Piegatura di coltello contro piegatura di piatto

Di piatto e di coltello non sono due impostazioni della stessa operazione. Sono problemi di formatura diversi, con modi di guasto limitanti diversi, utensili diversi e, sulla maggior parte delle macchine, capacità dichiarate diverse. Il lessico cambia da zona a zona: la piega di piatto si chiama anche piega facile o piega in piano; quella di coltello è la piega difficile, la piega di taglio o la piega verticale. La meccanica non cambia.

Una piega di piatto ripiega la barra attraverso il proprio spessore, quindi governa la dimensione piccola. Una piega di coltello la ripiega attraverso la larghezza, quindi governa la dimensione grande. Tutto il resto discende da quello scambio.

Il modulo di resistenza è tutta la storia

Per una barra rettangolare di larghezza w e spessore t, il modulo di resistenza elastico rispetto ai due assi principali è:

• Di piatto: Z = w·t² / 6
• Di coltello: Z = t·w² / 6

I moduli plastici portano lo stesso rapporto, w·t²/4 e t·w²/4, ed è il valore plastico a contare una volta che si sta formando. In un modo o nell'altro il rapporto fra i due è semplicemente w/t.

Quel singolo numero è il moltiplicatore sul momento flettente. Qualche caso concreto:

Legga con attenzione la dipendenza dalla larghezza, perché è la parte che sorprende. Il modulo di resistenza di piatto è lineare nella larghezza: raddoppi la larghezza e raddoppia la forza. Il modulo di resistenza di coltello va con il quadrato della larghezza: raddoppi la larghezza e la quadruplica. Una barra larga 200 mm non è due volte più difficile da piegare di coltello di una da 100 mm. È quattro volte più difficile.

Lo spessore si comporta all'inverso. La forza di piatto va con t², quella di coltello solo linearmente con t. Quindi una barra larga e sottile è il candidato peggiore possibile alla piega di coltello su entrambi i fronti insieme: richiede forza elevata e offre la minore resistenza al modo di guasto descritto qui sotto. Se vuole valori di tonnellaggio per una sezione specifica, il calcolatore della forza di piegatura delle sbarre li ricava dalla geometria.

È la stabilità a fissare il limite, prima della forza

Le macchine sono limitate dal momento. I pezzi sono limitati dalla stabilità, e nella piega di coltello arriva prima il limite del pezzo.

Sull'esterno di una piega di coltello la fibra si trova a metà larghezza di barra dall'asse neutro anziché a metà spessore. La deformazione ingegneristica della fibra esterna è:

ε = 1 / (2·(R/w) + 1)

Con raggio interno pari alla larghezza della barra, fa 33%. A due volte la larghezza, 20%. A quattro volte la larghezza, 11%. Confronti quei valori con gli allungamenti degli stati del materiale della EN 13601, dove R240 semicrudo è specificato all'8% minimo e R290 crudo al 4%, e diventa chiaro perché i raggi di coltello si citino come multipli della larghezza e non dello spessore. La deformazione ammissibile in piega supera davvero l'allungamento a trazione, per le ragioni esposte nell'articolo su stato del materiale del rame e raggio minimo di piega, ma il margine non è abbastanza ampio da rendere R/w sotto circa 2 una regola generale sicura.

Sull'interno della piega il problema è diverso e di solito è quello che governa. La fibra interna è in compressione lungo un arco, e il materiale che porta quella compressione è una striscia spessa solo t e profonda w. È una piastra snella caricata nel proprio piano, e le piastre snelle in compressione si instabilizzano fuori dal piano. La tensione critica cala con il quadrato della snellezza, quindi al crescere di w/t il bordo interno diventa progressivamente più facile da corrugare. Il risultato visibile è un bordo interno ondulato o festonato, a volte con l'intera sezione che ruota fuori squadra.

È per questo che le capacità dichiarate di coltello sono molto più strette di quelle di piatto. Sulla SMART-603CNC-S, la piegatura di piatto è dichiarata a 260 × 20 mm e quella di coltello a 125 × 15 mm. Scendono entrambe le dimensioni, non solo la larghezza, e lo stesso schema compare su tutte le attrezzature di piegatura per sbarre. Il valore dichiarato segna il punto in cui l'utensile non riesce più a tenere la sezione in squadra durante la piega.

Limiti pratici

Combinando i conti sulla deformazione con la normale pratica di officina si ottiene un campo di lavoro. Li tratti come punti di partenza indicativi da confermare su un primo pezzo, non come limiti normativi.

Raggio interno almeno 2× la larghezza della barra per rame ricotto e semicrudo, e 3× o più allo stato crudo. Rapporto fra larghezza e spessore sotto circa 10 per risultati affidabili senza supporti specializzati; sopra 12-15 si aspetti corrugamento del bordo interno a prescindere dal raggio. Larghezza della barra entro all'incirca metà della capacità di piatto della macchina. Lo stato crudo in sezioni larghe è la combinazione che fallisce più spesso, perché il limite di deformazione della fibra esterna e il limite di instabilità si stringono nello stesso momento.

Anche il ritorno elastico si comporta in modo diverso. La geometria della zona plastica, il vincolo dell'utensile e l'R/t effettivo sono tutti diversi dal caso di piatto, quindi una correzione di coltello non si può ricavare da una di piatto. Tenga separati i due insiemi di voci nella tabella di compensazione del ritorno elastico.

Utensili e supporto

Una piega di coltello va vincolata ovunque la sezione possa scappare, e l'utensile che lo fa non è quello che piega di piatto.

La barra va bloccata contro entrambe le facce larghe per tutto l'arco di piega, non solo all'ingresso. Facce larghe non sostenute lasciano ruotare la sezione, e una sezione ruotata produce una piega fuori piano oltre che fuori angolo.

Il bordo interno ha bisogno di un pattino di contrasto che accompagni la piega e tenga il bordo compresso contro l'instabilità. È questo il componente che distingue una macchina capace di piegare di coltello da una che ha soltanto una modalità di coltello.

Lo stampo ha bisogno di una gola accoppiata allo spessore della barra. Una matrice a V universale che di piatto lavora su un campo di spessori non terrà una sezione di coltello, perché il gioco che le dà flessibilità è esattamente il gioco in cui la sezione può ruotare.

La lubrificazione conta più che di piatto, perché le pressioni di contatto sulla faccia dello stampo sono più alte e la barra scorre di più sull'utensile durante la piega.

Anche il tratto rettilineo d'imbocco dev'essere più lungo. La lunghezza di bloccaggio è un vincolo dimensionale sul disegno del pezzo, ed è una causa comune di un progetto piegabile in linea di principio ma non sulla macchina che lo dovrà fare. Tenga fori e giunzioni a sovrapposizione fuori dalla zona di piega; lasciare almeno 10 mm fra una piega e una giunzione a sovrapposizione, e 20 mm fra una piega e un punto di supporto, è la normale pratica di officina.

Le alternative di progetto

Quando una piega di coltello non sta nel campo di lavoro, ci sono tre modi per aggirarla, e non sono intercambiabili.

Torsione più piega di piatto

Torca la barra di 90° attorno al proprio asse in modo che la faccia larga ruoti nel piano del cambio di direzione richiesto, poi faccia quel cambio come una normale piega di piatto. La formatura è facile, l'utensile è standard, la deformazione della fibra esterna nella piega è governata dallo spessore anziché dalla larghezza, e la barra arriva a destinazione già nel piano che il morsetto vuole. Il costo è lunghezza: una torsione ha bisogno di un proprio tratto di barra dritta, tipicamente almeno due volte la larghezza della barra e spesso di più. La guida alla torsione delle sbarre tratta la geometria e gli angoli ottenibili, e la torsione è una funzione standard sulle teste di piegatura per sbarre e non una macchina a parte.

Angolo giuntato

Faccia il cambio di direzione con due barre dritte e una giunzione bullonata a sovrapposizione. Non c'è alcun limite di formatura, quindi funziona a qualunque larghezza e qualunque stato del materiale. Il costo è una giunzione nel percorso di corrente, il che significa resistenza di contatto, una specifica di coppia, un obbligo di manutenzione e un punto di ispezione. La pratica di quadristica dimensiona la sovrapposizione perché l'area di contatto sia almeno cinque volte la sezione della barra. Una giunzione è anche una discontinuità termica, quindi deve stare dove la verifica di sovratemperatura riesce ad assorbirla.

Piastra sagomata o segmentata

Ricavi l'angolo come un unico pezzo sagomato da lastra, così il cambio di direzione avviene nel piano del materiale e non serve alcuna formatura. Questo dà la resistenza più bassa delle tre, nessuna giunzione e piena libertà sulla geometria dell'angolo. I costi sono la resa di materiale, perché lo sfrido interno all'angolo è rottame, e un pezzo che sul disegno non è più una sezione standard.

Come scegliere fra loro

Una regola di decisione che tiene nella pratica:

Se la barra sta dentro il campo di coltello della macchina e il disegno consente un raggio interno di almeno due volte la larghezza, la pieghi di coltello. È il minor numero di operazioni e di pezzi.

Se la larghezza o il rapporto fra larghezza e spessore sono fuori da quel campo, ma il percorso ha abbastanza lunghezza rettilinea disponibile prima del cambio di direzione, torca e pieghi di piatto. È la scelta di default per barre larghe e sottili, ed è di solito più economica di quanto ci si aspetti perché entrambe le operazioni girano sulla stessa testa di piegatura.

Se non c'è lunghezza disponibile per una torsione, e l'angolo è comunque un posto naturale per una giunzione, usi un angolo bullonato. Un angolo che ha già bisogno di una derivazione, di una transizione fra sezioni o di un punto di sezionamento è un angolo che dovrebbe avere una giunzione a prescindere.

Se la densità di corrente o la geometria dell'involucro escludono una giunzione, e non c'è spazio per torcere, sagomi l'angolo da lastra.

L'ordine conta. Ogni passo verso il basso nell'elenco aggiunge pezzi, operazioni oppure sfrido, quindi lo scenda invece di partire dal fondo.

Dove questo emerge in revisione di progetto

La maggior parte dei problemi di coltello si decide molto prima che la barra arrivi in officina. Un percorso disegnato in 3D con un angolo a 90° nel piano sbagliato, su una barra 160 × 10, a un raggio di 100 mm, non è un problema di fabbricazione da risolvere con più tonnellaggio. È una geometria che nessuna quantità di forza produrrà senza un bordo interno corrugato.

L'intervento a buon mercato è verificare tre numeri in revisione di progetto: larghezza della barra contro la capacità di coltello della macchina, raggio interno contro larghezza della barra, e larghezza contro spessore. Se due dei tre non passano, il percorso va cambiato. Macchine come la EMAC-BB-H12, che leggono direttamente geometria 3D e 2D, rendono facile automatizzare questa verifica, perché l'elenco delle pieghe è già nel file e il campo di capacità è già nel controllo.