Подбор усилия пресса для пробивки шин

Усилие пробивки — одна из немногих величин в обработке шин, которую можно посчитать точно, из первых принципов, примерно за тридцать секунд. И она же — одна из тех, что чаще всего задают, переписав характеристику предыдущего станка. Эти два обстоятельства уживаются плохо, потому что расчёт несложен, а цена ошибки растёт в обе стороны: пресс с недостаточным усилием встанет на том единственном задании, которое действительно важно, а избыточный — это капитал, который тратить было не нужно.

Формула

Пробивка срезает из шины цилиндр материала. Срезаемая площадь равна периметру отверстия, умноженному на толщину, а усилие равно этой площади, умноженной на сопротивление материала срезу:

F = perimeter × t × τ

Для круглого отверстия периметр равен π × d, что даёт форму, которую большинство и запоминает:

F = π × d × t × τ

где d и t в миллиметрах, а τ в N/mm², и усилие получается в ньютонах. Разделите на 1000 для перевода в kN и на 9807 для перевода в тонны-силы.

Для фигурного отверстия (паз, прямоугольник, овал, жалюзийная просечка в шинопроводе) периметром служит развёрнутая длина реза, а не номинальный размер. Прямоугольный паз 20 × 40 mm с радиусами в углах 5 mm имеет периметр около 2 × (20 + 40) − 8 × 5 + 2π × 5, что даёт примерно 111 mm вместо 120 mm, которые получаются, если углы не учитывать. На одном отверстии эта разница — шум. На группе из восьми — уже нет.

Значения сопротивления срезу, которыми стоит пользоваться

Сопротивление срезу — та переменная, которая определяет ответ, и та самая, которую обычно берут на глаз. Приведённые ниже величины взяты из опубликованных данных поставщиков инструмента для сплавов и состояний поставки, реально встречающихся в шинах. Это типичные значения для подбора, а не сертифицированные минимумы, и сертификат завода-изготовителя всегда важнее таблицы.

Две поправки к числам, которые ходят по рукам. Во-первых, для меди часто приводят 200-230 N/mm², и это завышено: указанные величины представляют собой пределы прочности при растяжении, которые стали применять так, как если бы они были сопротивлением срезу. По EN 13601 для шины из Cu-ETP задано при растяжении 220-260 N/mm² для мягкой R220, 240-300 для полутвёрдой R240 и 300-360 для твёрдой R290. Приведённые выше измеренные значения сопротивления срезу составляют примерно 0,65-0,70 соответствующей величины при растяжении, а не 0,8, как подсказывает расхожее эмпирическое правило. Если ничего лучше величины при растяжении у вас нет, 0,8 × предел прочности при растяжении — консервативная замена, и для меди она завысит результат на 15-20 %.

Во-вторых, утверждение «у алюминия примерно 80 N/mm²» верно только для мягких проводниковых марок серии 1xxx. У 6101-T6 — стандартного сплава для прессованной шины везде, где важны механическая прочность и сопротивление ползучести, — оно примерно вдвое выше. Пресс, подобранный по 80 N/mm², а затем получивший шину 6101-T6, окажется без нужного усилия, причём отказ проявится не аккуратной остановкой, а наполовину пробитым отверстием с застрявшим в нём пуансоном.

Разобранный пример

Возьмём распространённый случай: отверстие под болт M12 диаметром 13 mm в полутвёрдой меди толщиной 10 mm.

F = π × 13 × 10 × 179
  = 40.84 × 10 × 179
  = 73 100 N
  ≈ 73 kN  (7.5 tonnes)

Теперь то же отверстие в такой же шине из алюминия 6101-T6, τ ≈ 150:

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

И самое крупное отверстие, которое обычно требуют от станка среднего класса, — 32 mm в твёрдой меди толщиной 16 mm:

F = π × 32 × 16 × 193 = 310 400 N ≈ 310 kN  (31.7 tonnes)

Последнее и есть то число, которое решает, какой станок вы купите, и получено оно одной строкой арифметики. Тот же расчёт для любого сочетания отверстия и материала выполняет калькулятор усилия пробивки шины.

Усилие съёма и почему оно входит в общий итог

После отделения высечки шина пружинит обратно на боковую поверхность пуансона и обжимает его. На извлечение пуансона уходит вполне ощутимое усилие, которое создаёт съёмник и которое воспринимается станком.

Опубликованные эмпирические правила дают усилие съёма 5-20 % от усилия пробивки; руководство MetalForming по проектированию штампов называет 10-30 % и отмечает, что более мягким материалам и более тесным зазорам нужно больше. Медь мягкая и тяготеет к верхней части этого диапазона. Для подбора по медной шине 15 % от усилия пробивки — обоснованная рабочая величина, а 20 %, если вы работаете с зазором у тесной границы диапазона.

В примере на 310 kN это добавляет примерно 45-60 kN. Оно не совпадает по времени с пиком усилия пробивки, поэтому к требуемому усилию просто не прибавляется, но нагружает съёмник, инструментальную оправку и станину и является причиной, по которой номинально достаточный станок может вибрировать или уводить положение отверстия. Если усилие съёма у вас велико, причина обычно в зазоре, а не в прессе; это разбирается в материале «Зазор между пуансоном и матрицей».

Подбирайте по худшему случаю, а не по среднему

Среднее отверстие в работе по распределительным устройствам — это отверстие под болт M10 или M12 в меди толщиной 6-10 mm, которому нужно 40-75 kN. Подбор станка по этому числу гарантирует, что работу вы выполнить не сможете.

Худший случай — это сочетание:

• самого крупного отверстия в комплекте чертежей, включая пазы и вырезы, измеренного по развёрнутому периметру, а не по номинальному размеру
• самой толстой шины, которую вы будете обрабатывать, а это часто не та шина, в которой находится самое крупное отверстие
• самого твёрдого состояния поставки, которое вы примете. Твердотянутая шина примерно на 8 % прочнее на срез, чем полутвёрдая, и на 27 % прочнее отожжённой, а снабжение при дефиците подменит состояние поставки
• самой крупной группы, если вы пробиваете несколько отверстий за один ход

Чтобы станок обязан был это выдержать, перечисленному не нужно сходиться на одной реальной детали. Достаточно, чтобы это было возможно. Тендерная спецификация, где сказано «медь до 12 mm», и комплект чертежей с отверстием 32 mm означают, что вы обязаны принять отверстие 32 mm в твёрдой меди толщиной 12 mm, а это 233 kN, независимо от того, существует такая деталь уже или нет.

Подмена состояния поставки заслуживает отдельного внимания, потому что она незаметна. Шина выглядит точно так же. Первым признаком обычно становятся высота заусенца и уход положения отверстия на станке, который ещё в прошлом месяце работал нормально.

Групповая и многоместная пробивка

Пробивка нескольких отверстий за один ход умножает усилие на число отверстий, ровно. Четыре отверстия M12 в полутвёрдой меди толщиной 10 mm за один ход — это 4 × 73 = 292 kN, и на станок 300 kN это не уложится, как только учтены съём и упругая деформация станины.

Сделать групповую пробивку посильной можно двумя способами. Разнести длины пуансонов так, чтобы они входили в материал последовательно, а не одновременно: это растягивает усилие по ходу ценой более длинного хода и более высоких боковых нагрузок. Либо пробивать последовательно с высокой частотой ударов — именно на это и рассчитан шинообрабатывающий станок с ЧПУ. При 150-200 ударах в минуту потеря времени на пробивку четырёх отверстий поодиночке вместо группы составляет менее двух секунд и полностью снимает вопрос усилия. На большинстве работ по распределительным устройствам такой размен стоит принять.

Заточка торца пуансона со скосом

Плоский торец пуансона режет весь периметр разом, поэтому пиковое усилие равно расчётному, а разгрузка при пробое происходит резко. Заточка торца пуансона со скосом разносит рез по времени и снижает пик.

Выигрыш зависит от глубины скоса по отношению к толщине материала, и на толстой шине он меньше, чем обещает реклама. Опубликованное руководство Roper Whitney говорит, что скос способен снизить усилие пробивки до 50 %, с оговоркой, что наиболее действен он на материале 14 gauge и тоньше. Диаграмма коэффициентов скоса H. Weiss полезнее для наших толщин: на заготовке 1/4 in (6,35 mm) глубина скоса 1/16 in (1,6 mm) даёт коэффициент 0,90, глубина 3/32 in (2,4 mm) — 0,85, а глубина 3/16 in (4,8 mm) — 0,65.

Практический вывод для шины: умеренная глубина скоса даёт 10-15 % на меди 6 mm и пропорционально меньше на 12 mm, потому что для сохранения того же отношения глубина скоса должна была бы расти вместе с толщиной. Не подбирайте станок в расчёте на то, что скос вас выручит. Считайте его страховкой от ударной разгрузки при пробое и средством управления высечкой, а усилие рассчитывайте по величине для плоского пуансона.

На всём, кроме самых мелких отверстий, применяйте двускатную заточку, а не односкатную. Односкатная создаёт неуравновешенное боковое усилие, которое отклоняет пуансон и нагружает направляющую.

Правило запаса

Возьмите усилие пробивки для худшего случая, а затем добавьте запас на то, чего формула не описывает:

• Состояние инструмента. Изношенный пуансон требует существенно большего усилия, чем острый, потому что радиус его режущей кромки растёт и всё большая часть реза превращается в деформацию. Это самый крупный неучтённый член.
• Допуск по состоянию поставки и по толщине. Шина приходит по верхней границе допуска на толщину и по верхней границе диапазона прочности достаточно часто, чтобы это имело значение.
• Упругая деформация станины и снижение характеристик гидравлики. Паспортное усилие относится к ползуну, при номинальном давлении и при рабочей температуре.
• Будущая работа. Станок простоит в цехе пятнадцать лет, и номенклатура заданий изменится.

Рабочее правило — подбирать так, чтобы расчётное усилие для худшего случая не превышало примерно 60-70 % паспортного усилия станка. Это не стандарт, а накопленная практика, но она согласуется с тем, где на деле лежат опубликованные пределы станков. У станков на 800 kN из таблицы ниже самое крупное опубликованное отверстие в самой толстой опубликованной шине даёт примерно 485 kN на твёрдой меди, то есть около 61 % от паспортного значения. Это не случайность.

Наложение на реальный ряд станков

Расчёт худшего случая по опубликованным возможностям каждого типоразмера станины даёт простую таблицу выбора. Все приведённые ниже величины взяты для твёрдой меди при 193 N/mm², то есть для пессимистического случая.

Строки, отмеченные как «опубликованный максимум», — это заявленный изготовителем максимальный диаметр отверстия при заявленной максимальной толщине. Две «расчётные» строки — это самое крупное отверстие, которое допускает арифметика при примерно двух третях паспортного усилия, поскольку для этих станков максимальный диаметр отверстия не публикуется.

Читайте эту таблицу как руководство по подбору, а не как прайс-лист. Класс 300 kN закрывает щитовые работы по шине 160 × 15 mm со схемами отверстий под M12 и M16 и без экзотики. EMAC-BP-40 на 400 kN закрывает большинство работ по распределительным устройствам в шине 12 mm при 150 ударах в минуту. Шаг к 600 kN покупает возможность работы с 16 mm, а не просто дополнительное усилие, а шаг к 800 kN — 20 mm и отверстия 40 mm.

Если в работе есть крупные вырезы, жалюзийные просечки шинопровода или что-либо, где развёрнутый периметр переваливает за 100 mm, поднимайтесь на класс выше независимо от того, что говорит арифметика для круглого отверстия. Периметр — тот член, который растёт быстрее всех.

Класс 800 kN важен ещё по причине, которая к отверстиям отношения не имеет. На комбинированном станке пробивки и резки станция резки должна перерубать полное сечение шины, а на меди 300 × 20 mm это площадь реза 6000 mm². Усилие, необходимое для резки, определяется геометрией ножа и углом наклона, а не простой формулой периметра, но станина обязана его нести, и на широкой тяжёлой шине типоразмер станины часто задаёт именно резка, а не пробивка.

Две вещи, о которых формула не говорит

Усилие — это не то же самое, что возможности. Пресс с достаточным усилием и недостаточной точностью позиционирования делает отверстия не в том месте, а на схеме болтового соединения по DIN 43673-1 это списанная шина. Точность шага отверстий, повторяемость и жёсткость подачи шины — отдельные характеристики, и рассматривать их следует отдельно.

Усилие ничего не говорит и о частоте ударов, а именно частота ударов определяет, окупается ли станок. Станок 400 kN при 150 ударах в минуту и станок 800 kN при 200 ударах в минуту — разные производственные предложения, а на работе, где преобладают отверстия под болты M10 и M12 и ни один из станков и близко не подходит к своему пределу по усилию, частота ударов — единственное значимое число. Связь между частотой ударов, стойкостью инструмента и действительной себестоимостью отверстия разбирается в материале «Стойкость инструмента и себестоимость отверстия», а механика самого реза — в обзоре процесса пробивки.