Skręcanie szyn prądowych: geometria, granice i oprzyrządowanie

Skręt obraca szynę wokół jej własnej osi podłużnej, nie zmieniając kierunku, w którym biegnie. To operacja, po którą sięgasz, gdy trasa idzie we właściwą stronę, ale szeroka powierzchnia jest w złej płaszczyźnie: pionowy wznios zasilający wyłącznik, którego zaciski leżą poziomo, pakiet faz, który musi rozejść się do różnie zorientowanych zacisków, odgałęzienie do aparatu zamontowanego pod kątem 90° do przedziału szynowego.

Większość zakładów prowadzi to na regule kciuka, a krążące reguły kciuka różnią się między sobą trzykrotnie. Różnią się nie bez powodu, a powód da się policzyć.

Długość skrętu w funkcji szerokości

Publikowane wytyczne dotyczące długości szyny przewidzianej na skręt 90° obejmują szerokie pasmo. Praktyka montażu rozdzielnic przyjmuje długość skrętu co najmniej dwukrotnie większą od szerokości szyny. Producenci maszyn podają zwykle 2,5-krotność szerokości jako wartość dolną, a jeden z publikowanych przykładów podaje długość skrętu 50 mm dla szyny o szerokości 20 mm. Inne wytyczne produkcyjne podają 2,5 do 5 razy szerokość. Praktyka ręczna w imadle warsztatowym, przy dolnym końcu, podaje 1,5 do 2 razy szerokość, ale wiąże z tą wartością ograniczenie do grubości 6 mm i szerokości 60 mm.

Te liczby dają się pogodzić, gdy spojrzysz na odkształcenie. Narożnik przekroju leży mniej więcej pół szerokości szyny od osi skrętu. Obrócenie go o kąt θ na długości L wywołuje na powierzchni odkształcenie postaciowe:

γ = (w/2) · θ / L

co dla skrętu 90° sprowadza się do γ = π·w / (4L). Po przeliczeniu na równoważne odkształcenie jednoosiowe, dla porównania z danymi o wydłużeniu, ε ≈ γ/√3:

Wzór pomija grubość, co dla proporcji szyn prądowych jest uprawnione: na szynie 100 × 10 mm rzeczywisty promień narożnika wynosi 50,25 mm wobec 50 mm przyjmowanych przez wzór.

Teraz wytyczne nabierają sensu. Przy 2,5 × szerokość narożnik widzi około 18% odkształcenia równoważnego, co miedź miękka i półtwarda przyjmują bez trudu. Przy 1,5 × szerokość widzi 30%, co da się przeżyć tylko na cienkiej, wąskiej szynie miękkiej — czyli dokładnie w tym zakresie, który reguła z imadła sama sobie przypisuje. Przy 5 × szerokość narożnik widzi 9%, co jest wygodne nawet w stanie twardym.

Reguła robocza: 2,5 × szerokość dla R220 i R240, 4 × szerokość dla R290 i nigdy poniżej 2 × szerokość, niezależnie od stanu umocnienia. Potwierdź to na sztuce pierwszej, bo wartości wydłużenia z EN 13601 są minimami, a dostarczany materiał zwykle je przewyższa.

Zwróć uwagę na kierunek zależności, bo jest odwrotny niż przy gięciu: im dłuższy skręt, tym łagodniejsze odkształcenie. Długość skrętu jest naddatkiem konstrukcyjnym, a nie nastawą maszyny, więc jeśli trasa nie ma prostego odcinka do oddania, skręt w ogóle nie jest dostępny.

Moment skręcający i dlaczego skręcanie bije gięcie na sztorc

Plastyczny moment skręcający potrzebny do skręcenia przekroju prostokątnego wynosi w przybliżeniu τy·(w·t²/2 − t³/6), a więc rządzi nim t² i rośnie tylko liniowo z szerokością. Plastyczny moment potrzebny do zgięcia tego samego przekroju na sztorc wynosi σy·t·w²/4 i rośnie z kwadratem szerokości.

Przyjmując miedź półtwardą o granicy plastyczności 180 N/mm²:

Stosunek ten w całym zakresie jest bliski 0,87·w/t. Każdy milimetr dodatkowej szerokości czyni gięcie na sztorc nieproporcjonalnie trudniejszym, a skręt tylko proporcjonalnie trudniejszym — a szerokie, cienkie przekroje, na których gięcie na sztorc wypada najgorzej, są właśnie tymi, gdzie przewaga jest największa.

To ilościowy argument za alternatywą „skręt plus gięcie na płask", omawianą w artykule o gięciu na sztorc a gięciu na płask. Skręć szynę o 90°, a potem wykonaj zmianę kierunku jako zwykłe gięcie na płask, gdzie o odkształceniu decyduje grubość, a nie szerokość. Dwie łatwe operacje zastępują jedną trudną.

Spaczenie, pocienienie krawędzi i co dzieje się z przekrojem

Wał kołowy poddany skręcaniu zachowuje płaski przekrój. Prostokątny nie. Przy skręcaniu swobodnym Saint-Venanta punkty przekroju prostokątnego przemieszczają się osiowo w układzie siodłowym, z największym przemieszczeniem w narożnikach. To jest spaczenie i w przekroju niekołowym jest nieuniknione.

Płyną z tego dwie praktyczne konsekwencje.

Strefa skręcona nie jest wymiarowo identyczna z szyną wyjściową. Przekrój lekko się wybrzusza, narożniki wyprzedzają albo opóźniają się względem środka powierzchni, a zmierzona grubość na krawędziach skręconego obszaru wychodzi nieznacznie poniżej nominału. Przy normalnych proporcjach szyn prądowych ubytek jest mały, rzędu kilku procent, ale jest miejscowym wzrostem rezystancji, a więc kandydatem na punkt gorący. Sprawdź to wobec swojego zapasu na przyrost temperatury; kalkulator obciążalności prądowej szyn poda zapas, jaki ma trasa, zanim ten ubytek zacznie mieć znaczenie.

Spaczenie jest też skrępowane w zaciskach, bo powierzchnie zacisków trzymają przekrój płasko, podczas gdy materiał między nimi chce się spaczyć. Skrępowane spaczenie wytwarza naprężenia osiowe skupione na krawędziach zacisku i dlatego pęknięcia przy skręcaniu niemal zawsze zaczynają się na linii zacisku, a nie w środku skrętu. Jeśli Twoje skręty pękają przy zacisku, odpowiedzią jest dłuższa długość swobodna albo miększe wkładki zaciskowe, a nie większy moment.

Strefa skręcona jest ponadto umocniona zgniotem. Nie umieszczaj zagięcia wewnątrz skrętu ani bezpośrednio przy nim. Materiał zużył tam już dużą część dostępnej ciągliwości i pęknie na promieniu, który szyna wyjściowa przyjęłaby bez problemu. Zostaw między obiema operacjami odcinek prostej szyny.

Sprężynowanie skrętne

Skręty sprężynują i sprężynują znacznie bardziej niż zagięcia.

Powrót sprężysty przy odciążeniu wynosi Δθ = T·L/(G·J), gdzie T to przyłożony moment, L to długość skrętu, G to moduł sprężystości postaciowej, a J to stała skręcania przekroju. Moduł postaciowy miedzi wynika z jej modułu sprężystości i wynosi mniej więcej 46 kN/mm². Przeliczenie tego dla szyny 100 × 10 mm półtwardej, skręconej o 90° na długości swobodnej 250 mm, daje powrót sprężysty około 5°. Ta sama szyna skręcona na 400 mm wraca o około 8°. Szyna 160 × 10 mm na 400 mm wraca o około 7,6°.

To oszacowania pierwszego rzędu, z odciążenia sprężystego przekroju w pełni uplastycznionego. Zweryfikuj je na sztuce pierwszej, zamiast programować prosto z kartki. Co ustalają wiarygodnie, to skalę: powrót skrętny sięga kilku stopni, czyli jest o rząd wielkości większy niż sprężynowanie przy gięciu tej samej szyny na płask.

Zwróć też uwagę, że powrót rośnie z długością skrętu, a odkształcenie wraz z nią maleje. Wydłużenie skrętu, żeby chronić narożniki, zwiększa kompensację kątową. Nie ma długości optymalizującej obie rzeczy naraz, więc dobierz długość z wymagania na odkształcenie, a kąt zostaw tablicy kompensacji. Obowiązuje tu ta sama dyscyplina tablicy korekt, opisana przy kompensacji sprężynowania powrotnego, indeksowana materiałem, stanem umocnienia, przekrojem i długością swobodną, z wpisami dla skrętów trzymanymi całkowicie osobno od wpisów dla zagięć.

Zaciski i oprzyrządowanie

Głowica skręcająca to dwa zaciski: jeden nieruchomy, jeden obrotowy. Swobodny odstęp między nimi jest długością skrętu, co oznacza, że długość skrętu wyznacza położenie zacisku i nie na każdej maszynie jest ona regulowana płynnie. Sprawdź skok regulacji, zanim zwiążesz projekt z konkretnym naddatkiem.

Powierzchnie zacisków nie mogą znaczyć szyny. Miedź jest miękka, a nacisk zacisku potrzebny, żeby zapobiec poślizgowi przy pełnym momencie, jest wysoki. Wkładki z brązu, aluminium albo twardego polimeru są normą. Stalowe szczęki z powierzchnią karbowaną odcisną się w szynie, a odcisk staje się miejscem zapoczątkowania pęknięcia pod odkształceniem skrętnym.

Jeden zacisk musi mieć swobodę ruchu osiowego. Szyna skracając się, nieznacznie kurczy się wzdłuż swojej osi podczas skręcania. Utrzymaj oba końce sztywno, a nałożysz na ścinanie skrętne rozciąganie osiowe, które dodaje się wprost do odkształcenia narożnika i wywołuje pękanie krawędzi przy poziomach odkształcenia, które sam skręt by przetrwał. Zacisk pływający albo niewielka celowa podatność osiowa usuwa ten problem.

Przekrój musi być też trzymany prostopadle w obu zaciskach. Poślizg obrotowy skraca efektywną długość swobodną, co podnosi odkształcenie powyżej wartości, którą policzyłeś, i psuje kąt gotowego detalu.

Publikowane zakresy skręcania na maszynach do gięcia szyn prądowych mieszczą się zwykle w okolicach grubości 5 do 10 mm i szerokości 15 do 100 mm, czyli zauważalnie ciaśniej niż zakres gięcia na płask tej samej maszyny. Skręcanie jest wymienioną możliwością zarówno EMAC-BB-H12, jak i SMART-603CNC-S, realizowaną na tym samym sterowaniu i w tym samym programie detalu co operacje gięcia, więc detal ze skrętem i dwoma zagięciami to jedno ustawienie, a nie trzy. Wartość ±0,1° podawana dla głowic EMAC-BB jest specyfikacją dokładności gięcia; powtarzalność skrętu na dowolnej maszynie zależy mocno od chwytu zacisków i należy ją scharakteryzować na własnym materiale, a nie zakładać z wartości dla gięcia.

Gdzie skręty mieszczą się w planie procesu

Wykrawaj i tnij przed skręcaniem, a nie po. Szyna skręcona nie położy się płasko na stole wykrawarki i nie da się jej pewnie zbazować na zderzaku.

Tam, gdzie geometria na to pozwala, wykonuj skręty przed zagięciami, bo przekrój skręcony trudniej zacisnąć prostopadle w narzędziu gnącym niż przekrój prosty.

Trzymaj otwory całkowicie poza strefą skrętu. Otwór w obszarze dużego ścinania skrętnego to karb w najgorszym możliwym miejscu, a materiał wokół niego rozerwie się, zanim skręt się dopełni.

Przewiduj długość skrętu wynikającą z odkształcenia już na etapie rysunku. Wciskanie skrętu w trasę zwymiarowaną bez niego to zwykły powód, dla którego zakład próbuje go wykonać przy 1,5 szerokości i złomuje szynę. Skręcanie i gięcie są operacjami zużywającymi długość, a długość rozwinięta musi unieść obie. Pełny opis procesu znajduje się pod hasłem skręcanie.