Dobór siły prasy do wykrawania szyn prądowych

Siła wykrawania jest jedną z niewielu rzeczy w obróbce szyn prądowych, które da się policzyć dokładnie, z podstaw, w jakieś trzydzieści sekund. Jest też jedną z tych, które najczęściej określa się, przepisując to, co miała poprzednia maszyna. Te dwa fakty źle ze sobą sąsiadują, bo obliczenie nie jest trudne, a koszt pomyłki idzie w obie strony: prasa niedowymiarowana staje na tym jednym zleceniu, na którym zależy, a przewymiarowana to kapitał, którego nie trzeba było wydawać.

Wzór

Wykrawanie ścina z szyny walec materiału. Ścinana powierzchnia to obwód otworu pomnożony przez grubość, a siła to ta powierzchnia pomnożona przez wytrzymałość materiału na ścinanie:

F = obwód × t × τ

Dla otworu okrągłego obwód wynosi π × d, co daje postać, którą większość ludzi zna z pamięci:

F = π × d × t × τ

przy d i t w milimetrach oraz τ w N/mm², co daje siłę w niutonach. Podziel przez 1000, żeby dostać kN, i przez 9807, żeby dostać tony metryczne.

Dla otworu kształtowego (szczeliny, prostokąta, otworu podłużnego, żaluzji szynoprzewodu) obwodem jest rozwinięta długość cięcia, a nie wymiar nominalny. Prostokątna szczelina 20 × 40 mm z promieniami naroży 5 mm ma obwód mniej więcej 2 × (20 + 40) − 8 × 5 + 2π × 5, co daje około 111 mm zamiast 120 mm, które wychodzą przy pominięciu naroży. Na pojedynczym otworze ta różnica to szum. Na zespole ośmiu stempli już nie.

Wartości wytrzymałości na ścinanie, których warto używać

Wytrzymałość na ścinanie jest zmienną rozstrzygającą o wyniku i tą, którą ludzie zgadują. Poniższe wartości pochodzą z publikowanych danych dostawców oprzyrządowania dla stopów i stanów umocnienia, które faktycznie pojawiają się jako szyny prądowe. Są to wartości typowe do doboru, a nie certyfikowane minima, a atest hutniczy zawsze bije tablicę.

Dwie poprawki do liczb krążących nieformalnie. Po pierwsze, dla miedzi podaje się często 200-230 N/mm², co jest wartością zawyżoną; są to wytrzymałości na rozciąganie użyte tak, jakby były wytrzymałościami na ścinanie. Według EN 13601 szyna Cu-ETP jest określona na 220-260 N/mm² przy rozciąganiu dla R220 miękkiej, 240-300 dla R240 półtwardej i 300-360 dla R290 twardej. Podane wyżej zmierzone wartości ścinania to mniej więcej 0,65-0,70 odpowiadającej im wartości rozciągania, a nie 0,8, które sugeruje powszechna reguła kciuka. Tam, gdzie nie masz nic lepszego niż wartość rozciągania, 0,8 × rozciąganie jest zachowawczym rozwiązaniem awaryjnym i zawyży miedź o 15-20%.

Po drugie, „aluminium ma około 80 N/mm²" jest prawdą tylko dla miękkich gatunków przewodowych serii 1xxx. 6101-T6, czyli standardowy stop na szyny wyciskane wszędzie tam, gdzie liczą się wytrzymałość mechaniczna i odporność na pełzanie, ma mniej więcej dwa razy tyle. Prasa dobrana na 80 N/mm², a potem karmiona szyną 6101-T6, będzie miała za mało siły, a objawem nie będzie czyste zatrzymanie, tylko otwór wykrawany do połowy z uwięzionym w nim stemplem.

Przykład liczbowy

Weź przypadek typowy: otwór przelotowy pod M12, średnica 13 mm, w miedzi półtwardej 10 mm.

F = π × 13 × 10 × 179
  = 40,84 × 10 × 179
  = 73 100 N
  ≈ 73 kN  (7,5 tony)

Teraz ten sam otwór w tej samej szynie z aluminium 6101-T6, τ ≈ 150:

F = π × 13 × 10 × 150 = 61 300 N ≈ 61 kN

I największy otwór, o jaki zwykle prosi się maszynę ze średniej półki, czyli 32 mm w miedzi twardej 16 mm:

F = π × 32 × 16 × 193 = 310 400 N ≈ 310 kN  (31,7 tony)

Ta ostatnia liczba decyduje o tym, którą maszynę kupisz, a wzięła się z jednej linijki rachunku. To samo obliczenie dla dowolnej kombinacji otworu i materiału wykonasz w kalkulatorze siły wykrawania szyn prądowych.

Siła zgarniania i dlaczego należy do sumy

Po oddzieleniu wykrojka szyna odpręża się na boczną powierzchnię stempla i zaciska się na niej. Wyciągnięcie stempla wymaga realnej siły, dostarczanej przez zgarniak i przenoszonej przez maszynę.

Publikowane reguły kciuka umieszczają siłę zgarniania na poziomie 5-20% siły wykrawania, przy czym wytyczne MetalForming dotyczące projektowania wykrojników podają 10-30% z uwagą, że materiały miększe i ciaśniejsze luzy wymagają więcej. Miedź jest miękka i ciąży ku górnej części tego zakresu. Do celów doboru na szynie miedzianej 15% siły wykrawania jest wartością roboczą, której da się bronić, a 20%, jeśli pracujesz na luzie przy ciasnym końcu pasma.

W przykładzie 310 kN dokłada to mniej więcej 45-60 kN. Nie występuje jednocześnie ze szczytową siłą wykrawania, więc nie dodaje się po prostu do wymaganej siły nacisku, ale obciąża zgarniak, oprawkę narzędzia i korpus i jest powodem, dla którego maszyna nominalnie wystarczająca potrafi drgać albo odpływać na położeniu otworów. Jeśli Twoja siła zgarniania jest wysoka, przyczyną jest zwykle luz, a nie prasa, czym zajmuje się artykuł o luzie między stemplem a matrycą.

Dobieraj pod najgorszy przypadek, a nie pod przeciętny

Przeciętny otwór w zleceniu na rozdzielnicę to otwór przelotowy pod M10 albo M12 w miedzi 6-10 mm, wymagający 40-75 kN. Dobranie maszyny pod tę liczbę gwarantuje, że zlecenia nie wykonasz.

Najgorszym przypadkiem jest połączenie:

• największego otworu z zestawu rysunków, łącznie ze szczelinami i wycięciami, liczonego według rozwiniętego obwodu, a nie wymiaru nominalnego
• najgrubszej szyny, jaką będziesz obrabiać, a często nie jest to ta sama szyna, w której wypada największy otwór
• najtwardszego stanu umocnienia, jaki dopuścisz. Szyna ciągniona na twardo jest przy ścinaniu mniej więcej 8% mocniejsza niż półtwarda i 27% mocniejsza niż wyżarzona, a zaopatrzenie podmieni stan umocnienia, gdy z dostawami będzie krucho
• największego zespołu stempli, jeśli wykrawasz wiele otworów na jednym skoku

Nie muszą one wystąpić razem na rzeczywistym detalu, żeby maszyna musiała je przetrwać. Muszą być możliwe. Specyfikacja przetargowa mówiąca „miedź do 12 mm" i zestaw rysunków z otworem 32 mm oznaczają, że musisz założyć otwór 32 mm w miedzi twardej 12 mm, czyli 233 kN, niezależnie od tego, czy taki detal już istnieje.

Podmiana stanu umocnienia zasługuje na szczególną uwagę, bo jest niewidoczna. Szyna wygląda identycznie. Pierwszym objawem jest zwykle wysokość zadzioru i odpływ położenia otworów na maszynie, która miesiąc temu była w porządku.

Wykrawanie zespołem stempli i wielootworowe

Wykrawanie kilku otworów na jednym skoku mnoży siłę przez liczbę otworów, dokładnie. Cztery otwory M12 w miedzi półtwardej 10 mm na jednym skoku to 4 × 73 = 292 kN i nie zmieści się to na maszynie 300 kN, gdy uwzględnisz zgarnianie i ugięcie korpusu.

Są dwa sposoby, żeby zespoły stempli stały się dostępne cenowo. Zróżnicuj długości stempli tak, żeby wchodziły w materiał kolejno, a nie jednocześnie, co rozkłada siłę na skoku kosztem dłuższego skoku i większych obciążeń bocznych. Albo wykrawaj kolejno przy dużej prędkości uderzeń, do czego maszyna CNC do szyn prądowych jest zbudowana. Przy 150-200 uderzeniach na minutę kara czasowa za wykrawanie czterech otworów pojedynczo zamiast zespołem wynosi poniżej dwóch sekund i całkowicie usuwa problem siły. Przy większości prac przy rozdzielnicach warto w tę wymianę wejść.

Stemple ze ściętym czołem

Płaskie czoło stempla tnie cały obwód naraz, więc siła szczytowa równa się sile obliczonej, a odciążenie po przebiciu jest gwałtowne. Zeszlifowanie kąta ścięcia na czole rozkłada cięcie w czasie i obniża szczyt.

Zysk zależy od głębokości ścięcia względem grubości materiału, a na grubej szynie prądowej jest mniejszy, niż sugerują materiały handlowe. Publikowane wytyczne Roper Whitney mówią, że ścięcie może obniżyć siłę wykrawania nawet o 50%, z zastrzeżeniem, że jest najskuteczniejsze na blasze 14 gauge i cieńszej. Wykres współczynników ścięcia H. Weissa jest dla naszych grubości bardziej użyteczny: przy materiale 1/4 in (6,35 mm) głębokość ścięcia 1/16 in (1,6 mm) daje współczynnik 0,90, głębokość 3/32 in (2,4 mm) daje 0,85, a głębokość 3/16 in (4,8 mm) daje 0,65.

Praktyczny wniosek dla szyn prądowych jest taki, że umiarkowana głębokość ścięcia kupuje 10-15% na miedzi 6 mm i proporcjonalnie mniej na 12 mm, bo głębokość ścięcia musiałaby rosnąć z grubością, żeby utrzymać ten sam stosunek. Nie dobieraj maszyny w założeniu, że ścięcie Cię uratuje. Traktuj je jako zabezpieczenie przed udarem przy przebiciu i jako pomoc w kontroli wykrojka, a siłę nacisku licz z wartości dla czoła płaskiego.

Na wszystkim poza najmniejszymi otworami stosuj ścięcie dachowe, a nie jednostronne. Pojedynczy kąt daje niezrównoważoną siłę boczną, która odchyla stempel i obciąża prowadnicę.

Reguła zapasu

Weź siłę wykrawania dla najgorszego przypadku i dodaj zapas na to, czego wzór nie modeluje:

• Stan narzędzia: zużyty stempel wymaga istotnie większej siły niż ostry, bo rośnie promień krawędzi i coraz większa część cięcia zamienia się w odkształcanie. To największy pojedynczy niemodelowany składnik.
• Tolerancja stanu umocnienia i grubości: szyna przyjeżdża przy górnej granicy tolerancji grubości i przy górnej granicy zakresu wytrzymałości dostatecznie często, by miało to znaczenie.
• Ugięcie korpusu i obniżenie parametrów hydrauliki: siła znamionowa jest podana na suwaku, przy ciśnieniu znamionowym, w temperaturze pracy.
• Przyszłe prace: maszyna postoi w zakładzie piętnaście lat, a struktura zleceń się zmieni.

Reguła robocza mówi, żeby dobierać tak, aby obliczona siła dla najgorszego przypadku nie przekraczała mniej więcej 60-70% siły znamionowej maszyny. To nie jest norma, tylko nagromadzona praktyka, ale jest spójna z tym, gdzie faktycznie leżą publikowane granice maszyn. Na poniższych maszynach 800 kN największy publikowany otwór w najgrubszej publikowanej szynie wychodzi na mniej więcej 485 kN w miedzi twardej, czyli około 61% wartości znamionowej. To nie przypadek.

Odwzorowanie na rzeczywistą drabinę maszyn

Przeliczenie rachunku najgorszego przypadku wobec publikowanych możliwości każdego rozmiaru korpusu daje prostą tabelę doboru. Wszystkie poniższe wartości przyjmują miedź twardą 193 N/mm², czyli przypadek pesymistyczny.

Wiersze oznaczone „publikowane maks." podają deklarowaną przez producenta maksymalną średnicę otworu przy podanej maksymalnej grubości. Dwa wiersze „wyprowadzone" podają największy otwór, na jaki pozwala rachunek przy mniej więcej dwóch trzecich siły znamionowej, bo te maszyny nie publikują maksymalnej średnicy otworu.

Czytaj tę tabelę jako przewodnik doboru, a nie cennik. Klasa 300 kN pokrywa prace przy rozdzielnicach na szynie 160 × 15 mm z układami otworów M12 i M16, bez niczego egzotycznego. EMAC-BP-40 o sile 400 kN pokrywa większość rozdzielnic na szynie 12 mm przy 150 uderzeniach na minutę. Krok do 600 kN kupuje zakres 16 mm, a nie tylko więcej siły, a krok do 800 kN kupuje 20 mm i otwory 40 mm.

Jeśli zlecenie obejmuje duże wycięcia, żaluzje szynoprzewodów albo cokolwiek, gdzie rozwinięty obwód przekracza 100 mm, wejdź klasę wyżej niezależnie od tego, co mówi rachunek dla otworu okrągłego. Obwód jest składnikiem rosnącym najszybciej.

Klasa 800 kN ma znaczenie także z powodu, który nie ma nic wspólnego z otworami. Na maszynie łączącej wykrawanie i cięcie stanowisko tnące musi przeciąć pełny przekrój szyny, a na miedzi 300 × 20 mm jest to powierzchnia cięcia 6000 mm². Siłą potrzebną do cięcia rządzi geometria noża i kąt ukosu, a nie prosty wzór obwodowy, ale korpus musi ją przenieść — i to często cięcie, a nie wykrawanie, wyznacza rozmiar korpusu przy szerokiej, ciężkiej szynie.

Dwie rzeczy, których wzór Ci nie powie

Siła to nie to samo co możliwości. Prasa o wystarczającej sile nacisku i niewystarczającej dokładności położenia robi otwory w złym miejscu, co przy układzie połączenia śrubowego według DIN 43673-1 oznacza złomowaną szynę. Dokładność podziałki otworów, powtarzalność i sztywność podawania szyny to osobne specyfikacje i zasługują na osobną uwagę.

Siła nie mówi też nic o prędkości uderzeń, a to ona rozstrzyga, czy maszyna na siebie zarobi. Maszyna 400 kN przy 150 uderzeniach na minutę i maszyna 800 kN przy 200 uderzeniach na minutę to dwie różne propozycje produkcyjne, a przy zleceniu zdominowanym przez otwory przelotowe M10 i M12, gdzie żadna z nich nie zbliża się do swojej granicy siły, prędkość uderzeń jest jedyną liczbą, która ma znaczenie. Zależność między prędkością uderzeń, trwałością narzędzi i rzeczywistym kosztem otworu omawia artykuł o trwałości narzędzi i koszcie otworu, a mechanikę samego cięcia — przegląd procesu wykrawania.