成。刀架装置改变了以往手持刀具切割的不稳定操作。夹紧装置可使毛坯作360.旋转运动，解决了以往毛坯固定不动而限制切割方向改变的问题。切割尺寸控制机构使得操作过程准确，产品表面光滑。该切割机还可应用于制图课程的实践教学，训练学生的动手能力，提高学生的工程素质。
基金项目：深圳职业技术学院2007年科研资助项目目前传统的泡沫塑料成形加工有以下几种方法。一是利用预发泡的聚苯乙烯珠粒，在130C160C条件下，放置在具有一定几何形状的模具中，经过一定时间二次发泡，形成一定形状和尺寸的聚苯乙烯模型，这种方法非常适合进行大规模生产，但缺点是：需要首先制作价格昂贵的金属模具，以及高温发泡成形设备。设备、模具投资大，生产、加工周期长，制造过程柔性差，不适合生产小批量、复杂形状的模型。另一种方法是采用四轴、四维电热丝加工准三维聚苯乙烯模型，利用价格昂贵的机器人控制电热刀进行三维加工。其主要弊病也是设备投资昂贵。还有一种是目前正在研制的聚苯乙烯泡沫塑料三维快速成形设备加工方法，即用CAD软件建立零件的CAD模型，通过CAD软件的接口输出零件的STL格式文件，由数据准备软件将零件的STL格式文件转变成多层加工数据文件，再由步进电机根据每层零件轮廓数据带动电热刀切割出一层聚苯乙烯泡沫塑料模型的轮廓，再将所有聚苯乙烯泡沫塑料层叠加在一起形成完整的零件聚苯乙烯泡沫塑料模型。这种方法的不足在于：操作工个体素质要求较高以致带来加工成本高；不适用小批量且形状变化繁多、加工精度要求不高的塑料产品。据了解，不少传媒企业、建筑装潢、工业产品设计等领域都在使用泡沫材质制作仿制品或效果展示物。说明泡沫材质样品的制作工具有较大的供应市场。泡沫塑料车床式电热丝切割机，就是为了实现造价低廉、设备微小、操作简便、工时较短的市场目标而进行研制的泡沫材质切割机。
1切割机功能要求切割机功能要求是在现有的电热丝切割聚苯乙烯板形材料基础上提出的。电热丝切割过程一种是手持电热丝刀，凭操作经验借助模板切割成形。手工操作易出现用力用速不均，且制作模板费时费力费料。另一种切割过程是电热丝固定在操作台上，泡沫材料一边沿着靠板移动（或用针固定并自转）一边被电热丝切割。此操作对通孔、相贯孔以及阶梯孔都不便加工。由上述不足现象为本切割机研制提出了以下功能要求：①切割刀具通过机械夹紧方式，能沿着纵横向导轨和丝杆，实现X、F、Z方向上的直线移动，以及在XZ、ZZ平面方向上的旋转运动；②具有X、F、Z方向上的尺寸基准定位机构和走刀量控制机构；③工件卡盘在旋转方向上具有旋转角度的定位机构；④具有无极调温装置，以快速控制电热丝切割温度。
2切割机工作原理及结构设计切割机工作原理类似于普通机床加工原理，即通过原动机、传动系统以及工作机这三大部分的功能将产品加工成形。切割机中的原动机由于受切割工具的温度影响和切削量的影响，可根据产品尺寸的精度要求，既可由电动机驱动也可由人工驱动。工作机是直接加工泡沫塑料的执行装置，它由切割机中带有电热丝的刀具完成，泡沫塑料通过电热丝对它的熔化而达到去除多余材料的目的。电热丝刀具在刀架的作用下，能进行多方向移动和旋转。因此，刀架属于传动系统，传动系统由轴承、丝杆、螺母等配件共同组成，以满足刀架不同方向的运动。工作原理图如所示。
工作原理说明：转动转盘1可使工件4转动，由轴承座上的锁紧机构可控制转盘实行加工角度定位。横向拖板6和纵向拖板10可带动切割刀具作横、纵向往复移动；立柱8由旋转盘、螺母、丝杆等配件组成，具有绕自身旋转和上下移动功能，所以连接在立柱上的刀架11连同刀具12自然可作上、下和90旋转运动。有90旋转功能可方便切削与工件轴线成垂直位置的相贯孔等结构。加工产品时，切割刀具放置在刀架11中的夹板内，通过夹板上的刻度确定切削尺寸。是切割机外形图，表示了刀架加工位置可变化情况。
3刀具工作原理及结构由于被加工的是发泡塑料，其材料松软，需用电热丝通过温度的熔化，实现去除材料。电热丝温度必须能在一定范围中变化，启动时用高温快速传热至发热丝，加工时降低温度以防止材料过熔化。由刀具结构确定切削方式，因此加工一个制品有时需更换刀具。电热丝刀具的前端具有弓架绷直机构支承，还有弹簧作张紧机构，以调整电热丝热伸冷缩现象，保证尺寸加工要求。
4切割机加工特性bookmark1刀具加工位置变换说明图切割机的主要特色功能在于：**，工件装夹机构适用面广，无论是棒料还是板料，都能夹紧工件，为切割操作提供了“立根”之便。第二，在车床式工作台上，固定了无极电压调整盒，以提供*短操作距离调控工作电压。工作台中间空下去一个斗式余料室，以装载余料，方便清理。
第三，一般情况下工件通过转盘固定在卡爪内不动，刀具通过刀架或拖板作直线或旋转运动的切削加工，以完成各种形状和尺寸上的要求。在特殊情况下也可通过转盘调整工件的圆周角度，以方便对工件在不同方向上的加工。第四，视产品的综合情况（尺寸、数量、精度、结构）可选择用电动或手动带动刀具加工。以上描述是本切割机加工泡沫塑料产品的特有之处，它是集手工操如所示。电热丝的温度可以通过无极调压开关调节，当电热丝通电受热拉长后，通过张紧机构拉直。发热丝弓架焊接在钢管上，起绷紧发热丝作用。弓架翘起端要超出钢管端面，以便在切割工件时让发热丝*先接触工件。钢管中心轴线与发热丝的垂直距离由弓架确定。若加工小件时，要配备小号刀具。
木质刀柄不锈钢管y一发热丝电热丝刀具示意图作和机器操作为一体、按程序加工和非程序加工为自行选择的泡沫塑料切割机。是切割机加工成形的泡沫塑料产品。
由于切割机不具备铸造成形功能，对于组合形式的产品只能通过分形加工后再粘连成形。对于分形加工，交线位置加工精度要求较高，需要结合切割机上的尺寸定位机构以及溶化余量来确定加工尺寸。由于切割机的主要目的在于造型，因此在尺寸精度上有所忽略，加上材料本身是柔性体，与刚性材料相比不易实现精加工。就是先分形加工后粘接成形的组合式产品。
5切割机的应用草模型制作：草模型通常采用粘土、油泥等廉价塑性材料快速成型，是推敲和验证产品造型方案是否符合*佳方案的有效手段。尽管现在有高新技术能快速制作仿真产品，但用切割机制作的草模型其价格低廉和短期制作的优势无法取代。
教具制作：许多教具采用的材料都是木材、铝制品、铸铁、塑料等，由于这些材料需用专业设备专业厂家加工，所以在时间、数量、成本等相关问题上制约了教具服务于教学的状态。切割机可以实现随时、随地、随想、随做、随改的机随人意式的加工方式。能快速充分展示教师自己设计的个性化教具。摆脱了添置教具的申报、寻价、制作、运输、返修等繁杂程序。
实训设备：高职院校非常重视职业能力的素质教育和工学结合的实践培训。比如工程制图课程，可充分利用切割机训练看图能力，引导学生边看图边制作仿真零件（或组合体），既提高了制图能力又模拟了机械加工过程，还强化了工程意识。在切割机上能实现制图实践的项目有：（1）立体认知能力实训项目此实训项目实质上是在向学生的大脑不断输送立体信息，让他们在加工过程中逐渐熟悉各种立体形状，了解立体长宽高的约定概念，提高对立体的认知能力。就是在讲完制图绪论以后的第1次课发下去的实训作业。要求学生根据轴测图，在切割机上加工成形。
开拓对形体的创意能力，是为了让同学们通过在切割机上创意形体，逐步了解图与体的对应关系，逐步建立立体的“深度”意识。操作过程中通过实物的逐渐“出形”就能体会到形体的设计能力以及工程创新能力。实训中只给出一个单向投影图，要求同学们自行想象并加工出对应的实物，如所示。同学们在操作中互相“攀比”，都想多加工出实物多积分。通过此项目的训练，又加深了制图中“一个投影视图所表达的立体形状和结构尺寸是不具惟一性的”重要概念。
由于切割机不具备注塑成形功能，所以对于复杂结构的形体必须进行先分解再组合。实训步骤是：先识读平面视图进行形体分析，再分形加工，*后粘接成形。如和0所示。这种分形、加工、粘连的过程是对图对体进行全面分析和充分了解的过程。
在加工过程中自始至终都用到了尺寸要素的概念，由于切害专门设计了加工尺寸控制机构，所以在进行每一步的切割过程中都要用到这些控制机构来实现形体的尺寸要求。通过此项目训练，同学们对尺寸标注概念有了感性认识。
对于机加工而言，工序单是加工零件步骤的指导性文件，制订工序之前，必须对加工过程和加工方法熟悉了解。由于切割机的加工功能不同于车床，因此机加工工序的概念不能完全在切割机上体现。但是，在切割机上加工泡沫的过程同样包含有下料、车外圆、车内圆、车垂直孔，也包含了调整尺寸基准、计算X、F、Z方向上的进刀量等有关尺寸概念问题。例如像1所示的两视图，有内圆柱面和外圆柱面，还有矩形槽。在实训中发现由于零件加工程序不合理，或尺寸计算有错而导致报废现象。零件报废给学生留下深刻印象，以致每在加工前必须思考好整个加工步骤才敢动手。此训练项目既了解熟悉了工序的概念，也培养了工程师应具备的细致工作作风和科学的工作态度。
上述实训环节可说是一个优化的制图实践教学环节。它可使学生在能力、品行和心理发展3个方面获得实战性训练。那么切割机则是实现这一优化教学环节的必不可少的实训设备。
0先分解加工再粘接成体6结束语泡沫塑料车床式切割机具有外观设计新颖、各功能区配置简单实用、设备体积小、占地少、成本低、易操作、具有人机加工可灵活选择等显著优点。尤其适用于量少样多式泡沫产品的加工，由于用料成本低、加工周期短，也是一种快速实现或检验设计者理念的成形加工设备。它解决了手动切割无固定工件夹紧装置而造成的加工尺寸误差大、结构形状粗糙的现象。自创了电热丝刀具的结构设计，且已系列化。切割机有着广泛的应用领域，无论是工业产品设计还是制图教学实践，都已显现出它的应用前景。
