การเลือกขนาดแรงกดสำหรับการเจาะบัสบาร์

แรงเจาะเป็นไม่กี่อย่างในงานผลิตบัสบาร์ที่คำนวณได้ตรงเป๊ะจากหลักการพื้นฐานภายในราวสามสิบวินาที และยังเป็นหนึ่งในสิ่งที่ถูกกำหนดสเปกด้วยการลอกค่าจากเครื่องตัวก่อนบ่อยที่สุดด้วย ข้อเท็จจริงสองข้อนี้อยู่ด้วยกันได้ไม่ค่อยลงตัว เพราะการคำนวณไม่ได้ยาก และต้นทุนของการคำนวณผิดเกิดขึ้นได้ทั้งสองทาง เครื่องที่เล็กเกินไปจะหยุดกลางคันในงานที่สำคัญที่สุดงานเดียว ส่วนเครื่องที่ใหญ่เกินไปคือเงินลงทุนที่ไม่จำเป็นต้องจ่าย

สูตร

การเจาะคือการเฉือนเนื้อวัสดุรูปทรงกระบอกออกจากบาร์ พื้นที่ที่ถูกเฉือนคือเส้นรอบรูปของรูคูณความหนา และแรงที่ต้องใช้คือพื้นที่นั้นคูณความแข็งแรงเฉือนของวัสดุ

F = perimeter × t × τ

สำหรับรูกลม เส้นรอบรูปคือ π × d ซึ่งให้รูปแบบที่คนส่วนใหญ่จำได้

F = π × d × t × τ

โดย d และ t เป็นมิลลิเมตร และ τ เป็น N/mm² ได้ผลลัพธ์เป็นแรงในหน่วยนิวตัน หารด้วย 1000 เพื่อให้เป็น kN หารด้วย 9807 เพื่อให้เป็นเมตริกตัน

สำหรับรูรูปทรงพิเศษ ไม่ว่าจะเป็นร่อง สี่เหลี่ยม รูปวงรีปลายมน หรือช่องระบายอากาศของบัสเวย์ เส้นรอบรูปคือความยาวรอยตัดที่คลี่ออก ไม่ใช่ขนาดที่ระบุ ร่องสี่เหลี่ยม 20 × 40 mm ที่มีรัศมีมุม 5 mm มีเส้นรอบรูปราว 2 × (20 + 40) − 8 × 5 + 2π × 5 ซึ่งได้ราว 111 mm แทนที่จะเป็น 120 mm ที่ได้จากการละเลยมุม บนรูเดียวความต่างนั้นเป็นเพียงสัญญาณรบกวน แต่บนชุดเจาะพร้อมกันแปดรูไม่ใช่

ค่าความแข็งแรงเฉือนที่ควรใช้

ความแข็งแรงเฉือนคือตัวแปรที่ชี้ขาดคำตอบ และเป็นตัวที่คนเดาเอา ตัวเลขข้างล่างมาจากข้อมูลที่ผู้จัดหาทูลเผยแพร่ไว้ สำหรับอัลลอยและเทมเปอร์ที่โผล่มาเป็นบัสบาร์จริง เป็นค่าตามปกติสำหรับใช้เลือกขนาด ไม่ใช่ค่าต่ำสุดที่ได้รับการรับรอง และใบรับรองจากโรงรีดชนะตารางเสมอ

มีสองข้อที่ต้องแก้ให้ตรงเกี่ยวกับตัวเลขที่เล่ากันอย่างไม่เป็นทางการ ข้อแรก ทองแดงมักถูกอ้างไว้ที่ 200-230 N/mm² ซึ่งสูงเกินไป ตัวเลขเหล่านั้นเป็นความแข็งแรงดึงที่ถูกเอาไปใช้ราวกับว่าเป็นความแข็งแรงเฉือน ภายใต้ EN 13601 บาร์ Cu-ETP ถูกระบุความแข็งแรงดึงไว้ที่ 220-260 N/mm² สำหรับ R220 นิ่ม 240-300 สำหรับ R240 กึ่งแข็ง และ 300-360 สำหรับ R290 แข็ง ค่าความแข็งแรงเฉือนที่วัดได้ข้างต้นอยู่ที่ราว 0.65-0.70 เท่าของค่าความแข็งแรงดึงที่ตรงกัน ไม่ใช่ 0.8 อย่างที่กฎง่าย ๆ ที่ใช้กันทั่วไปบอกไว้ ถ้าคุณไม่มีอะไรดีไปกว่าค่าความแข็งแรงดึง 0.8 × ความแข็งแรงดึง เป็นค่าสำรองที่เผื่อไว้ในทางปลอดภัย และจะประเมินทองแดงสูงเกินไปราว 15-20%

ข้อสอง คำกล่าวที่ว่า "อะลูมิเนียมอยู่ราว 80 N/mm²" เป็นจริงเฉพาะกับเกรดตัวนำ 1xxx ที่นิ่มเท่านั้น 6101-T6 ซึ่งเป็นอัลลอยมาตรฐานสำหรับบัสบาร์อัดรีดในทุกที่ที่ความแข็งแรงเชิงกลและความต้านการคืบมีความสำคัญ มีค่าราวสองเท่าของนั้น เครื่องที่เลือกขนาดจาก 80 N/mm² แล้วป้อนบาร์ 6101-T6 เข้าไปจะมีแรงไม่พอ และรูปแบบความเสียหายไม่ใช่การหยุดนิ่งอย่างเรียบร้อย แต่เป็นรูที่เจาะค้างครึ่งทางโดยมีพันช์ติดอยู่ในนั้น

ตัวอย่างการคำนวณ

ยกกรณีที่พบบ่อย รูเผื่อสำหรับ M12 เส้นผ่านศูนย์กลาง 13 mm บนทองแดงกึ่งแข็งหนา 10 mm

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

ทีนี้รูเดียวกันบนบาร์ขนาดเดียวกันที่เป็นอะลูมิเนียม 6101-T6 โดย τ ≈ 150

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

และรูใหญ่ที่สุดที่เครื่องระดับกลางมักถูกขอให้ทำ คือ 32 mm บนทองแดงแข็งหนา 16 mm

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

ตัวเลขสุดท้ายนั้นคือตัวที่ชี้ขาดว่าคุณจะซื้อเครื่องรุ่นไหน และมันมาจากการคำนวณเพียงบรรทัดเดียว การคำนวณเดียวกันนี้สำหรับรูและวัสดุคู่ใดก็ได้ทำได้ในเครื่องคำนวณแรงเจาะบัสบาร์

แรงถอนพันช์ และเหตุผลที่มันอยู่ในยอดรวม

หลังจากเศษเจาะขาดออก บาร์จะสปริงกลับเข้าหาผิวข้างของพันช์แล้วรัดไว้ การดึงพันช์ออกต้องใช้แรงจริง ๆ ซึ่งมาจากชุดปลดชิ้นงาน และแรงนั้นถูกรับไว้ผ่านตัวเครื่อง

กฎง่าย ๆ ที่เผยแพร่ไว้กำหนดแรงถอนพันช์ไว้ที่ 5-20% ของแรงเจาะ โดยแนวทางการออกแบบดายของ MetalForming อ้างไว้ที่ 10-30% และระบุว่าวัสดุที่นิ่มกว่าและเคลียแรนซ์ที่แคบกว่าต้องใช้มากกว่านั้น ทองแดงนิ่มและมีแนวโน้มไปทางส่วนบนของช่วงนั้น สำหรับการเลือกขนาดบนบัสบาร์ทองแดง 15% ของแรงเจาะเป็นตัวเลขใช้งานที่ปกป้องได้ และ 20% ถ้าคุณเดินเคลียแรนซ์ที่ปลายแคบของช่วง

บนตัวอย่าง 310 kN นั่นเพิ่มขึ้นราว 45-60 kN แรงนี้ไม่ได้เกิดพร้อมกับแรงเจาะสูงสุด จึงไม่ได้บวกเข้ากับความต้องการด้านแรงกดตรง ๆ แต่มันลงน้ำหนักที่ชุดปลดชิ้นงาน ตัวจับทูล และโครงเครื่อง และเป็นเหตุผลที่เครื่องซึ่งดูพอเพียงตามตัวเลขอาจสั่นหรือทำให้ตำแหน่งรูเลื่อนไป ถ้าแรงถอนพันช์ของคุณสูงผิดปกติ สาเหตุมักเป็นเคลียแรนซ์มากกว่าตัวเครื่อง ซึ่งกล่าวถึงไว้ในบทความเรื่องเคลียแรนซ์ระหว่างพันช์กับดาย

เลือกขนาดจากกรณีหนักที่สุด ไม่ใช่จากค่าเฉลี่ย

รูโดยเฉลี่ยในงานสวิตช์เกียร์คือรูเผื่อสำหรับ M10 หรือ M12 บนทองแดงหนา 6-10 mm ซึ่งต้องใช้ 40-75 kN การเลือกขนาดเครื่องจากตัวเลขนั้นรับประกันได้ว่าคุณจะทำงานนั้นไม่ได้

กรณีหนักที่สุดคือการรวมกันของ

• รูใหญ่ที่สุด ในชุดแบบ รวมทั้งร่องและช่องเจาะ วัดจากเส้นรอบรูปที่คลี่ออกแทนขนาดที่ระบุ
• บาร์ที่หนาที่สุด ที่คุณจะแปรรูป ซึ่งมักไม่ใช่บาร์ที่มีรูใหญ่ที่สุด
• เทมเปอร์ที่แข็งที่สุด ที่คุณจะยอมรับ บาร์ที่ผ่านการดึงเย็นแข็งมีความแข็งแรงเฉือนสูงกว่ากึ่งแข็งราว 8% และสูงกว่าอบอ่อน 27% และฝ่ายจัดซื้อจะสับเปลี่ยนเทมเปอร์เมื่อของขาด
• ชุดเจาะพร้อมกันที่ใหญ่ที่สุด ถ้าคุณเจาะหลายรูในจังหวะเดียว

เงื่อนไขเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องเกิดพร้อมกันบนชิ้นงานจริงเพื่อให้เครื่องต้องรับไหว แค่มีความเป็นไปได้ก็พอ ข้อกำหนดในเอกสารประกวดราคาที่เขียนว่า "ทองแดงถึง 12 mm" กับชุดแบบที่มีรู 32 mm หมายความว่าคุณต้องสมมติรู 32 mm บนทองแดงแข็งหนา 12 mm ซึ่งเท่ากับ 233 kN ไม่ว่าชิ้นงานนั้นจะมีอยู่แล้วหรือยัง

การสับเปลี่ยนเทมเปอร์ควรได้รับความสนใจเป็นพิเศษเพราะมันมองไม่เห็น บาร์หน้าตาเหมือนกันทุกอย่าง อาการแรกมักเป็นความสูงของครีบและตำแหน่งรูที่เลื่อนไปบนเครื่องซึ่งเดือนที่แล้วยังปกติดี

การเจาะเป็นชุดและการเจาะหลายรูพร้อมกัน

การเจาะหลายรูในจังหวะเดียวคูณแรงด้วยจำนวนรูตรง ๆ รู M12 สี่รูบนทองแดงกึ่งแข็งหนา 10 mm ในจังหวะเดียวคือ 4 × 73 = 292 kN และจะไม่พอดีกับเครื่อง 300 kN เมื่อคิดแรงถอนพันช์และการแอ่นตัวของโครงเครื่องเข้าไปด้วย

มีสองวิธีที่ทำให้การเจาะเป็นชุดพอรับได้ วิธีแรกคือทำความยาวพันช์ให้เหลื่อมกัน เพื่อให้พันช์กินเนื้อทีละตัวแทนที่จะพร้อมกัน ซึ่งกระจายแรงไปตลอดระยะชัก โดยแลกกับระยะชักที่ยาวขึ้นและแรงด้านข้างที่สูงขึ้น อีกวิธีคือเจาะทีละรูที่อัตราการกดสูง ซึ่งเป็นสิ่งที่เครื่องบัสบาร์ CNC ถูกสร้างมาให้ทำ ที่ 150-200 ครั้งต่อนาที เวลาที่เสียไปจากการเจาะสี่รูทีละรูแทนที่จะเจาะเป็นชุดอยู่ต่ำกว่าสองวินาที และมันขจัดปัญหาเรื่องแรงกดไปทั้งหมด ในงานสวิตช์เกียร์ส่วนใหญ่ การแลกแบบนี้คุ้มที่จะทำ

หน้าพันช์ที่เจียรมุมเฉือน

หน้าพันช์แบบเรียบตัดเส้นรอบรูปทั้งเส้นพร้อมกัน แรงสูงสุดจึงเท่ากับแรงที่คำนวณได้ และการปลดแรงตอนวัสดุขาดทะลุเกิดขึ้นอย่างฉับพลัน การเจียรมุมเฉือนลงบนหน้าพันช์ทำให้รอยตัดเหลื่อมกันและลดค่าสูงสุดลง

ผลที่ได้ขึ้นกับความลึกของมุมเฉือนเทียบกับความหนาวัสดุ และบนบัสบาร์หนา ผลที่ได้น้อยกว่าที่สื่อการตลาดบอกไว้ แนวทางที่ Roper Whitney เผยแพร่ไว้ระบุว่ามุมเฉือนลดแรงเจาะได้มากถึง 50% พร้อมข้อแม้ว่าได้ผลดีที่สุดที่ความหนา 14 gauge ลงมา ตารางตัวประกอบมุมเฉือนของ H. Weiss ใช้ประโยชน์ได้มากกว่าสำหรับความหนาระดับของเรา ที่วัสดุหนา 1/4 in (6.35 mm) ความลึกมุมเฉือน 1/16 in (1.6 mm) ให้ตัวประกอบ 0.90 ความลึก 3/32 in (2.4 mm) ให้ 0.85 และความลึก 3/16 in (4.8 mm) ให้ 0.65

อ่านให้เป็นเรื่องปฏิบัติสำหรับบัสบาร์ ความลึกมุมเฉือนพอประมาณซื้อได้ 10-15% บนทองแดงหนา 6 mm และได้น้อยลงตามสัดส่วนบน 12 mm เพราะความลึกมุมเฉือนจะต้องโตขึ้นตามความหนาเพื่อคงอัตราส่วนเดิมไว้ อย่าเลือกขนาดเครื่องบนสมมติฐานว่ามุมเฉือนจะช่วยคุณไว้ ให้ถือว่ามันเป็นประกันความเสี่ยงต่อแรงกระแทกตอนวัสดุขาดทะลุ และเป็นตัวช่วยควบคุมเศษเจาะ แล้วคำนวณแรงกดจากตัวเลขของพันช์หน้าเรียบ

ใช้มุมเฉือนแบบหลังคาจั่วแทนมุมเฉือนแบบเอียงด้านเดียวกับรูทุกขนาดยกเว้นรูที่เล็กที่สุด มุมเอียงด้านเดียวทำให้เกิดแรงด้านข้างที่ไม่สมดุล ซึ่งดันพันช์ให้เบี่ยงและลงน้ำหนักที่ตัวนำ

กฎเรื่องส่วนเผื่อ

เอาแรงเจาะของกรณีหนักที่สุด แล้วเผื่อส่วนเกินสำหรับสิ่งที่สูตรไม่ได้จำลองไว้

• สภาพทูล พันช์ที่สึกต้องใช้แรงมากกว่าพันช์ที่คมอย่างมีนัยสำคัญ เพราะรัศมีคมโตขึ้นและส่วนของการตัดที่กลายเป็นการเสียรูปมีมากขึ้น นี่เป็นเทอมเดี่ยวที่ไม่ได้ถูกจำลองซึ่งใหญ่ที่สุด
• พิกัดความเผื่อของเทมเปอร์และความหนา บาร์มาถึงที่ขอบบนของพิกัดความหนาและขอบบนของช่วงความแข็งแรงบ่อยพอที่จะมีนัยสำคัญ
• การแอ่นตัวของโครงเครื่องและการลดพิกัดของไฮดรอลิก แรงพิกัดวัดที่แกนกด ที่ความดันพิกัด ที่อุณหภูมิใช้งาน
• งานในอนาคต เครื่องจะอยู่ในโรงงานสิบห้าปี และส่วนผสมของงานจะเปลี่ยนไป

กฎที่ใช้งานได้จริงคือเลือกขนาดให้แรงที่คำนวณได้ในกรณีหนักที่สุดไม่เกินราว 60-70% ของแรงพิกัดเครื่อง นั่นไม่ใช่มาตรฐาน แต่เป็นแนวปฏิบัติที่สั่งสมกันมา และสอดคล้องกับตำแหน่งที่ขีดจำกัดของเครื่องที่เผยแพร่ไว้ตั้งอยู่จริง บนเครื่อง 800 kN ข้างล่างนี้ รูใหญ่ที่สุดที่เผยแพร่ไว้บนบาร์หนาที่สุดที่เผยแพร่ไว้คำนวณได้ราว 485 kN ในทองแดงแข็ง ซึ่งราว 61% ของพิกัด นั่นไม่ใช่เรื่องบังเอิญ

จับคู่กับลำดับชั้นเครื่องจริง

การคำนวณกรณีหนักที่สุดเทียบกับความสามารถที่เผยแพร่ไว้ของโครงเครื่องแต่ละขนาด ให้ตารางเลือกเครื่องที่ตรงไปตรงมา ตัวเลขทั้งหมดข้างล่างใช้ทองแดงแข็งที่ 193 N/mm² ซึ่งเป็นกรณีที่มองในแง่ร้ายที่สุด

แถวที่ระบุว่า "ค่าสูงสุดที่เผยแพร่" คือเส้นผ่านศูนย์กลางรูสูงสุดที่ผู้ผลิตระบุไว้ ที่ความหนาสูงสุดที่ระบุไว้ ส่วนสองแถวที่ระบุว่า "คำนวณย้อน" คือรูใหญ่ที่สุดที่การคำนวณยอมให้ได้ที่ราวสองในสามของแรงพิกัด เนื่องจากเครื่องเหล่านั้นไม่ได้เผยแพร่เส้นผ่านศูนย์กลางรูสูงสุดไว้

ให้อ่านตารางนั้นเป็นแนวทางเลือกขนาด ไม่ใช่รายการราคา เครื่องระดับ 300 kN ครอบคลุมงานตู้ไฟฟ้าบนบาร์ 160 × 15 mm ที่มีผังรู M12 และ M16 และไม่มีอะไรพิสดาร EMAC-BP-40 ขนาด 400 kN ครอบคลุมงานสวิตช์เกียร์ส่วนใหญ่บนบาร์หนา 12 mm ที่ 150 ครั้งต่อนาที การขยับขึ้นไปที่ 600 kN ซื้อความสามารถที่ 16 mm ไม่ใช่แค่แรงที่มากขึ้น และการขยับขึ้นไปที่ 800 kN ซื้อความหนา 20 mm และรู 40 mm

ถ้างานมีช่องเจาะขนาดใหญ่ ช่องระบายอากาศของบัสเวย์ หรืออะไรก็ตามที่เส้นรอบรูปที่คลี่ออกเกิน 100 mm ให้ขยับขึ้นไปหนึ่งระดับ ไม่ว่าการคำนวณแบบรูกลมจะบอกอย่างไร เส้นรอบรูปคือเทอมที่โตเร็วที่สุด

เครื่องระดับ 800 kN ยังสำคัญด้วยเหตุผลที่ไม่เกี่ยวกับรูเลย บนเครื่องที่รวมเจาะและตัดไว้ด้วยกัน สเตชันตัดต้องตัดขาดหน้าตัดบาร์ทั้งหน้า และบนทองแดง 300 × 20 mm นั่นคือหน้าตัด 6000 mm² แรงที่ต้องใช้ในการตัด ถูกกำหนดโดยเรขาคณิตของใบมีดและมุมเอียงใบมีด ไม่ใช่สูตรเส้นรอบรูปแบบง่าย แต่โครงเครื่องต้องรับแรงนั้น และบ่อยครั้งที่การตัดต่างหาก ไม่ใช่การเจาะ ที่เป็นตัวกำหนดขนาดโครงเครื่องบนบาร์กว้างและหนัก

สองเรื่องที่สูตรไม่ได้บอกคุณ

แรงไม่เท่ากับความสามารถ เครื่องที่มีแรงกดพอแต่ความแม่นยำตำแหน่งไม่พอจะเจาะรูผิดที่ ซึ่งบนผังจุดต่อแบบขันสลักเกลียวตาม DIN 43673-1 เท่ากับบาร์ที่ต้องทิ้งเป็นเศษ ความแม่นยำของพิตช์รู ความสามารถทำซ้ำ และความแข็งเกร็งของระบบป้อนบาร์ เป็นสเปกคนละตัว และควรถูกตรวจสอบแยกกัน

แรงยังไม่ได้บอกอะไรเลยเรื่องอัตราการกด และอัตราการกดคือตัวที่ชี้ขาดว่าเครื่องคุ้มหรือไม่ เครื่อง 400 kN ที่ 150 ครั้งต่อนาที กับเครื่อง 800 kN ที่ 200 ครั้งต่อนาที เป็นข้อเสนอด้านการผลิตคนละแบบ และในงานที่รูเผื่อสำหรับ M10 และ M12 เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งเครื่องทั้งสองไม่ได้เข้าใกล้ขีดจำกัดแรงของตัวเองเลย อัตราการกดคือตัวเลขเดียวที่มีความหมาย ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการกด อายุทูล และต้นทุนที่แท้จริงของรูหนึ่งรู อยู่ในอายุทูลและต้นทุนต่อรู ส่วนกลศาสตร์ของการตัดเองอยู่ในภาพรวมกระบวนการเจาะ