ГВОЗДЬ И ШУРУП
(Учебная изобретательская байка)
ГВОЗДЬ И ШУРУП [1 215 kb]
|
НАЧАЛО
|
ГВОЗДЬ И ШУРУП(Учебная изобретательская байка) ГВОЗДЬ И ШУРУП [1 215 kb]
|
|
Много лет спустя в книжке "Сделай сам 1000 вещей" [1] я увидел те же советы, что запомнил с детства, - как сделать так, чтобы гвозди держали лучше. Вот что в этой книге было написано: "З а б и в а н и е г в о з д е й н а и с к о с ь. Если между досками не должно оставаться зазора, то гвозди забивают наискось в сторону стыка (рис. 1). Таким же образом забивают гвозди даже в тех случаях, когда прибиваемые доски сжаты клиньями или струбцинами. В крайнюю доску забивают на один гвоздь больше. Особенно важно скошенное положение гвоздей при соединении одной доски с торцевой поверхностью другой, т. е. когда в одну из досок гвоздь входит по направлению волокон. З а г и б а н и е г в о з д е й. Выступающие короткие концы гвоздей загибают вдоль направления волокон. Более прочное соединение достигается более длинными гвоздями; их концы, выступающие на 10 - 20 мм, загибают в виде скобы перпендикулярно к направлению волокон (с помощью отвертки, топора, большого гвоздя и другого подобного предмета) и забивают в древесину. Если гвоздь забит близко к кромке, то его загибают внутрь". [1, стр. 38]
Ну, хорошо, а что еще можно сделать, чтобы гвоздь крепче держал? Не всегда ведь есть доступ к обратной стороне доски, чтобы загнуть гвоздь... В журнале "Юный техник" я встретил когда-то такое предложение. В доске нужно просверлить фигурное отверстие и вставить в него специальную втулочку. На рис. 2 показано, в чем ее особенность - центральное отверстие сначала идет по оси втулки, а затем слегка отклоняется в бок. Если обычный гвоздь вставить в это отверстие и начать его забивать, втулка отогнет гвоздь в сторону, заставив его постепенно превратиться в крючок.
Все это хорошо, но ведь под каждый гвоздь нужно делать сложную втулку и сверлить в доске фигурное отверстие. Получается очень дорого. Поэтому такое соединение, скорее всего, пригодится только в особо ответственных случаях. Нельзя ли сделать проще и дешевле? По американскому патенту № 3 945 414 [2] предложено воспользоваться специальным инструментом (рис. 3), который действует подобно втулке, показанной на рисунке выше, отклоняя гвоздь при забивании. Преимущество здесь в том, что с помощью одного инструмента, который в месте соединения деталей не остается, можно забить множество гвоздей. Это уже лучше, но нельзя ли сделать еще проще?
Однажды, сейчас уже не помню где именно, я встретил вот такую информацию. Если гвоздь в сечении не круглый или квадратный, как обычно, а треугольный, то прочность соединения на 3-5% выше.
Таких "треугольных" гвоздей я не видел ни разу, скорее всего именно потому, что они совсем немного лучше обычных, а делать их труднее. Как говорила моя бабушка: "Овчинка не стоит выделки". Подведем итоги. Я показал несколько предложений, улучшающих способность гвоздя держать, то есть прочнее скреплять детали. Конечно же, это не все, что было придумано в этой области, но для учебного примера вполне достаточно. Вот коротко эти предложения:
б) загнуть гвоздь с обратной стороны доски; в) согнуть конец гвоздя в виде скобы, а потом эту скобу забить в доску; г) согнуть гвоздь "крючком" с помощью втулки с криволинейным отверстием; д) согнуть гвоздь в теле доски с помощью специального инструмента; е) использовать гвозди треугольного сечения. Самое простое и дешевое предложение - а); чтобы забить гвоздь таким образом, достаточно в самом начале его только слегка наклонить. В предложениях б) и в) используют ресурс самого гвоздя - его способность гнуться. В предложении е) тоже использован ресурс гвоздя, его форма, но за совсем небольшой выигрыш придется расплатиться - наладить производство гвоздей этой новой формы. По предложению д) необходимо иметь специальный инструмент, а в варианте г) еще и дополнительную деталь - втулку с хитрым искривленным отверстием. Этот последний вариант будет, похоже, самым дорогим. Нельзя ли предложить вариант улучшения гвоздя, одновременно и хороший, и дешевый? Часто бывает так, что для достижения одной и той же цели люди используют разные - альтернативные - способы и устройства. При этом сплошь и рядом случается, что одно из устройств дешевле и проще другого, но работает хуже, а второе работает хорошо, но стоит дороже. Например, для соединения деревянных деталей кроме гвоздей применяют шурупы. Если сравнить их между собой, то легко увидеть, что гвозди проще делать и легче забивать в доску, но держат они хуже шурупов, а шурупы держат лучше гвоздей, однако стОят дороже и завинчивать их сложнее.
При этом преимущества шурупов в полной мере проявляются только в тех случаях, когда соблюдены определенные правила. Например, в книжке, которую я уже цитировал [1], написано: "П р е д в а р и т е л ь н о е р а с с в е р л и в а н и е и у т а п л и в а н и е г о л о в о к" (рис. 6). Отверстия для маленьких шурупов прокалывают столярным шилом, для больших - рассверливают. Диаметр сверла должен быть несколько меньше, чем диаметр шурупа. Глубина сверления достигает двух третей длины шурупа, но если дерево твердое, то может быть и больше. При использовании спиральных сверл рекомендуется брать два сверла с разными диаметрами. Шурупы с потайными головками утапливаются. Раззенковку проводят зенковкой, большим спиральным сверлом или в крайнем случае стамеской.
"В в и н ч и в а н и е" (рис. 6). Слегка смазанные маслом или мылом шурупы входят легче. Отвертка должна точно соответствовать шлицу шурупа. Неутопленные головки поворачивают шлицом по направлению волокон древесины. Вбитые шурупы не держат". [1, стр. 39 и 41]. Вернемся к гвоздю. Мы собираемся его улучшить, причем сделать это, используя положительные свойства шурупа. Сформулируем сначала АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ, т.е. такое противоречие, которое касается сразу обеих технических систем.
Благодаря чему шуруп хорошо удерживает детали? Конечно, благодаря винтовой нарезке или, другими словами, благодаря выступам на поверхности, которые врезаются в тело детали. Значит и гвоздь, чтобы хорошо держать, должен иметь такие же выступы. Но тогда будет совсем плохо - эти выступы на гвозде будут повреждать волокна древесины, ведь написано чуть выше: "Вбитые шурупы не держат". Правильно, но этой беде легко помочь. Достаточно только увеличить шаг винтовой нарезки и она перестанет сминать волокна. Наш гвоздь превратится из обычного в винтовой, который при забивании молотком будет сам вращается вокруг своей оси. На рис. 8 показаны только некотрые известные конструкции винтовых гвоздей: a) по патенту США 2,558,379; b) по патенту США 5,375,957; c) по патенту США 6,805,525 [3, 4, 5]. Применяются такие гвозди для соединения и деревянных деталей, и металлических листов. Изготавливать и забивать их, по сравнению с обычными гвоздями, не намного труднее, а держат они в несколько раз лучше.
Способность гвоздя держать детали удалось повысить, используя ресурсы шурупа - более дорогой и поэтому лучше работающей альтернативной системы (рис. 9). А можно ли сделать наоборот - улучшить шуруп, используя при этом ресурсы хуже работающего, но более простого и дешевого "коллеги"?
Что значит "сделать шуруп лучше"? Из альтернативного противоречия № 1 (рис. 7) следует, что для этого достаточно его упростить и удешевить. В энциклопедии более чем полувековой давности [6] написано: "... мелкие винты и шурупы изготовляются холодной высадкой головок с последующей нарезкой или накаткой резьбы". Но только одной высадкой удается обойтись, когда головки у шурупов полукруглые или цилиндрические (рис. 10).
Если же у шурупов потайные или некоторые типы полупотайных головок, шлиц под отвертку приходится фрезеровать (рис. 11). А это уже дополнительная операция, причем не самая быстрая и дешевая.
Теперь посмотрим, как в то же время делали гвозди. В статье "Гвоздильное производство" [7] показана схема (рис. 12) и дано подробное описание: "Процесс изготовления гвоздя в прессах-автоматах ... состоит в следующем. Проволока 1 (рис. 1) автоматически подается через раскрытые матрицы 2, выступая из них на величину h, необходимую для образования головки. Матрицы сближаются и своей рифленой поверхностью зажимают проволоку (рис. 12, а), а пуансон 3 при ходе ползуна вперед высаживает головку (рис. 12, б). При движении пуансона вперед ножи 4, заостряющие и отделяющие готовое изделие, отходят в крайнее заднее положение. При отходе пуансона назад матрицы раскрываются и проволока с высаженной шляпкой подается на величину, соответствующую длине гвоздя, и опять зажимается в матрице (рис. 12, в), после чего происходит заострение гвоздя. Затем гвоздь отделяется от проволоки т. н. отбойником (на схеме не показан)".
Получается, что головки одних шурупов делают точно так же как у гвоздей, а с другими это не получается. Сформулируем альтернативное противоречие № 2.
Почему же не удается получать шлицы на головках некоторых шурупов при высадке? На рис. 11 хорошо виден ответ. В потайных и полупотайных головках шлицы частично или полностью утоплены ниже той поверхности, в которую шурупы завинчивают. Если попробовать штамповать такой шлиц, то пуансон, который его формует, будет ударять по матрице, формующей головку шурупа, и ничего хорошего не получится. Решить проблему можно, если сделать шлиц коротким. Тогда он не будет доходить до края головки, а пуансон не будет ударять по матрице. Но короткий шлиц будет хуже передавать крутящий момент при завинчивании и отвинчивании шурупа... Это верно, но короткий шлиц можно сделать более глубоким. Кроме того, на одном шурупе таких шлицев может быть сразу два, если один разместить перпендикулярно другому (рис. 14).
Наиболее известны два вида крестообразных шлицев: тип H (Fillips) и тип Z (Pozidrive), которые слегка отличаются конфигурацией (рис. 15). Тип Z несколько лучше передает крутящий момент. Для каждого типа шлицев нужно применять свою отвертку. Качество крестообразных шлицев можно проверить так - винт должен висеть на установленной в шлице отвертке. Точто такие же шлицы теперь часто делают и на шурупах с полукруглыми и цилиндрическими головками.
Гвоздь и шуруп удалось улучшить, используя ресурсы друг друга. При этом проявился "эффект исчезновения". Так, винтовой гвоздь, хотя держит детали крепче обычного гвоздя и при установке вращается, все же остается гвоздем, который забивают молотком. А шуруп с крестообразным шлицем, хотя его и делают по гвоздевой технологии, остается шурупом и нуждается в отвертке. Можно ли получить такой гибрид, который унаследует признаки сразу и одного, и другого "родителя"? Сформулируем очередное альтернативное противоречие.
Как выглядит в этом случае "портрет ответа"? Во-первых, это гвоздь, и его нужно забивать молотком, а во-вторых, это шуруп с явновыраженными выступами, и без отвертки не обойтись. Как же разрешить это противоречие? На рис. 17 показан один из возможных вариантов конструкции. Трудно подобрать название для этого гибрида - "шурупный гвоздь" или "гвоздевой шуруп"? Второй вариант, вроде бы, несколько благозвучнее.
На теле гвоздя выполнены небольшие выступы, а на головке отформован шлиц (прямой, как показано на рисунке, или крестообразный). Процедура установки показана на рис. 18. В самом начале гвоздевой шуруп забивают в древесину до конца молотком, точно так же как обычный гвоздь (поз. 1 и 2). При этом выступы на теле гвоздя повреждают древесные слои, образуя в них узкую канавку. Затем забитый гвоздь поворачивают отверткой в любую сторону примерно на пол-оборота (поз. 3 и 4). Выступы врезаются в уплотненную древесину и хорошо удерживают соединяемые детали. То, что древесина при забивании была немного повреждена, роли не играет. Описание этой конструкции когда-то встретилось мне в литературе. Там было указано, что такой гвоздевой шуруп запатентован в США. Я не стал тратить время на поиски номера патента, а просто воспроизвел рисунок по памяти. Для наших учебных целей не столь уж и важно - кто, где и когда придумал это решение. Важнее понять по каким правилам оно МОГЛО БЫТЬ получено.
Правило получения такого технического гибрида очень простое: берём от каждой системы, составляющей альтернативную пару, только те материальные элементы, которые обесречивают нужные нам свойства, а затем складываем их. На рис. 19 хорошо видно, что элементы прототипов в итоговой конструкции представлены примерно "на равных". Но бывают случаи, когда суммируются обе системы целиком, а не только их отдельные части. Как правило, элементы гибрида работают при этом со сдвигом по времени - сначала одни, а затем другие. Остается добавить, что с помощью такого подхода можно объединять в одно целое достоинства как конструкций, так и процессов.
* * *
Из семейного фотоальбома я отобрал две фотографии по теме. Трехлетний внук Иван старательно забивает гвозди. В одном случае молотком в доску, в другом -ручкой от мясорубки из дедовой коллекции в сервант. Хм, чем не альтернативная пара инструментов? Вполне ведь годится для развития творческого воображения... Сентябрь 2006 г. ЛИТЕРАТУРА
ГВОЗДЬ И ШУРУП [1 215 kb]
|
 вверх
|
 (c) 1997-2006 Центр ОТСМ-ТРИЗ технологий (с) 1997-2006 OTSM-TRIZ Technologies Center http://www.trizminsk.org 6 Oct 2006 |
