手电筒的结构设计与加工制造毕业设计

金华职业技术学院

JINHUA COLLEGE OF PROFESSION AND TECHNOLOGY 毕业综合项目成果

题目手电筒的结构设计与加工制造

金华职业技术学院毕业综合项目成果

目录

摘要 (1)

引言 (1)

1 手电筒的结构分析与设计 (1)

1.1 常规手电筒的外形结构 (1)

1.2 手电筒的结构分析 (1)

1.3 手电筒的设计 (2)

1.3.1 手电筒的设计方案 (2)

1.3.2 手电筒的设计造型 (3)

1.3.3 手电筒的开关线路原理 (3)

1.4 手电筒的设计图纸 (4)

2 手电筒的加工制造 (7)

2.1 毛坯及材料的选择 (7)

2.2 毛坯尺寸与形状选择 (7)

2.3 数控车床的选择 (8)

2.4 装夹方案 (8)

2.5 量具的选择原则 (9)

2.6 刀具的选择 (9)

2.6.1 数控加工刀具的要求 (9)

2.6.2 刀具的材料 (9)

2.6.3 确定加工刀具 (9)

2.7 切削用量的选择与确定 (10)

2.7.1 切削用量的选择原则 (11)

2.7.2 切削用量的确定 (11)

2.8 切削液的选择 (11)

2.9 各个部分加工路线的确定 (12)

2.9.1 加工方案的选择 (12)

2.9.2 工序的划分 (12)

2.9.3 工序的安排原则 (12)

2.9.4 加工路线的确定 (15)

2.9.5 工序加工余量的确定 (16)

3 加工后手电筒的使用 (16)

3.1 加工后手电筒各部分实物图 (16)

3.2 加工后手电筒使用效果图 (16)

3.3 加工后手电筒使用方法 (16)

4 结论 (17)

谢辞 (17)

参考文献............................ (17)

附件1．手电筒前盖加工工序卡 (18)

附件2. 手电筒圆筒加工工序卡 (20)

附件3. 手电筒后盖加工工序卡 (22)

手电筒的结构设计与加工制造

机电工程学院数控技术王建权

摘要:手电筒在人们的生活中很常见，它给人们带来许多便利。许多手电筒都是用模具浇铸、冲压并装配而成，而本文是应用数控车床来加工手电筒。对手电筒的结构进行分析，再设计出手电筒。通过对其各零件的加工制造，并装配成手电筒模型。这种便携式手电筒小巧实用，占用空间小，便于携带，外观独特，表面光泽度很高。

关键词: 数控车床手电筒结构设计实物

引言

电筒，是一种手持式电子照明工具。一个典型的手电筒有一个经由电池供电的灯泡和聚焦反射镜，并有供手持用的手把式外壳。它一直迟至19世纪末期才被发明，因为它必须结合电池与电灯泡的发明。在早期因为电池的蓄电力不足，因此在英文中它被称为"flashlight"，意即短暂的灯。

手电筒对人们生活带来很多便利。经调查发现市场上的手电筒大都是塑料制品，壁薄，很容易摔坏摔破，本次加工后的手电筒不仅具有传统手电筒的功能和性能。而且壁厚，耐摔，耐用，防火，外观光泽度好。填补了传统手电筒的不足。使加工后的手电筒更趋向于完美。设计后的大部分零部件用数控加工来完成。

对于数控加工来说，理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样的合格工件，同时应能使数控机床的功能得到合理的应用和充分的发挥。数控机床是一种高效率的自动化设备，它的效率高于普通机床的2～3倍，要充分发挥数控机床的这一特点，必须在编程之前对工件进行工艺分析，根据具体条件，选择经济、合理的工艺方案。数控加工工艺考虑不周是影响数控机床加工质量、生产效率及加工成本的重要因素。

1 手电筒的结构分析与设计

1.1传统手电筒的外形结构

传统手电筒大多都是用模具浇铸、冲压并装配而成，其外形结构是由聚焦反射镜，储电池巢，电子充电器库，发光体，筒身，反光杯，开关组成。

1.2 传统手电筒的结构分析

针对传统的手电筒进行结构分析，如图1所示。

图1 传统手电筒的结构分析图

通过实物图片分析，了解到手电筒各个部分的构造。掌握手电筒的全部结构构造后，能更好的设计手电筒,加工手电筒。

1.3 手电筒的设计

设计是把一种计划、规划、设想通过视觉的形式传达出来的活动过程。设计是造物活动进行预先的计划，可以把任何造物活动的计划技术和计划过程理解为设计。

1.3.1 手电筒的设计方案

设计方案：标定一个项目设计的大方向。使一个大型、繁琐、复杂的工作可以有条理，有顺序，有效率的实施。尽最大可能的降低工作过程中的反工、错误与偏差。使所生产出的产品，能够很好的完成它所应完成的任务，达到它所应达到的功能。应包含该项目的目标、要求、步骤与具体的任务划分。

手电筒设计方案：聚焦反射镜，反光杯，开关，发光体，铜线是市场购买而来，设计的是筒身和一些小型零部件（筒身采用数控加工，小型零部件要求不高手工完成）。将筒身分为手电筒前盖，主体，圆筒，后盖来进行设计，设计时要严格依据发光体，聚

焦反射镜，电池直径，反光杯的尺寸数据来进行，设计后的筒身各部分与其它零部件能

组合起来。最后完成的手电筒实物要求能开关控制照明，外形美观且符合商品手电筒的形状特征。

1.3.2 手电筒的设计造型

用UG6.0软件对手电筒进行造型，画出手电筒装配图和爆炸图，如图2、图3所示。

图2 手电筒造型装配图

图3 手电筒爆炸图

手电筒爆炸图将手电筒的内部结构全部爆炸出来（除线路开关）。按爆炸效果从左至右依次是：手电筒前盖，聚焦反射镜，反光杯，手电筒主体，发光体，手电筒圆筒，弹簧（用于线路方面，将电池负极与后盖接触通电的连接体），手电筒后盖。

1.3.3 手电筒的开关线路原理

通过开关部分的剖视效果图对手电筒开关原理进行分析，如图4所示。图中，灰色部分为铜片，分上铜片，下铜片。下铜片与手电筒圆筒部分之间有一层绝缘体。黄色推档部分为铜体。深蓝色按钮为塑料体。

图4 手电筒开关原理分析简易图

手电筒开关原理分析：黄色推档有三个档位。所以分三种情况。

（1）当黄色推档向前推一档时，黄色推档最下端接触到孔壁前端。即接触手电筒圆筒部分。再对深蓝色按钮下压，使上铜片与下铜片接触。从而使整个线路接通，发光体发光。

（2）当黄色推档向前推二档时，黄色推档最下端不接触到孔壁（图4中所示情况）。即不接触手电筒圆筒部分。深蓝色按钮下压不通电。

（3）当黄色推档向前推三档时，黄色推档最下端接触到孔壁后端。即接触手电筒圆筒部分。再对深蓝色按钮下压，使上铜片与下铜片接触。从而使整个线路接通，发光体发光。

通过用剖视、爆炸效果对手电筒线路原理进行分析，如图5所示。手电筒线路分析：连接发光体处有一条导电线，连接发光体负极和开关。再通过开关来闭合或断开。闭合通电时，用整个筒身做导体，将电流通到后盖再到弹簧。最后由弹簧来接通电池负极。备注：发光体最大外圆表面绝缘。正极有电池正极直接接通发光体正极（右端突出部分）。

图5 手电筒线路开关原理简易图

1.4 手电筒的设计图纸

手电筒的设计图纸是用标明尺寸的图形和文字来说明手电筒的结构、形状、尺寸及其他要求的一种技术文件。

用CAXA软件来画出图纸。CAXA数控车是优秀的CAD/CAM国产软件，也是全国数控工艺员职业资格培训指定使用软件。它高效易学，具有卓越的数控加工工艺性能和完善的外部数据接口，如图6、图7、图8、图9、图10所示。

图6 手电筒前盖

图7 手电筒主体

图8 手电筒圆筒

图9 手电筒后盖

图10 手电筒装配图

2手电筒的加工制造

2.1毛坯及材料的选择

毛坯的选择是零件设计中的重要一环。合理选择毛坯的类型，会使零件制造工艺简便、生产率高、质量稳定、成本降低。毛坯种类有种如下：（1）铸件毛坯（2）锻件毛坯（3）轧材毛坯（4）挤压件毛坯（5）冲压毛坯和非金属毛坯。

材料选用铝棒。铝：银白色轻金属。有延性、展性、质轻、良好的导电性和导热性、高反射性和耐氧化性。商品常制成棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状。在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀的氧化膜。是地壳中含量最丰富的金属元素。主要运用于航空、建筑、汽车三大重要工业的发展，铝易切削，切削加工性能强。

2.2毛坯尺寸与形状选择

根据零件的结构形状、外形尺寸和工作条件要求，选择适应的毛坯。本课题选用Φ52mm X 120mm圆柱铝棒、Φ40mmX 220mm圆柱铝棒来做毛坯，如图11、图12所示。

图11 Φ52mm X 120mm圆柱铝棒

图12 Φ40mm X 220mm圆柱铝棒

2.3 数控车床的选择

数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床。配备多工位刀塔或动力刀塔，机床就具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹、槽、蜗杆等复杂工件，具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。另外产品的大小也决定了车床的大小,产品要求高的,用精度高的车床。本次加工选用CAK6136数控卧式车床。

2.4 装夹方案

加工手电筒前盖，手电筒主体。采用毛坯Φ52mm X 120mm圆柱铝棒。用三爪卡盘夹铝棒左端Φ52X40，对其右端进行加工。

加工手电筒圆筒，手电筒后盖。采用毛坯Φ40mm X 220mm圆柱铝棒。用三爪卡盘夹铝棒左端Φ40X60，对其右端进行切削加工。

这种装夹方案更省料，适合批量生产，加工效率明显提高。具体体现在：加工手电筒前盖主体，圆筒后盖时采用前一个加工成型后切断再加工后一个的方法（如图13所示切断方法）。装夹次数减少到一次，毛坯不用锯床切断，减少锯床切料时占用的时间,节省材料。一次装夹加工两个零件能提高这两个零件配合时的同轴度，使配合更加趋向于完美。

图13 成型切断图

前一个加工成型后切断再加工后一个的方法。如图6所示。加工完前盖后用切断刀切断。再对切断后的右端部分进行加工。加工出主体后再切断。加工手电筒圆筒，手电筒后盖也是该方法，只是装夹次数有两次。

2.5 量具的选择原则

选择量具的原则：

（1）要保证测量的准确性，计量器具的性能指标是选用计量器具的主要依据。（2）加工方法，批量和数量选择计量器具。

（3）根据零件的结构、特性、大小、形状、重量、材料、刚性和表面粗糙度选用计量器具。

（4）零件所处的状态和所处的条件选择计量器具。

本次加工选择的量具：（1）螺纹规，（2）0-25cm千分尺，（3）25-50cm千分尺，（4）0-200cm带表游标卡尺，（5）0-100cm深度游标卡尺，（6）0-25cm内径百分表，（7）25-50内径百分表。

2.6 刀具的选择

刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀

具”一词一般就理解为金属切削刀具。

刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是：刀具的精度高、刚度好、耐用度高，而且要求尺寸稳定、安装调整方便。

2.6.1 数控加工刀具的要求

在车削的过程中，车刀的切削部分是在较大的切削抗力，较高的切削温度和剧烈的摩擦条件下进行工作的。车刀的切削部分是否具备优良的切削性能，直接影响了车刀的寿命长短和切削效率的高低，也影响加工质量的好坏，因此车刀的切削部分材料应该满足以下的要求：（1）应该具有高硬度，（2）应该具有的耐磨性，（3）应该具有耐热性，（4）应该具有足够的强度和韧性，（5）应该具有良好的工艺性。

2.6.2 刀具的材料

目前使用的刀具材料种类繁多，主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷、金属陶瓷、硬质合金和高速钢等。不同刀具材料具有不同的性能，并有其特定的应用范围。能用作刀具材料的金刚石有4类：天然金刚石、人工合成单晶金刚石、聚晶金刚石和金刚石涂层。陶瓷刀具材料可分为氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、赛阿龙陶瓷三大类。

2.6.3 确定加工刀具

用数控车床加工手电筒各部分。刀具都选用车削刀具。车刀类型：（1）尖形车，（2）圆弧形车刀，（3）成形车刀。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。

本课题选用的是尖形车刀，具体如表1，表2所示。

表1 加工刀具列表

2.7.1 切削用量的选择原则

粗加工时，低的切削速度，大的进给速度、背吃刀量。

精加工时，高度切削速度，小的进给速度、背吃刀量。

2.7.2 切削用量的确定

是指切削速度、进给量和切削深度三者的总称。切削速度v：在切削加工中，刀刃上选定点相对于工件的主运动速度。进给量f：工件或刀具的主运动每转或每双行程时，工件和刀具在进给运动中的相对位移量。切削深度ap：等于工件已加工表面与待加工表面间的垂直距。

根据对手电筒各部分加工时，所得的切削用量数值进行记入，如表3所示。

表3 切削用量列表

选取金属切削液，首先要根据切削加工的工艺条件及要求，初步判断选取纯油性金属切削液或水溶性金属切削液。通常我们可以根据机床供应商的推荐来选择；其次，还可以根据常规经验进行选取在选取了切削液类型后，还要根据切削加工工艺、被加工件材质及对工件的加工精度和粗糙度的要求等，初步选取切削液的品种。也应从切削液产品对人身的刺激性/毒性、使用寿命、废液处理、等方面综合考虑，最终选取正确的金属切削液的品种及使用浓度。

加工手电筒选用的乳化液。乳化液是一种高性能的半合成金属加工液，特别适用于铝金属及其合金的加工，但不适用于含铅的材料，比如一些黄铜和锡类金属。本产品使用寿命很长，完全不受渗漏油、混入油的影响，最好用软水进行调配。乳化液采用不含氯的特制配方，专门用于解决铝金属及其合金加工时出现的种种问题（比如：切屑粘结、刀具磨损、工件表面精度差以及表面受到污染等）。它能应用于包括绞孔在内的所有操作。乳化液亦能有效地防止加工工件生锈或受到化学腐蚀，还能有效的防止细菌侵蚀感染。简单来说是某种溶质（液体）不溶于溶剂所构成的混合物

2.9各个部分加工路线的确定

数控加工的工艺路线必须全面考虑，注意工序的正确划分、顺序的合理安排和数控加工工序与普通工序的衔接。

2.9.1加工方案的选择

加工方案的选择应以满足加工精度和表面粗糙度的要求为原则。由于获得同一级加工精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，在实际选择时，要根据零件的尺寸精度、倾斜角的大小、刀具的形状、零件的安装定位方法、编程的难易程度等因素，选择一个较好的加工方案。为保证加工质量和合理地使用设备、人力，零件的加工过程通常按工序性质不同，可分为粗加工、半精加工、精加工和光整加工四个阶段。

2.9.2工序的划分

在数控机床上加工零件，工序可以比较集中，在一次装夹中尽可能完成大部分或全

部工序。一般工序划分有以下几种方式：

（1）按零件装卡定位方式划分工序。由于每个零件结构形状不同，各加工表面的技术要求也有所不同，故加工时，其定位方式则各有差异。一般加工外形时，以内形定位；加工内形时又以外形定位。因而可根据定位方式的不同来划分工序。

（2）粗、精加工划分工序。根据零件的加工精度、刚度和变形等因素来划分工序时，可按粗、精加工分开的原则来划分工序，即先粗加工再精加工。此时可用不同的机床或不同的刀具进行加工。通常在一次安装中，不允许将零件某一部分表面加工完毕后，再加工零件的其他表面。,对于一般零件，应先切除整个零件的大部分余量，再将其表面精车一遍，以保证加工精度和表面粗糙度的要求。

（3）按所用刀具划分工序。为了减少换刀次数，压缩空程时间，减少不必要的定位误差，可按刀具集中工序的方法加工零件，即在一次装夹中，尽可能用同一把刀具加工出可能加工的所有部位，然后再换另一把刀加工其他部位。

2.9.3工序的安排原则

工序定义：工件在一个工位上被加工或装配所连续完成所有工步的那一部分工艺过程。数控加工与机械加工顺序的安排一般应遵循以下原则：

（1）上道工序的加工不能影响下到工序的定位与夹紧。

（2）以相同的安装方式或使用同一把刀具加工的工序，最好连续进行，以减少重新定位或换刀所引起的误差。

（3）在同一次安装中，应先进行对工件刚性影响比较小的工序，确保工件在足够刚性条件下逐步加工完毕

零件加工过程工序数有两种原则，一种是工序集中原则，另一种是工序分散原则。本次加工选用工序集中原则。手电筒主体部分加工工序卡，如表4所示。（其它部分工序卡见附录2）。

表4手电筒主体加工工序卡

在数控加工中，刀具刀位点相对于工件运动的轨迹称为加工路线。确定加工路线是编写程序前的重要步骤，加工路线的确定应遵循以下原则：

（1）加工路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度、且效率较高。

（2）使数值计算简单，以减少编程工作量。

（3）应使加工路线最短，这样既可以减少程序段，又可以减少空刀时间。

此外，确定加工路线使，还要考虑工件的加工余量和机床、刀具的刚度等情况，确定是一次走刀，还是多次走刀来完成加工，以及在铣削加工中是使用顺铣还是逆铣等。

手电筒前盖主体加工路线，如图14所示。

图14 手电筒前盖主体部分，前盖右主体左

夹铝棒左端Φ52mm X 40mm处加工前盖：用Φ32钻头钻孔深80mm,用90°镗孔刀加工C1倒角、Φ40.5mmX14mm及Φ38mmX1mm。用内螺纹刀加工内螺纹M42mmX1.5mm深10mm。再用93°外圆防刀加工1:10锥度。最后切断。加工主体部分路线：用90°镗孔刀加工Φ37mmX44mm。再用93°外圆防刀加工Φ39mmX3mm,C1倒角，Φ42mmX7mm, 1:10锥度,C3倒角和Φ42mmX11mm。接着用切槽刀切退刀槽4mmX1mm。后用外螺纹刀加工M42X1.5螺纹。最后切断。切断前在加工外圆或内孔末端延长1mm供切断需要。

手电筒圆筒后盖加工路线，如图15所示。

图15 手电筒圆筒后盖部分，圆筒左后盖右

夹铝棒左端Φ40mm X 60mm处加工圆筒部分：用Φ16钻头钻孔深度110mm。用90°外圆刀加工C1倒角，Φ24mmX7mm，C1倒角，Φ30mmX88.5mm，C3.5mm倒角，Φ37mmX5mm。再用切槽刀切退刀槽4mmX1mm。后用外螺纹刀加工M24X1.5螺纹。最后切断。夹铝棒左端Φ40mm X 30mm处对剩余Φ40mm X 30mm加工后盖部分：用Φ20钻头钻孔深度15mm，用90°镗孔刀加工C1mm倒角，Φ22.5mmX15mm。再用内螺纹刀加工M24X1.5螺纹。后用90°外圆刀加工C1倒角，Φ30mmX19mm。最后切断。切断前在加工外圆或内孔末端延长1mm供切断需要。

2.9.5工序加工余量的确定

加工余量是指加工过程中所切去的金属层厚度。余量有工序余量和加工总余量（毛坯余量）之分。工序余量是指为完成某一道工序所必须切除的金属层厚度，即相邻两工序的工序尺寸之差。加工总余量是指由毛坯变为成品的过程中，在某加工表面上所切除的金属层总厚度，即毛坯尺寸与零件图设计尺寸之差。

3 加工后手电筒的使用

3.1加工后手电筒各部分实物效果

用数控车床加工出各部分实物，如图16，图17所示。

图16 手电筒前盖左，主体右实物图

图17 手电筒圆筒左，后盖右实物图

3.2 加工后手电筒使用效果图

手电筒各部分和线路开关配合后的使用效果达到了常规手电筒的要求，如图18示。

图18 手电筒装配左，使用右效果图

3.3 加工后手电筒使用方法

手电筒处在三种情况下的开关图片，如图19所示。

图19 手电筒处在三种情况

开关处有一个红色按钮，一个推档（红色按钮后突出部分），开关外壳与筒身之间有一层绝缘体。手电筒三种情况使用方法：（1）图19左情况：将推档推到最前档时，按下红色按钮，手电筒放光。（2）图19中情况：将推档推到中间档时，按下按钮，手电筒不放光。（3）图19右情况：将推档推到最后档时，按下红色按钮，手电筒发光。

4 结论

本课题是从常规手电筒的结构分析方面对手电筒进行了设计、造型、加工、制造。设计中碰到很大问题，主要体现在尺寸设计，因为发光体，反光杯，聚焦反射镜，弹簧都是现有的。筒身各部分的尺寸设计要在严格考虑现有部件的尺寸下完成，这样才能使整个手电筒能完全配合起来。设计完成后，下面步骤能更直观的进行。