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【参赛】实践制造技术:试产斯特林发动机

时间:2017-08-07 15:12来源:www.crystalradio.cn 作者:收音机工匠 点击:
起初,我准备买现成的套件,组装数控雕刻机和3D打印机。但是,我发现这类简易设备难以适应制造业,也无法加工金属材料。

      我为了加工不锈钢等金属零件,专门设计并制作了雕、铣两用的微型数控机床。这种数控机床加工能力较强,而且工作时噪声小。数控机床的电子电路、软件使用,包括布线大家都清楚,无需赘述。

      电控箱为超小结构,我把一块1.5千瓦的变频电路板也装在了机箱内。为了保证机器的制作精度,我大量使用优质钢材,并采用线切割加工。机器的制造成本三万五千元左右。这台数控机床综合了数字电路、模拟电路、机械设计和机械加工等多项技术。
 

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现在,我要检验自己的电子和机械技术综合应用能力,并体验机电一体技术的震撼:DIY斯特林发动机。
      先简单介绍一下斯特林发动机:斯特林发动机是伦敦的斯特林于1816年发明的。斯特林发动机是一项伟大的发明,经科学家一百多年的努力已成功地应用于现代潜艇。

      我制作的斯特林发动机适合演示或教学,或者欣赏;国内有几家企业在生产这种教学和玩赏用的发动机,还大量出口欧洲。工业化产生的斯特林小发动机,某宝上卖200—400元一台。但是,现有斯特林小发动机的设计上还有不足之处。

      我的DIY目的,除了检验自己设计的数控机床外,还要改进现有技术的一些不足。
 

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 我要努力做得比别人更好。我设计制作的斯特林小发动机,为全金属结构,并且使用优质黄铜和不锈钢材料,材料费七十元左右。批量制造的成本估计每台一百元多元。

      这些完成后的发动机。制作步骤后面详细讲解。
 

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先用数控机床在不锈钢丝上铣一刀。在不锈钢丝上铣出一个平面后,使用螺丝即可将不锈钢丝牢固地锁定金属活塞上。
 

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DIY斯特林发动机除了要有一定的钳工技术外,还得掌握较高的车工技术。有些零件的加工精度非常高。比如,金属活塞的加工,活塞与气缸之间的间隙非常小,稍有漏气就造成报废。我车了很多活塞,刚开始成功率不高,但练了一段时间后,车工技术明显进步。这是我使用的微型机床。家庭制作受住房和环境限制,只能用这种机床。
 

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这个是钢丝固定在金属活塞上的图片。
 

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钳工的基本功很重要。手工劳动可锻炼我们的吃苦耐劳精神。我早上吃了几碗山芋,感觉营养丰富,干活有力量。吃得差也照样可以干出漂亮的活。我要向锯子功夫好的人学习:锯缝直,切口平整。切口平整的料上车床方便多了。我爱好设计工作,但更重视动手劳动。
 

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第一个图是加工好的两个气缸座,分别是热汽缸座和动力汽缸座。细节技术下面会提到。

第二个图是加工好的飞轮。飞轮上有不锈钢曲轴。
 

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热气缸中的活塞加工过程。
 

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这是热气缸座的加工和热气缸总成部分零件的分解图。热气缸座上有两道密封圈。热气缸是由不锈钢管加工而成。热气缸上的那根铜管,既起到导气的作用,还用于安装和固定。铜管上套有6毫米的密封圈。
 

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由于我考虑批量生产这种斯特林发动机,那个不锈钢热气缸也是批量外加工。
 

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这是动力汽缸,基座是铝合金的,但缸套是高硬度钢材制成的。动力汽缸必须耐磨,并且与活塞的配合要非常得好。否则,发动机转不起来。动力气缸的活塞加工难度非常大,精度要求很高,误差1丝到2丝,过大就可能造成发动机动力不足。我加工了很多活塞后,才逐步达到技术要求。批量生产时,必须使用专机。动力气缸座上的铜管,既能导气,还用于固定,铜管上套有6毫米密封圈。
 

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这个就是动力气缸的活塞。为了减轻重量,动力活塞只是部分使用轴承铜。活塞上有不锈钢连杆。

由于没有外圆磨床,动力气缸的活塞的精度是用车床车出来的;最后的几丝特别难车,稍不留神就会报废,但练DIY技术挺好的。这种活塞在批量生产时,必须要用外圆磨床磨才能保证精度。
 

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这个是大梁,是用六角铜柱加工而成。用六角铜棒制成的大梁,不但散热好,而且做出的产品也漂亮。大梁上面使用2个精密轴承。大梁上有很多孔。用数控铣床加工这些孔很方便,无需打样冲,也不用测量,定好坐标后,在电脑上输入几个参数就行,钻孔位置很准确。数控机床钻孔声音也非常小,即使在居民楼内进行大量钻孔作业也不会影响他人休息。
 

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加工好的零件用超声波清洗器洗一下。洗的时候再滴入几滴洗洁精。
 

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这是动力汽缸组件。铝基座上的不锈钢螺丝是用于固定的。活塞上有连杆,连杆由硬质不锈钢制成。这个活塞的加工要求比较高,直径小于缸套1到2丝,超过3丝则可能影响发动机的启动和运转,甚至发动不起来。导轨磨损严重的车床车出的活塞会有“大小头”问题而无法使用。

      这种活塞也可以用石墨加工而成。
 

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这是冷热汽缸组件部分零件的分解图。中间的六角铜棒既用于连接冷热、汽缸,又是安装支架。
 

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热气缸座上有铜管。冷、热汽缸座通过这根铜管连接。铜管穿过六角铜棒。热汽缸座上有铜套,热汽缸座前端的孔大于铜套,热汽缸内的气体通过这个间隙与冷汽缸中的气体进行交换。从图中我们可以看到,铜管的前端与热气缸座有较大的间隙,这个间隙用于工作气体的交换。现面市场上的工业化生产的斯特林发动机,热气缸座端而必须另外钻一个导气孔,加工相对复杂。我设计的斯特林发动机热气缸端面无需另外设置导气孔,加工比较方便。
 

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冷、热气缸分别用不锈钢螺丝固定,铜管既可通气,又能起到固定作用,螺丝上紧后,冷、热汽缸可非常牢固地固定在六角铜棒上。图上的热汽缸已经被螺丝固定。六角铜棒上要扩一下孔,这样可埋入螺丝的尾部。

目前,工业化生产的斯特林发动机支架是用铅锌合金制成。虽然工艺简单,但强度不高,甚至还影响观赏价值。我改用优质黄铜做支架后,能明显提升这种发动机的使用价值和观赏价值。
 

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