Как задавать плоскостность, прямолинейность и винтообразность после обработки

Чертёж с надписью «шина должна быть плоской» не задаёт ничего. Слово употребляют вольно, покрывая им три геометрически разные характеристики с разными причинами, разными методами измерения и разными достижимыми значениями. Споры на входном контроле — это обычно споры о том, какая из трёх имелась в виду.

Плоскостность — свойство поверхности: каждая её точка должна лежать между двумя параллельными плоскостями, отстоящими друг от друга на величину допуска. О направлении погрешности она не говорит ничего.

Прямолинейность — свойство линии, кромки или оси шины. На шине прямоугольного сечения она распадается надвое. Прогиб — кривизна в направлении толщины, так что уложенная плашмя шина качается. Серповидность — кривизна в направлении ширины, так что уложенная плашмя шина выглядит бананом. У шины может быть много одного и совсем не быть другого.

Винтообразность — поворот сечения вокруг продольной оси, из-за которого два конца лежат не в одной плоскости. Это единственная из трёх, которую нельзя увидеть, положив шину на стол и посмотрев вдоль неё, и именно её чаще всего обнаруживают на сборке.

Ни одна из них ничего не значит без базовой длины. «Серповидность 2 mm» не говорит вам ничего. «Серповидность не более 2 mm на любых 1000 mm» — это уже требование.

Что вам уже дал прокатный завод

Прежде чем винить собственный процесс, посмотрите, каким приходит материал. ASTM B187/B187M — технические условия на медные шины, прутки и фасонные профили — задаёт в таблице 10 прямолинейность как максимальную стрелку прогиба, измеренную на оговорённом участке длины:

• Шина в общем случае: 1/4 in [6 mm] на 60 in [1500 mm]
• Полутвёрдая шина прямоугольного сечения толщиной от 3 до 15 mm и шириной от 50 до 150 mm: 1/8 in [3 mm] на 96 in [2400 mm]
• Пруток: 1/2 in [13 mm] на 120 in [3000 mm]
• Фасонные профили: 1/2 in [13 mm] на 72 in [1800 mm]

Метод здесь значит столько же, сколько и величина. Стандарт предписывает класть шину на выверенный по уровню стол так, чтобы отклонение от прямолинейности лежало горизонтально, и измерять максимальную стрелку прогиба стальной измерительной линейкой и поверочной линейкой с точностью до 1/32 in [0,8 mm]. Измерение в горизонтальном положении убирает из результата силу тяжести. Отрезок меди 100 × 10 mm длиной 3 m весит 27 kg и под собственным весом провиснет на несколько миллиметров, если опереть его по концам и мерить в вертикальной плоскости, — а этот провис свойством шины не является.

Три миллиметра серповидности на 2,4 m в состоянии поставки — заметно больше, чем ожидает большинство сборщиков. Если допуск на готовую деталь у вас жёстче входного, процесс обязан погрешность убирать, а не сохранять, и это нужно закладывать в него заранее.

Как пробивка порождает прогиб и серповидность

Пробивка удаляет материал не нейтрально. Вокруг каждого отверстия она оставляет поле остаточных напряжений, и сумма этих полей ведёт шину.

Действуют два механизма. Вокруг самого отверстия материал при входе пуансона втягивается внутрь и вниз, из-за чего зона со стороны входа оказывается сжатой, а при сколе материал выдавливается наружу через выходную грань, из-за чего эта зона оказывается растянутой. Когда преобладает растягивающая составляющая, шина прогибается. Это местный эффект: густо пробитый участок прогнётся, а непробитый участок той же шины останется плоским, — поэтому прогиб часто выглядит как перелом, а не как плавная дуга.

Второй механизм — сам ход. По мере движения пуансона вниз шина прогибается в окно матрицы. Верхняя поверхность уходит в сжатие, нижняя — в растяжение, и пластическая составляющая этого обратно не возвращается.

Хуже дело делают четыре вещи, и все четыре управляемы. Густота отверстий задаёт накопленное напряжение и приходит из чертежа. Толщина увеличивает зону смятия и усилие, а деформирует окружающий материал именно усилие. Состояние инструмента на практике значит больше всего: тупой пуансон требует существенно большего усилия, чем острый, и даёт большую зону смятия — этим обычно и объясняется случай, когда шина вдруг начинает сходить со станка прогнутой, хотя раньше такого не было. И зазор: малый зазор поднимает усилие и поднимает прогиб. Последнее — та же переменная, что определяет стойкость инструмента, и разобрана она в материале «Зазор между пуансоном и матрицей для медной и алюминиевой шины».

Серповидность, в отличие от прогиба, происходит от несимметричности в направлении ширины. Схема отверстий, идущая вдоль одной кромки широкой шины, смещает напряжённую зону с нейтральной линии, и шина изгибается в плане. Схемы, симметричные относительно средней линии, этого в основном избегают — это один из менее громких доводов в пользу стандартных положений отверстий по DIN 43673-1.

Помимо острого инструмента и правильного зазора есть две меры. Управляйте усилием съёмника или прижима: он держит шину плоской во время реза, но на мягкой меди избыточное усилие само прогнёт шину, и иногда решением оказывается его уменьшить. И выстраивайте последовательность отверстий так, чтобы работа распределялась, а не так, чтобы один конец доделывался до начала другого, — ЧПУ сделает это за вас, если раскрой на это настроен.

Как резка порождает винтообразность

Гильотинные ножницы режут не по всей ширине сразу. Верхний нож поставлен под углом наклона, поэтому рез идёт от одной стороны к другой, — именно это удерживает усилие в разумных пределах. Такое продвижение реза прикладывает к отрезаемой части пару сил, и та поворачивается.

Угол наклона ножа — главная переменная. Больший угол снижает усилие реза и увеличивает винтообразность; меньший угол делает обратное. Там, где угол регулируется, правильная настройка — наименьший угол, при котором рез ещё выполняется, а один и тот же угол на шине 6 mm и 16 mm гарантирует избыточную винтообразность на тонкой.

Видна винтообразность или нет, решает отношение сторон. Изготовители ножниц обычно называют минимальную ширину от 10 до 15 толщин материала, при которой отрезанная полоса ляжет плоско. Шина, отрезанная по длине, широка относительно своей толщины, поэтому винтообразность проявляется как небольшая закрутка у отрезанного торца, а не как штопор. На узкой шине 20 × 10 mm отношение составляет 2

, и винтообразность вполне реальна.

Ещё две неисправности ножниц дают искажение, а не винтообразность. Слишком большой зазор между ножами позволяет материалу смяться и завернуться через нижний нож до скола, что даёт крупный заусенец и прогнутую деталь. Тупые ножи мнут прежде, чем режут, загоняя напряжение в деталь и прогибая её вниз после разделения. И то и другое распознаётся одинаково — по поверхности реза, где видны избыточная зона смятия и короткий блестящий поясок. Геометрию разбирает обзор процесса резки.

Какие искажения вносит гибка

Гибка — это намеренная деформация. Ненамеренная часть — то, что она делает вокруг гиба.

При гибке плашмя наружное волокно растягивается, внутреннее сжимается, и, поскольку эти два не равны, полка приобретает небольшую серповидность, а сечение около гиба становится слегка вогнутым по ширине. Пружинение усугубляет дело: после отвода пуансона шина расслабляется, и некомпенсированное пружинение оставляет неверный угол между полками и полку, стоящую выше, чем нужно.

Конкретный дефект, за которым стоит следить, — отверстие рядом с касательной гиба. Материал вокруг отверстия втягивается в гиб, отверстие овализуется, а его положение смещается. Держите проходные отверстия не ближе двух толщин от касательной, а там, где чертёж вынуждает поставить отверстие ближе, пробивайте после гибки, а не до неё.

Как измерять правильно

Опирайте шину в трёх точках на плоскую базу — гранитную поверочную плиту или стол станка, выверенный поверочной линейкой, — а не по всей длине на неизвестной поверхности.

Для плоскостности грани прикладывайте поверочную линейку к поверхности в нескольких направлениях и считывайте просвет щупами либо проводите по поверхности индикатором часового типа, закреплённым на штангенрейсмасе. Записывайте худшее показание и длину, на которой оно получено.

Для прогиба и серповидности пользуйтесь методом ASTM B187: шина на выверенном по уровню столе, отклонение от прямолинейности лежит горизонтально, поверочная линейка вдоль проверяемой кромки, максимальная стрелка прогиба считывается щупами. Записывайте, какое из двух направлений вы измеряли. Указать «прогиб», измерив серповидность, — самая частая ошибка контроля на шине.

Для винтообразности прижмите один конец плашмя к поверочной плите и измерьте просвет под каждым из двух углов на свободном конце. Винтообразность — это разность этих просветов, делённая на ширину шины, и указывается она как угол или как миллиметры на метр. Указывайте длину: 0,5 mm винтообразности на 300 mm и 0,5 mm на 3000 mm несопоставимы.

Там, где что-либо из этого является приёмочной проверкой, базовая длина и схема опирания должны стоять в технических требованиях рядом с числом.

Что реально достижимо

Приведённые ниже цифры — ориентировочные значения для планирования, а не гарантии, и они предполагают острый инструмент в хорошем состоянии. Приведённые характеристики станков — опубликованные значения.

Точность угла при гибке — отдельная характеристика, и путать её с плоскостностью не следует. Сервоприводный шиногиб, держащий ±0,1° по углу гиба, ничего не говорит о том, плоская ли полка, и, если важно и то и другое, на чертеже должны стоять оба требования.

Где накопление погрешностей даёт о себе знать

Возьмите трёхфазную шинную трассу в пакете: четыре шины из меди 100 × 10 mm на изоляционных опорах, 2 m между стыками, притянутые болтами по обоим концам к соседней секции.

У каждой шины есть какая-то серповидность, и направление её от шины к шине случайно. На пределе ASTM это около 2,5 mm на 2 m. Две шины со встречной серповидностью оставляют на плоскости стыка зазор в несколько миллиметров. Болты его закроют, потому что медь податлива, а болту M12 согнуть шину 10 mm не составляет труда. Произошло же вот что: стык теперь несёт изгибающую предварительную нагрузку, контактное давление по поверхности перестало быть равномерным, а действительная площадь контакта меньше начерченной.

Это задача о превышении температуры, а не косметика. Сопротивление стыка задаётся действительной площадью контакта, а по IEC 61439 пределы составляют 105 K превышения для неизолированных медных шин и 70 K на выводах, предназначенных для присоединения внешних проводников. Стык, стянутый болтами через прогиб, начинает жизнь с меньшей площадью контакта, чем предполагала конструкция, и теряет ещё больше при тепловых циклах. Если конструкция и так близка к своему пределу по допустимому току на стыке, этого запаса на такое не было.

Сверху накладывается положение отверстий. Шина с серповидностью несёт свою схему отверстий по кривой, поэтому даже идеально пробитая схема оказывается смещённой относительно прямой ответной шины. Болты пройдут, потому что проходные отверстия сделаны с запасом. Стык всё равно оказывается предварительно напряжённым. Допуск на толщину накапливается в третьем направлении: четыре шины на фазу в пакете, каждая по нижней границе допуска, меняют общую высоту пакета, а значит, длину стяжных болтов и высоту дистанционных прокладок. Эту арифметику стоит проделать один раз на типовую конфигурацию, а не на объекте.

Когда правка оправдана

Правьте, когда остаточный прогиб или винтообразность превышают то, что сборка способна принять без предварительного напряжения стыка, либо когда плоскостность самой поверхности стыка выходит за требования. А не для того, чтобы шины красивее лежали на стеллаже.

Чаще всего ошибаются в порядке операций. Правьте заготовку до пробивки. Правка уже пробитой шины перераспределяет напряжения вокруг существующих отверстий, может исказить отверстия у кромки шины, а на материале в твёрдом состоянии способна оставить новое поле остаточных напряжений, которое проявится после следующего теплового цикла. Роликовая правка напряжения перераспределяет; она их не уничтожает.

Поэтому в разумном маршруте обработки правка — последнее средство. Начинайте с правленой заготовки, держите пробивной инструмент острым и с правильным зазором на станке для пробивки и резки, выстраивайте последовательность отверстий так, чтобы работа распределялась, уменьшайте угол наклона ножа на ножницах там, где станок это позволяет, и компенсируйте пружинение на гибочной станции, чтобы полка вставала туда, где её показывает чертёж. Шины, изготовленные так, в правке нуждаются редко.

Там, где правка нужна, задавайте её как операцию процесса с собственным приёмочным измерением, а не оставляйте её киянке на сборочном столе — а именно там она сегодня в значительной части и происходит, и там она никак не фиксируется.