Разработка, изготовление и испытание многофункционального станка в условиях домашней мастерской

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Разработка, изготовление и испытание многофункционального станка в условиях домашней мастерской

Бобков Б.В. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение "Лицей №3" городского округа город Стерлитамак
Федоров А.П. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение "Лицей №3" ГО г. Стерлитамак РБ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В свободное от учебы время я работаю над очередным проектом, особенно люблю работать с деревом. Дома у меня есть небольшая мастерская, бывшая кладовка. Есть небольшой верстак и набор различных инструментов, но нет станков. Для полноценной работы мне нужны как минимум: сверлильный, фрезерный и шлифовальный станки. Однако анализ цен на рынке показал, что цены на станки очень высокие, поэтому у меня пока нет возможности приобрести их. Чтобы решить эту проблемуя решил провести исследовательскую работу, в рамках которой изготовить многофункциональный станок, с помощью которого можно будет: сверлить и выдалбливать отверстия, фрезеровать канавки и пазы, шлифовать детали.

Гипотеза исследования: для выполнения несложных работ по обработке конструкционных материалов, в условиях домашней мастерской, целесообразнее использовать многофункциональный станок на основе электрической дрели, изготовленный из фанеры и мебельной фурнитуры.

Актуальность нашего исследования заключается в том, что в небольшой мастерской применять полноразмерные станки достаточно накладно как в плане габаритов самих станков, так и их стоимости.

Цель исследования: разработка, изготовление и испытание многофункционального станка в условиях домашней мастерской.

Задачи проекта:

- проанализировать существующие прототипы станков;

- разработать конструкцию многофункционального станка;

- разработать технологию изготовления многофункционального станка с учетом имеющихся станков и оборудования школьной мастерской;

- изготовить детали, выполнить сборку и наладку станка;

- провести испытания многофункционального станка;

- проанализировать получившийся результат.

Оригинальность конструкции проектируемого станка заключается в его компактности, сравнительно малых габаритах и небольшой массе.

Используемые материалы должны быть безвредными и доступными.

2. Станки для домашней мастерской: история и современность

Предыстория появления первых сверлильных станков начинается с древнейших исторических периодов, когда наши предки, обладавшие примитивными орудиями-инструментами (главным образом из камня), просверливали отверстия, например, для насаживания молота или топора на палку. И уже тогда возникло устройство, которое сооружалось примерно следующим образом. Из прочного дерева вырезался стержень, один конец которого заострялся. Этим заостренным концом стержень

упирался в углубление в камне, наполненное мелкозернистым песком. Вокруг стержня спирально закручивалась тетива лука. При приведении лука в движение стержень начинал вращаться (как сверло), что обеспечивало шлифование углубления с помощью песка. В результате в камне просверливалось отверстие.

Рис. 1 – Приспособление для сверление отверстий в эпохе палеолита

Современная промышленность предлагает огромное количество разнообразных станков для выполнения технологических операций.

В основном на рынке представлены станки, которые предназначены для выполнения каких либо определенных операций. Реже можно встретить универсальные станки [11]. Например, станок СФРС-02 предназначен для выполнения сверлильных, фрезерных и расточных работ на деталях небольших размеров. Но цена станка высокая.

Рис. 2 – Станок сверлильно-фрезерно-расточной СФРС-02

Поэтому для нужд домашней мастерской нет смысла приобретать такой станок, если не планируется получение сверхточных размеров деталей.

Для нужд домашней мастерской можно приобрести небольшой настольный сверлильный станок. Он имеет достаточную жесткость конструкции. Его удобно настраивать, он сравнительно легкий и питается он от сети 220В. Цена на такие станки в среднем 15-25 тыс. руб. [12]

Рис. 3 – Сверлильный станок

А также, в своей домашней мастерской желательно иметь простенький долбежный станок. С помощью него можно выдалбливать квадратные отверстия, прямоугольные пазы или гнезда для изготовления шиповых соединений. Цена таких станков начинается от 25 тыс. руб.

Рис. 4 – Долбежный станок

Анализ информации с различных источников показал, что в целях экономии средств, мастеровые, все чаще изготавливают самодельные станки. Они их разрабатываются с учетом своих требований к функциональности, размерам рабочей поверхности столов и условий эксплуатации [14].

Рис. 5 – Самодельные станки и приспособления

3. Анализ прототипов

В сети Интернет и различной технической литературе можно встретить различные виды самодельных станков, выполненных из разных материалов.

Чаще всего встречаются стойки для дрели (см. рис. 6). Стойки изготавливают как полностью из фанеры, так и комбинируют с металлическими элементами. Металлические стойки, по отзывам пользователей, не всегда обладают повышенной прочностью. Поэтому можно разработать конструкцию стойки полностью из фанеры [15].

Рис. 6 – Стойка для дрели

Также, много примеров столов, для крепления электрических фрезерных машин (см. рис.7). Часто для крепления подвижных частей самодельных станков применяют обычные мебельные направляющие. Что уменьшает их себестоимость. Есть примеры, когда вместо фрезера устанавливается обычная электрическая дрель.

Рис. 7 – Стол для фрезера

Для работы аналогичных фрезеров необходимо иметь специальный стол с фиксаторами, зажимами или тисками. Координатный стол изготавливают из металла, если во время работы прилагаются большие нагрузки, а когда нагрузки малы - из фанеры. В качестве винтов применяются обычные шпильки.

Рис. 8 – Координатный стол

Стандартные заводские ручные шлифовальные машины, для удобства их применения, часто устанавливают на специальные приспособления (стойки) (рис. 9). Материалом изготовления в большинстве случаев является обычная фанера. Они легкие по массе. Есть примеры, когда для шлифования применяют электрические дрели.

Рис. 9 – Стойка шлифмашины

При обработке древесины образуется большое количество опилок и древесной пыли. В последнее время мастера для своих небольших мастерских стали изготавливать самодельные пылесосы циклонного типа. В качестве материалов приспосабливают различные стандартные элементы: баллоны для воды, конические стойки и др. Также часто применяется фанера и древесина.

Рис. 10 – Шлифовальный барабан с основанием

Промышленность выпускает фрезерные станки, которые можно использовать как для фрезерования, так и для сверления отверстий (рис. 2). Но аналогичные станки сделанные самодельно, я не нашел. Хотя для нужд небольшой мастерской использование таких станков было бы логичным в связи с ограниченностью места.

Рис. 11 – Фрезерный станок

4. Анализ возможных идей. Выбор оптимальной идеи

Рассмотрев прототипы существующих моделей различных станков мы определили, что наш многофункциональный станок будет изготовлен из фанеры, т.к. этот материал достаточно прочен, легко обрабатывается и доступен на рынке.

Н еобходимым условием при разработке станка является то, чтобы он был складывающимся и многофункциональным (служил для сверления, выдалбливания, и фрезерования отверстий и пазов, шлифования деталей, а также был встроенный пылесос).

Итак, у меня возникли несколько вариантов идей станка:

1 -я идея: у складного станка на столе рядом стоят шлифовальный и сверлильно-фрезерный станок с координатным столом;

2 -я идея: складной станок, на столе которого с одной стороны шлифовальный станок, а с другой – сверлильно-фрезерный станок с координатным столом;

3-я идея: на столе с одной стороны установлен универсальный станок, на обратной стороне – стол с направляющими для крепления тисков; внутри корпуса встроен пылесос.

Рис. 12 – Эскизы идей

Вывод: проанализировав идеи, мы решили остановиться на идее №3.

Аргументы:

Сравнительно небольшие габариты и масса станка;

Приводом для сверления, выдалбливания, фрезерования и шлифования служит только одна электрическая дрель;

Есть возможность использования станка как верстак.

5. Выбор технологии изготовления многофункционального станка

Многофункциональный станок состоит из: основания (тумбы) с переворачивающимся столом, стойки с дрелью, координатного стола, оправки для крепления долбежного резца, шлифовального стола с барабаном, машинных тисков, пылесоса с фильтром и электрооборудования.

Основным конструкционным материалом является фанера, толщиной 12 мм. Детали станка будут изготавливаться соответственно по технологии ручной обработки древесины или металла. Работа будет выполняться на столярном и слесарном верстаках. Пиление древесины и фанеры производится электрическим лобзиком, закрепленном в специальном столе или ножовкой по дереву. Для сверления отверстий будет применяться сверлильный станок, а для шлифования деталей – шлифовальный станок.

Соединение деталей корпуса станка производится на клею и с помощью саморезов, предварительно просверлив отверстия под них. Осью для переворачивающегося стола служит стальной пруток Ø 10 мм. Концы этого прутка необходимо проточить на токарно-винторезном станке согласно технологии токарной обработки металлов, плашкой нарезается резьба, затем насаживаются на подвижные втулки, вырезанные из стальной трубки. Оси машинных тисков также вытачиваются на токарно-винторезном станке.

Для изготовления мелких деталей из фанеры, сначала выполняем чертежи, затем приклеим их на заготовки, после выпиливаем лобзиком и зачищаем края напильником или на шлифовальном станке.

Ось рукоятки подвижного блока выточим на токарном станке по металлу, т.к. на этом станке удобнее выполнять точную проточку элементов.

Отделка производится согласно технологии лакокрасочных работ. Сначала поверхность деталей покроем грунтовкой (бесцветной пропиткой), морилкой, после высушивания и шлифовки покрываем акриловым лаком.

Электрические контакты припаиваются по технологии выполнения пайки.

6. Описание изготовления многофункционального станка

Многофункциональный станок состоит из большого количества деталей. Технологию изготовления мы представили в виде описания поэтапной работы над проектом:

Работа над проектом начинается с изготовления стойки для дрели с координатным столом(рис. 23, 24, 28). Основным материалом будет являться фанера толщиной 12 мм., для оси рукоятки подачи – береза.

Размеры подвижного блока подбираем в зависимости от габаритов самой электрической дрели. Крепится подвижный блок на мебельных направляющих. Для снижения шума электродвигателя установим крышку.

Подвижность координатного стола также обеспечивается благодаря мебельным направляющим. Чтобы снизить нагрузку на них во время работы станка, устанавливаются дополнительные упоры (рис. 24).

После разметки, все детали выпилим электрическим лобзиком, при склеивании пользуемся струбцинами, клей – столярный ПВА. Для удобства работы и повышения прочности соединения, склеиваемые детали дополнительно соединяем саморезами.

На токарно-винторезном станке ТВ-6 из березового бруска выточим ось для рукоятки подачи (рис. 39). Также на токарно-винторезном станке выточим ось для переворачивающегося стола и оси машинных тисков из стальных прутков. На концах осей нарежем резьбу плашкой (рис. 26).

В качестве ходовых винтов для координатного стола применяем шпильки М8. Мебельные направляющие крепятся с помощью саморезов.

При сборке конструкции стойки необходимо производить тщательную подгонку деталей.

Основание станка (тумбу) (рис. 18), конструируем, опираясь на размеры изготовленной ранее стойки для дрели, таким образом, чтобы при переворачивании стола, стойка свободно помещалась внутри тумбы. В нижней части тумбы будет располагаться лоток для сбора стружки и пыли. На задней стенке необходимо сделать вырез для того, чтобы она не мешала разворачивать стол со станком, закрепленным на обратной стороне стола.

Детали тумбы после разметки выпиливаем с помощью электрического лобзика. После, кромки обрабатываем с помощью шлифовальной машины.

Сборку тумбы производить на клею и с помощью саморезов. Для установки саморезов необходимо предварительно просверлить отверстие. Дверца тумбы крепится на петлях. Установим магнитный держатель и монтируем замок.

Пылесос изготавливается также из фанеры. Вначале выпиливаем детали турбины. Крыльчатки будут состоять из трех наклеенных друг на друга деталей. Для удобства их центрирования при сборке, на деталях сверлим отверстия.

После сборки турбины его необходимо балансировать. Для этого вначале турбину устанавливаем на двигатель и прямой стамеской протачиваем по наружному диаметру, для уменьшения биения. После турбина снимается и ставится крепежным отверстием на стеклянный шарик, который свободно должен лежать на поверхности стола. Затем производим балансировку, определяем вручную перевешивающую сторону турбины и на противоположной стороне диска сверлим балансировочные глухие отверстия. Эту операцию производим до тех пор, пока диск не уравновесится (рис. 29).

Каркас пылесоса выпиливаем также из фанеры толщиной 12 мм. Основание и крышку выпиливаем цельным элементом, а боковую стенку – из сборных деталей. Тем самым уменьшаем количество отходов фанеры. Шланг будем применять стандартный, гофрированный.

После сборки конструкции станка приступаем к монтажу электрооборудования (рис. 40). На крышке тумбы выпиливаем отверстие для установки кнопочного пульта управления. Каркасом для основного блока служит стандартный бокс пожарной сигнализации, который используется в школах (их периодически меняют, и обычно утилизируют как бытовой мусор).

Схема питания электрооборудования реализуется за счет работы контакторов. Это необходимо сделать по соображениям безопасности эксплуатации нашего многофункционального станка. Сборку и испытания работоспособности электрической схемы выполняется только под строгим присмотром учителя (рис. 42).

Установим два лазерных светодиода, для получения линейных взаимно-пересекающихся лучей. Задний светодиод крепится с помощью подстрочной планки выпиленной также из фанеры. Выпилим и установим основание для крепления блока с батарейками. Сверлим отверстие для установки включателя. С помощью паяльника канифоли и припоя припаиваем соединительные провода (рис. 31, 33).

Из фанеры изготовим шлифовальный барабан и специальный шлифовальный стол с канавками для удаления пыли. Заготовкой для оси шлифовального барабана является обычный болт на Ø8 мм. На токарно-винторезном станке, шестигранную головку болта протачиваем до Ø12 мм.; на торце высверливаем центровочное отверстие. После склеивания дисков барабан обтачиваем на токарном станке, применяя центр задней бабки, тем самым добивается уменьшение биения барабана.

Из фанеры изготовим транспортировочную площадку.

Все деревянные элементы нашего станка тщательно шлифовать, грунтовать бесцветной пропиткой и покрыть морилкой. После просушки и покрыть кисточкой двумя слоями акрилового лака (рис. 45).

В приложении я представил только часть технологических карт (на изготовление пылесоса) т.к. полный его вариант состоит из огромного количества страниц, ввиду большого количества деталей. Чертежи деталей станка выполнили согласно требованиям, предъявляемым к учебным школьным чертежам [1].

 

Мой многофункциональный станок

7. Испытание многофункционального станка

После сборки и наладки станка мы приступили к испытаниям.

Программа испытаний:

Просверлить сквозные и глухие отверстия в древесине;

Фрезеровать паз глубиной 5 мм на поверхности фанеры;

Выдолбить сквозное и глухое квадратное отверстие;

Шлифовать плоские и криволинейные поверхности заготовки.

Результаты испытаний:

Станок отлично справился с задачей, чего и следовало ожидать, т.к. рабочим органом является электродрель. Заготовка надежно крепится в тисках. Подачу удобно контролировать с помощью рукоятки. Лазерный прицел помогает с центровкой сверла.

Глубину фрезерования удобно контролировать с помощью встроенной линейки. Подвижный блок жестко фиксируется при настройке глубины фрезерования. Фрезерование проводил за два прохода. Заготовка надежно удерживалась в машинных тисках. Управление координатным столом также достаточно удобное.

Выдалбливали квадратные отверстия на 10 и 12 мм. При выдалбливании резцом на 10 мм. проблем не возникало, а с резцом на 12 мм. станок справился с трудом! Это дает нам основание полагать, что наш станок не в полной мере может выполнять функции долбежного станка.

Сначала проводили шлифование плоских поверхностей деталей. Станок справился на отлично. Образующаяся пыль удалялась с помощью встроенного пылесоса. При шлифовании криволинейных поверхностей деталей также не возникло трудностей. Наждачная бумага при работе очень хорошо держалась на оправке.

После работы станок достаточно удобно складывается.

Заключение

Итак, результаты исследования подтвердили нашу гипотезу, многофункциональный станок на основе электрической дрели, изготовленный из фанеры и мебельной фурнитуры можно достаточно эффективно использовать для практических работ, в условиях домашней мастерской. На станке можно выполнять такие технологические операции, как: сверление и выдалбливание небольших отверстий (до 10 мм), фрезерование пазов и канавок, шлифование плоских и криволинейных поверхностей. Размеры рабочей поверхности станка сравнимы с заводскими аналогами. Станок можно легко сложить и транспортировать. Мобильность не снижает прочность и надежность.

В комплект станка входит координатный стол с машинными тисками, которых так не хватает на обычных сверлильных станках. Идея их разработки и изготовления возникла из-за того, что я раньше испытывал затруднения во время крепления заготовок на столе школьного сверлильного станка, особенно когда их нужно было жестко закреплять. А при переустановке заготовки было не удобно повторно центрировать относительно оси сверла. Чтобы процесс центрирования заготовки был еще удобней, мы на наш станок встроили два лазерных светодиода, которые позволяют получать линейные взаимно пересекающиеся лучи.

В наш станок встроен пылесос, что делает уборку станка удобным и легким. При шлифовании, образующаяся пыль улавливается и собирается пылесосом, что делает шлифование более безопасным для органов дыхания.

Питание станка осуществляется от сети 220В переменного напряжения, что в отличие большинства стационарных станков на 380В, делает возможным его применение везде, где есть источник тока: квартира, гараж…

Для включения и выключения станка применяются контакторы. Целесообразность их применения продиктовано соображениями безопасности. При аварийном отключении и восстановлении подачи электричества, дрель не должен сработать, т.к. это может привести к травме.

Список литературы

1. Ботвинников А.Д. Черчение: Учебник для 7-8 кл. общеобразовательных организаций / А.Д. Ботвинников, В.Н. Виноградов, И.С. Вышнепольский. – М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство АСТ», 2002. – 221с.: ил.

2. Клятис Г.Я. Мебель своими руками. – М.: Лес. Пром-сть, 1994.

3. Крейндлин Л.Н. Плотничные работы. М., «Высш. Школа», 1972.

4. Лернер П.С., Лукьянов П.М. Токарное и фрезерное дело. – М.: Просвещение, 1986.

5. Муравьев Е. М. Технология обраб. Мет. – М.: Просвещение, 2004.

6. Рихвк Э.В. Мастерим из древесины. – М.: Просвещение, 1988.

7. Ростовцев А.Н. Справочник по техническому труду: Обработка древесины, металла, электротехнические и др. работы. – М.: Просвещение, 1996. – 319 с.: ил.

8. Семенихин В.П. Изготовление инструментов в школьных мастерских: Пособие для учителя: Из опыта работы. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Просвещение, 1987.

9. Симоненко В. Д. Технология 10 кл. – М.: Вентана – Граф, 2004.

10. Хворостов А.С., Новиков С.Н. Мастерим вместе с папой. – М.: Просвещение, 1991.

11. Хотунцев Ю.Л., Глозман Е.С. Технология. Технический труд. 7 кл. М.: Мнемозина, 2008.

12. https://stanok-kpo.ru/spravochnik/stanki-sovetskie-rossiyskie-importnye-spravochnaya-informatsiya/sfrs-02.html

13.http://minnats-so.ru/page/podkluchenie_dvigatelya_po_mostovoi_sheme/

14. https://yandex.ru/images/search?text=станки&lr=172

15. https://yandex.ru/images/search?text=станок%20из%20фанеры&lr=172

16. http://obinstrumente.ru/elektroinstrument/drel/prisposobleniya-dlya-dreli.html

10. Приложения

Рис. 14 – Стол для крепления лобзика

Рис. 16 – Сборка пылесборника

Рис. 18 – Сборка корпуса станка

Рис. 20 – Выпиливание деталей

Рис. 15 – Отверстие для пылесоса

Рис. 17 – Установка диска

Рис. 19 – Сборка направляющих

Рис. 21 – Пиление профиля

Рис. 22 – Фрезерование направляющих

Рис. 24 – Сборка координатного стола

Рис. 26 – Нарезание резьбы плашкой

Рис. 28 – Блокировочные винты

Рис. 23 – Установка защитного кожуха

Рис. 25 – Установка ограничителя

Рис. 27 – Установка электродрели

Рис. 29 – Балансировка диска пылесоса

Рис. 30 – Установка двигателя

Рис. 32 – Сборка пылесоса

Рис. 34 – Установка пылесоса

Рис. 36 – Сборка машинных тисков

Рис. 31 – Сборка лазерных светодиодов

Рис. 33 – Пайка бокса для батареек

Рис. 35 – Выпиливание стола

Рис. 37 – Точение шлифовальн. барабана

Рис. 38 – Изготовление защитного кожуха

Рис. 40 – Монтаж электропроводки

Рис. 42 – Сборка электрооборудования

Рис. 44 – Декоративные накладки

Рис. 39 – Испытание станка

Рис. 41 – Грунтовка

Рис. 43 – Тонирование

Рис. 45 – Лакирование деталей

Технологическая карта. Таблица 2

Изготовление детали «Основание пылесоса»

п/п

Содержание

операции

Эскиз

Оборудование, инструменты и приспособления

1

Выбрать заготовку с учетом припусков на обработку

(284×152×12 мм)

 

Верстак, линейка

2

Разметить по чертежу

 

Верстак, линейка, угольник, циркуль, карандаш

3

Выпилить по контуру

 

Верстак, электрический лобзик, защитные очки

4

Светлить центральное отверстие Ø 50 мм;

сверлить три крепежных отверстия Ø8 мм.

 

Сверлильный станок, шило, перовые сверла:

Ø 50мм; Ø8мм.

5

Зачистить деталь

 

Шлифовальная шкурка

6

Проконтролировать качество детали

 

Чертеж

Технологическая карта. Таблица 3

Изготовление детали «Элемент боковой стенки»

п/п

Содержание

операции

Эскиз

Оборудование, инструменты и приспособления

1

Выбрать заготовку с учетом припусков на обработку

(320×300×12 мм)

 

Верстак, линейка

2

Разметить по чертежу

 

Верстак, линейка, угольник, циркуль, карандаш

3

Выпилить по контуру

 

Верстак, электрический лобзик, защитные очки

4

Зачистить деталь

 

Шлифовальная шкурка

5

Проконтролировать качество детали

 

Чертёж

Технологическая карта. Таблица 4

Изготовление детали «Верхний диск турбины»

п/п

Содержание

операции

Эскиз

Оборудование, инструменты и приспособления

1

Выбрать заготовку с учетом припусков на обработку

(200×200×12 мм)

 

Верстак, линейка

2

Разметить по чертежу

 

Верстак, линейка, угольник, циркуль, карандаш

3

Выпилить по контуру

 

Верстак, электрический лобзик, защитные очки

4

Сверлить отверстие Ø47мм;

сверлить 24 отверстие Ø1.5мм;

 

Сверлильный станок, шило, перовые сверла:

Ø47 мм и Ø1.5мм.

5

Зачистить деталь

 

Шлифовальная шкурка

6

Проконтролировать качество детали

 

Чертёж

Технологическая карта. Таблица 5

Сборка изделия «Пылесос»

п/п

Содержание

операции

Эскиз

Оборудование, инструменты и приспособления

1

Склеить лопасти турбины

 

Верстак, клей, оправки, струбцина

2

Выполнить сборку на клею детали верхнего диска, лопастей и нижнего диска турбины

 

Верстак, саморезы, отвертка, клей

3

Выполнить балансировку диска

 

Верстак, стальной шарик, карандаш сверлильный станок, спиральное сверло

4

Выполнить сборку корпуса пылесоса

 

Верстак, саморезы отвертка, клей

Окончание табл. 5

п/п

Содержание

операции

Эскиз

Оборудование, инструменты и приспособления

5

Установить электродвигатель и конденсатор

 

Верстак, саморезы, отвертка, гаечный ключ,

6

Установить диск турбины

 

Верстак, гаечный ключ, гайка, шайба

7

Установить основание пылесоса

 

Верстак, саморезы, отвертка

8

Выполнить пайку электрических проводов

 

Верстак, электрич. провода, канифоль, припой

9

Проконтролировать качество сборки

 

Чертёж

Просмотров работы: 23