Kompensasi springback pada bending busbar

Busbar yang dibengkokkan 90° terukur pada 88,4° umumnya disebabkan oleh "springback". Istilah ini menunjukkan efeknya, bukan indikasi untuk mengubah peralatan, program, atau material—tiga-satunya penyesuaian yang mungkin dilakukan.

Springback pada dasarnya adalah aritmatika sebelum menjadi hal lainnya. Hubungan yang mengatur fenomena ini sudah ada dalam literasi pembentukan selama beberapa dekade, konstanta materialnya sudah dipublikasikan, dan sisa penyebaran (scatter) di sekitar prediksi adalah apa yang diserap oleh tabel kompensasi.

Apa yang pulih, dan mengapa

Membengkokkan busbar menempatkan serat latar dalam tarikan dan serat bagian dalam dalam kompresi. Di antara keduanya terdapat inti di mana tegangan tidak mencapai batas elastis. Setiap serat pada penampang, termasuk yang sudah mengalami deformasi plastis, menanggung komponen elastis dari regangan. Saat pendorong (punch) dilepas, komponen elastis tersebut pulih. Busbar meluruskan kembali hingga momen internal kembali ke nol.

Springback adalah bagian elastis dari deformasi yang diterapkan secara sengaja yang kembali. Bagian plastisnya tetap ada. Rasio antara kedua bagian ini menentukan sudut yang hilang. Ini bukan cacat material maupun kesalahan mesin, meskipun sering dilaporkan sebagai keduanya.

Segala hal yang meningkatkan fraksi penampang yang didorong melewati batas elastis akan mengurangi springback. Segala hal yang meningkatkan regangan elastis yang tersimpan pada kelengkungan tertentu akan meningkatkannya. Kedua variabel ini terlihat jelas dalam persamaan.

Rasio yang memengaruhinya

Dua rasio mengatur fenomena ini, dan variabel ketiga mengikuti dari rasio kedua.

Kekuatan lentur terhadap modulus elastis (σy/E). Sebuah material menyimpan regangan elastis hingga mencapai σy/E sebelum mengalami lentur sama sekali. Meningkatkan kekuatan lentur meningkatkan regangan yang dapat dipulihkan di seluruh penampang. Meningkatkan modulus menurunkannya, karena material yang lebih kaku mencapai tegangan yang sama dengan regangan yang lebih kecil. Modulus tembaga berada di sekitar 120 kN/mm² tanpa memandang perlakuan, sehingga σy/E pada praktiknya adalah variabel kondisi. Tembaga keras kembali melenting (springback) kira-kira empat kali lebih banyak daripada tembaga lunak pada geometri yang sama.

Jari-jari bagian dalam terhadap ketebalan (R/t). Pada R/t yang besar, bengkokan lembut, zona plastis hanya berupa lapisan tipis di setiap permukaan, dan inti elastis mendominasi. Pada R/t yang kecil, zona plastis hampir mencapai sumu netral dan hanya sedikit material elastis yang tersisa untuk menarik busbar kembali. Springback meningkat secara monoton terhadap R/t, dan peningkatannya cepat. Berpindah dari R/t = 2 ke R/t = 8 hampir empat kali lipat meningkatkan kehilangan sudut.

Ketebalan masuk melalui rasio kedua tersebut, bukan secara tersendiri. Untuk jari-jari penekuk (former) yang tetap, busbar yang lebih tebal memiliki R/t yang lebih kecil dan oleh karena itu memiliki springback yang lebih sedikit. Operator yang menganggap busbar tebal lebih sulit dijaga sudutnya sering mencampuradukkan gaya dengan springback: busbar 16 mm di atas penekuk 20 mm lebih patuh secara dimensional daripada busbar 6 mm di atas penekuk yang sama, meskipun membutuhkan tiga kali lipat tonase. Untuk tonase itu sendiri, kalkulator gaya bending busbar menghitungnya berdasarkan penampang busbar dan bukaan cetakan (die opening).

Persamaan springback

Rumus standar tertutup, dalam bentuk yang diberikan oleh Kalpakjian dan Schmid serta direproduksi di seluruh literasi pembentukan, adalah:

Ri / Rf = 4 (Ri·σy / E·t)³ − 3 (Ri·σy / E·t) + 1

di mana Ri adalah jari-jari dalam di bawah beban, Rf adalah jari-jari dalam setelah pelepasan beban, σy adalah kekuatan bukti 0,2%, E adalah modulus elastis, dan t adalah ketebalan batang.

Kelompok dalam kurung menentukan hasil keseluruhan. Sebut saja x:

x = (Ri/t) × (σy/E)

sehingga rumus menjadi K = 4x³ − 3x + 1, di mana K adalah faktor springback. Dua pemeriksaan masuk akal berlaku sebelum digunakan. Pertama, K harus bernilai sedikit di bawah 1, karena springback selalu membuka jari-jari, tidak pernah menutupnya. Kedua, untuk tembaga x berada di orde 10⁻³, sehingga suku pangkat tiga jutaan kali lebih kecil dari suku linear dan tidak memberikan kontribusi yang terukur. Dalam praktik K ≈ 1 − 3x. Beberapa versi yang dipublikasikan dari rumus ini memiliki tanda yang terbalik dan akan menghasilkan K > 1. Dalam hal itu, rumusnya yang salah, bukan materialnya.

Faktor yang sama mengkonversi sudut. Panjang busur sumbu netral dipertahankan melalui pemulihan elastis, sehingga Riθi = Rfθf, yang memberikan K = θf/θi. Satu angka mengerjakan kedua pekerjaan. Untuk mencapai sudut target θf, bentuklah ke:

θi = θf / K

Angka yang digunakan

Modulus. Panduan busbar dari Copper Development Association memberikan modulus elastis 116 hingga 130 kN/mm² untuk tembaga konduktivitas tinggi, dan menggunakan 124 × 10³ N/mm² dalam contoh perhitungan defleksi baloknya sendiri. Rentang ini bukan karena kelalaian. Tembaga bersifat anisotropi elastis pada tingkat kristal, dan pengerolan dingin mengembangkan tekstur, sehingga modulus dalam bidang dari lembaran tembaga yang digulung bervariasi dengan arah sekitar 7% tergantung pada seberapa berat proses pengerolannya. Pengukuran oleh Bunge pada lembaran tembaga yang digulung dingin menunjukkan variasi sudut sekitar angka tersebut, dengan sumbu simetri adalah normal lembar.

Untuk perhitungan springback, konsekuensi praktisnya tidak terlalu signifikan. Menghitung ulang contoh di bawah ini pada 116 dan 130 kN/mm² menggeser overbend yang diperlukan dari 0,85° menjadi 0,75°, rentang sekitar 12% pada angka yang memang kurang dari satu derajat. Gunakan 124 kN/mm² dan biarkan tabel kompensasi menyerap perbedaannya.

Kekuatan. Sebagian besar estimasi salah di sini. Persamaan membutuhkan kekuatan bukti, bukan kekuatan tarik, dan EN 13601 menetapkan temper berdasarkan kekuatan tarik. R220 mencakup 220 hingga 260 N/mm², R240 mencakup 240 hingga 300 N/mm², R290 mencakup 290 hingga 360 N/mm². Memasukkan salah satu dari angka-angka tersebut ke dalam persamaan springback akan meremehkan hasilnya sebesar dua kali lipat atau lebih.

Nilai bukti tarik yang dipublikasikan pabrik baja pada datasheet untuk temper Cu-ETP tersebut secara umum adalah: R220 dengan Rp0.2 dibatasi maksimum 140 N/mm², R240 minimal 180 N/mm², dan R290 minimal 250 N/mm². Angka CDA untuk busbar tembaga justru lebih rendah lagi pada sisi lunaknya, yaitu 50 hingga 55 N/mm² untuk material yang dianil sepenuhnya dan 170 hingga 200 N/mm² untuk kondisi setengah keras.

Kasus R220 perlu penekanan khusus. Spesifikasi ini menetapkan batas atas (ceiling) untuk nilai bukti tarik, bukan batas bawah. Sebuah batang yang dianil lunak dengan benar bisa memiliki nilai 55 N/mm², sementara batang lain yang dijual dengan desainasi yang sama bisa bernilai mendekati 140 N/mm². Ini merupakan faktor 2.5 dalam perbedanan springback antara dua pengiriman yang keduanya memenuhi spesifikasi. Inilah alasan paling umum mengapa tabel offset tembaga lunak yang berhasil kuartal lalu bergeser pada kuartal ini, dan tidak ada jumlah kalibrasi mesin yang bisa memperbaikinya. Nilai bukti tarik terukur harus tertera pada sertifikat pabrik baja, atau setiap gulungan harus dikarakterisasi pada artikel pertama.

Contoh kasus

Ambil batang Cu-ETP ukuran 80 × 10 mm dalam kondisi R240 setengah keras, dibengkokkan 90° sejajar bidang atas penjepit dengan radius 20 mm, sehingga R/t = 2.

x  = (Ri/t) × (σy/E) = 2 × (180 / 124 000) = 0.00290
K  = 4(0.00290)³ − 3(0.00290) + 1 = 0.9913
Rf = 20 / 0.9913 = 20.18 mm
θi = 90 / 0.9913 = 90.79°

Bentuk hingga 90,8° untuk mencapai target 90°, dan perkirakan radius bagian dalam akan membuka dari 20 mm menjadi sekitar 20,18 mm. Perubahan radius tersebut kecil namun tidak nol: hal ini memengaruhi panjang dikembangkan (developed length), sehingga bend allowance yang dihitung dari radius alat akan menghasilkan kekurangan beberapa persepuluh milimeter pada komponen dengan beberapa lekukan.

Overbend tipikal berdasarkan temper

Tabel di bawah menjalankan perhitungan yang sama untuk kombinasi temper dan R/t yang umum muncul dalam pekerjaan panel listrik. Overbend adalah sudut tambahan yang diperintahkan pada lekukan nominal 90°, dihitung dengan E = 124 kN/mm² dan nilai bukti tarik masing-masing 60, 180, dan 250 N/mm² untuk R220, R240, dan R290.

Ini adalah titik awal untuk artikel pertama, bukan setingan produksi. Terdapat empat kualifikasi, dan setiap satunya lebih besar dari presisi yang tersirat dari dua angka desimal.

Kolom R220 mengasumsikan batang sepenuhnya lunak pada 60 N/mm². Menghitung ulang pada batas atas spesifikasi 140 N/mm² menaikkan nilai pada R/t = 2 dari 0,26° menjadi 0,61°. Membeli R220 tanpa persyaratan nilai bukti tarik sama dengan membeli seluruh rentang tersebut.

Model ini menganggap tembaga bersifat elastis dan sempurna plastis. Tembaga mengalami work-hardening selama pembengkokan, sehingga material di zona plastis menjadi lebih kuat pada akhirnya daripada saat awalnya dan menyimpan lebih banyak regangan elastis dari yang diizinkan model. Prediksi ini merupakan batas bawah (floor).

Model ini mengasumsikan radius yang terbentuk adalah radius alat. Asumsi ini berlaku untuk bottoming dan coining. Asumsi ini tidak berlaku untuk air bending, dan perbedaannya cukup besar sehingga layak dibahas dalam bagian tersendiri.

Batang yang diperoleh dari pelat yang dipotong mesin (slit plate), bukan dililit atau ditarik hingga berbentuk penampang, dapat memiliki tekstur dan sifat bidang yang berbeda di sepanjang panjangnya. Bahan ini harus diperlakukan sebagai material terpisah dalam tabel kompensasi (offset).

Mengapa bending udara (air bending) memiliki pantulan balik (springback) yang lebih besar

Bending udara membentuk batang pada bukaan matras (die) dengan pukul (punch) yang tidak pernah mencapai dasar. Batang hanya berkontak dengan ujung pukul dan dua bahu matras, sehingga jari-jari yang diambil selama langkah kerja ditentukan oleh bukaan matras, bukan oleh pukul. Jari-jari yang terbentuk ini biasanya beberapa kali lipat jari-jari ujung pukul, yang berarti R/t efektif selama pembentukan beberapa kali lipat lebih tinggi dari R/t yang diasumsikan dari peralatan. Peningkatan R/t dari 2 menjadi 8 pada tabel di atas meningkatkan penerawangan (overbend) untuk tembaga setengah keras dari 0,79° menjadi 3,25°. Ini menjelaskan mengapa tembaga yang dibengkokkan dengan bending udara menyimpang dari perhitungan.

Bottoming mendorong pukul ke dalam matras sehingga batang dipaksa mengikuti geometri peralatan. Jari-jari yang terbentuk kemudian adalah jari-jari pukul, model berlaku, dan pantulan balik turun mendekati nilai tabel. Biayanya adalah tenaga: bottoming biasanya membutuhkan lima hingga enam kali lipat tonase bending udara untuk penampang yang sama.

Coining mendorong ujung pukul hingga menembus material sehingga seluruh zona tekuk, termasuk inti elastisnya, melampaui batas hasil (yield). Karena tidak ada lagi inti elastis yang tersisa untuk pulih, pantulan balik mendekati nol. Tonase meningkat jauh melampaui bottoming, yang pada penampang busbar dengan ketebalan 10 hingga 20 mm dengan cepat melampaui kapasitas mesin meja (benchtop machine).

Kebanyakan kepala pemrosesan busbar CNC bekerja lebih mendekati bottoming daripada bending udara bebas (free air bending), karena perangkat pembentuk busbar (busbar formers) merupakan set yang seragam dan spesifik, bukan matras vee universal. Inilah sebabnya pantulan balik busbar umumnya berada dalam kisaran satu hingga tiga derajat, bukan lima hingga lima belas derajat yang dikutip untuk lembaran tipis, dan mengapa tabel kompensasi (offset) yang dibangun dengan baik tetap valid untuk waktu yang lama.

Tiga mekanisme yang dijual sebagai kompensasi pantulan balik

Literatur mesin sering mencampuradukkan ketiganya. Perbedaannya terletak pada apa yang diukur dan kapan diukur.

Tabel kompensasi (offset) yang diindeks berdasarkan material, ketebalan, temper, dan peralatan

Ini adalah basisnya. Kontrol menyimpan tabel pencarian (lookup) yang diindeks berdasarkan empat variabel yang ditentukan oleh fisika: paduan dan temper, ketebalan, set peralatan, dan sudut target. Operator, atau siklus pengajaran (teach cycle), membengkokkan sampel, mengukurnya, dan kontrol menyimpan selisih antara sudut perintah dan sudut tercapai. Kali berikutnya kombinasi ini dipanggil, kontrol menambahkan kompensasi (offset) yang tersimpan sebelum bergerak.

Ini adalah sistem loop terbuka (open loop). Sistem ini tidak memiliki informasi tentang batang yang sedang berada di depannya, hanya tentang batang yang terakhir kali berada di sana. Sebagian besar produksi berjalan dengan metode ini, karena dalam satu gulungan dengan satu temper, variasi antar batang kecil. Sistem ini gagal ketika material di bawah tabel berubah, yang merupakan masalah R220 yang dijelaskan di atas.

Disiplin utamanya adalah menjaga kebersihan tabel (table hygiene). Kompensasi (offset) yang disimpan dengan kunci "tembaga 10 mm" tidak berguna. Kompensasi yang disimpan dengan kunci "Cu-ETP R240, 10 mm, former R20, 90°, batch gulungan 4471" adalah catatan teknis yang dapat digunakan. Mesin yang membaca geometri langsung dari file 3D atau 2D, seperti yang dilakukan oleh EMAC-BB-H12, dapat membawa kunci tersebut dari sistem desain, sehingga menghilangkan langkah transkripsi di mana sebagian besar kerusakan tabel terjadi.

Pengukuran artikal pertama

Jembatan antara loop terbuka dan loop tertutup. Bagian pertama dari satu batch dibengkokkan ke nilai tabel, diukur di luar mesin dengan protaktor atau CMM, dan offset dikoreksi sebelum batch diproses. Ini hemat biaya, berlaku universal, dan menangkap drift material-to-material yang tidak dapat ditangkap oleh tabel statis.

Biayanya satu bagian dan satu siklus pengukuran per batch. Mengotomasi pencatatan, bukan pengukurannya, adalah cara yang efisien. Pada produksi pendek dengan banyak nomor bagian, siklus tersebut mendominasi anggaran waktu, dan di sinilah pengukuran dalam proses mendapatkan nilainya.

Pengukuran sudut loop tertutup selama langkah

Kontrol mengukur sudut flensa saat batang masih berada di dalam alat. Pada mesin tekan rem, ini dilakukan secara optik, dengan garis laser diproyeksikan ke flensa dan dibaca oleh kamera; akurasi yang dipublikasikan untuk sistem-sistem ini berada di kisaran 0,1° hingga 0,15°. Urutannya adalah: mendekati target di bawah beban, meringankan ram cukup untuk membebaskan beban dari bengkokan, mengukur sudut yang telah rileks, menghitung pantulan untuk batang spesifik ini, lalu turun lagi melewati kedalaman semula sebesar jumlah yang terukur.

Ini adalah loop tertutup dalam arti kata yang sebenarnya. Kompensasi untuk variasi ketebalan, variasi temper, dan efek arah gulung pada bagian kerja individual, tanpa memerlukan pengetahuan sebelumnya. Ini juga opsi yang paling mahal, menambahkan siklus ukur-dan-kembali ke setiap bengkokan, dan memerlukan garis pandang ke flensa, yang tidak selalu tersedia pada mesin bending busbar.

For busbar the practical hybrid is a maintained offset table plus disciplined first-article verification, with in-process measurement kept for high-mix work or for materials whose certificates are not trusted.

Di mana spesifikasi mesin berperan

Dua angka pada lembar data mesin bending berkaitan dengan pantulan dan keduanya bukan hal yang sama.

Repetabilitas adalah seberapa tepat mesin mereproduksi hasilnya sendiri. Kepala murni servo EMAC-BB-S12 dan saudaranya hibrida-hidrolik sama-sama ditentukan dengan akurasi bending ±0,1° pada kapasitas 200 × 16 mm. Angka tersebut menyatakan bahwa posisi ram, encoder, dan kekakuan bingkai cukup konsisten sehingga perintah yang sama menghasilkan sudut yang sama. Angka tersebut tidak mengatakan apakah sudut itu adalah sudut yang diinginkan.

Kompensasi pantulan menutup celah antara sudut yang diperintahkan dan sudut yang diinginkan. Kompensasi pantulan elektronik pada kepala-kepala ini adalah mekanisme tabel offset: kontrol menyimpan koreksi per material dan kombinasi alat dan menerapkannya secara otomatis. Bersama-sama, kedua angka ini memiliki makna. Kompensasi menempatkan sudut pada target; repetabilitas ±0,1° menjaganya tetap di sana untuk sisa batch.

Mesin dengan repetabilitas tanpa kompensasi akan membuat lima ratus bagian yang identik tetapi salah. Mesin dengan kompensasi dan repetabilitas yang buruk akan berpusat pada target dan berhamburan di sekitarnya. Keduanya diperlukan. Saat membandingkan mesin, atribut spesifik yang dirujuk oleh "akurasi" yang dikutip harus dijelaskan, karena vendor tidak konsisten dalam hal ini.

Membuat Tabel Offset yang Tahan Lama

Beberapa kebiasaan membedakan tabel yang bertahan satu tahun dari tabel yang perlu dibangun ulang setiap bulan.

Catat material berdasarkan sertifikat pabrik, bukan deskripsi stok. Sertifikat membawa penunjukan temper dan, jika diminta, kekuatan tarik yang terukur. Perilaku bending mengikuti sertifikat.

Simpan satu offset per sudut, bukan satu per alat. Pemuluran dalam derajat tidak konstan di berbagai sudut bending untuk alat yang sama, karena busur tempat pemuluran terakumulasi berubah. Tabel yang menyimpan 1,2° untuk sudut 90° dan menerapkannya pada sudut 30° akan salah pada sudut 30°.

Verifikasi ulang ketika gulungan berubah, ketika pemasok berubah, dan ketika alat diasah ulang. Alat yang diasah ulang memiliki radius hidung yang lebih besar dari awalnya, yang meningkatkan R/t dan meningkatkan pemuluran.

Pisahkan offset mendatar dan tegak lurus. Zona plastis yang berbeda, batasan yang berbeda, dan angka-angkanya tidak dapat dipindahkan, seperti yang diuraikan dalam bending busbar tegak lurus versus mendatar.

Anggap pemuluran dan radius minimum sebagai satu keputusan. Temper menentukan keduanya, dan menentukannya dengan cara yang sama: temper yang paling sedikit pemulurannya adalah temper yang paling sedikit retaknya, itulah sebabnya banyak masalah bending menjadi masalah pembelian. Hubungan antara temper tembaga dan radius bending minimum menetapkan batas bawah R/t; artikel ini menetapkan kompensasi untuk R/t apapun yang tercapai. Keduanya dibaca dari baris yang sama pada sertifikat pabrik, dan keduanya berada dalam keputusan proses bending busbar yang sama.