Luz między stemplem a matrycą dla szyn miedzianych i aluminiowych

Luz to odstęp między krawędzią tnącą stempla a krawędzią tnącą matrycy. To jedna liczba, łatwo dobrać ją źle i na szynie prądowej jest dobrana źle częściej niż jakikolwiek inny parametr oprzyrządowania. Większość publikowanych wytycznych powstała dla wykrawania blach o grubości 1-3 mm; szyna miedziana to 6-20 mm miękkiej, ciągliwej miedzi umacniającej się zgniotem. Procenty się przenoszą. Skutki nie.

Istnieją dwie konwencje i różnią się dwukrotnie. Luz całkowity to różnica między otworem matrycy a wymiarem stempla. Luz na stronę to jego połowa, czyli odstęp promieniowy w dowolnym punkcie obwodu. Tabela dostawcy z zapisem „miedź, 20%” i zakład pracujący na 10% mogą opisywać identyczne narzędzie. Zanim porównasz jakąkolwiek liczbę z inną, ustal, której konwencji dotyczy. Ten artykuł posługuje się konsekwentnie luzem na stronę i przelicza przywoływane źródła tam, gdzie to konieczne.

Co mówi krawędź cięcia

Wykrawany otwór w szynie prądowej ma cztery strefy, widoczne na ściance otworu i odwzorowane na wykrojku. Ich odczytanie to najszybsza diagnostyka, jaką masz, i nic nie kosztuje.

Zaokrąglenie krawędzi wejściowej powstaje po stronie wejścia stempla, gdzie materiał uplastycznia się i wciąga w otwór, zanim zostanie przecięty, zostawiając zaokrągloną wargę. Głębokość zaokrąglenia rośnie z luzem, ze stępieniem narzędzia i z miękkością materiału, więc sama w sobie nie jest wadą. Na miedzi wyżarzonej jest zawsze widoczna.

Pasmo gładzone to jasny pas poniżej zaokrąglenia, gdzie ściankę otworu przetarła boczna powierzchnia stempla. Jest gładkie i proste, i wymiarowo to właśnie ono jest otworem. Wytyczne narzędziowe Dayton Lamina opisują luz optymalny jako taki, który daje wykrojek z pasmem gładzonym o wysokości mniej więcej jednej trzeciej grubości materiału i z równą płaszczyzną przełomu w jego przedłużeniu — co sprawdza się jako kryterium odbioru także dla szyn prądowych.

Przełom to matowa, gruboziarnista reszta. Biegnie pod kątem, bo pęknięcie wędruje od krawędzi stempla do krawędzi matrycy, a kąt ten ustala luz. Powierzchnia przełomu prosta, jednorodna i będąca przedłużeniem pasma gładzonego oznacza, że oba pęknięcia się spotkały. I o to całe zadanie chodzi.

Zadzior powstaje po stronie wyjścia stempla: ostatni mostek materiału wydłuża się i rwie, zamiast się ścinać. Wysokość zadzioru rośnie z luzem, ze zużyciem krawędzi i z miękkością materiału.

Dwa obrazy uszkodzeń znaczą więcej niż pozostałe. Wtórne pasmo ścinania, czyli drugi jasny pierścień w połowie wysokości ścianki, ze stopniem między jednym a drugim, mówi, że pęknięcie od stempla i pęknięcie od matrycy nie spotkały się w jednej płaszczyźnie i materiał między nimi trzeba było ściąć drugi raz. To za mały luz. Duże zaokrąglenie wejścia z cienkim, poszarpanym zadziorem i bardzo krótkim pasmem gładzonym to luz za duży.

Zachowaj po jednym wykrojku z każdego nowego kompletu narzędzi, opisanym materiałem, grubością i luzem. Porównanie podejrzanego wykrojka z wzorcowym zajmuje piętnaście sekund i rozstrzyga większość sporów o to, czy narzędzie wymaga przeszlifowania, czy luz jest źle dobrany.

Luz jako procent grubości, na stronę

Wyrażenie robocze:

c = k × t          (luz na stronę, mm)
otwór matrycy = wymiar stempla + 2c

gdzie t to grubość materiału, a k — stosunek luzu. Dla szyn miedzianych k mieści się w paśmie 5-12% na stronę. Poniżej 5% wchodzisz we wtórne ścinanie i uszkodzenia cieplne. Powyżej mniej więcej 12% na grubej szynie zaczynają dominować zaokrąglenie wejścia i utrzymanie wykrojka w matrycy. Około 10% na stronę to powszechna wartość robocza i tam też trafia większość dostawców narzędzi dla szyny półtwardej.

Pasmo, przeliczone dla grubości spotykanych przy rozdzielnicach:

Miedź 6 mm potrzebuje więc mniej więcej 0,3-0,7 mm na stronę, a miedź 10 mm mniej więcej 0,8-1,2 mm na stronę, jeśli pracujesz w górnej połowie pasma. Te otwory matryc wyglądają obok stempla niepokojąco duże, jeśli Twój odruch pochodzi z pracy na cienkiej blasze. Są poprawne. Matryca do stempla 13 mm w miedzi 10 mm przy 10% na stronę ma 15 mm, a otwór, który powstanie, zmierzy blisko 13 mm, bo o średnicy otworu decyduje pasmo gładzone, a nie matryca.

Publikowane tablice różnią się między sobą i ma to swój powód. Poradnik narzędziowy Conic podaje dla miedzi stosunek luzu 0,20-0,25 jako wartość całkowitą na prasach serwo i hydraulicznych, czyli 10-12,5% na stronę, z uwagą, żeby powyżej grubości 3,2 mm mnożyć przez 1,4. Wzięte dosłownie, przesuwa to grubą miedź do 14-17% na stronę. UniPunch podaje dla miedzi 20% grubości dla stanu półtwardego i 25% dla twardego, znów jako wartość całkowitą. Prace Dayton nad doborem luzu idą jeszcze wyżej, ale dotyczą wykrawania cienkich blach. Rozrzut jest rzeczywisty, a nie wynika z niechlujstwa: optimum zależy od tego, czy kupujesz trwałość narzędzia, minimalny zadzior, czy powtarzalność wymiarową — a te trzy rzeczy nie osiągają maksimum przy tym samym luzie.

Za mały luz

Pęknięcie od stempla i pęknięcie od matrycy zaczynają się każde na swojej krawędzi tnącej i biegną ku sobie. Przy poprawnym luzie leżą w jednej płaszczyźnie i łączą się. Przy zbyt małym mijają się, a mostek materiału między nimi trzeba przerwać w drugim zdarzeniu. Stąd wtórne pasmo ścinania, chropowata i niejednorodna ścianka otworu oraz otwór o wymiarze mniejszym od stempla.

Skutki po stronie narzędzia są gorsze niż po stronie detalu. Miedź odpręża się na boczną powierzchnię stempla po przebiciu, więc przy ciasnym luzie otwór zaciska się na stemplu i każdy skok kończy się pasowaniem ciasnym, które przy powrocie trzeba pokonać siłą. Rośnie siła zgarniania, ściera się boczna powierzchnia stempla, a na jego czole narasta ciepło tarcia. Przykłady z eksploatacji zebrane przez Dayton pokazują przebarwienie tuż za czołem stempla wywołane dokładnie tym mechanizmem, z uszkodzoną obróbką cieplną stempla i z trwałością zakończoną na długo przed zużyciem samej krawędzi. W ciężkich przypadkach czoło pęka zmęczeniowo i odrywa się.

Znaczna część zużycia powstaje przy wycofywaniu stempla, a nie przy skoku roboczym. Dayton szacuje to nawet na dwie trzecie całkowitego zużycia stempla, a zależy to wyłącznie od tego, jak mocno otwór zaciska się na jego boku. To najmocniejszy argument przeciwko pracy na dolnej granicy pasma luzu przy miedzi. Miedź jest miękka, więc prasa nigdy nie protestuje. Protestuje budżet narzędziowy.

Przy ciasnym luzie rośnie też szczytowa siła nacisku, bo większa część grubości zostaje ścięta, a nie przełamana. Na maszynie bez zapasu siły to realna droga do zatrzymania suwaka na najgrubszej szynie w zleceniu.

Za duży luz

Materiał wygina się w matrycę, zanim zostanie przecięty. Rośnie zaokrąglenie krawędzi wejściowej, skraca się pasmo gładzone, strefa przełomu przejmuje większość ścianki, a wysokość zadzioru rośnie. Otwór wychodzi za duży, a jego krawędź przestaje być prostopadła — co ma znaczenie tam, gdzie otwór wypada na powierzchni styku połączenia śrubowego.

Zakłóceniem ruchowym jest wyciąganie wykrojka. Wraz ze wzrostem luzu wykrojek pasuje w matrycy coraz luźniej i przy wycofywaniu wraca do góry razem ze stemplem, zamiast opaść. Ląduje na szynie i zostaje wbity w kolejny otwór albo klinuje się w zgarniaku. Na miedzi odpowiadają za to przyleganie filmu olejowego i podciśnienie powstające między wygiętym wykrojkiem a czołem stempla. Przyleganie magnetyczne, zwykły trzeci sprawca przy pracy na stali, tutaj nie występuje.

Środki zaradcze są mechaniczne: sprężynowany wypychacz w czole stempla wraz z bocznym otworem odpowietrzającym, kąt ścięcia czoła, który wygina wykrojek tak, że uwalnia go własne sprężynowanie powrotne, albo matryca z krótkim paskiem tnącym i węższym podcięciem za nim, które przytrzymuje wykrojek i nie pozwala mu się podnieść. Pomaga ograniczenie zagłębienia stempla w matrycy do mniej więcej 0,5-0,8 mm w dolnym położeniu skoku, bo głębsze wejście wytwarza przy powrocie większe podciśnienie. Pełną listę i wartość każdego z tych środków podaje artykuł o trwałości narzędzi i koszcie otworu.

Małe otwory w grubej szynie

Szyna prądowa ma problem geometryczny, którego nie ma wykrawanie cienkiej blachy. Otwór przelotowy pod M12 ma 13 albo 13,5 mm. W szynie 10 mm stosunek średnicy otworu do grubości wynosi około 1,3; w szynie 12 mm około 1,1. To otwór krępy i głęboki, który nie zachowuje się jak otwór 25 mm w blasze 3 mm.

Poniżej stosunku średnicy do grubości równego mniej więcej 1,5 wykrojek trudno wygiąć i oderwać. Rośnie obciążenie stempla, wydłuża się pasmo gładzone, rośnie zadzior, a otwór wychodzi zbyt mały. Dayton zaleca dodać 1% na stronę do luzu nominalnego, gdy otwór zejdzie do 1,5 grubości, i mniej więcej 4% na stronę więcej, gdy średnica otworu zrówna się z grubością. Zastosowana do otworu 13 mm w miedzi 12 mm poprawka ta nie jest opcjonalna i wyjaśnia, dlaczego komplet narzędzi pracujący znakomicie przy 6 mm zaczyna sprawiać kłopoty przy 12 mm na tym samym procencie nominalnym.

Dane o trwałości narzędzi z PASS Stanztechnik potwierdzają to z drugiej strony: ich współczynniki korekcyjne wynoszą 0,6-0,8 dla wykrawanego zarysu mniejszego niż 1,5 grubości blachy i 0,3-0,5 dla mniejszego niż 1,0 grubości. Mały otwór w grubej szynie kosztuje od połowy do dwóch trzecich trwałości narzędzia, którą uzyskałbyś w innym przypadku.

Siła wykrawania i wpływ geometrii czoła stempla

Wymagana siła to ścinana powierzchnia pomnożona przez wytrzymałość materiału na ścinanie, F = obwód × t × τ, albo F = π × d × t × τ dla otworu okrągłego. Przykłady liczbowe i zestaw wartości odniesienia wytrzymałości na ścinanie znajdziesz w towarzyszącym artykule o doborze siły prasy do wykrawania szyn prądowych, a samo obliczenie wykonasz w kalkulatorze siły wykrawania szyn prądowych.

Wpływ ma na to luz, ale też geometria czoła stempla. Stempel z czołem płaskim tnie cały obwód naraz, więc cała siła pojawia się jako pik, a odciążenie po przebiciu jest gwałtowne. Zeszlifowanie kąta ścięcia na czole rozkłada cięcie w czasie i szczytowa siła nacisku spada — ale na grubej szynie spada mniej, niż sugerują materiały handlowe. Wykres współczynników ścięcia H. Weissa podaje dla materiału 1/4 in (6,35 mm) współczynnik 0,90 przy głębokości ścięcia 1/16 in (1,6 mm), 0,85 przy 3/32 in (2,4 mm) i 0,65 przy 3/16 in (4,8 mm). Płytkie ścięcie na grubej miedzi daje 10%. Uzyskanie 35% wymaga głębokości ścięcia sięgającej trzech czwartych grubości szyny, czyli długiego i wrażliwego czoła.

Czoło płaskie daje najwyższą siłę szczytową, najbardziej prostopadły otwór i najbardziej płaski wykrojek. Ścięcie jednostronne, czyli czoło zeszlifowane pod kątem w poprzek stempla, daje największą redukcję siły, ale spycha stempel w bok, a na krępym stemplu do szyn to obciążenie boczne przechodzi na prowadnicę i zgarniak. Dach, symetryczny względem osi, równoważy obciążenia boczne i jest zwykłym wyborem dla wszystkiego poza najmniejszymi otworami. Przy wykrawaniu otworów kąt ścięcia rób na stemplu, a nie na matrycy: element, który niesie kąt, zniekształca swoją stronę cięcia, a przy wykrawanym otworze wykrojek jest odpadem, natomiast szyna jest wyrobem.

Aluminium to nie miedź, a 6101 to nie 1350

Aluminium zmienia dwie rzeczy. Wytrzymałość na ścinanie spada mocno i nie spada równomiernie w gatunkach używanych na szyny prądowe.

Miękkie gatunki przewodowe serii 1xxx leżą przy ścinaniu w okolicach 60-80 N/mm²; UniPunch podaje 1100-O jako 62 N/mm², a 1100-H14 jako 76 N/mm², co jest właściwym rzędem wielkości dla szyny 1350-H111. Szyna ze stopu, obrobiona cieplnie, to inny materiał. Publikowana wytrzymałość na ścinanie 6101-T6 wynosi około 22 ksi, czyli mniej więcej 150 N/mm², a dla 6061-T6 podaje się 207 N/mm². Dobranie prasy albo kompletu narzędzi pod „aluminium, 80 N/mm²”, a potem dostanie szyny 6101-T6, niemal podwaja siłę, której naprawdę potrzebujesz. Ustal gatunek i stan umocnienia przed obliczeniem siły.

Luz dla szyny aluminiowej jest przy tej samej grubości nieco mniejszy niż dla miedzi, zwykle mniej więcej 8-10% na stronę, bo niższa wytrzymałość na ścinanie pozwala pęknięciu łatwiej się propagować. Problemem aluminium jest przyleganie. Zaciera się na stali narzędziowej, narasta na bocznej powierzchni stempla, a potem rysuje kolejne sto otworów. Pomaga powłoka — PASS Stanztechnik podaje współczynnik trwałości narzędzia 2,0-4,0 dla właściwie dobranej powłoki, czyli gatunku przeznaczonego do aluminium, a nie uniwersalnego TiN. Smarowanie pomaga bardziej. Współczynnik korekcyjny PASS dla pracy bez smarowania materiału wynosi 0,4-0,6, więc wykrawanie szyn aluminiowych na sucho jest oszczędnością pozorną.

Stan umocnienia miedzi działa tak samo. Według EN 13601 szyna Cu-ETP dostarczana jest jako R220 miękka wyżarzona o wytrzymałości na rozciąganie 220-260 N/mm², R240 półtwarda 240-300 i R290 twarda 290-360. To dość daleko od siebie, żeby komplet narzędzi dopasowany do jednego stanu nie był optymalny dla innego.

Zapis zadzioru na rysunku

Większość rysunków szyn prądowych nie mówi o zadziorze nic, a potem kontrola odrzuca detale według niezapisanego kryterium. Narzędziem do poprawnego zapisu jest ISO 13715, Dokumentacja techniczna wyrobu — Krawędzie o nieokreślonym kształcie — Oznaczanie i wymiarowanie, wydanie trzecie z 2017 roku.

Norma podaje symbol graficzny nanoszony na krawędź, z zapisanym w nim znakiem i wartością. Znaczenie niesie znak:

• + oznacza dopuszczalny nadmiar materiału, który norma nazywa przejściem (passing). Zadzior jest w niej wprost zdefiniowany jako szczególny przypadek przejścia zewnętrznego. Pojedyncza wartość dodatnia oznacza, że druga granica wynosi zero, czyli podcięcie jest niedopuszczalne.
• − oznacza wymagane usunięcie materiału, czyli podcięcie. Pojedyncza wartość ujemna oznacza, że przejście jest niedopuszczalne, a więc nie wolno zostawić żadnego zadzioru i krawędź musi zostać stępiona.
• ± oznacza, że dopuszczalne jest jedno i drugie, i wolno go użyć wyłącznie z podaną wartością.

Wartość to maksymalne dopuszczalne odchylenie, pisane za znakiem. Można podać obie granice, górną i dolną, jedna nad drugą. ISO 13715 przewiduje też oznaczenie kierunku, w którym dopuszczalne jest przejście albo podcięcie — i to postanowienie ma przy szynach prądowych największe znaczenie, bo zadzior na powierzchni styku połączenia śrubowego to inny problem niż zadzior na powierzchni swobodnej.

Czego ISO 13715 nie robi, to nie mówi, jaką liczbę wpisać. Ta wynika z funkcji krawędzi:

• Powierzchnie styku połączeń śrubowych: zadzior wchodzi między dwa stykające się przewody i rozpiera je, zmniejszając powierzchnię styku i podnosząc rezystancję połączenia. Ponieważ IEC 61439 ustala granicę przyrostu temperatury 70 K na zaciskach do przyłączania przewodów zewnętrznych, rezystancja połączenia jest kwestią zgodności z normą, a nie estetyki. Wskaż stronę zadzioru i zapisz ją ciasno.
• Ścianki otworów, przez które przechodzi trzpień śruby: zadzior przeszkadza tu w montażu i może rysować śrubę. Wystarczy umiarkowana kontrola.
• Krawędzie w pobliżu przegrody izolacyjnej albo przerwy powietrznej: to kwestia przerw powietrznych i dróg upływu według IEC 60664-1, bo ostry, wystający zadzior lokalnie podnosi natężenie pola. To także miejsce, w którym ktoś zwykle twierdzi, że norma nakazuje fazowanie. Żadna nie nakazuje. Obróbka krawędzi jest sposobem spełnienia postanowień o wytrzymałości elektrycznej, a nie wymaganiem samym w sobie.

Przy układach otworów według DIN 43673-1, która ustala położenie i wymiary otworów oraz dane wyjściowe do połączeń śrubowych szyn prądowych o przekroju prostokątnym, zapis zadzioru należy do tego samego rysunku co układ otworów.

Tam, gdzie granica jest na tyle ciasna, że samo wykrawanie jej nie utrzyma, odpowiedzią jest operacja następcza, a nie coraz ciaśniejszy luz. Gratowanie szczotkowe albo taśmowe na maszynie takiej jak BND800-2, która obsługuje szyny o grubości od 0,5 do 50 mm i szerokości od 100 do 800 mm, zamyka spór. Gonienie za zadziorem 0,05 mm przez zaciskanie luzu kosztuje jednocześnie trwałość stempla i jakość otworu.

Ustawienie i sprawdzenie na maszynie

Luz należy do kompletu narzędzi, a nie do prasy, więc na wykrawarko-nożycach ustala się go przy zamawianiu stempla i matrycy, a sprawdza przy ich montażu. Zmierz stempel i matrycę osobno i policz luz, zamiast ufać opisowi; stempel szlifowany po boku, a nie po czole, nie ma już wymiaru, który na nim wybito. Potem sprawdź współosiowość, bo wartość na stronę musi się utrzymać na całym obwodzie. Stempel przesunięty o 0,1 mm od osi przy luzie nominalnym 0,8 mm daje 0,7 mm z jednej strony i 0,9 mm z drugiej, a zadzior będzie wyraźnie niesymetryczny. Na centrum obróbczym z wielogniazdową głowicą rewolwerową, utrzymującym pozycjonowanie ±0,05 mm, do łańcucha luzu należą także ustawienie gniazd i czystość głowicy.

Co to miejscowe płynięcie plastyczne robi z prostoliniowością szyny, omawia artykuł o płaskości, prostoliniowości i skręceniu po obróbce, a przegląd procesu wykrawania pokazuje, gdzie otwór wypada w reszcie trasy technologicznej.