V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка способа сверления резиновых конусных пробок и устройства для его осуществления
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В лабораторной практике образовательных, а также научно-исследовательских учреждений часто приходится применять трубки, для соединения различных приборов и их частей. В связи с этим возникает необходимость проделывания отверстий различного диаметра в пробках, которые используются для соединения приборов. Как правило, для этого в лабораторной практике используются пробки, изготовленные из коры пробкового дерева (корковые пробки) и резиновые пробки, изготовленные из каучука и резины.
Традиционно, для сверления пробок используют, так называемые, трубчатые ручные сверла различного диаметра [1, с. 28], которые представляют собой металлические тонкостенные трубки с ручкой или отверстием на одном конце, в которое вставляется стержень, а другой конец определенным образом заточен [2, с. 42-43]. Процесс сверления пробок подобными, достаточно дефицитными в настоящее время сверлами, имеет много недостатков, которые затрудняют их применение, например, в школьных лабораториях.
В связи с этим, нами были разработанновый способ сверления конусных лабораторных пробок, основанный на применении нового устройства, на конструкцию которого был получен патент на полезную модель РФ № 166706 «Устройство для сверления пробок». Способ и устройство предназначены для сверления конусных пробок не только трубчатых сверлами, но и спиральными сверлами, которые сейчас довольно широко применяются в технике и быту человека.
1.Аналитический обзор способов и устройств для сверления пробок, применяющихся в лабораторной практике
Традиционное применение ручных трубчатых сверл для сверления конусных пробок широко освещено в технической и учебной литературе прошлого века [1, 2]. Так, например, в книге [2, с. 42-43] приведены различные конструкции ручных сверл и нож для их заточки (рис. 1).
В одной из книг по лабораторному практикуму [3, с. 20-21] рекомендуется перед сверлением нагреть пробку на водяной бане в 2-3 % растворе щелочи, после чего её обмыть и вытереть, а сверло смазать вазелином. Также сказано, что сверлить нужно не спеша, и обязательно начинать с узкого основания, а при сверлении в левую руку берутпробку, а в правую – сверло, так, чтобы их оси совпадали (рис. 2) [4, с. 37].
Рис.1-Наборы ручных сверл и устройство – «нож» для их заточки:
А- наборы сверл; Б-нож для точки сверл; В – процесс заточки сверл
Рис. 2 – Сверление пробок ручными сверлами:
А- начало сверления; Б- сверление пробки
Перед тем как сверлить пробку, подбирают стеклянную трубку нужного диаметра.Затемподбираютразмер сверла. Для корковой пробки диаметр сверла должен быть чуть меньше наружного диаметра трубки, а для резиновой пробки он должен равняться диаметру трубки [4, с. 37].
Сверлить резиновую пробку без смазки очень трудно. После сверления из сверла выбивают, так называемый, керн – цилиндрический кусок резины, высверленный из пробки, что зачастую усложняет процесс применения ручных сверл. Недостатком процесса сверления пробок ручными сверлами является высокая опасность травмирования руки экспериментатора и трудность установки и сохранения параллельности оси отверстия оси пробки. Процесс сверления резиновых пробок, например, сверлами большого диаметра, требует приложения достаточных усилий, что, значительно затрудняет, а порой делает невозможным процесс проделывания отверстия. Кроме того, в последнее время в лабораторной практике стали использоваться пробки из различных современных материалов, например, фторопластовые, полиэтиленовые и полипропиленовые [2, с. 42]. Эти пробки имеют большую химическую устойчивость, но и большую твердость, что делает практически невозможным процесс их сверления ручными сверлами.
Более удобным является процесс сверления пробок при помощи специальной машинки для сверления пробок [5, с. 181] (рис. 3). Машинка состоит из массивной изогнутой станины, в верхней части которой закреплен вал, вращаемый вручную с помощью колеса с ручкой. На другом конце вращаемого и вертикально перемещаемого вала имеется специальный стержень, на котором с помощью винта-стопора закрепляется трубчатое ручное сверло. Внизу, на цилиндрической ребристой площадке основания станины устанавливается пробка, которая во время сверления прижимается сверлом к площадке.
Рис.3- Машинка для сверления пробок
Достоинства такого способа сверления – пониженная травмоопасность и получение очень точно и ровно просверливаемых отверстий. Однако, большинство недостатков, присущих применению трубчатых ручных сверл сохраняются и при использовании машинок для сверления пробок. Например, невозможность проделывания отверстия в пробках повышенной твердости.
Для облегчения процесса сверления резиновых пробок на сверлильных станках в условиях школ был предложен так называемый, кондуктор [6, с. 46-47] (рис.4). Кондуктор представляет собой приспособление для закрепления пробок и их удерживания при сверлении трубчатыми ручными сверлами с помощью сверлильного станка. Кондуктор имеет форму цилиндра из чугуна с центральным коническим отверстием, соответствующим размеру пробки, которая подвергается сверлению. В боковую поверхность кондуктора вкручен стержень, с помощью которого он удерживается рукой при сверлении. Сверление пробок проводят на сверлильном станке, в патроне которого закрепляется трубчатое ручное сверло с помощью переходников (рис. 4).
Рис.4- Приспособление для станочного сверления пробок и его использование на станках:
1-кондукторы для удержания пробок; 2-трубчатые сверла с переходниками; 3- шило для извлечения кернов; 4-резиновые пробки; 5, 6 – сверление пробок на сверлильном станке; 7-сверление пробок на токарном станке
Переходники представляют собой стальные стержни с разными диаметрами концов: с одной стороны 8 мм для крепления в патронах, а с другой стороны – по внутреннему диаметру отверстия трубчатого сверла. Соединение сверла с переходником осуществляется с помощью бокового стопорного винта. Процесс сверления с применением кондуктора происходит следующим образом: в патроне сверлильного станка закрепляют сверло, а в кондуктор укладывают пробку большим основанием вверх. При нажиме сверла на пробку происходит прижатие резиновой пробки к внутренней поверхности кондукторе, за счет трения происходит удерживание пробки в кондукторе. Для снижения трения в место сверления наносят каплю глицерина. Сверление производят одним движением шпинделя. Чтобы не замять кромку сверла, на плиту станины станка укладывают лист толстой резины или регулируют ход шпинделя так, чтобы сверло не доставало до плиты в нижней точке. После сверления останавливают сверло, иглой извлекают из его полости керн, а в кондуктор укладывают новую пробку или заменяют кондуктор и сверло.
Применение кондуктора повышает безопасность процесса сверления и позволяет его механизировать путем использования сверлильных станков, что в условиях школ немаловажно. Одним из существенных недостатков предложенных кондукторов является затруднение сверления в пробках нескольких параллельных отверстий. Это вызвано тем, что пробки в кондуктор устанавливаются меньшим основание вниз и часто бывает затруднительно при сверлении попасть в контур этого основания, начиная сверление с большого основания. Особенностью конструкции кондуктора вызвана и необходимость подкладывания под кондуктор толстый слой резины или специальная регулировка хода шпинделя станка, что усложняет процесс сверления. Вместе с тем, при высоких скоростях сверления не исключается и возможность того, что кондуктор может «вырваться» из руки и поранить экспериментатора. Кроме того, для сверления резиновых пробок, выпускаемых промышленностью (в соответствие ГОСТ 7852-76 «Пробки резиновые конусные. Технические условия») наряду с наборами трубчатых сверл необходимо иметь и набор специально изготовленных на токарном станке кондукторов в количестве не менее 11 шт., что является достаточно затратным для бюджета школ. На рис. 6 приведены размеры резиновых конусных пробок в соответствие с ГОСТ 7852-76. К недостаткам процесса сверления, основанного на применении кондуктора, относятся также и все недостатки, присущие применению трубчатых сверл, например, при сверлении особо твердых пробок зачастую происходит их проворачивание в кондукторе, что затрудняет сверление таких пробок.
В связи с вышеизложенными недостатками, которые были отмечены в конструкциях устройств, используемых в лабораторной практике для сверления резиновых сверл нами, была поставлена цель разработки новых способа сверления конусных резиновых пробок и конструкции устройства для его осуществления,обладающих повышенными универсальностью, безопасностью применения, простотой изготовления и небольшой себестоимостью.
Для достижения этой цели нами были поставлены следующие основные задачи:
Оценить возможность использования кондуктора для нового способа сверления конусных резиновых пробок;
Повысить надежность процесса удержания пробки во время сверления и исключить возможность «вырывания пробки из рук»
В связи с этим нами была выдвинута следующая рабочая гипотеза:
устройство для сверления конических пробок из разных материалов (резины, коры пробкового дерева, полимера) может быть универсальным и применимым к сверлению различными сверлами (трубчатыми, спиральными и т.д.) и инструментами (ручными и электрическими), в том случае, если пробку в устройстве размещать таким образом, чтобы она была неподвижно зафиксирована (прижата) большим основанием к массивной основе, легко поддающейся сверлению, например, из дерева.
Основная часть
2.1 Разработка конструкции универсального устройства для сверленияконусных пробок
За основу конструкции нового устройства для сверления конусных пробок нами было взято вышеупомянутое устройство для сверления, представляющее собой кондуктор с коническим отверстием, соответствующим размеру пробки и ориентированным большим основанием вверх [6, с. 46-47]. Однако, в качестве кондуктора, автором данной работы, было предложено использовать кондукторную пластину, в которой может быть изготовлено не менее пяти конических отверстий под различные размеры пробок, но ориентированных большими основаниями вниз. Кондукторную пластину мы закрепили на массивной брускообразной опоре, изготовленной из дерева, с помощью прижимных гаек-барашков, стальных и полимерных шайб на откидных винтах, которые устанавливаются в пазы кондукторной пластины и шарнирно закрепляются в углублениях на торцах опоры. На рис. 5 и 6 приведены конструкция универсального устройства-приспособления для сверления пробок и его внешний вид, где: 1 - брускообразная опора; 2-откидной винт; 3-гайка - барашек; 4- шайба стальная; 5 - шайба полимерная; 6 - паз; 7 - кондукторная пластина; 8 - пробка; 9 – углубление на торцах опоры. Процесс сверления пробок с использованием предлагаемого устройства осуществляется следующим образом: конические пробки (резиновые, корковые, фторопластовые, деревянные, полиэтиленовые, полипропиленовые)
в зависимости от размера пробки устанавливаются меньшим основанием вверх соответствующее коническое отверстие кондукторной пластины устройства и помещаются на опору устройства. После этого прижимные винты с гайками-барашками и полимерными шайбами устанавливаются в пазы кондукторной пластины и гайки–барашки закручиваются до устойчивой фиксации кондукторной пластины на опоре. При закручивании гаек-барашков происходит прижимание большого основания пробки к горизонтальной поверхности опоры, а боковой конической поверхности пробки к поверхности конического отверстия, изготовленного в кондукторной пластине.
Рис. 5- Конструкция универсального устройства для сверления пробок
Рис. 6- Внешний вид опытного образца устройства для сверления пробок
Все это приводит к надежному закреплению пробок в отверстиях кондукторной пластины. Сверление пробок в зависимости от их твердости происходит любым способом: с помощью трубчатых сверл вручную; с помощью трубчатых сверл, закрепляемых в патронах сверлильного станка или ручной электрической дрели; с помощью спиральных сверл, применяемых для сверления металла, закрепляемых в патронах электрического или ручного инструмента. На рис. 7 показан процесс сверления пробок с помощью аккумуляторной дрели – шуруповерта. Для большей безопасности при сверлении пробок устройство может закрепляться струбцинами к столу или устанавливаться в тиски.
После сверления раскручиваются прижимные гайки-барашки, кондукторная пластина снимается с опоры и легким нажатием на выступающее меньшее основание пробки с отверстиями выталкиваются из конических отверстий пластины. В кондукторную пластину устанавливаются новые пробки, после чего процесс сверления повторяется.
Достаточно изготовить 2-3 кондукторные пластины с коническими отверстиями под пробки разных размеров и устройство можно будет использовать для сверления всего ассортимента резиновых пробок, например, изготавливаемых отечественной промышленностью в соответствие с ГОСТ 7852-76. Устройство может быть изготовлено в школьных условиях с применением только ручного слесарного и столярного инструментов и ручной электрической дрели, и стандартных крепежных изделий.
Рис. 7 - Процесс сверления резиновых пробок дрелью с помощью опытного устройства для сверления
2.2 Вывод формулы по оценке диаметра применяемого спирального сверла для сверления отверстия в конусных резиновых пробках с помощью универсального устройства
Отличие резиновых эластичных пробок от пробок из твердого неэластичного материала заключается в том, что величина диаметра просверленного отверстия в резиновых пробках меньше диаметра использованного спирального сверла. Так, например, в исследованиях, проведенных нами с использованием конусных пробок шести номеров отличие диаметров отверстий от диаметров сверл составляло от 5 до 27 %. Подобное различие в величинах диаметров значительно увеличивает время подбора сверл в каждом конкретном случае применения трубок разных размеров, что приводит к повышению расхода пробок за счет получаемого брака. В связи с этим, нами были проведены экспериментальные исследования по выявлению зависимости величин диаметров получаемых отверстий от диаметров применяемых сверл. Выявление подобной зависимости значительно упрощает процесс подбора сверл и значительно снижает брак при сверлении пробок.
В экспериментах были использованы пробки, наиболее применяемых в лабораторной практике размеров в соответствие с ГОСТ 7852-76. Были использованы пробки следующих номеров: 40, 29, 19, 16, 14,5 10. Для сверления пробок использовали спиральные сверла следующих диаметров: 3,0; 5,0; 5,3; 6,7; 10,5; 13,5; 15,0 мм. Процесс сверления пробок происходил следующим образом: в опытное устройство для сверления устанавливали пробки определенных размеров и просверливали в них отверстия с помощью сверла подходящего диаметра. Например, для сверления ряда пробок номеров 29; 40 использовали сверло диаметром 15 мм, а для сверления пробок номеров 14,5; 16; 19; 29; 40 – сверло диаметром 10,5 мм. Таким образом, отобранными сверлами просверлили пробки всех размеров.
После сверления пробок с помощью штангенциркуля (класс точности 2, точность до 0,1 мм) были определены диаметры всех полученных отверстий. Затем для каждого отверстия в пробках путем подбора была найден оптимальный диаметр трубки, которую можно с небольшим усилием плотно вставить в отверстие. Трубки предварительно смачивались водой. Полученные результаты приведены в таблице 1. В таблице также приведены величины отношений диаметров использованных сверл, к диаметрам закрепляемых в пробках трубок. Проведенные эксперименты показали, что для каждого конкретного размера сверла отношение диаметра сверла к диаметру трубки является величиной постоянной для всего ряда использованных пробок. Отношение диаметра сверла к диаметру трубки было названо коэффициентом сверления резиновых пробок - К. Затем было высказано предположение о том, что математическая взаимосвязь величины диаметра сверла, используемого для сверления отверстия в пробке (с целью закрепления в ней трубки определенного диаметра), с диаметром трубки должна выглядеть следующим образом: Dсверла=К·Dтрубки, где, К – коэффициент сверления резиновых пробок.
Таблица 1: Экспериментальные результаты, полученные в процессе сверления конусных резиновых пробок в опытном устройстве для сверления
|
Диаметр сверла, мм/ К |
Диаметр отверстия в пробке, мм/диаметр трубки, мм |
|||||
|
Номера пробок |
||||||
|
40 |
29 |
19 |
16 |
14,5 |
10 |
|
|
15,0/1,042 |
14,3/14,4 |
14, 1/14,4 |
- |
- |
- |
- |
|
13,5/1,04 |
12,1/13,0 |
12,7/13,0 |
11,6/13,0 |
- |
- |
- |
|
10,5/1,04 |
9,9/10,0 |
9,7/10,0 |
9,4/10 |
8,3/10 |
7,5* |
- |
|
6,7/1,18 |
5,4/5,7 |
5,5/5,7 |
5,5/5,7 |
5,3/5,7 |
5,0/5,7 |
5,0* |
|
5,3/1,23 |
4,3/4,3 |
4,2/4,3 |
- |
3,9/4,4 |
3,5/4,4 |
3,2/4,5 |
|
5,0/1,25 |
3,7/4,0 |
4,1/4,0 |
- |
3,9/4,0 |
3,3/4,2 |
3,0/4,3 |
|
3,0/1,35 |
- |
2,2/2,3 |
- |
2,0/2,3 |
2,0/2,3 |
2,0/2,3 |
Примечание: 7,5*, 5,0* - разрыв пробки
Полученные экспериментальные результаты, приведенные в таблице 1, были нанесены на «миллиметровую бумагу», после чего была построена графическая зависимость «диаметра сверла от диаметра трубки». Далее вручную «сгладили» полученную линию тренда, а «сглаженные» значения величин свели в таблицу 2.
Таблица 2: «Сглаженные» значения коэффициента сверления в зависимости от диаметра трубки
|
Коэффициент сверления |
Диаметр трубки, мм |
|
1,03 |
15 |
|
1,04 |
12 |
|
1,06 |
10 |
|
1,1 |
8 |
|
1,16 |
6,1 |
|
1,22 |
4,5 |
|
1,32 |
2,6 |
По «сглаженным» величинам, приведенным в таблице 2, в электронной таблице MicrosoftExcel была построена графическая зависимость коэффициента сверления от диаметра трубки, которую затем аппроксимировали степенной функцией вида .Полученную степенную функцию представили в виде: .Далее в предложенную ранее формулу Dсверла=К·Dтрубки вставили найденный коэффициент сверления , после чего формула стала выглядеть как: Dсверла= ·Dтрубки.После упрощения формула выглядела следующим образом: ,где, Dсверла – диаметр сверла для сверления отверстия в пробке, мм;Dтрубки – диаметр трубки, которую необходимо вставить в пробку, мм.
Проверка формулы опытным путем
Предположим, что нам нужно установить трубку диаметром 8 мм в пробку № 24 и трубки диаметром 5,7 мм в пробки № 14,5 и 16. Рассчитаем по формуле диаметры сверл, которыми нужно просверлить отверстия в пробках и попробуем вставить в них трубки:
расчетный диаметр сверла для пробки № 24 – 8,9 мм, а для пробок №14,5 и 16 – 6,7 мм. Имеются сверла диаметром 8,5, 9,0, 6,5, 6,9 и 7,0 мм. Выбираем сверла с диаметрами 8,5; 9,0 мм и 6,5; 6,9 мм и проделываем ими отверстия в пробках. Наиболее подходящими сверлами для трубки диаметром 8 мм оказалось сверло диаметром 9,0 мм, а для трубок диаметром 6,7 мм – 6,9 мм, т.е. те сверла, диаметр которых меньше всего отличается от диаметров, рассчитанных по формуле. Стоит отметить, что использованное нами устройство не содержало в кондукторной пластине отверстие под пробку № 24. Поэтому мы использовали имеющееся отверстие под пробку № 29. С этой целью обернули пробку № 24 куском упаковочного картона, после чего установили её в отверстие № 26. Тем самым мы ещё раз подтвердили универсальность конструкции, разработанного нами устройства для сверления конусных резиновых пробок.
Практическая рекомендация: в случае отсутствия сверла необходимого диаметра нужно использовать сверло ближайшего большего диаметра, после чего обмотать устанавливаемую трубку несколькими слоями «скотча» до величины расчетного диаметра трубки, рассчитанного на применение сверла – заменителя.
Экспериментальная проверка полностью подтвердила способность, найденной нами формулы, оценивать величину диаметра сверла, необходимого для сверления отверстий в резиновых пробках с целью установки в них трубок конкретного диаметра.
Кроме того, для устранения скольжения устройства при сверлении автором была выявлена необходимость установки основания устройства на четыре резиновые опоры, а для устранения «рассверливаемости» основания устройства выявлена необходимость установки промежуточной периодически заменяемой деревянной пластины. После этого был изготовлен новый модернизированный вариант устройства, который был подарен школе № 64, а прототип устройства был передан кафедре ХТОСА СамГТУ, где он был модернизирован в соответствие с нашими рекомендациями. Модернизированный вариант устройства для сверления приведен на рис. 8.
Рис. 8-Окно программы по расчету диаметра сверла в зависимости от диаметра трубки
Впоследствии на полученную конструкцию устройства для сверления пробок был получен патент РФ на полезную модель № 166706 [7] (Приложение Б), а статья о новом способе сверления резиновых конусных пробок была опубликована в региональном научном журнале из списка ВАК [8] (Приложение Б). В дальнейшем от патентного поверенного из ФРГ поступило предложение о патентовании и оказании помощи в использовании нашего изобретения за рубежом.
2.2.2 Разработка компьютерной программы расчета диаметра сверла, применяемого для сверления отверстий в резиновых пробках и апробация устройства в лабораторных практикумах учебных заведений
Для облегчения расчетов величины диаметра сверла по найденной формуле в среде электронных таблиц MS EXCEL была разработана соответствующая компьютерная программа. Окно программы по расчету диаметра сверла в зависимости от диаметра трубки приведено на рис. 12.
Разработанное нами новое устройство для сверления пробок в виде опытного образца прошло апробацию в школе № 64 и химической лаборатории кафедры технического университета при сверлении конических пробок, изготовленных из разных материалов – резины, фторопласта, полиэтилена, полипропилена, дерева) различных размеров от 8×11×16 мм до 45×51×52 мм с помощью спиральных сверл по металлу без применения какой-либо смазки и другой специальной подготовки пробок (Приложение А). Сверление пробок происходило с помощью настольного сверлильного станка и электродрели. Модернизированный образец нового устройства для сверления пробок был изготовлен нами и передан в дарв школу № 64.
Заключение
Разработаны новые эффективные способ и конструкция устройства для сверления конусных резиновыхпробок.
Разработана компьютерная программа для оценки диаметра используемого спирального сверла, применяемого для сверления отверстий в резиновых пробках.
Проведена экспериментальная проверкановых способа, устройства и компьютерной программы для сверления конусных резиновых пробок, которая подтвердила их высокую эффективность. На новую конструкцию устройства получен патент РФ на полезную модель № 166706. Статья о новом устройстве опубликована в русско-англоязычном научном журнале из списка ВАК.
Опытные образцы новых устройств внедрены в лабораторную практику школы № 64 г. Самары и кафедры ХТОСА СамГТУ.
Список использованных источников и литературы
1. Практикум по общей химии / В.И. Семишин. Под ред. проф. В.В. Лебединского. - М., Л.: Химиздат, 1948.- 312 с.
2. Техника лабораторного эксперимента в химии: учеб. пособие для вузов /Степин Б.Д. - М.: Химия, 1999. - 600 с.
3. Практикум по органическому синтезу / М.Н. Храмкина. Изд. 4-е, испр. Л.: Химия, 1977. - 320 с.
4. Практикум по методике обучения химии: уч. пособие для пединститутов / Ю.В.Плетнер, В.С.Полосин. - М.: Учпедгиз, 1962.- 263 с.
5. Техника лабораторных работ / П.И.Воскресенский. - Издание 10-е стереотипное.- М.: Химия, 1973. - 717 с.
6. Практикум по методике преподавания химии: учеб. Пособие для студентов пед.ин-тов по спец. № 2122 «Химия» / Полосин В.С., Прокопенко В.Г.-6-е изд., перераб. –М: Просвещение, 1989. - 224 с.
7. Устройство для сверления пробок // Патент РФ на полезную модель №166706. 2016. Бюл.№ 34 /Янов И.В., Пыжов А.М., Лукашова Н.В.
8. Янов И.В., Пыжов А.М., Лукашова Н.В.Новый способ сверления резиновых конусных пробок //Бутлеровские сообщения. 2016. Т. 47. № 8. С. 99-105.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Копии актов об использовании результатов конкурсной работы
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Копии титульных листов патента на полезную модель и статьи в научном журнале