الخلوص بين اللاكمة والقالب في قضبان النحاس والألمنيوم

الخلوص هو الفجوة بين حافة القطع في اللاكمة وحافة القطع في القالب. وهو رقم واحد، ومن السهل أن تخطئ فيه، وعلى قضبان التوزيع يكون خاطئاً أكثر من أي بارامتر أدوات آخر. ومعظم الإرشادات المنشورة كُتبت لكبس الصفائح عند 1-3 mm؛ أما قضيب التوزيع فهو 6-20 mm من نحاس طري مطيل يتصلّد بالشغل. والنسب المئوية تنتقل. أما النتائج فلا.

وثمة اصطلاحان يختلفان بعامل اثنين. فالخلوص الكلي هو الفرق بين فتحة القالب ومقاس اللاكمة. والخلوص لكل جانب هو نصف ذلك، أي الفجوة الشعاعية عند أي نقطة على المحيط. وجدول مورّد يقول "نحاس، 20%" وورشة تعمل بـ 10% قد يصفان أدوات متطابقة. فتثبّت من الاصطلاح الذي يستخدمه رقم ما قبل مقارنته بأي شيء. وهذا المقال يستخدم "لكل جانب" في كل مواضعه، ويحوّل المصادر المستشهد بها حيث يلزم.

ماذا تخبرك حافة القطع

الثقب المثقوب في قضيب التوزيع فيه أربعة نطاقات، مرئية على جدار الثقب ومنعكسة على القُصاصة. وقراءتها أسرع تشخيص لديك، ولا تكلف شيئاً.

التقوّس يقع عند وجه دخول اللاكمة، حيث تخضع المادة وتُسحب إلى داخل الثقب قبل أن تُقطع، تاركةً شفة مدوّرة. وعمق التقوّس ينمو مع الخلوص ومع تبلّد الأداة ومع طراوة المادة، فهو ليس عيباً بحد ذاته. وعلى النحاس المُلدَّن يكون مرئياً دائماً.

الصقل هو النطاق اللامع تحت التقوّس، حيث فرك جانب اللاكمة جدار الثقب. وهو أملس ومستقيم، وهو أبعادياً يمثّل الثقب. وإرشادات الأدوات لدى Dayton Lamina تصف الخلوص الأمثل بأنه ما يُنتج قُصاصة بنطاق مصقول يقارب ثلث سماكة المادة ومستوى كسر منتظم في محاذاته، وهو ما يصلح قاعدة قبول لقضبان التوزيع أيضاً.

الكسر هو الباقي المطفأ الخشن. ويسير بزاوية لأن الشقّ ينتقل من حافة اللاكمة إلى حافة القالب، والخلوص يحدد تلك الزاوية. وسطح كسر مستقيم ومنتظم ومتصل مع نطاق الصقل يعني أن الشقّين التقيا. وذلك هو الهدف كله.

النتوء يقع عند وجه خروج اللاكمة: آخر رباط من المادة يستطيل ويتمزق بدل أن يُقصّ. وارتفاع النتوء يرتفع مع الخلوص ومع تآكل الحافة ومع الطراوة.

وثمة توقيعان للفشل يهمان أكثر من غيرهما. نطاق قص ثانوي، أي حلقة مصقولة ثانية في منتصف الجدار مع درجة بينهما، يقول إن الشقّ الآتي من اللاكمة والشقّ الآتي من القالب لم يلتقيا على المستوى نفسه وأن المادة بينهما اضطرت لأن تُقصّ مرتين. وذلك خلوص قليل جداً. أما التقوّس الكبير مع نتوء رفيع ممزّق ونطاق صقل قصير جداً فهو خلوص مفرط.

احتفظ بقُصاصة من كل طقم أدوات جديد، معلَّمة بالمادة والسماكة والخلوص. فمقارنة قُصاصة مشبوهة بأخرى معروفة الجودة تستغرق خمس عشرة ثانية وتحسم معظم الجدل حول ما إذا كانت الأداة تحتاج إعادة جلخ أو أن الخلوص خاطئ.

الخلوص كنسبة مئوية من السماكة، لكل جانب

العلاقة العملية هي:

c = k × t          (الخلوص لكل جانب، mm)
die opening = punch size + 2c

حيث t سماكة المادة وk نسبة الخلوص. ولقضبان النحاس تقع k في نطاق 5-12% لكل جانب. ودون 5% تدخل في القص الثانوي والضرر الحراري. وفوق 12% تقريباً على القضبان السميكة يبدأ التقوّس والتحكم في القُصاصة بالهيمنة. ونحو 10% لكل جانب هو الرقم العملي الشائع، وهو حيث يستقر معظم موردي الأدوات للقضبان نصف الصلدة.

والنطاق، محسوباً للسماكات التي تظهر في أعمال معدات المفاتيح:

فالنحاس بسماكة 6 mm يريد نحو 0.3-0.7 mm لكل جانب، والنحاس بسماكة 10 mm نحو 0.8-1.2 mm لكل جانب عملاً بالنصف الأعلى من النطاق. وفتحات القالب تلك تبدو كبيرة بشكل مُقلق إلى جانب اللاكمة إن كان حدسك آتياً من العمل على السماكات الرفيعة. وهي صحيحة. فالقالب للاكمة 13 mm في نحاس بسماكة 10 mm عند 10% لكل جانب هو 15 mm، والثقب الذي يصنعه سيقيس قريباً من 13 mm، لأن نطاق الصقل هو الذي يحدد جدار الثقب لا القالب.

والجداول المنشورة تتباين، لسبب. فدليل الأدوات لدى Conic يعطي النحاس نسبة خلوص 0.20-0.25 كرقم كلي على المكابس السيرفوية والهيدروليكية، أي 10-12.5% لكل جانب، مع ملاحظة بالضرب في 1.4 فوق سماكة 3.2 mm. وأخذ ذلك حرفياً يدفع النحاس السميك إلى 14-17% لكل جانب. وتُدرج UniPunch النحاس عند 20% من السماكة لنصف الصلد و25% لدرجة التصليد الصلدة، وهي أيضاً قيم كلية. وعمل Dayton على الخلوص المهندَس، وهو كبس على سماكات رفيعة، يذهب أعلى من ذلك. والتشتت حقيقي لا إهمال: فالأمثل يتوقف على ما إذا كنت تشتري عمر أداة، أو أدنى نتوء، أو قابلية تكرار أبعادية، وهذه الثلاثة لا تبلغ ذروتها عند الخلوص نفسه.

خلوص قليل جداً

الشقّ الآتي من اللاكمة والشقّ الآتي من القالب يبدأ كلٌّ منهما عند حافة قطعه وينتشر نحو الآخر. وبالخلوص الصحيح يقعان على المستوى نفسه ويلتقيان. وبخلوص غير كافٍ يتجاوز أحدهما الآخر، والرباط بينهما يجب أن يُمزَّق في حدث ثانٍ. وذلك يعطي نطاق القص الثانوي، وجدار ثقب خشناً وغير متسق، وثقباً أصغر من مقاس اللاكمة.

والنتائج على الأداة أسوأ من النتائج على القطعة. فالنحاس يرتد على جانب اللاكمة بعد الاختراق، فعند الخلوص الضيق ينغلق الثقب على اللاكمة وينتهي كل شوط بتركيب تداخلي يجب إخراجه بالقوة عند الرجوع. فترتفع قوة النزع، ويتآكل الجانب بالاحتكاك، وتتراكم الحرارة الاحتكاكية عند الرأس. وأمثلة Dayton الميدانية تُظهر تغيّر لون خلف الرأس من هذه الآلية بالضبط، مع تضرر المعالجة الحرارية للاكمة وانتهاء عمرها قبل تآكل الحافة نفسها بكثير. وفي الحالات الشديدة يكلّ الرأس وينخلع.

والسحب للخارج، لا شوط القطع، هو حيث يحدث كثير من التآكل. وتضعه Dayton عند ما يصل إلى ثلثي إجمالي تآكل اللاكمة، وهو كلياً دالة لمدى إحكام قبضة الثقب على الجانب. وتلك أقوى حجة ضد تشغيل الخلوص عند أسفل النطاق على النحاس. فالنحاس طري، فالمكبس لا يشتكي أبداً. لكن حساب الأدوات يشتكي.

والقوة القصوى ترتفع عند الخلوص الضيق أيضاً، لأن جزءاً أكبر من السماكة يُقصّ بدل أن يُكسر. وعلى ماكينة بمتّسع ضئيل، فذلك طريق معقول إلى توقف المكبس على أسمك قضيب في المهمة.

خلوص مفرط

المادة تنثني إلى داخل القالب قبل أن تُقطع. فينمو التقوّس، ويقصر نطاق الصقل، ويستولي نطاق الكسر على معظم الجدار، ويرتفع ارتفاع النتوء. والثقب أكبر من المقاس وحافته لم تعد قائمة الزاوية، وهو ما يهم حيث يكون الثقب وجه وصلة مربوطة بالبراغي.

والفشل التشغيلي هو سحب القُصاصة. فمع زيادة الخلوص تصبح القُصاصة أرخى في القالب وتعود صاعدة مع اللاكمة عند السحب بدل أن تسقط. فتحطّ على القضيب وتُدفع داخل الثقب التالي، أو تنحشر في النازع. وعلى النحاس تكون الآليتان التصاق غشاء الزيت والخلاء المتشكّل بين القُصاصة المتقوّسة ووجه اللاكمة. أما الالتصاق المغناطيسي، وهو الجاني الثالث المعتاد في العمل على الفولاذ، فلا ينطبق.

والتدابير المضادة ميكانيكية: مسمار قاذف زنبركي في وجه اللاكمة مع ثقب تنفيس جانبي، أو زاوية قص تقوّس القُصاصة فيحرّرها ارتدادها المرن نفسه، أو قالب بأرض قطع قصيرة يتبعها ارتياح أضيق يمسك القُصاصة فلا تستطيع الصعود. وحصر دخول اللاكمة في القالب بنحو 0.5-0.8 mm عند أسفل الشوط يساعد، لأن الدخول العميق يولّد خلاءً أكبر في طريق الخروج. والقائمة الكاملة وقيمة كل بند فيها موجودة في عمر الأداة وتكلفة الثقب الواحد.

الثقوب الصغيرة في القضبان السميكة

لقضبان التوزيع مشكلة هندسية لا يعرفها كبس السماكات الرفيعة. فثقب خلوص M12 هو 13 أو 13.5 mm. وفي قضيب بسماكة 10 mm تكون نسبة قطر الثقب إلى السماكة نحو 1.3؛ وفي قضيب بسماكة 12 mm نحو 1.1. وذلك ثقب قصير وعميق، وهو لا يتصرف كثقب 25 mm في صفيحة 3 mm.

ودون نسبة قطر إلى سماكة تقارب 1.5 تصبح القُصاصة صعبة الانثناء والانفصال. فيرتفع تحميل اللاكمة، ويطول نطاق الصقل، وينمو النتوء، ويخرج الثقب أصغر من المقاس. وإرشاد Dayton هو إضافة 1% لكل جانب إلى الخلوص الاسمي بمجرد أن يهبط الثقب إلى 1.5 ضعف السماكة، وترتفع الإضافة إلى نحو 4% لكل جانب حين يساوي قطر الثقب السماكة. ومطبَّقاً على ثقب 13 mm في نحاس بسماكة 12 mm لا يكون ذلك التصحيح اختيارياً، وهو يفسّر لماذا يسيء طقم أدوات يعمل بشكل رائع عند 6 mm التصرف عند 12 mm بالنسبة المئوية الاسمية نفسها.

وبيانات عمر الأداة لدى PASS Stanztechnik تتفق من الاتجاه الآخر: فمعاملات خفض التقنين لديهم هي 0.6-0.8 لمعلم مقطوع أصغر من 1.5 ضعف سماكة الصفيحة و0.3-0.5 لمعلم أصغر من 1.0 ضعف السماكة. فالثقب الصغير في قضيب سميك يكلفك بين نصف وثلثي عمر الأداة الذي كنت ستحصل عليه لولا ذلك.

قوة اللكم، وما تفعله هندسة الرأس بها

القوة المطلوبة هي المساحة التي تُقصّ مضروبة في مقاومة القص للمادة، F = perimeter × t × τ، أو F = π × d × t × τ للثقب الدائري. والأمثلة المحسوبة ومجموعة مرجعية من مقاومات القص موجودة في المقال المرافق عن تحديد قوة المكبس لتثقيب قضبان التوزيع، والحساب يجري مباشرة في حاسبة قوة تثقيب قضبان التوزيع.

والخلوص يتفاعل مع هذا، وكذلك هندسة الرأس. فاللاكمة ذات الوجه المسطح تقطع المحيط كله دفعة واحدة، فتصل القوة كلها كذروة ويكون التفريغ عند الاختراق عنيفاً. وجلخ زاوية قص على وجه اللاكمة يُدرّج القطع فتهبط القوة القصوى، لكنها على قضبان التوزيع السميكة تهبط أقل مما يوحي به التسويق. فجدول معامل القص لدى H. Weiss يعطي، على خامة بسماكة 1/4 in (6.35 mm)، معاملاً قدره 0.90 لعمق قص 1/16 in (1.6 mm)، و0.85 لـ 3/32 in (2.4 mm)، و0.65 لـ 3/16 in (4.8 mm). فالقص الضحل على النحاس السميك يشتري 10%. أما بلوغ 35% فيحتاج عمق قص يقارب ثلاثة أرباع سماكة القضيب، وهو رأس طويل هشّ.

المسطّح يعطي أعلى قوة قصوى، وأكثر الثقوب تعامداً، وأكثر القُصاصات استواءً. والقص المفرد، أي وجه مجلوخ بزاوية عبر اللاكمة، يعطي أكبر خفض في القوة لكنه يدفع اللاكمة جانبياً، وعلى لاكمة قضبان توزيع قصيرة يذهب ذلك الحمل الجانبي إلى الدليل والنازع. والسقف الجملوني، المتناظر حول خط المنتصف، يوازن الأحمال الجانبية وهو الخيار المعتاد لكل شيء عدا أصغر الثقوب. وفي الخرق ضع القص على اللاكمة لا على القالب: فأي العضوين يحمل الزاوية يشوّه جانبه من القطع، وفي الثقب المخروق تكون القُصاصة فاقداً بينما القضيب هو المنتج.

الألمنيوم ليس نحاساً، و6101 ليس 1350

الألمنيوم يغيّر أمرين. فمقاومة القص تهبط كثيراً، وهي لا تهبط بانتظام عبر الدرجات المستخدمة في قضبان التوزيع.

فالدرجات الموصّلة الناعمة من سلسلة 1xxx تقع قرب 60-80 N/mm² في القص؛ وتُدرج UniPunch مادة 1100-O عند 62 N/mm² و1100-H14 عند 76 N/mm²، وهي الرتبة الصحيحة لقضبان 1350-H111. أما القضبان المسبوكة والمعالجة حرارياً فمادة مختلفة. فمقاومة القص المنشورة لـ 6101-T6 تبلغ نحو 22 ksi، أي نحو 150 N/mm²، و6061-T6 مُدرج عند 207 N/mm². وتحديد مكبس أو طقم أدوات على "ألمنيوم، 80 N/mm²" ثم تسلُّم قضبان 6101-T6 يضاعف تقريباً القوة التي تحتاجها فعلاً. فتثبّت من السبيكة ودرجة التصليد قبل حساب القوة.

والخلوص لقضبان الألمنيوم يقع أدنى قليلاً من النحاس عند السماكة نفسها، عادةً حول 8-10% لكل جانب، لأن مقاومة القص الأدنى تدع الكسر ينتشر بسهولة. ومشكلة الألمنيوم هي الالتصاق. فهو يلتحم بفولاذ الأدوات، ويتراكم على جانب اللاكمة، ثم يخدش المئة ثقب التالية. والطلاء يساعد، وتذكر PASS Stanztechnik معامل عمر أداة قدره 2.0-4.0 لطلاء مناسب، أي درجة مخصصة للألمنيوم لا TiN عام الاستخدام. والتزييت يساعد أكثر. ومعامل خفض التقنين لدى PASS للعمل دون تزييت الصفيحة هو 0.4-0.6، فتثقيب قضبان الألمنيوم جافاً اقتصاد كاذب.

ودرجة تصليد النحاس تهم بالطريقة نفسها. فبموجب EN 13601، تُورَّد قضبان Cu-ETP كـ R220 مُلدَّن ناعم عند 220-260 N/mm² شدّاً، وR240 نصف صلد عند 240-300، وR290 صلد عند 290-360. وذلك متباعد بما يكفي لألا يكون طقم أدوات مضبوط لدرجة تصليد أمثل على درجة أخرى.

تحديد النتوء على الرسم

معظم رسومات قضبان التوزيع لا تقول شيئاً عن النتوء، ثم يرفض التفتيش قطعاً مقابل معيار غير مكتوب. والآلية لقول ذلك بشكل صحيح هي ISO 13715، توثيق المنتجات التقنية — الحواف غير محددة الشكل — الإشارة والتحديد الأبعادي، الطبعة الثالثة 2017.

تعطي المواصفة رمزاً بيانياً يوضع على الحافة، مع إشارة وقيمة داخله. والإشارة تحمل المعنى:

• + تشير إلى مادة فائضة مسموح بها، وتسميها المواصفة تجاوزاً. والنتوء مُعرَّف صراحةً كحالة خاصة من التجاوز الخارجي. والقيمة الموجبة المفردة تعني أن الحدّ الآخر صفر، فلا يُسمح بالتقصير.
• − تشير إلى إزالة مادة مطلوبة، أي تقصير. والقيمة السالبة المفردة تعني أن التجاوز غير مسموح، فلا يُسمح بأي نتوء إطلاقاً ويجب كسر الحافة.
• ± تشير إلى أن أياً منهما مسموح، ولا يجوز استخدامها إلا مع قيمة مقاس.

والمقاس هو أقصى انحراف مسموح، يُكتب بعد الإشارة. ويمكن إعطاء الحدين الأعلى والأدنى معاً، مرصوفين. كما تنص ISO 13715 على الإشارة إلى اتجاه التجاوز أو التقصير المسموح به، وهو البند الأهم على قضبان التوزيع، لأن النتوء على وجه وصلة مربوطة بالبراغي مشكلة مختلفة عن النتوء على الوجه الحرّ.

وما لا تفعله ISO 13715 هو أن تخبرك بأي رقم تكتب. فذلك يأتي من وظيفة الحافة:

• أوجه الوصلات المربوطة بالبراغي: النتوء يقع بين موصلين متقابلين ويُبقيهما متباعدين، فيقلل مساحة التلامس ويرفع مقاومة الوصلة. وبما أن IEC 61439 تضع حدّ ارتفاع 70 K عند الأطراف المخصصة لتوصيل الموصلات الخارجية، فمقاومة الوصلة مسألة مطابقة لا مسألة شكل. حدّد جانب النتوء، وحدّده ضيقاً.
• جدران الثقوب حيث يمر ساق البرغي: النتوء هنا يعوق التجميع وقد يخدش البرغي. والضبط المعتدل يكفي.
• الحواف قرب حاجز عازل أو فجوة هوائية: مسألة خلوص وزحف وفق IEC 60664-1، لأن النتوء البارز الحاد يرفع شدة المجال موضعياً. وهي أيضاً حيث يدّعي أحدهم عادةً أن مواصفة تفرض الشطف. ولا واحدة تفعل. فمعالجة الحافة وسيلة لاستيفاء أحكام العازلية، لا متطلب قائم بذاته.

وفي أنماط الثقوب وفق DIN 43673-1، التي تثبّت موضع الثقوب ومقاسها إضافة إلى البيانات الأساسية للوصلات اللولبية على قضبان التوزيع المستطيلة، تنتمي مواصفة النتوء إلى الرسم نفسه الذي يحمل النمط.

وحيث يكون الحدّ ضيقاً بما لا يستطيع التثقيب وحده الحفاظ عليه، يكون الحل عملية لاحقة لا خلوصاً أضيق باستمرار. فـإزالة النتوءات بالفرشاة أو بالحزام على ماكينة مثل BND800-2، التي تعالج قضباناً بسماكة 0.5 إلى 50 mm وعرض 100 إلى 800 mm، تُنهي الجدل. أما مطاردة نتوء 0.05 mm بتضييق الخلوص فتكلفك عمر اللاكمة وجودة الثقب في آن واحد.

ضبطه والتحقق منه على الماكينة

الخلوص يخصّ طقم الأدوات لا المكبس، فعلى ماكينة تثقيب وقص يُثبَّت عند طلب اللاكمة والقالب ويُتحقَّق منه عند تركيبهما. قِس اللاكمة والقالب منفصلين واحسب الخلوص بدل الثقة بالبطاقة؛ فاللاكمة المجلوخة على الجانب لا على الوجه لم تعد بالمقاس المطبوع عليها. ثم افحص التمركز، لأن الرقم لكل جانب عليه أن يصمد على المحيط كله. فلاكمة منحرفة عن المركز بـ 0.1 mm في خلوص اسمي قدره 0.8 mm تعطي 0.7 mm على جانب و0.9 mm على الآخر، وسيكون النتوء غير متناظر بشكل مرئي. وعلى مركز تشغيل ببرج متعدد المحطات يحافظ على تموضع ±0.05 mm، تكون محاذاة المحطات ونظافة البرج جزءاً من سلسلة الخلوص.

وما يفعله هذا الجريان اللدن الموضعي باستقامة القضيب يُعالَج في الاستواء والاستقامة والالتواء بعد التشغيل، وتغطي نظرة عملية التثقيب العامة موضع الثقب في بقية المسار.