Соединение деталей из листового материала неравномерной толщины по способу соединения "шип-паз"
CONNECTION OF PARTS FROM SHEET MATERIAL OF NON-UNIFORM THICKNESS BY TENON-GROOVE CONNECTION METHOD

Изобретение относится к способу сборки в столярном и конструкторском производстве, при изготовлении конструкторов и игровых сборных изделий, в сувенирном и декоративно-прикладном производстве при работе с листовыми материалами с заданным пределом допустимых отклонений толщины.
Существующий способ скрепления деталей шип-паз, широко используемый в столярном производстве, требует подгонки ширины паза и толщины шипа, дополнительной склейки либо использования дополнительных крепежных элементов для соединения деталей, что является недостатками такого технического решения. Материалы на основе древесины (фанера, ДВП и другие), а также листовые пластики (акрил, полистрирол, полипропилен и другие) могут иметь значительную локальную неравномерность по толщине - достигающей 10% и более от средней толщины листового материала. Так, согласно ГОСТ 3916.1-96 при номинальной толщине шлифованной фанеры 3 мм предельное отклонение находится в пределах +0,3/-0,4 мм, что в пересчете к толщине листового материала составляет не менее 10% в каждую сторону и более 20% - общее отклонение между минимальной и максимальной толщиной материала. Такие колебания толщины листовых материалов, из которых вырезаются заготовки деталей с пазом и шипом, в общем случае для соединения шип-паз могут требовать дополнительной обработки и дополнительных затратных процедур по подгонке, калибровке деталей с шипом и пазом по фактическим замерам получившихся толщин деталей, отбраковке деталей с неподходящими толщинами, что приводит к дополнительным материальным и временным затратам. Предлагаемое изобретение позволяет обойти данные ограничения и получить соединение шип-паз при колебаниях толщины используемых материалов в заданных пределах.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание эффективного неподвижного соединения для сборки изделий, состоящих из деталей, изготовленных из листовых материалов различной жесткости, имеющих погрешность по толщине материала на соединяемом участке (заданную пределом допустимых отклонений толщины) без обязательной дополнительной калибровки, подгонки или механической доработки деталей, крепления или склеивания.
Предлагается система неподвижного соединения плоских на участке соединения деталей, состоящая из первой и второй детали, причем участок края первой детали выполнен в виде шипа с возможностью вставления в паз второй детали, когда шип расположен перпендикулярно участку детали с пазом, при этом край паза имеет не менее одного выступа клиновидной формы. Длина шипа равняется глубине паза или превышает ее. Длина шипа или участка шипа превышает глубину паза для соединения двух и более деталей с пазами, проходя через них. Паз выполнен сквозным. Высота паза превышает толщину материала детали на величину заданного предельного отклонения толщины - то есть принимается по максимально возможной толщине для данного листового материала, заданного показателем положительного предельного отклонения. Клиновидный выступ по краю паза выполнен достаточной высоты для того, чтобы произвести зацепление с шипом второй детали даже в случае, если деталь с пазом будет иметь минимальную толщину по заданному предельному отклонению для материала этой детали. Таким образом, высота клиновидного выступа (либо, в случае использования двух и более клиновидных выступов, расположенных на противоположных сторонах паза, суммарная высота двух клиновидных выступов, расположенных на противоположных сторонах паза) не может быть меньше разницы между максимальной и минимальной возможными толщинами для данного листового материала, определяемые показателями положительного и отрицательного предельного отклонения. Детали выполнены из листового материала.
Изобретение поясняется чертежами. На Фиг. 1 представлен участок детали с шипом, где А - ширина шипа, В - длина шипа, С - толщина шипа. На Фиг. 2 представлен участок детали со сквозным пазом и выступом по краю паза, где D - ширина паза, Е - высота паза, F - глубина паза, G - высота выступа клиновидной формы. На Фиг. 3 показан участок соединения первой детали с шипом и второй детали с пазом и выступами клиновидной формы. На фиг. 4 показана деталь, имеющая паз с выступами и шип. На фиг. 5 представлены детали, выполненные из разных материалов. Система соединения деталей согласно изобретению представлена на фиг. 6.
Изобретение осуществляется следующим образом. Из листового материала при помощи высокоточного оборудования лазерной резки материала с ЧПУ управлением вырезают первую деталь, участок края которой выполнен в виде шипа, и вторую деталь, имеющую паз, при этом край паза имеет выступ заостренной формы. Ширина шипа А (фиг. 1) соответствует ширине паза D. Толщина шипа С определяется толщиной используемого материала детали и может принимать различные значения, в диапазоне, ограниченном в меньшую и большую сторону от средней толщины материала в соответствие с заданными величинами предельного отклонения в меньшую и большую сторону. Длина шипа В, как правило, принимается равной глубине паза F. Однако, в случае определенных конструкторских задач длина шипа В может принимать величину более глубины паза F, при необходимости соединить несколько деталей, одна из которых с шипом, а остальные - с пазом. Длина шипа В или участка шипа в таком случае принимается равной суммарной толщине деталей с пазами, и таким образом данный шип сможет соединить несколько деталей с пазом, проходя через них.
Паз на второй детали (фиг. 2) выполнен сквозным, поэтому глубина паза F совпадает с толщиной материала. Высота паза Е превышает среднюю толщину материала детали с шипом на величину наибольшего предельного заданного отклонения толщины для данного материала. Край паза имеет не менее одного выступа клиновидной формы. Технический результат выполняется при наличии как минимум одного выступа по краю паза (фиг. 3). Высота выступа G должна быть достаточной для того, чтобы произвести зацепление с шипом второй детали даже в случае, если деталь с пазом в точке контакта с выступом будет иметь минимальную толщину по заданному предельному отклонению.
При сборке первая деталь с шипом перпендикулярно вставляется в паз с выступами второй детали. В момент непосредственного соединения деталей в единое изделие, клиновидные выступы в пазе взаимодействуют с материалом шипа и деформируются, тем самым компенсируя неравномерность толщины используемого материала (фиг. 4). В точках контакта выступа и шипа происходит эффективное упругое соединение деталей. Суть соединения состоит в том, что шип вставляется в паз с выступами с усилием (натягом либо запрессовкой), за счет которого в момент соединения деталей заостренные выступы в пазе вклиниваются в материал детали с шипом, заклинивая соединение в местах контакта выступов с шипом, в результате чего происходит зацепление деталей с требуемым уровнем соединения. Особенность патентуемого соединения - в момент контакта в местах соединения выступов максимальное усилие возникает не по всей поверхности соединения «шип-паз», а только в местах контакта заостренных выступов паза с поверхностью шипа, что приводит к деформации и прогнозируемому замятию материала деталей в этих контактных точках на необходимую величину для компенсирования заданной погрешности в толщине материала детали с шипом.
Детали в предлагаемом изобретении выполнены из листового материала, не ограничиваясь такими материалами как фанера, оргстекло или пластик, при этом соединены могут быть две и более детали, изготовленные из разных материалов (фиг. 5). Предлагаемое техническое решение упрощает этап подгонки деталей и менее требовательно к показателям допустимого отклонения толщины деталей и, в частных случаях, позволяет полностью отказаться от дополнительной склейки и использования дополнительных крепежных элементов. Кроме того, изобретение находит более широкое применение в работе с различными композитными материалами.
Изобретение поясняется примерами. Используют материал - нешлифованная фанера толщиной 3 мм с предельным отклонением +0,4/-0,3 мм, разнотолщинность 0,6 мм (согласно ГОСТ 3916.1-96 Фанера общего назначения с наружными слоями из шпона лиственных пород.), т.е. материал с заданным предельным отклонением от 10% в большую и меньшую сторону. Очевидно, что такие отклонения затрудняют эффективное конструирование изделий из подобного листового материала в случае скрепления получаемых деталей в перпендикулярных плоскостях по способу соединения паз - шип. При размере паза - высоте Е (Фиг. 2), рассчитанной по среднему показателю толщины материала (С, Фиг. 1), в случае фактического превышения толщины детали с шипом, допускаемым заданным предельного отклонением для данного листового материала, т.е. С>Е - сборка изделия без повреждения деталей крайне затруднена либо невозможна (шип не войдет в паз, т.к. толщина шипа С превышает размер - высоту паза Е). А в равновероятном случае, когда фактическая толщина шипа будет определяться по нижнему пределу допустимого предельного отклонения для данного листового материала (фактические значения С<Е), соединение не будет выполнять конструктивные задачи скрепления деталей и даст значительный люфт в местах соединения. При помощи высокоточного оборудования лазерной резки материала с ЧПУ управлением вырезают две (или более) детали. В одной детали вырезают шип, ширина которого А равняется 10 мм, высота шипа В определяется глубиной паза и равна 3 мм, а толщина шипа С определяется заданными пределами толщины материала (фанеры) и может принимать значения 2,7…3,4 мм. Во второй детали вырезают сквозной паз, ширина которого D соответствует ширине шипа А и равняется 10 мм. При этом высота паза Е составляет 3,4 мм, т.е. определяется по верхней границе предельного отклонения, заданного для данного материала. В примере 1 при размере паза 10×3,4 мм используется один выступ клиновидной формы по краю паза с высотой не менее 0,7 мм - данная высота выступа является достаточной для того, чтобы произвести зацепление с шипом второй детали даже в случае, если деталь с пазом будет иметь минимальную толщину по заданному предельному отклонению для материала этой детали, т.е. высота клиновидного выступа не может быть меньше разницы между верхним и нижним значением отклонения для данного материала, т.е. (3,4-2,7)=0,7 мм. Для данного материала (фанера) таких параметров будет достаточно, чтобы в зоне контакта паз-шип произвести зацепление с шипом другой детали даже в случае, если деталь с пазом будет иметь минимальную толщину по заданному предельному отклонению. В момент непосредственного соединения деталей в единое изделие, выступающий клиновидный выступ в пазе взаимодействуют с материалом шипа и деформируются, тем самым компенсируя неравномерность толщины используемого материала (фиг. 6). Увеличение высоты выступа до больших значений (более 0,7 мм для данного примера) возможно, что увеличит усилие натяга/запрессовки при соединении деталей и определяется конкретной конструкторской задачей использования соединения.
Таким образом, предлагаемая система неподвижного соединения плоских на участке соединения деталей типа «шип-паз», изготовленных из листовых материалов различной жесткости, имеющих погрешность по толщине материала на соединяемом участке (заданную пределом допустимых отклонений толщины), обеспечивает эффективное неподвижное соединение без дополнительной калибровки, подгонки или механической доработки деталей, крепления или склеивания, если край паза имеет хотя бы один выступ клиновидной формы.
В примере 2 при размере паза 10×3,4 мм используется несколько (три) выступов клиновидной формы по краю паза с высотой каждого не менее 0,35 мм. Данный размер определяется исходя из условия, что суммарная высота клиновидных выступов (для случая, когда выступов более одного, и они расположены на противоположных сторонах паза) не может быть меньше разницы между верхним и нижним значением отклонения для данного материала, т.е. (3,4-2,7)=0,7 мм, соответственно высота одного такого выступа 0,7/2=0,35 мм. Для данного материала (фанера) таких параметров будет достаточно, чтобы в зоне контакта паз-шип произвести зацепление с шипом другой детали даже в случае, если деталь с пазом будет иметь минимальную толщину по заданному предельному отклонению. В момент непосредственного соединения деталей в единое изделие, выступающие клиновидные выступы в пазе взаимодействуют с материалом шипа и деформируются, тем самым компенсируя неравномерность толщины используемого материала (фиг. 6). Увеличение высоты выступа до больших значений (более 0,35 мм для данного примера) возможно, что увеличит усилие натяга/запрессовки при соединении деталей и определяется конкретной конструкторской задачей использования соединения.