Скручивание шины: геометрия, пределы и оснастка

При скручивании стержень вращается вокруг собственной продольной оси, не меняя направления движения. Эта операция применяется, когда отрезок проходит в нужном направлении, но широкая грань лежит не в той плоскости: вертикальный отвод, питающий автоматический выключатель с горизонтально расположенными выводами; стопка фаз, которую необходимо развести на разные ориентации выводов; спуск в аппарат, смонтированный под углом 90° к шинной камере.

Большинство мастерских выполняют это по наработанному опыту, причём разброс в указаниях составляет коэффициент три. Такой разброс не случаен — он объясним расчётами.

Длина скручивания как функция ширины

Опубликованные рекомендации по длине стержня, отводимой на скручивание на 90°, охватывают широкий диапазон. Практика монтажа распределительных устройств определяет длину скручивания минимум вдвое больше ширины стержня. Производители оборудования часто указывают нижнюю границу 2,5 ширины; один из примеров приводит длину скручивания 50 мм для стержня шириной 20 мм. Другие рекомендации по изготовлению указывают диапазон 2,5–5 ширины. На нижней границе ручная практика с тисками приводит величину 1,5–2 ширины, но с оговоркой: толщина не более 6 мм и ширина не более 60 мм.

Эти величины согласуются, если рассмотреть деформацию. Угол профиля расположен примерно на расстоянии половины ширины стержня от оси вращения. Вращение его на угол θ по длине L вызывает поверхностный касательный деформацию:

γ = (w/2) · θ / L

Для скручивания на 90° это выражается как γ = π·w / (4L). Пересчёт в эквивалентную одноосную деформацию для сравнения с данными по вытяжке: ε ≈ γ/√3:

Формула не учитывает толщину, что допустимо для пропорций токопроводящих шин: для стержня 100 × 10 мм реальный радиус угла составляет 50,25 мм против принятых 50 мм в формуле.

Теперь рекомендации становятся понятными. При длине 2,5 × ширина угол испытывает эквивалентную деформацию около 18%, которую мягкая и полутвёрдая медь выдерживает без затруднений. При 1,5 × ширина деформация достигает 30%, что возможно только для тонкого узкого мягкого стержня — именно тот диапазон, на который распространяется правило с тисками. При 5 × ширина деформация составляет 9%, что комфортно даже для твёрдого сорта.

Рабочее правило: 2,5 × ширина для R220 и R240, 4 × ширина для R290 и никогда не менее 2 × ширины независимо от сорта. Рекомендуется проверка на первом образце, поскольку значения вытяжки по EN 13601 являются минимальными, а поставляемый материал обычно их превосходит.

Зависимость обратна той, что наблюдается при гибке: чем длиннее скручивание, тем мягче деформация. Длина скручивания — это конструктивный запас, а не параметр настройки станка. Если в маршруте нет прямого участка, который можно отдать под скручивание, такая операция вообще недоступна.

Крутящий момент: почему скручивание лучше, чем изгиб по кромке

Пластический крутящий момент, необходимый для скручивания прямоугольного сечения, приблизительно равен τy·(w·t²/2 − t³/6), где доминирующий вклад вносит t², а с шириной он растёт только линейно. Пластический момент изгиба того же сечения по кромке равен σy>·t·w²/4, где он растёт с квадратом ширины.

Для меди полунаклёпа с пределом текучести 180 N/mm²:

Отношение во всём диапазоне приближается к 0,87·w/t. Каждый миллиметр дополнительной ширины делает изгиб по кромке непропорционально сложнее, тогда как скручивание становится сложнее лишь пропорционально. Широкие тонкие сечения, для которых изгиб по кромке наиболее проблематичен, как раз и обеспечивают наибольшее преимущество.

Это количественное обоснование альтернативного варианта — скручивания с последующим плоским изгибом, который рассматривается в разделе изгиб по кромке vs. по плоскости. Поворот шины на 90° позволяет выполнить последующее изменение направления как обычный плоский изгиб, при котором деформация определяется толщиной, а не шириной. Две несложные операции заменяют одну трудоёмкую.

Искажение формы (warping), утонение кромок и что происходит с сечением

Круглый вал при кручении сохраняет плоскость поперечного сечения. Прямоугольный — нет. При кручении Сен-Венана точки прямоугольного сечения смещаются в осевом направлении по седлообразной траектории, причём максимальное смещение наблюдается в углах. Это явление называется искажением формы (warping), и для нециклических сечений оно неизбежно.

Из этого следуют два практических вывода.

Зона скручивания не является точной копией исходной шины. Сечение слегка «пропадает», углы опережают или отстают от срединной грани, а измеренная толщина в области кромок оказывается несколько меньше номинальной. При обычных пропорциях шины уменьшение невелико — порядка нескольких процентов — но оно создаёт локальное повышение электрического сопротивления и поэтому является потенциальным «горячим пятном». Калькулятор токопроводимости шин показывает, какой запас имеет участок до того, как это уменьшение станет существенным.

При зажиме в патронах искажение формы также受限ировано, поскольку поверхности патронов удерживают сечение плоским, в то время как материал между ними стремится к искажению. Ограничение искажения формы порождает осевые напряжения, сконцентрированные на кромках патронов — именно поэтому при скручивании растрескивание почти всегда начинается на линии патрона, а не в середине зоны скручивания. Появление трещин в области патрона указывает на необходимость увеличить длину свободного участка или использовать softer патронные вставки, а не увеличивать крутящий момент.

Зона скручивания также подвергается наклёпу. Гибку не следует выполнять внутри зоны скручивания или непосредственно рядом с ней. Материал в этой области уже потерял значительную часть своей доступной пластичности и может дать трещину при радиусе, который исходная шина выдержала бы без проблем. Между двумя операциями должен оставаться участок ровной прямой шины.

Упругая растяжка при скручивании

При скручивании возникает упругая растяжка, причём значительно бо́льшая, чем при гибке.

Упругая деформация при снятии нагрузки составляет Δθ = T·L/(G·J), где T — приложенный крутящий момент, L — длина закручиваемого участка, G — модуль сдвига, J — момент инерции сечения. Модуль сдвига меди составляет примерно 46 кН/мм². Расчёт для медной шины 100 × 10 мм средней твёрдости, закрученной на 90° на свободном участке длиной 250 мм, даёт упругую растяжку около 5°. Та же шина, закрученная на участке 400 мм, растягивается примерно на 8°. Шина 160 × 10 мм на участке 400 мм растягивается примерно на 7,6°.

Это расчётные значения первого порядка, полученные на основе упругой разгрузки полностью пластического сечения. Для проверки необходим контроль по первой отливке, а не программирование по этим данным. Однако они достоверно определяют порядок величины: упругая растяжка при скручивании составляет несколько градусов, что на порядок больше, чем упругая растяжка при изгибе той же шины в плоскости.

Величина упругой растяжки растёт с увеличением длины закручиваемого участка, тогда как деформация уменьшается. Увеличение длины для защиты углов требует бо́льшей компенсации угла. Не существует длины, оптимальной для обоих параметров, поэтому длину выбирают исходя из требований к деформации, а для угла используют таблицу компенсации. Дисциплина работы с таблицей компенсации, описанная для компенсации упругой растяжки при гибке, распространяется и на этот случай: ключевыми параметрами являются материал, состояние, сечение и свободная длина, а записи для скручивания полностью отделены от записей для гибки.

Зажим и инструмент

Головка для скручивания состоит из двух зажимов: одного неподвижного и одного вращающегося. Свободный пролёт между ними — это длина закручиваемого участка, которая определяется положением зажимов и не всегда является непрерывно регулируемой на каждом станке. Перед началом работы рекомендуется проверить шаг регулировки.

Поверхности зажимов не должны оставлять следов на шине. Медь — мягкий металл, и для предотвращения проскальзывания при полном крутящем моменте необходима значительная сжимающая сила. Обычно используются вставки из бронзы, алюминия или твёрдого полимера. Стальные губки с шероховатой поверхностью оставят вмятины на шине, которые при кручении становятся очагами зарождения трещин.

Один зажим должен иметь возможность свободного осевого перемещения. При скручивании шина слегка укорачивается вдоль оси. Жёсткая фиксация обоих концов приводит к наложению осевого растягивающего усилия на крутящий момент, что напрямую увеличивает деформацию в углах и вызывает появление кромочных трещин при уровнях деформации, которые шина выдержала бы при чистом кручении. Устранение этой проблемы обеспечивается плавающим зажимом или небольшим намеренным осевым податливым элементом.

Сечение должно надёжно фиксироваться перпендикулярно оси в обоих зажимах. Скольжение при вращении уменьшает расчётную длину свободного участка, что увеличивает деформацию по сравнению с расчётной величиной и приводит к отклонению готового угла от заданного.

Публикуемые характеристики по скручиванию шинообрабатывающих станков обычно указываются для толщин 5–10 мм и ширин 15–100 мм, что заметно уже, чем номинальные параметры для изгиба в плоскости на том же станке. Скручивание является заявленной функцией как для EMAC-BB-H12, так и для SMART-603CNC-S. Оно выполняется с использованием того же системы управления и той же программы детали, что и операции гибки, поэтому деталь с одним скручиванием и двумя изгибами обрабатывается за одну установку, а не за три. Указанная для головок EMAC-BB точность ±0,1° относится к specifications гибки; точность повторяемости при скручивании на любом станке в значительной степени зависит от силы зажима и должна определяться на реальном материале, а не переноситься из данных по гибке.

Место скручивания в технологическом процессе

Пробивка и резка выполняются до скручивания, а не после. Скрученная шина не ложится ровно на пробивной стол и не может быть надежно зафиксирована относительно упора.

Последовательность операций: сначала скручивание, затем гибка, если геометрия позволяет. Скрученный участок сложнее зафиксировать под прямым углу в гибочном штампе, чем прямой.

Отверстия должны быть исключены из зоны скручивания. Отверстие в области высокого крутящего напряжения создает концентрацию напряжений в самом неподходящем месте; материал вокруг него разорвется до завершения скручивания.

Расчетная длина участка скручивания должна быть заложена на этапе проектирования чертежа. Внедрение операции скручивания в маршрут, не предусматривавший ее при раскрое, — типичная причина, по которой цех пытается выполнить ее на шине шириной 1,5 раза больше расчетной и отправляет ее в брак. Скручивание и гибка — обе операции требуют припуска по длине, и развернутая длина должна учитывать обе. Полное описание процесса приведено в разделе скручивание.