Малюнки Віктора Богорада
Одне з моїх ранніх дитячих спогадів: дідусь щось майструє і легко, в два-три удари, забиває цвяхи в дошку. Я теж намагаюся, але у мене виходить значно повільніше і гірше.
Майже зі сльозами я питаю:
- Дід, чому цвяхи весь час гнуться?
Дідусь повертає дошку, показує зворотну сторону і каже:
- Дивись, після того як цвях забитий, його потрібно загнути. Якщо він не буде гнутися, як же я cмог це зробити?
- Але навіщо цвях загинають?
- Якщо загнути, він краще тримає.
Через багато років у книжці "Зроби сам тисячі речей" [1] я побачив ті ж поради, що запам'ятав з дитинства, - як зробити так, щоб цвяхи тримали краще. Ось що в цій книзі було написано:
"З а б і в а н і е г в о з д е й н а і с ь к о с ь. Якщо між дошками не повинно залишатися зазору, то цвяхи забивають навскіс в сторону стику (рис. 1). Таким же чином забивають цвяхи навіть в тих випадках, коли прибиті дошки стиснуті клинами або струбцинами. у крайню дошку забивають на один цвях більше. Особливо важливо скошене положення цвяхів при з'єднанні однієї дошки з торцевою поверхнею іншого, т. е. коли в одну з дощок цвях входить по напрямку волокон.
З а г і б а н і е г в о з д е й. Виступаючі короткі кінці цвяхів загинають уздовж напрямку волокон. Більш міцне з'єднання досягається більш довгими цвяхами; їх кінці, що виступають на 10 - 20 мм, загинають у вигляді скоби перпендикулярно до напрямку волокон (за допомогою викрутки, сокири, великого цвяха і іншого подібного предмета) і забивають в деревину. Якщо цвях забитий близько до крайки, то його загинають всередину ". [1, стор. 38]
Мал. 1. Забивання цвяхів. [1, стор. 40, рис. 19.]
Ну, добре, а що ще можна зробити, щоб цвях міцніше тримав? Не завжди ж є доступ до зворотної сторони дошки, щоб загнути цвях.
У журналі "Юний технік" я зустрів колись таку пропозицію. У дошці потрібно просвердлити фігурний отвір і вставити в нього спеціальну втулочки. На рис. 2 показано, в чому її особливість - центральний отвір спочатку йде по осі втулки, а потім злегка відхиляється в бік. Якщо звичайний цвях вставити в цей отвір і почати його забивати, втулка отогнет цвях в сторону, змусивши його поступово перетворитися в гачок.
Мал. 2. Використання втулки з криволінійним отвором
Все це добре, але ж під кожен цвях потрібно робити складну втулку і свердлити в дошці фігурний отвір. Виходить дуже дорого. Тому таке з'єднання, швидше за все, стане в нагоді тільки в особливо відповідальних випадках. Чи не можна зробити простіше і дешевше?
За американським патентом № 3 945 414 [2] запропоновано скористатися спеціальним інструментом (рис. 3), який діє подібно втулці, показаної на малюнку вище, відхиляючи цвях при забиванні. Перевага тут у тому, що за допомогою одного інструмента, який в місці з'єднання деталей не залишається, можна забити безліч цвяхів. Це вже краще, але чи не можна зробити ще простіше?
Мал. 3. Використання спецінструменту для загинання цвяхів
Одного разу, зараз вже не пам'ятаю де саме, я зустрів ось таку інформацію. Якщо цвях в перерізі не цілий або квадратний, як зазвичай, а трикутний, то міцність з'єднання на 3-5% вище.
Мал. 4. Трикутний в перерізі цвях
Таких "трикутних" цвяхів я не бачив жодного разу, швидше за все саме тому, що вони зовсім небагато краще звичайних, а робити їх важче. Як говорила моя бабуся: "Овчинка не варто вичинки".
Підведемо підсумки. Я показав кілька пропозицій, що поліпшують здатність цвяха тримати, тобто міцніше скріплювати деталі. Звичайно ж, це не все, що було придумано в цій області, але для навчального прикладу цілком достатньо. Ось коротко ці пропозиції:-
а) забити цвях в дошку навскоси;
б) загнути цвях із зворотного боку дошки;
в) зігнути кінець цвяха у вигляді скоби, а потім цю скобу забити в дошку;
г) зігнути цвях "гачком" за допомогою втулки з криволінійним отвором;
д) зігнути цвях в тілі дошки за допомогою спеціального інструменту;
е) використовувати цвяхи трикутного перетину.
Найпростіше і дешеве пропозицію - а); щоб забити цвях таким чином, досить на самому початку його тільки злегка нахилити. У пропозиціях б) і в) використовують ресурс самого цвяха - його здатність гнутися. У реченні е) теж використаний ресурс цвяха, його форма, але за зовсім невеликий виграш доведеться розплатитися - налагодити виробництво цвяхів цієї нової форми. За пропозицією д) необхідно мати спеціальний інструмент, а у варіанті г) ще й додаткову деталь - втулку з хитрим викривленим отвором. Цей останній варіант буде, схоже, найдорожчим. Чи не можна запропонувати варіант поліпшення цвяха, одночасно і хороший, і дешевий? * * *
Часто буває так, що для досягнення однієї і тієї ж мети люди використовують різні - альтернативні - способи і пристрої. При цьому часто-густо трапляється, що один з пристроїв дешевше і простіше іншого, але працює гірше, а друге працює добре, але коштує дорожче.
Наприклад, для з'єднання дерев'яних деталей окрім цвяхів застосовують шурупи. Якщо порівняти їх між собою, то легко побачити, що цвяхи простіше робити і легше забивати в дошку, але тримають вони гірше шурупів, а шурупи тримають краще цвяхів, однак коштують дорожче і загвинчувати їх складніше.
Мал. 5. Альтернативна пара
При цьому переваги шурупів в повній мірі проявляються лише в тих випадках, коли дотримані певні правила. Наприклад, в книжці, яку я вже цитував [1], написано:
"П р е д в а р і т е л ь н о в и р а з с в е р л і в а н і е і у т а п л і в а н і о г о л о в о к" (рис. 6). Отвори для маленьких шурупів проколюють столярним шилом, для великих - рассверливают. Діаметр свердла повинен бути трохи менше, ніж діаметр шурупа. Глибина свердління досягає двох третин довжини шурупа, але якщо дерево тверде, то може бути і більше. При використанні спіральних свердел рекомендується брати два свердла з різними діаметрами. Шурупи з потайними головками утапліваются. Роззенковкою проводять зенковкой, великим спіральним свердлом або в крайньому випадку стамескою.
Мал. 6. вгвинчуванням шурупів [1, стор. 40 і 41, рис. 20 і 21]
"У в і н ч і в а н і е" (рис. 6). Злегка змащені маслом або милом шурупи входять легше. Викрутка повинна точно відповідати шліцу шурупа. Неутопленние головки повертають шлицом у напрямку волокон деревини. Вбиті шурупи не тримають ". [1, стор. 39 і 41]. * * *
Повернемося до цвяха. Ми збираємося його поліпшити, причому зробити це, використовуючи позитивні властивості шурупа. Сформулюємо спочатку АЛЬТЕРНАТИВНЕ ПРОТИРІЧЧЯ, тобто таке протиріччя, яке стосується відразу обох технічних систем.
Мал. 7. Альтернативне протиріччя № 1
Завдяки чому шуруп добре утримує деталі? Звичайно, завдяки гвинтовій нарізці або, іншими словами, завдяки виступам на поверхні, які врізаються в тіло деталі. Значить і цвях, щоб добре тримати, повинен мати такі ж виступи. Але тоді буде зовсім погано - ці виступи на цвяху будуть пошкоджувати волокна деревини, адже написано трохи вище: "Вбиті шурупи не тримають". Правильно, але це лихо легко допомогти. Досить тільки збільшити крок гвинтової нарізки і вона перестане м'яти волокна. Наш цвях перетвориться зі звичайного в гвинтовий, який при забиванні молотком буде сам обертається навколо своєї осі.
На рис. 8 показані тільки некотрие відомі конструкції гвинтових цвяхів: a) за патентом США 2,558,379; b) за патентом США 5,375,957; c) за патентом США 6,805,525 [3, 4, 5]. Застосовуються такі цвяхи для з'єднання і дерев'яних деталей, і металевих листів. Виготовляти і забивати їх, в порівнянні зі звичайними цвяхами, не набагато важче, а тримають вони в кілька разів краще.
Мал. 8. Гвинтові цвяхи
Здатність цвяха тримати деталі вдалося підвищити, використовуючи ресурси шурупа - дорожчий і тому краще працює альтернативної системи (рис. 9). А чи можна зробити навпаки - поліпшити шуруп, використовуючи при цьому ресурси гірше працює, але більш простого і дешевого "колеги"?
Мал. 9. Дозвіл альтернативного протиріччя № 1
Що значить "зробити шуруп краще"? З альтернативного протиріччя № 1 (рис. 7) випливає, що для цього достатньо його спростити і здешевити. В енциклопедії більш ніж півстолітньої давності [6] написано: ". Дрібні гвинти і шурупи виготовляються холодної висадкою головок з подальшою нарізкою або накаткою різьблення". Але тільки однієї висадкою вдається обійтися, коли головки у шурупів напівкруглі або циліндричні (рис. 10).
Мал. 10. Шурупи з напівкруглими і циліндричними головками
Якщо ж у шурупів потаємні або деякі типи напівпотайною головок, шліц під викрутку доводиться фрезерувати (рис. 11). А це вже додаткова операція, причому не найшвидша і дешева.
Мал. 11. Шурупи з потайними і напівпотайною головками
Тепер подивимося, як в той же час робили цвяхи. У статті "цвяховий виробництво" [7] показана схема (рис. 12) і дано докладний опис: "Процес виготовлення цвяха в пресах-автоматах. Полягає в наступному. Дріт 1 (рис. 1) автоматично подається через розкриті матриці 2, виступаючи з них на величину h, необхідну для утворення головки. Матриці зближуються і своєї рифленою поверхнею затискають дріт (рис. 12, а), а пуансон 3 при ході повзуна вперед висаджує головку (рис. 12, б). при русі пуансона вперед ножі 4, загострюють і відокремлюють готовий виріб, відходять в крайнє заднє поло ються. При відході пуансона тому матриці розкриваються і дріт з висадженої головкою подається на величину, відповідну довжині цвяха, і знову затискається в матриці (рис. 12, в), після чого відбувається загострення цвяха. Потім цвях відділяється від дроту т. н. відбійником (на схемі не показаний) ".
Мал. 12. Виготовлення цвяха [7, стор. 298, рис. 1]
Виходить, що головки одних шурупів роблять точно так само як у цвяхів, а з іншими це не виходить. Сформулюємо альтернативне протиріччя № 2.
Мал. 13. Альтернативне протиріччя № 2
Чому ж не вдається отримувати шліци на голівках деяких шурупів при висадці? На рис. 11 добре видно відповідь. У потаємних і напівпотайною голівках шліци частково або повністю втоплені нижче тієї поверхні, в яку шурупи загвинчують. Якщо спробувати штампувати такий шліц, то пуансон, який його формує, буде бити по матриці, формуючої головку шурупа, і нічого доброго не вийде. Вирішити проблему можна, якщо зробити шліц коротким. Тоді він не буде доходити до краю головки, а пуансон НЕ буде вдаряти по матриці. Але короткий шліц буде гірше передавати крутний момент при закручуванні і відгвинчуванні шурупа. Це вірно, але короткий шліц можна зробити більш глибоким. Крім того, на одному шурупі таких шліців може бути відразу два, якщо один розмістити перпендикулярно іншому (рис. 14).
Мал. 14. Дозвіл альтернативного протиріччя № 2
Найбільш відомі два види хрестоподібних шліців: тип H (Fillips) і тип Z (Pozidrive), які злегка відрізняються конфігурацією (рис. 15). Тип Z дещо краще передає крутний момент. Для кожного типу шліців потрібно застосовувати свою викрутку. Якість хрестоподібних шліців можна перевірити так - гвинт повинен висіти на встановленої в шліці викрутку. Точто такі ж шліци тепер часто роблять і на шурупах з напівкруглими і циліндричними головками.
Мал. 15. Хрестоподібні шліци: 1) тип H; 2) тип Z
Гвоздь і шуруп вдалося поліпшити, використовуючи ресурси один одного. При цьому проявився "ефект зникнення". Так, гвинтовий цвях, хоча тримає деталі міцніше звичайного цвяха і при установці обертається, все ж залишається цвяхом, який забивають молотком. А шуруп з хрестоподібним шліцом, хоча його і роблять по цвяховий технології, залишається шурупом і потребує викрутки.
Чи можна отримати такий гібрид, який успадкує ознаки відразу і одного, і іншого "батька"? Сформулюємо чергове альтернативне протиріччя.
Мал. 16. Альтернативне протиріччя № 3
Як виглядає в цьому випадку "портрет відповіді"? По-перше, це цвях, і його потрібно забивати молотком, а по-друге, це шуруп з явновираженнимі виступами, і без викрутки не обійтися. Як же вирішити цю суперечність?
На рис. 17 показаний один з можливих варіантів конструкції. Важко підібрати назву для цього гібрида - "шурупні цвях" або "цвяховий шуруп"? Другий варіант, начебто, кілька благозвучнее.
Мал. 17. Гібрид - "цвяховий шуруп"
На тілі цвяха виконані невеликі виступи, а на голівці відформований шліц (прямий, як показано на малюнку, або хрестоподібний). Процедура установки показана на рис. 18. На самому початку цвяховий шуруп забивають в деревину до кінця молотком, точно так само як звичайний цвях (поз. 1 і 2). При цьому виступи на тілі цвяха ушкоджують деревні шари, утворюючи в них вузьку канавку. Потім забитий цвях повертають викруткою в будь-яку сторону приблизно на півоберта (поз. 3 і 4). Виступи врізаються в ущільнену деревину і добре утримують з'єднуються деталі. Те, що деревина при забиванні була трохи пошкоджена, ролі не грає.
Опис цієї конструкції колись зустрілося мені в літературі. Там було зазначено, що такий цвяховий шуруп запатентований в США. Я не став витрачати час на пошуки номера патенту, а просто відтворив малюнок по пам'яті. Для наших навчальних цілей не настільки вже й важливо - хто, де і коли придумав це рішення. Важливіше зрозуміти за якими правилами воно МОГЛО БУТИ отримано.
Мал. 18. Установка "цвяхового шурупа"
Правило отримання такого технічного гібрида дуже просте: беремо від кожної системи, складовою альтернативну пару, тільки ті матеріальні елементи, які обесречівают потрібні нам властивості, а потім складаємо їх. На рис. 19 добре видно, що елементи прототипів в підсумковій конструкції представлені приблизно "на рівних". Але бувають випадки, коли підсумовуються обидві системи цілком, а не тільки їх окремі частини. Як правило, елементи гібрида працюють при цьому із зсувом за часом - спочатку одні, а потім інші.
Залишається додати, що за допомогою такого підходу можна об'єднувати в одне ціле гідності як конструкцій, так і процесів.
Мал. 19. Дозвіл альтернативного протиріччя № 3
Мал. 20. Забивання цвяхів
З сімейного фотоальбому я відібрав дві фотографії по темі. Трирічний онук Іван старанно забиває цвяхи. В одному випадку молотком в дошку, в іншому -ручка від м'ясорубки з дідової колекції в сервант. Хм, чому не альтернативна пара інструментів? Цілком адже годиться для розвитку творчої уяви.