Скручивание шины: геометрия, пределы и оснастка

Скрутка поворачивает шину вокруг её собственной продольной оси, не меняя направления, в котором шина идёт. Это операция для случая, когда трасса идёт правильно, но широкая грань оказалась не в той плоскости: вертикальный стояк, питающий выключатель с горизонтально расположенными наконечниками; пакет фазных шин, который должен разойтись веером к разной ориентации выводов; спуск к аппарату, установленному под 90° к шинному отсеку.

В большинстве цехов её выполняют по эмпирическому правилу, а хождение имеют правила, расходящиеся между собой втрое. Расходятся они не случайно, и причину можно посчитать.

Длина скрутки как функция ширины

Опубликованные рекомендации по длине участка шины под скрутку на 90° занимают широкую полосу. Практика монтажа распределительных устройств задаёт длину скрутки не менее двух ширин шины. Станкостроители обычно указывают нижней границей 2,5 ширины, причём в одном опубликованном примере для шины шириной 20 mm приведена длина скрутки 50 mm. Другие руководства по обработке называют от 2,5 до 5 ширин. Практика ручной работы в слесарных тисках, в нижней части диапазона, называет от 1,5 до 2 ширин, но привязывает к этой цифре ограничение: толщина 6 mm и ширина 60 mm.

Эти числа согласуются между собой, как только вы посмотрите на деформацию. Угол сечения отстоит от оси скручивания примерно на половину ширины шины. Поворот его на угол θ на длине L вносит поверхностную деформацию сдвига:

γ = (w/2) · θ / L

что для скрутки на 90° сводится к γ = π·w / (4L). При переводе в эквивалентную одноосную деформацию для сопоставления с данными по относительному удлинению ε ≈ γ/√3:

Формула не учитывает толщину, и для пропорций шины это допустимо: на шине 100 × 10 mm действительный радиус до угла составляет 50,25 mm против 50 mm, которые принимает формула.

Теперь рекомендации становятся понятными. При 2,5 ширины угол получает около 18 % эквивалентной деформации, и мягкая и полутвёрдая медь принимают её без затруднений. При 1,5 ширины он получает 30 %, что переживает только тонкая узкая мягкая шина — ровно тот диапазон, который правило для слесарных тисков само к себе и привязывает. При 5 ширинах угол получает 9 %, а это комфортно даже в твёрдом состоянии.

Рабочее правило: 2,5 ширины для R220 и R240, 4 ширины для R290 и никогда меньше 2 ширин, каким бы ни было состояние поставки. Подтверждайте на первой детали, потому что значения относительного удлинения в EN 13601 — это минимумы, и поставленный материал обычно их превосходит.

Обратите внимание на направление зависимости, потому что оно противоположно гибке: чем длиннее скрутка, тем мягче деформация. Длина скрутки — это конструктивный припуск, а не настройка станка, поэтому если трассе нечего отдать по прямому участку, скрутка недоступна вовсе.

Крутящий момент и почему скручивание выигрывает у гибки на ребро

Пластический крутящий момент, нужный для скручивания прямоугольного сечения, приближённо равен τy·(w·t²/2 − t³/6); в нём преобладает t², а с шириной он растёт лишь линейно. Пластический изгибающий момент для гибки того же сечения на ребро равен σy·t·w²/4 и растёт с квадратом ширины.

Для полутвёрдой меди с условным пределом текучести 180 N/mm²:

Отношение по всему диапазону близко к 0,87·w/t. Каждый лишний миллиметр ширины делает гибку на ребро непропорционально тяжелее, а скрутку — тяжелее лишь пропорционально, и широкие тонкие сечения, на которых гибка на ребро идёт хуже всего, — это ровно те сечения, где выигрыш наибольший.

Это и есть количественное обоснование варианта «скрутка плюс гибка плашмя», разбираемого в материале «Гибка шины на ребро против гибки плашмя». Скрутите шину на 90°, а затем выполните изменение направления обычной гибкой плашмя, где деформацию задаёт толщина, а не ширина. Две простые операции заменяют одну трудную.

Депланация, утонение кромки и что происходит с сечением

Круглый вал при кручении сохраняет поперечное сечение плоским. Прямоугольный — нет. При кручении по Сен-Венану точки прямоугольного сечения смещаются вдоль оси по седловидной картине, причём наибольшее смещение приходится на углы. Это и есть депланация, и в некруглом сечении она неизбежна.

Из этого следуют два практических вывода.

Скрученный участок по размерам не совпадает с исходной шиной. Сечение слегка выгибается, углы опережают середину грани или отстают от неё, а измеренная толщина по кромкам скрученной зоны выходит незначительно ниже номинала. При обычных пропорциях шины уменьшение невелико, порядка нескольких процентов, но это местный рост сопротивления и, следовательно, кандидат на горячую точку. Сверьте его с вашим запасом по превышению температуры; калькулятор допустимого тока шины показывает, какой запас есть у трассы, прежде чем это уменьшение начнёт иметь значение.

Кроме того, у зажимов депланация стеснена: губки удерживают сечение плоским, тогда как материал между ними стремится депланировать. Стеснённая депланация порождает осевые напряжения, сосредоточенные у кромок зажима, и именно поэтому трещины при скручивании почти всегда зарождаются по линии зажима, а не в середине скрутки. Если ваши скрутки трескаются у зажима, ответ — увеличить свободную длину или поставить более мягкие вкладыши зажима, а не поднять момент.

Скрученный участок вдобавок нагартован. Не размещайте гиб внутри скрутки и вплотную к ней. Материал там уже израсходовал значительную долю доступной пластичности и треснет на радиусе, который исходная шина выдержала бы. Оставляйте между двумя операциями чистый прямой участок.

Крутильное пружинение

Скрутки пружинят, и пружинят они заметно сильнее, чем гибы.

Упругое восстановление при разгрузке составляет Δθ = T·L/(G·J), где T — приложенный крутящий момент, L — длина скрутки, G — модуль сдвига, а J — момент инерции сечения при кручении. Модуль сдвига меди следует из её модуля упругости и составляет примерно 46 kN/mm². Расчёт для полутвёрдой шины 100 × 10 mm, скрученной на 90° на свободной длине 250 mm, даёт упругое восстановление около 5°. Та же шина, скрученная на длине 400 mm, восстанавливается примерно на 8°. Шина 160 × 10 mm на длине 400 mm — примерно на 7,6°.

Это оценки первого порядка, полученные из упругой разгрузки полностью пластического сечения. Проверьте их на первой детали, а не программируйте прямо со страницы. Что они устанавливают надёжно, так это масштаб: крутильное восстановление составляет несколько градусов, на порядок больше, чем пружинение при гибке плашмя той же шины.

Обратите внимание и на то, что восстановление растёт с длиной скрутки, тогда как деформация с ней падает. Удлиняя скрутку ради сохранности углов, вы увеличиваете угловую компенсацию. Длины, оптимальной сразу по обоим показателям, не существует, поэтому выбирайте длину по требованию к деформации, а угол оставьте таблице компенсации. Здесь действует та же дисциплина таблицы поправок, что описана в материале «Компенсация пружинения», с ключами по материалу, состоянию поставки, сечению и свободной длине, причём записи для скрутки держат полностью отдельно от записей для гибов.

Зажим и оснастка

Головка скручивания — это два зажима: один неподвижный, другой поворотный. Свободный пролёт между ними и есть длина скрутки, а значит, длина скрутки задаётся положением зажимов и не на каждом станке регулируется плавно. Проверьте шаг регулировки, прежде чем закладывать в конструкцию конкретный припуск.

Губки зажимов не должны оставлять следов на шине. Медь мягкая, а давление зажима, необходимое, чтобы не было проскальзывания при полном моменте, велико. Обычно применяют бронзовые, алюминиевые или твердополимерные вкладыши. Стальные губки с насечкой отпечатаются на шине, и этот отпечаток станет очагом зарождения трещины при деформации кручения.

Один из зажимов должен иметь свободу осевого перемещения. При скручивании шина немного укорачивается вдоль своей оси. Зажмите оба конца жёстко — и вы наложите осевое растяжение на деформацию сдвига при кручении; оно прибавляется прямо к деформации в углу и вызывает растрескивание кромки на тех уровнях деформации, которые скрутка сама по себе выдержала бы. Плавающий зажим или небольшая намеренная осевая податливость снимают эту проблему.

Сечение должно удерживаться без перекоса в обоих зажимах. Проскальзывание по вращению укорачивает действительную свободную длину, отчего деформация оказывается выше расчётной, и уводит готовый угол.

Публикуемые диапазоны скручивания на шиногибочном оборудовании обычно лежат в пределах толщины от 5 до 10 mm и ширины от 15 до 100 mm — заметно уже, чем паспортные возможности того же станка при гибке плашмя. Скручивание входит в перечень операций и у EMAC-BB-H12, и у SMART-603CNC-S, выполняется на том же управлении и в той же управляющей программе, что и операции гибки, поэтому деталь со скруткой и двумя гибами — это одна установка, а не три. Величина ±0,1°, указываемая для головок EMAC-BB, относится к точности гибки; повторяемость скрутки на любом станке сильно зависит от хватки зажимов, и её следует определять на вашем собственном материале, а не принимать по цифре для гибки.

Место скруток в технологическом маршруте

Пробивайте и режьте до скручивания, а не после. Скрученная шина не ляжет плоско на стол пробивки, и её нельзя надёжно базировать по заднему упору.

Там, где позволяет геометрия, ставьте скрутки в очередь раньше гибов: скрученное сечение труднее зажать без перекоса в гибочном ручье, чем прямое.

Полностью выводите отверстия из зоны скрутки. Отверстие в области высоких касательных напряжений кручения — это концентратор напряжений в самом неудачном месте, и материал вокруг него порвётся раньше, чем скрутка завершится.

Закладывайте длину скрутки по деформации ещё на стадии чертежа. Попытка встроить скрутку в трассу, размеры которой назначались без неё, — обычная причина, по которой цех в итоге делает скрутку на полутора ширинах и списывает шину. И скручивание, и гибка расходуют длину, и развёртка должна нести обе. Полное описание процесса — в разделе «Скручивание».