XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

ВВЕДЕНИЕ

Научные исследования и учебные лабораторные работы невозможно представить без использования трубок для соединения различных приборов друг с другом [1]. В свою очередь, это приводит к проблеме сверления отверстий в пробках, которые используются для соединения различных узлов и приборов лабораторных установок. Наиболее распространенный материал, из которого изготовляются пробки, используемые в лабораториях – это кора пробкового дерева (корковые пробки), резина, и каучук (резиновые пробки).

Для сверления пробок в лабораторных условиях, как правило, используют ручные сверла различного диаметра, которые называют трубчатыми [2, c. 28]. Трубчатые ручные сверла представляют собой металлические тонкостенные трубки с ручкой, рабочий конец которых определенным образом заточен [3. с. 42-43; 4, c. 17]. Однако, применение подобного инструмента для сверления пробок имеет множество недостатков, что затрудняет их применение, например, в школьных или вузовских лабораториях.

В связи с этим, нами был разработан новый 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» [5]. Способ и устройство предназначены для сверления конусных пробок не только трубчатыми сверлами, но и спиральными сверлами, которые сейчас довольно широко применяются в технике и быту человека.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Аналитический обзор способов сверления пробок,

которые применяются в лабораториях

Наиболее распространенным способом проделывания отверстий в конусных пробках в лабораторных условиях было их сверление ручными трубчатыми сверлами, что широко освещено в технической и учебной литературе прошлого века [2; 3]. Так, например, в книге [3, с. 42-43] описываются различные конструкции ручных сверл, устройств для их заточки (рис. 1), а также рекомендации по сверлению.

Рис.1- Ручные сверла и устройство – «нож» для их заточки [3]:

А - наборы сверл; Б - нож для точки сверл; В - процесс заточки сверл

Так в одной из книг [6, с. 20-21] рекомендовано перед сверлением слегка нагреть пробку на водяной бане в слабом растворе щелочи, затем пробку обмыть, вытереть, а на сверло нанести тонкий слой вазелина. Кроме того, рекомендовано сверление проводить не спеша, начиная с узкого основания пробки, причем, при этом в левую руку берут пробку, а в правую – сверло, но так, чтобы их оси совпадали (рис. 2) [7, с. 37].

 

Рис. 2 – Порядок сверления пробок ручными сверлами [7]:

А - начало сверления; Б - сверление пробки

Перед началом сверления по диаметру стеклянной трубки подбирают нужное сверло. При этом существует правило: для сверления корковой пробки подбирают сверло, диаметр которого должен быть слегка меньше диаметра трубки, а для резиновой пробки диаметр сверла должен равняться диаметру трубки [7, с. 37].

Из практики сверления пробок замечено, что сверление резиновой пробки без смазки очень трудно и, как правило, приводит к браку и, даже к травмам ладони. По окончании процесса сверления из трубчатого сверла выбивают керн – цилиндрический кусок резины, высверленный из пробки, что зачастую сделать достаточно сложно. Основным недостатком процесса сверления резиновых пробок трубчатыми сверлами является высокая опасность травмирования руки экспериментатора, сложность установки и сохранения параллельности оси отверстия и оси пробки. Причем, процесс сверления резиновых пробок трубчатыми сверлами большого диаметра, требует значительных усилий, что, не только затрудняет, а порой и делает невозможным сам процесс сверления. К слову сказать, в последнее время в лабораторной практике стали использоваться пробки из разнообразных современных материалов, таких как, фторопласт, полиэтилен и полипропилен [3, с. 42; 8].  Однако, наряду с тем, что эти пробки имеют значительно большую химическую стойкость, они обладают еще и большей твердостью, что, к сожалению, делает практически невозможным процесс их сверления ручными трубчатыми сверлами.

Более практичным и удобным является процесс сверления пробок при помощи специальной машинки для сверления пробок, рисунок которой приведен в книге [9, с. 181] (рис. 3).

Рис.3- Машинка для сверления пробок [9]

Основой частью машинки является массивная станина, на которой закреплен вал, вращаемый вручную. На другом конце вала установлен стержень, на котором закрепляется трубчатое ручное сверло. Внизу машинки на цилиндрической ребристой площадке устанавливается пробка, которая во время сверления удерживается сверлом на площадке.

Основные достоинства такого процесса сверления – пониженная вероятность получения травмы и более качественное сверление отверстий. Однако другие недостатки, присущие трубчатым сверлам остаются в процессе сверления пробок на машинках. Это относится и к трудности, а порой и невозможности сверления отверстия в пробках из достаточно твердого материала, например, из термостойкой пластмассы.

Для сверления пробок из резины и других твердых материалов было предложено в условиях школ использовать сверлильные и токарные станки. С этой целью был разработано специальное устройство – кондуктор, рисунок которого приведен в книге [10, с. 46-47] (рис.4). Кондуктор предназначался для закрепления и удержания пробок во время их сверления трубчатыми ручными сверлами на станках. Кондуктор представляет собой цилиндр из чугуна, в котором расположено коническое отверстие, повторяющее форму используемой пробки. На боковой поверхности кондуктора установлен стержень, за который кондуктор удерживается рукой при сверлении. Для сверления пробок на станках используют также переходники - устройства с помощью которых в патроне станка закрепляются трубчатые сверла разных диаметров (рис. 4).

Рис.4- Приспособление для станочного сверления пробок и его использование на станках [10]:

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

Процесс сверления с применением кондуктора происходит следующим образом: сверло закрепляют в патроне сверлильного станка, а в кондуктор укладывают пробку большим основанием вверх. В результате этого происходит прижатие резиновой пробки к внутренней поверхности кондукторе, а за счет трения происходит удерживание пробки в кондукторе. Для снижения трения в место сверления наносят каплю глицерина.

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. Также, при высоких скоростях сверления существует возможность того, что кондуктор может «вырваться» из руки и травмировать 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 обременительным для бюджета школ. И основной недостаток применения станков для сверления – не все школы оснащены сверлильными и токарными станками, да и школьников навряд ли допустят к работе на них.

В связи с вышеизложенными недостатками различных способов и устройств, используемых в лабораторной практике для сверления резиновых пробок нами, была поставлена цель разработки нового способа сверления конусных резиновых пробок и 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 разрабатываемого способа сверления конусных резиновых пробок в условиях школ и вузов;

Повысить надежность процесса удержания пробки во время сверления и исключить любую 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) будет универсальным и применимым к сверлению различными сверлами (трубчатыми, спиральными и т.д.) и инструментами (ручными и электрическими), в том случае, если пробки в устройстве размещать таким образом, чтобы они были неподвижно зафиксированы и прижаты большим основанием к массивной опоре, легко поддающейся сверлению, например, из дерева или полимера.

2. Конструкция универсального устройства для сверления конусных пробок

В основе конструкции нового устройства для сверления конусных пробок лежит устройство для сверления, представляющее собой, набор кондукторов с коническими отверстиями, соответствующими размерам просверливаемых пробок и ориентированных большими основаниями вверх. Как уже было сказано, такие кондукторы описаны в книге [10, с. 46-47].

В отличие от вышеописанного кондуктора, автором данной работы, было предложено использовать пластину, на которой расположено несколько конических отверстий под различные пробки, ориентировав их большими основаниями вниз. Кондукторную пластину предложено было закрепить на массивной опоре, изготовленной из дерева, с помощью прижимных гаек-барашков на откидных винтах, которые 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 - 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.

Рис. 5- Конструкция разработанного устройства для сверления пробок

Процесс сверления конусных пробок с использованием предлагаемого устройства осуществляется следующим образом: конические пробки (резиновые, корковые, фторопластовые, деревянные, полиэтиленовые, полипропиленовые) устанавливаются меньшим основанием вверх в соответствующее коническое отверстие кондукторной пластины устройства, помещаются на опору устройства и прижимается к ней с помощью прижимных винтов с гайками-барашками. При этом происходит прижатие большого основания пробки к горизонтальной поверхности опоры, а боковой конической поверхности пробки к поверхности конического отверстия, изготовленного в кондукторной пластине.

Рис. 6 - Внешний вид опытного образца устройства для сверления пробок

Все это приводит к надежному закреплению пробок в отверстиях кондукторной пластины и возможности их сверления с помощью всех видов сверл – трубчатыми и спиральными и любыми инструментами – ручным и электроинструментом. 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.

Рис. 7 - Сверление резиновых пробок шуруповертом с помощью универсального устройства для сверления

После сверления прижимные гайки-барашки легко раскручиваются и

кондукторная пластина снимается с опоры, после чего нажатием на выступающее меньшее основание пробки выталкиваются из конических отверстий кондукторной пластины. В дальнейшем, в пластину устанавливаются новые пробки и процесс сверления повторяется.

Для того, чтобы иметь возможность сверления пробок всех имеющихся размеров (по ГОСТ 7852-76) достаточно иметь 2-3 съемные кондукторные пластины с коническими отверстиями под пробки разных размеров. Устройство не сложно по своей конструкции и может быть изготовлено в условиях школ и вузов без применения сложного оборудования.

2.1 Оценка диаметра применяемого спирального сверла для сверления различных отверстий в конусных резиновых пробках с помощью разработанного универсального устройства

При сверлении резиновых эластичных пробок в отличии от пробок из твердого материала диаметр просверленного отверстия меньше диаметра использованного спирального сверла. В наших исследованиях было показано, что при сверлении отверстий в конусных пробках шести разных номеров отличие диаметров отверстий от диаметров сверл составляло от 5 до 27 %. Подобное явление значительно увеличивает время подбора сверл, что приводит к повышению расхода пробок за счет получаемого брака. Поэтому нами были проведены экспериментальные исследования по выявлению зависимости величин диаметров получаемых отверстий от диаметров применяемых сверл. В случае выявления такой зависимости значительно упрощается процесс подбора сверл и снижается процент бракованных пробок.

Для экспериментов были отобраны наиболее применяемые в химических лабораториях пробки по ГОСТ 7852-76. Были использованы пробки следующих номеров: 40; 29; 19; 16; 14,5; 10,0. Для сверления 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 разработанное устройство для сверления устанавливали пробки соответствующих 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 штангенциркулем (класс точности 2, точность до 0,1 мм) были замерены диаметры всех полученных отверстий. Затем для каждого отверстия в пробках путем подбора был найден оптимальный диаметр трубки, которую можно с небольшим усилием плотно вставить в отверстие. Трубки предварительно смачивались водой. Полученные результаты приведены в таблице 1.

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

В таблице 1 также приведены величины отношений диаметров использованных сверл, к диаметрам трубок, которые закреплялись в пробках. 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: D_сверла=К·D_трубки, где, К – коэффициент сверления резиновых пробок.

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
1,10	8
1,16	6,1
1,22	4,5
1,32	2,6

По «сглаженным» величинам, приведенным в таблице 2, в электронной таблице Microsoft Excel 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 D_сверла=К·D_трубки вставили найденный коэффициент сверления , после чего формула стала выглядеть как: D_сверла= ·D_трубки. После упрощения формула выглядела следующим образом: , где, D_сверла – диаметр сверла для сверления отверстия в пробке, мм; D_трубки – диаметр трубки, которую необходимо вставить в пробку, мм.

Проверка формулы опытным путем

Для проверки формулы по оценке диаметра сверла, необходимого для проделывания отверстия в пробках были проведены экспериментальные исследования. Была поставлена цель по установке трубки диаметром 8 мм в пробку № 24 и трубки диаметром 5,7 мм в пробки № 14,5 и 16. Для этого был проведен расчёт по формуле диаметров сверл, которыми нужно просверлить отверстия в пробках, после чего в них были вставлены трубки и проведена субъективная оценка этого процесса:

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 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 химической кафедре ГВиСТ СамГТУ, где он был модернизирован в соответствие с нашими рекомендациями. Модернизированный вариант устройства для сверления приведен на рис. 8.

Рис. 8 - Модернизированный вариант устройства для сверления конусных резиновых пробок

Впоследствии на полученную конструкцию устройства для сверления пробок был получен патент РФ на полезную модель № 166706 [5] (Приложение А), а статья о новом способе сверления резиновых конусных пробок была опубликована в региональном научном журнале из списка ВАК [11, с. 99-105.] (Приложение А). В дальнейшем поступило предложение о патентовании и оказании помощи в использовании нашего изобретения за рубежом.

2.2 Компьютерная программа 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. 9.

Рис. 9 - Окно программы по расчету диаметра сверла в зависимости от диаметра трубки

Разработанное нами новое устройство для сверления пробок в виде опытного образца прошло апробацию в школе № 64 г. Самары и химической лаборатории кафедры технического университета при сверлении конических пробок, изготовленных из разных материалов – резины, фторопласта, полиэтилена, полипропилена, дерева) различных размеров от 8-16 мм до 45-52 мм с помощью спиральных сверл по металлу без применения какой-либо смазки и другой специальной подготовки пробок. Сверление пробок происходило с помощью настольного сверлильного станка и электродрели.

Заключение

Разработаны эффективные способ и конструкция устройства для сверления конусных резиновых пробок, которые могут с успехом использоваться в лабораториях школ и вузов.

Разработана компьютерная программа в среде электронных таблиц MS EXCEL для оценки диаметра используемого спирального сверла, применяемого для сверления отверстий в резиновых пробках.

Проведена экспериментальная проверка новых 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 ГВиСТ СамГТУ.

Литература

Для чего нужна пробка в химии: Пробка для химических сосудов как

Соединительный элемент [Электронный ресурс]. URL:https://xn--80akfkfe7aj.xn--p1ai/raznoe/dlya-chego-nuzhna-probka-v-himii-probka-dlya-himicheskih-sosudov-kak-soedinitelnyj-element.html (Дата обращения: 10.12.2021).

Практикум по общей химии. В.И. Семишин. Под ред. Проф. В.В. Лебединского. М., Л.: Химиздат, 1948.- 312 с. (с. 28).

Степин Б.Д. Техника лабораторного эксперимента в химии: учеб. пособие для вузов. М.: Химия, 1999.-600 с. (с. 42-43).

Полупаненко Е.Г.Школьный химический эксперимент: учебное пособие / Е.Г. Полупаненко; ГОУ ВПО ЛНР Луганский национальный университет имени Тараса Шевченко. – Луганск: Книта, 2018. – 176 с. (С. 17).

Устройство для сверления пробок // Патент РФ на полезную модель №166706. 2016. Бюл. № 34 / Янов И.В., Пыжов А.М., Лукашова Н.В.

Практикум по органическому синтезу. М.Н. Храмкина. Изд. 4-е, испр. Л.: Химия, 1977.- 320 с.с. 20-21.

Практикум по методике обучения химии. Ю.В. Плетнер, В.С. Полосин. Уч. пособие для пединститутов. М.: Учпедгиз, 1962.- 263 с., с. 37.

Новолаб (пробки) Лаборатории нашего времени [Электронный ресурс]. URL: https://novolab.ru/catalog/probki_rezinovye/ (Дата обращения: 10.12.2021)].

П.И. Воскресенский. Техника лабораторных работ. Издание 10-е стереотипное. М.: Химия, 1973. -717 с.

Полосин В.С., Прокопенко В.Г. Практикум по методике преподавания химии: учеб. Пособие для студентов пед.ин-тов по спец. № 2122 «Химия».-6-е изд., перераб. –М: Просвещение, 1989.- 224 с.

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 А

К опии титульных листов патента на полезную модель и статьи в научном журнале

Код для цитирования: Скопировать