Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 10
1.1 .Роль стрельбы из пневматического пистолета в подготовке спортсменов стрелков 10
1.1.1. История развития стрелкового спорта 10
1Л .2. Виды пулевой стрельбы 13
1.1.3. Востребованность в подготовке стрелков 17
1.2. Требования к конструкции пневматических пистолетов 20
1.2.1.Требования, предъявляемые Федеральным законом «Об оружии» 20
1.2.2.Криминалистические требования 21
1.2.3Требования, предъявляемые Международной федерации стрелкового спорта 22
1.2.3.1 .Требования к пистолетам 22
1.2.3.2.Требования к рукояткам 23
1.3. Материалы, применяемые для изготовления рукояток спортивных пистолетов 24
1.4. Сопоставление потребительских свойств отечественных и зарубежных образцов спортивных пневматических пистолетов 28
Глава 2. Моделирование ортопедической рукоятки 37
2.1. Выбор варианта моделирования 38
2.2. Сканирование отливок кисти руки в положении охвата рукоятки 42
2.3.Разработка 3D модели ортопедической рукоятки 47
Глава 3. Эргономика и размерная типология ортопедических рукояток спортивных пневматических пистолетов 51
3.1. Эргономические преимущества ортопедических рукояток 51
3.2. Экспертная оценка удобства удержания пистолетов 55
3.3. Размерная типология рукояток 56
3.3.1 Исследование размеров кистей рук 56
3.3.2 Исследование интервала безразличия размеров рукояток 59
Глава 4. Конструктивное обеспечение регулирования положения рукоятки 65
4.1. Механизмы регулирования положения рукоятки зарубежных образцов пистолетов 66
4.2. Регулирование положения рукоятки пистолета МР-46М 68
Глава 5. Технологический процесс автоматизированного производства ортопедических рукояток пистолета МР-46 72
5.1. Последовательность и время выполнения операций технологического процесса 72
5.2. Материал и размеры заготовок 74
5.3. Оборудование 75
5.4. Режущий инструмент 76
5.5. Стратегии фрезерования 77
5.6. Исследование элементов режима резания при фрезеровании 84
5.6.1. Влияние шага поперечной подачи на высоту профиля неровностей и комфортность удержания рукоятки 84
5.6.2. Влияние скорости резания и продольной подачи на качество обработки 87
5.7. Приспособление для зажима заготовок 89
Основные выводы и результаты работы 92
Список использованных источников 93
Приложение А 100
Приложение Б 101
Приложение В 105
Приложение Г 114
- Материалы, применяемые для изготовления рукояток спортивных пистолетов
- Исследование интервала безразличия размеров рукояток
- Стратегии фрезерования
- Влияние шага поперечной подачи на высоту профиля неровностей и комфортность удержания рукоятки
Материалы, применяемые для изготовления рукояток спортивных пистолетов
Долгое время традиционным материалом для изготовления ортопедических рукояток были различные породы древесины. Сегодня с появлением новых конструкционных материалов, в том числе и синтетических, ассортимент материалов, пригодных для изготовления рукояток, значительно увеличился, тем не менее древесина остается основным материалом. Все разновидности материалов можно разделить на три большие группы: древесина, древесные материалы и полимерные материалы (рисунок 7).
Из перечисленных трех групп материалов наиболее широкое применение для изготовления ортопедических рукояток (рисунок 4) находит первая, куда входят твердые сорта древесины ввиду высоких прочностных характеристик. Стрелки-спортсмены отдают предпочтение деревянным рукояткам по ряду причин. Первая - гигроскопичность древесины, поскольку во время соревнований и подготовке к ним при длительной стрельбе рука потеет, рукоятка становится скользкой и начинает выскальзывать из руки, а способность дерева впитывать влагу обеспечивает устойчивое удержание, что напрямую отражается на результатах стрельбы. Вторая - древесина хорошо поддается механической обработке как станочной, так и ручной, обеспечивается возможность получения достаточно сложных, криволинейных поверхностей. Третья - возможность доработки и подгонки рукоятки уже под конкретную ладонь без искажения внешнего вида, при этом необходимо лишь повторно пропитать подрезанное место маслом. Четвертая - эстетичность, наличие характерной фактуры в зависимости от породы выгодно отличает древесину от других материалов, невозможно встретить две одинаковые рукоятки, каждая получается уникальной даже если они были изготовлены из одной породы древесины. Пятая - приятное тактильное восприятие.
Однако для массового производства механическая обработка деревянных рукояток достаточно трудоемка и материалоемка, в процессе резания большая часть дерева уходит в отходы, а какая-то часть отбрасывается, т.к. недопустимо наличие в рукоятке сучков, трещин и гнили. Дороговизна натуральной древесины и трудоемкость изготовления обуславливают достаточно высокую стоимость таких рукояток. Ортопедические рукоятки из древесины предназначены для истинных ценителей качества.
Вторая группа - это быстро набирающие популярность рукоятки из древесных материалов: фанеры, оружейного ламината и реже клееной древесины (рисунок 8). Рукоятки из таких материалов сохраняют все положительные качества древесины, а ввиду наличия синтетических связующих улучшаются прочностные показатели, долговечность и влагостойкость [18]. В сравнении с массивом древесные материалы имеют повышенную однородность физико-механических свойств вдоль и поперек волокон, отсутствие коробления и растрескивания, отсутствие в материале трещин, сучков и гнили, что снижает материалоемкость. Отличительной чертой рукояток из ламината является их яркий окрас, после вырезания нужной формы открываются разноцветные слои, что придает дополнительную декоративность. В рукоятках могут быть использованы фирменные цвета той или иной компании, можно сделать индивидуальный окрас. Что касается недостатков, то основным из них является экологичность. При склейке шпона используются смолы, содержащие большую концентрацию фенольных соединений, а эти соединения, как известно, вредны для здоровья [19]. Поэтому рукоятки из таких материалов должны иметь защитные покрытия, что опять же делает рукоятку не гигроскопичной, либо необходимо применять особую фанеру (меламиноформальдегидную), где концентрация вредных примесей мала, но такой материал имеет высокую стоимость. Еще одним недостатком является повышенный износ режущего инструмента ввиду увеличенной твердости (наличия клеящихся веществ) материала. Рукоятки из таких материалов подойдут стрелкам, которые любят экспериментировать, шагают в ногу со временем и желают подчеркнуть свою индивидуальность.
Третья группа - рукоятки из пластмассы (рисунок 9), их основные преимущества: малый вес, низкая себестоимость, неограниченные запасы сырья, легкость переработки изделия с небольшими затратами. Для удешевления производства и повышения эксплуатационных качеств производители совершали многочисленные попытки замены деревянных рукояток пистолетов пластиковыми, однако многие спортсмены отказываются от пластиковых рукояток. Недостаток пластиковых рукояток - они абсолютно не гигроскопичны. Когда рука потеет, рукоятка начинает выскальзывать из руки, что снижает точность стрельбы. При создании гигроскопичных пластиков они могут найти применение в производстве спортивных пистолетов для начинающих спортсменов, которые еще не достигли высокого уровня, а значение рукоятки на результативность их стрельбы не так велико.
Исследование интервала безразличия размеров рукояток
Гистограммы показывают, что значения размеров HI и Н2 подчиняются закону нормального распределения, отмеченное позволяет использовать аппарат математической статистики [53-55] для оценки параметров выборки. Величины математического ожидания X, выборочной дисперсии DB и выборочного среднего квадратического отклонения ав размеров ладони приведены в таблице 8.
В эргономике при определении граничных значений размерных рядов применяется метод перцентилей [56-58]. В диапазонах размеров ладони X + 2 ав, соответствующих интервалу 2,5-97,5 перцентиля, находятся размеры кистей рук 95% респондентов, исключая 2,5% наименьших значений размеров и 2,5% наибольших. В 95%-ый диапазон входят длины ладони от 156,94 до 206,54мм, ширины ладони от 67,24 до 98,36 мм.
С целью приведения разнообразия размеров ладони HI и Н2 к небольшому числу типов и создания размерного ряда ортопедических рукояток определен интервал безразличия и выполнена дискретизация диапазонов размеров. Под интервалом безразличия понимают промежуток размеров изделия внутри которого разница между размерами изделия не ощущается потребителем [49]. Дискретизация позволит пользоваться одним и тем же размером рукоятки спортсменам с размерами кисти руки не полностью совпадающими с размерами рукоятки, отличающимися от среднего размера в большую или меньшую сторону в пределах половины интервала безразличия.
Поскольку рукоятки снабжены регулируемым упором для ребра ладони (см. рисунки 4,6; 31,6), то имеется возможность (в определенных границах) подгонки высоты рукоятки С под ширину ладони Н2 спортсмена, тогда как регулирования ширины А и полноты В рукояток в известных конструкциях пистолетов не предусмотрено. Поэтому интервалы безразличия по длине ладони HI определили непосредственно по ощущениям спортсменов, а интервал безразличия по ширине ладони - опосредовано через установленный (далее) интервал безразличия по длине ладони и выявленную корреляционную связь между ее длиной и шириной (см. рисунок 33).
Для определения интервала безразличия по длине ладони отобрали тринадцать групп экспертов из спортсменов-разрядников, кандидатов в мастера спорта и мастеров спорта по стрельбе из пневматического пистолета. Отклонения длин кисти руки ЛН1 каждого из спортсменов от математического ожидания X (см. таблицу 7) не превышали ±6,5 мм. а отклонения АНІ в одной группе экспертов не превышали ±0,5мм.
Каждая группа выполняла серию из 40 выстрелов - упражнение ПП2, из пистолетов с рукоятками, изготовленными по значениям математического ожидания X размеров HI и Н2 (см. таблицу 7). Результаты оценки удобства удержания приведены на рисунке 35.
Из графика следует, что интервал безразличия по длине ладони составляет 8-9мм, т.к. при АН1 свыше ±(4-4,5)мм. удобство удержания резко ухудшается. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что размерный ряд рукояток целесообразно разделить на шесть интервалов (таблица 9) (большее число интервалов в размерном ряду не приводит к существенному улучшению удобства удержания). Полученное число интервалов размеров соответствует принятому одним из основных европейских производителей спортивных пистолетов - немецкой фирмой «Walther».
При шести интервалах размеров в размерном ряду диапазон безразличия по ширине ладони составил шесть миллиметров. Для обеспечения кратности размеров HI и Н2 интервалу безразличия, границы диапазонов размеров HI и Н2 несколько расширили относительно граничных значений X ± 2 ав. По аналогии с европейскими производителями в одном интервале ширины ладони выделены по три интервала ее длины - для короткой, средней и длинной кисти руки [59].
Проведено исследование влияния значимости установленной величины интервала безразличия на результаты стрельбы из пистолета. Исследование выполнено на электронном компьютерном стрелковом тренажере СКАТТ [60], экран которого устанавливается вместо обычной мишени (вешается на стену, пулеулавливатель). Для работы с тренажером стрелок закрепляет на оружии датчик, который постоянно с высокой точностыо следит за перемещениями оружия относительно мишени. Информация от датчика поступает в компьютер, где преобразуется программой и отображается в виде траектории перемещения точки прицеливания на фоне мишени. Момент выстрела фиксируется на экране в виде пробоины. Вся информация о прицеливании и координаты пробоины сохраняются в памяти компьютера для последующего анализа (рисунок 36).
Результаты испытаний показали, что даже после длительной стрельбы из пневматического пистолета МР-46М, оснащенного разработанной ортопедической рукояткой с размерами, соответствующими размерам HI и Н2 кисти руки, устойчивость прицеливания и стабильность результатов сохраняются (рисунок 37). А применение рукояток соседних (большего и меньшего) размеров размерного ряда ведет к снижению стабильности стрельбы и большему разбросу результатов (рисунок 38).
Стратегии фрезерования
Поскольку форма ортопедической рукоятки достаточно сложная, внутри имеется выборка (посадочное место под рамку пистолета), а щечки обрабатываются с двух сторон с переустановкой, то при изготовлении рукоятки необходимо использовать различные стратегии фрезерования разных поверхностей.
Все стратегии для обработки изделий по 3D моделям можно разделить на две группы: черновые и чистовые. Существуют следующие стратегии черновой обработки [75]:
Выборка углов;
Выборка 3D модели;
По профилю 3D модели;
Выборка 3D модели доработка;
По профилю 3D модели доработка;
Выборка погружением;
Выборка слоем;
Профиль слоя.
Для чистовой обработки применяют стратегии, отличающиеся между собой траекторией движения [75]:
Пологие + отвесные
3D смещение
Растр
Спираль
Оптимизированная Z
Для черновой обработки рукоятки наиболее подходящей является стратегия «Выборка 3D модели» в соответствии с которой послойно снимается лишний материал сверху вниз с шагом перемещения 4мм (рисунок 47). Обработка выполняется с припуском на чистовую обработку 1мм.
Для последующей чистовой обработки выбрана стратегия «пологие + отвесные», в соответствии с которой поверхности разделяются на пологие и отвесные участки по заданному углу и выполняется их поочередная обработка (рисунок 48).
При доработке криволинейных поверхностей внутренней части рукоятки применили стратегию «3D смещение», когда обработка начинается с наружного края 3D модели и проходит по контуру и по спирали, смещаясь на заданный шаг к центру. Постоянный шаг по поверхности независимо от ее наклона обеспечивает упорядоченную фактуру, что с точки зрения эстетики важно на внешних поверхностях, в данном случае в месте прилегания основания большого пальца (рисунок 49).
После переустановки заготовки обрабатывается внешняя поверхность рукоятки. Для этого выбрали стратегию «3D смещение», которая дает возможность получить высокое качество поверхности, позволяя контролировать расстояние между последовательными проходами по высоте профиля неровностей, а также наиболее экономична по длине траектория (рисунок 50). Применение стратегии «пологие + отвесные» не обеспечивает возможности получения упорядоченной фактуры, внешняя поверхность приобретает хаотичную фактуру.
Затем дорабатывают паз цилиндрической фрезой для получения прямых углов используя стратегию «пологие +отвесные» (рисунок 51)
Маркировку выполняют по стратегии «3D смещение», позволяющей быстро получить нужный элемент (рисунок 52).
Влияние шага поперечной подачи на высоту профиля неровностей и комфортность удержания рукоятки
Во время длительных тренировок и соревнований рука спортсмена потеет и рукоятка с гладкой поверхностью начинает выскальзывать. Для предотвращения выскальзывания фактуру рабочей поверхности рукоятки выполняют рельефной [76-78]. Фрезерование на станке с ЧПУ автоматически обеспечивает рельефность фактуры без применения дополнительных операций. После чистовой обработки рукоятки шаровой фрезой на ее поверхности остаются бороздки, глубина которых Rmax зависит от радиуса фрезы R f и шага поперечной подачи S (рисунок 53).
Для определения значений параметра Rmax, обеспечивающих комфортное тактильное восприятие и предотвращающих выскальзывание рукоятки проведено исследование. Изготовлены рукоятки с шагом S от 0,4 до 2мм с интервалом 0,2мм (таблица 11).
Группа экспертов (см. таблицу 4) выполнила серию выстрелов с использованием каждой из приведенных в таблице 11 рукояток и оценила по пятибалльной шкале полученную фактуру с точки зрения предотвращения выскальзывания и обеспечения комфортности тактильного восприятия. Результаты экспертного опроса представлены на гистограмме (рисунок 54). Установлено, что шаг поперечной подачи равный 1,2-1,4 мм позволяет получить поверхность как исключающую выскальзывание рукоятки при стрельбе, так и обеспечивающую комфортное тактильное восприятие. С уменьшением шага поперечной подачи усиливается выскальзывание из-за уменьшения высоты неровностей, а с увеличением шага снижается комфортность тактильного восприятия, поскольку с увеличением высоты неровностей рукоятка становится более «колючей».
В процессе изготовления рукоятки из древесины фрезерованием на станке с ЧПУ возможно образование вырывов, сколов кромок и углов, выступание волокон, которые снижают качество и портят внешний вид рукоятки (рисунок 55). Дефекты чаще всего происходят вследствии неправильно подобранных режимов фрезерования [80] для выбранной породы древесины и затупления режущих кромок фрезы.
Для обеспечения рациональных режимов обработки исследовали влияние продольной подачи и скорости резания (числа оборотов) на наличие дефектов при фрезеровании рукояток из ореха на станке с ЧПУ.
Для каждой операции определены сочетания подачи и числа оборотов шпинделя, обеспечивающие высокое качество поверхности при минимально затраченном времени (таблица 12). Например, при черновой обработке сколы появляются при числе оборотов шпинделя более 1300 об/мин и подаче более 1650-1700 мм/мин. Рациональные режимы обработки выделены рамкой на рисунке 56.
Подобранные режимы позволяют избежать или минимизировать производственные дефекты.
