Zapis płaskości, prostoliniowości i skręcenia po obróbce

Rysunek z zapisem „szyna ma być płaska" nie określa niczego. Słowa tego używa się luźno na oznaczenie trzech geometrycznie różnych cech, o różnych przyczynach, różnych metodach pomiaru i różnych osiągalnych wartościach. Spory przy kontroli wejściowej są zwykle sporami o to, którą z nich miano na myśli.

Płaskość jest cechą powierzchni: każdy jej punkt musi leżeć między dwiema równoległymi płaszczyznami oddalonymi o wartość tolerancji. Nie mówi nic o kierunku odchyłki.

Prostoliniowość jest cechą linii — krawędzi albo osi szyny. Na szynie prostokątnej rozpada się na dwie. Wygięcie to krzywizna w kierunku grubości, przez którą szyna położona na płask kołysze się. Sierpowatość to krzywizna w kierunku szerokości, przez którą szyna położona płasko wygląda jak banan. Szyna może mieć dużo jednej i wcale drugiej.

Skręcenie to obrót przekroju wokół osi podłużnej, przez który oba końce nie leżą w jednej płaszczyźnie. Jako jedynego z tych trzech nie zobaczysz, kładąc szynę na stole i patrząc wzdłuż niej, i to ono najczęściej wychodzi na jaw dopiero przy montażu.

Żadne z nich nie znaczy nic bez długości odniesienia. „Sierpowatość 2 mm" nie mówi Ci nic. „Sierpowatość maksymalnie 2 mm na dowolnym odcinku 1000 mm" jest specyfikacją.

Co huta już Ci dała

Zanim zaczniesz obwiniać własny proces, zobacz, z czym przyjeżdża materiał. ASTM B187/B187M, specyfikacja obejmująca miedziane szyny prądowe, pręty i kształtowniki, ustala w tablicy 10 prostoliniowość jako maksymalną strzałkę wygięcia mierzoną na podanej części długości:

• Szyna ogólnie: 1/4 in [6 mm] na 60 in [1500 mm]
• Szyna prostokątna półtwarda, grubość 3 do 15 mm i szerokość 50 do 150 mm: 1/8 in [3 mm] na 96 in [2400 mm]
• Pręt: 1/2 in [13 mm] na 120 in [3000 mm]
• Kształtowniki: 1/2 in [13 mm] na 72 in [1800 mm]

Metoda znaczy tu tyle samo co wartość. Norma nakazuje położyć szynę na poziomym stole tak, żeby odchyłka od prostoliniowości leżała poziomo, i zmierzyć maksymalną strzałkę wygięcia przymiarem stalowym i liniałem krawędziowym z dokładnością do 1/32 in [0,8 mm]. Pomiar w poziomie usuwa z wyniku grawitację. Odcinek 3 m szyny 100 × 10 mm miedzianej waży 27 kg i podparty na końcach ugnie się pod własnym ciężarem o kilka milimetrów, jeśli mierzyć w pionie — a to ugięcie nie jest cechą szyny.

Trzy milimetry sierpowatości na 2,4 m w stanie dostawy to znacznie więcej, niż spodziewa się większość monterów. Jeśli tolerancja detalu gotowego jest ciaśniejsza niż tolerancja wejściowa, proces musi odchyłkę usuwać, a nie zachowywać — i trzeba to zaprojektować.

Jak wykrawanie wytwarza wygięcie i sierpowatość

Wykrawanie nie usuwa materiału neutralnie. Zostawia wokół każdego otworu pole naprężeń własnych, a suma tych pól przesuwa szynę.

Działają dwa mechanizmy. Wokół samego otworu materiał jest wciągany do środka i w dół, gdy wchodzi stempel, co wprowadza obszar po stronie wejścia w ściskanie, a podczas przełomu materiał zostaje wypchnięty przez powierzchnię wyjścia, co wprowadza ten obszar w rozciąganie. Gdy dominuje składnik rozciągający, szyna się wygina. Jest to zjawisko miejscowe: gęsto wykrawany obszar wygnie się, podczas gdy niewykrawany obszar tej samej szyny zostanie płaski — dlatego wygięcie często pojawia się jako załamanie, a nie gładki łuk.

Drugim mechanizmem jest sam skok. Gdy stempel schodzi w dół, szyna ugina się w otwór matrycy. Górna powierzchnia wchodzi w ściskanie, dolna w rozciąganie, a plastyczna część tego odkształcenia nie wraca.

Cztery rzeczy to pogarszają i wszystkie cztery da się kontrolować. Gęstość otworów ustala skumulowane naprężenie i wynika z rysunku. Grubość zwiększa zaokrąglenie krawędzi wejściowej i siłę, a to siła odkształca otaczający materiał. Stan narzędzia ma w praktyce znaczenie największe: stępiony stempel wymaga istotnie większej siły niż ostry i daje większe zaokrąglenie wejścia, co jest zwykłym wyjaśnieniem sytuacji, w której szyna nagle zaczyna schodzić z maszyny wygięta, choć wcześniej nie schodziła. I luz — ciasny podnosi siłę i podnosi wygięcie. Ta ostatnia zmienna jest tą samą, która decyduje o trwałości narzędzia, a omawia ją artykuł o luzie między stemplem a matrycą dla szyn miedzianych i aluminiowych.

Sierpowatość, w odróżnieniu od wygięcia, bierze się z asymetrii w kierunku szerokości. Układ otworów biegnący wzdłuż jednej krawędzi szerokiej szyny umieszcza strefę naprężoną poza osią obojętną i szyna zakrzywia się w rzucie z góry. Układy symetryczne względem osi w dużej mierze tego unikają, co jest jednym z cichszych argumentów za standardowymi położeniami otworów według DIN 43673-1.

Dwa środki zaradcze poza ostrymi narzędziami i poprawnym luzem. Kontroluj nacisk zgarniaka albo stopki dociskowej: trzyma on szynę płasko podczas cięcia, ale na miękkiej miedzi nadmierny nacisk sam ją wygnie, a jego zmniejszenie bywa właściwym rozwiązaniem. I ustaw kolejność otworów tak, żeby rozłożyć pracę, zamiast kończyć jeden koniec przed rozpoczęciem drugiego — CNC zrobi to za Ciebie, jeśli rozkrój jest pod to przygotowany.

Jak cięcie wytwarza skręcenie

Nożyce gilotynowe nie tną całej szerokości naraz. Nóż górny jest ustawiony pod kątem ukosu, więc cięcie postępuje z jednej strony na drugą i właśnie to utrzymuje siłę na rozsądnym poziomie. To postępowanie cięcia przykłada do odcinanego kawałka parę sił, a kawałek się obraca.

Kąt ukosu jest zmienną dominującą. Większy ukos obniża siłę cięcia i zwiększa skręcenie; mniejszy działa odwrotnie. Tam, gdzie ukos jest nastawny, właściwym ustawieniem jest najmniejszy kąt, który jeszcze wykona cięcie, a używanie tego samego kąta do szyny 6 mm i 16 mm gwarantuje nadmiar skręcenia na cieńszej.

O tym, czy skręcenie widać, decyduje stosunek wymiarów. Producenci nożyc podają zwykle szerokość minimalną od 10 do 15 razy większą od grubości materiału, powyżej której odcięty pas będzie leżał płasko. Szyna prądowa cięta na wymiar jest szeroka względem swojej grubości, więc skręcenie ujawnia się jako niewielkie zwichrowanie na ciętym końcu, a nie jako korkociąg. Na wąskiej szynie 20 × 10 mm stosunek wynosi 2

i skręcenie jest realne.

Dwie inne wady cięcia dają zniekształcenie, a nie skręcenie. Zbyt szeroko ustawiona szczelina między nożami pozwala materiałowi zwinąć się i zagiąć na dolnym nożu, zanim nastąpi przełom, co daje duży zadzior i wygięty detal. Stępione noże miażdżą, zanim potną, wprowadzając naprężenie w detal i wyginając go po rozdzieleniu w dół. Jedno i drugie rozpoznaje się tak samo, oglądając powierzchnię cięcia pod kątem nadmiernego zaokrąglenia wejścia i krótkiego pasma gładzonego. Geometrię omawia przegląd procesu cięcia.

Jak zniekształca gięcie

Gięcie jest odkształceniem zamierzonym. Niezamierzone jest to, co dzieje się wokół zagięcia.

Przy gięciu na płask włókno zewnętrzne rozciąga się, a wewnętrzne ściska, a ponieważ oba nie są sobie równe, ramię nabiera lekkiej sierpowatości, a przekrój w pobliżu zagięcia robi się nieznacznie wklęsły na szerokości. Sprężynowanie powrotne to nakłada: szyna odpręża się po cofnięciu stempla, a nieskompensowane sprężynowanie zostawia zły kąt zawarty i odstające ramię.

Konkretnym problemem, na który trzeba uważać, jest otwór blisko stycznej zagięcia. Materiał wokół otworu zostaje wciągnięty w zagięcie, otwór owalizuje się, a jego położenie się przesuwa. Trzymaj otwory przelotowe co najmniej dwie grubości od stycznej, a tam, gdzie rysunek wymusza bliższe położenie, wykrawaj po gięciu, a nie przed.

Jak to poprawnie zmierzyć

Podeprzyj szynę w trzech punktach na płaskim odniesieniu — granitowej płycie pomiarowej albo stole maszyny sprawdzonym liniałem — a nie na całej długości na nieznanej powierzchni.

Dla płaskości powierzchni przyłóż liniał krawędziowy w kilku kierunkach i odczytaj szczelinę szczelinomierzem albo przejedź czujnikiem zegarowym na wysokościomierzu. Zapisz najgorszy odczyt i długość, na której go wykonano.

Dla wygięcia i sierpowatości stosuj metodę ASTM B187: szyna na poziomym stole z odchyłką od prostoliniowości leżącą poziomo, liniał wzdłuż badanej krawędzi, maksymalna strzałka wygięcia odczytana szczelinomierzem. Zapisz, który z dwóch kierunków mierzyłeś. Podanie „wygięcia", gdy zmierzyło się sierpowatość, to najczęstszy błąd kontroli na szynach prądowych.

Dla skręcenia zamocuj jeden koniec płasko na płycie pomiarowej i zmierz szczelinę pod każdym z dwóch narożników na końcu swobodnym. Skręcenie to różnica tych szczelin podzielona przez szerokość szyny, podawana jako kąt albo jako milimetry na metr. Podaj długość: 0,5 mm skręcenia na 300 mm i 0,5 mm na 3000 mm to wartości nieporównywalne.

Tam, gdzie którakolwiek z tych wielkości jest badaniem odbiorczym, długość odniesienia i sposób podparcia należą do specyfikacji obok liczby.

Co jest realnie osiągalne

Poniższe wartości są orientacyjnymi danymi do planowania, a nie gwarancjami, i zakładają ostre oprzyrządowanie w dobrym stanie. Przywołane dane maszyn są wartościami publikowanymi.

Dokładność kąta przy gięciu jest osobną specyfikacją i nie należy jej mylić z płaskością. Giętarka serwo utrzymująca ±0,1° kąta gięcia nie mówi nic o tym, czy ramię jest płaskie, a jeśli obie rzeczy mają znaczenie, obie muszą znaleźć się na rysunku.

Gdzie sumowanie odchyłek boli

Weź trójfazową trasę pakietową: cztery szyny 100 × 10 mm miedziane na wspornikach izolacyjnych, 2 m między złączami, skręcone na obu końcach z sąsiednim odcinkiem.

Każda szyna ma jakąś sierpowatość, a jej kierunek jest przypadkowy z szyny na szynę. Na granicy ASTM to około 2,5 mm na 2 m. Dwie szyny o przeciwnie skierowanej sierpowatości zostawiają na powierzchni styku szczelinę kilku milimetrów. Śruby ją zamkną, bo miedź jest podatna, a śruba M12 bez trudu wygnie szynę 10 mm. Stało się natomiast to, że połączenie przenosi teraz wstępne naprężenie gnące, nacisk styku na powierzchni przestał być równomierny, a rzeczywista powierzchnia styku jest mniejsza niż narysowana.

To problem przyrostu temperatury, a nie estetyki. Rezystancję połączenia ustala rzeczywista powierzchnia styku, a według IEC 61439 granicami są przyrost 105 K dla gołych szyn miedzianych i 70 K na zaciskach przeznaczonych do przyłączania przewodów zewnętrznych. Połączenie skręcone przez wygięcie zaczyna życie z mniejszą powierzchnią styku, niż zakładał projekt, i traci jej więcej przy kolejnych cyklach cieplnych. Jeśli projekt jest już blisko swojej granicy obciążalności w miejscu połączenia, tego zapasu nie było na co wydać.

Na to nakłada się położenie otworów. Szyna sierpowata niesie swój układ otworów na krzywej, więc nawet idealnie wykrawany układ jest przesunięty względem prostej szyny współpracującej. Śruby przejdą, bo otwory przelotowe są hojne. Połączenie i tak jest wstępnie naprężone. W trzecim kierunku sumuje się tolerancja grubości: cztery szyny na fazę w pakiecie, każda przy dolnej granicy tolerancji, zmieniają całkowitą wysokość pakietu, a przez to długość śrub ściągających i wysokość przekładek. Zrób ten rachunek raz na standardową konfigurację, a nie na budowie.

Kiedy prostowanie jest uzasadnione

Prostuj wtedy, gdy pozostałe wygięcie albo skręcenie przekracza to, co zestaw jest w stanie przyjąć bez wstępnego naprężenia połączenia, albo gdy sama płaskość powierzchni styku wypada poza specyfikację. Nie po to, żeby szyny lepiej wyglądały na regale.

Najczęściej myloną częścią jest kolejność operacji. Prostuj materiał przed wykrawaniem. Prostowanie szyny już wykrawanej przemieszcza naprężenia wokół istniejących otworów, może zniekształcić otwory przy krawędzi szyny, a na materiale w stanie twardym może zostawić nowe pole naprężeń własnych, które ujawni się po następnym cyklu cieplnym. Prostowanie rolkowe przemieszcza naprężenia; nie usuwa ich.

To czyni prostowanie ostatecznością w rozsądnej trasie technologicznej. Zacznij od materiału prostowanego, utrzymuj narzędzia wykrawające ostre i z poprawnym luzem na wykrawarko-nożycach, ustaw kolejność układu otworów tak, żeby rozłożyć pracę, zmniejsz kąt ukosu na nożycach tam, gdzie maszyna na to pozwala, i kompensuj sprężynowanie powrotne na stanowisku gięcia, żeby ramię trafiło tam, gdzie mówi rysunek. Szyny wykonane w ten sposób rzadko wymagają prostowania.

Tam, gdzie jest ono potrzebne, zapisz je jako krok procesu z własnym pomiarem odbiorczym, zamiast zostawiać je młotkowi na stole montażowym — bo tam odbywa się go obecnie bardzo dużo i nic z tego nie jest zapisywane.