การบิดบัสบาร์: เรขาคณิต ขีดจำกัด และทูล

การบิดคือการหมุนบาร์รอบแกนยาวของตัวมันเองโดยไม่เปลี่ยนทิศทางที่บาร์เดินไป เป็นงานที่ใช้เมื่อแนวเดินไปถูกทางแล้วแต่หน้ากว้างอยู่ผิดระนาบ เช่น แนวขึ้นแนวดิ่งที่ป้อนเข้าเบรกเกอร์ซึ่งมีขั้วต่อวางตัวแนวนอน ชุดเฟสที่ซ้อนกันแล้วต้องแยกออกไปหาทิศทางขั้วต่อคนละแบบ หรือแนวหย่อนลงเข้าอุปกรณ์ที่ติดตั้งทำมุม 90° กับช่องบัสบาร์

โรงงานส่วนใหญ่ทำงานนี้ด้วยกฎง่าย ๆ และกฎง่าย ๆ ที่ใช้กันอยู่นั้นขัดกันเองถึงสามเท่า มันขัดกันด้วยเหตุผลอย่างหนึ่ง และเหตุผลนั้นคำนวณออกมาได้

ความยาวช่วงบิดในฐานะฟังก์ชันของความกว้าง

แนวปฏิบัติที่เผยแพร่ไว้เรื่องความยาวบาร์ที่ต้องเผื่อไว้สำหรับการบิด 90° กระจายอยู่ในช่วงกว้าง แนวปฏิบัติงานติดตั้งสวิตช์เกียร์กำหนดความยาวช่วงบิดไว้ที่อย่างน้อยสองเท่าของความกว้างบาร์ ผู้สร้างเครื่องจักรมักระบุ 2.5 เท่าของความกว้างเป็นค่าต่ำสุด โดยมีตัวอย่างที่เผยแพร่ไว้ชิ้นหนึ่งให้ความยาวช่วงบิด 50 mm สำหรับบาร์กว้าง 20 mm แนวปฏิบัติงานผลิตอื่นอ้างไว้ที่ 2.5 ถึง 5 เท่าของความกว้าง ส่วนแนวปฏิบัติการบิดด้วยปากกาจับชิ้นงานบนโต๊ะซึ่งอยู่ที่ปลายล่างสุด อ้างไว้ที่ 1.5 ถึง 2 เท่าของความกว้าง แต่ผูกข้อจำกัดความหนา 6 mm และความกว้าง 60 mm ไว้กับตัวเลขนั้นด้วย

ตัวเลขเหล่านั้นลงรอยกันทันทีที่คุณมองไปที่ความเครียด มุมของหน้าตัดอยู่ห่างจากแกนบิดราวครึ่งหนึ่งของความกว้างบาร์ การหมุนมุมนั้นไปเป็นมุม θ ตลอดความยาว L ทำให้เกิดความเครียดเฉือนที่ผิวเท่ากับ

γ = (w/2) · θ / L

ซึ่งสำหรับการบิด 90° ลดรูปเหลือ γ = π·w / (4L) เมื่อแปลงเป็นความเครียดแกนเดียวเทียบเท่าเพื่อเทียบกับข้อมูลการยืดตัว จะได้ ε ≈ γ/√3

สูตรนี้ละความหนาไว้ ซึ่งใช้ได้กับสัดส่วนของบัสบาร์ บนบาร์ 100 × 10 mm รัศมีถึงมุมจริงคือ 50.25 mm เทียบกับ 50 mm ที่สูตรสมมติไว้

ถึงตรงนี้แนวปฏิบัติเหล่านั้นก็เข้าที่ ที่ 2.5 เท่าของความกว้าง มุมรับความเครียดเทียบเท่าราว 18% ซึ่งทองแดงนิ่มและกึ่งแข็งรับได้โดยไม่ลำบาก ที่ 1.5 เท่าของความกว้าง มุมรับ 30% ซึ่งรอดได้เฉพาะในบาร์นิ่มที่บางและแคบเท่านั้น พอดีกับขอบเขตที่กฎปากกาจับชิ้นงานผูกไว้กับตัวเองอยู่แล้ว ที่ 5 เท่าของความกว้าง มุมรับ 9% ซึ่งสบายแม้ในเทมเปอร์แข็ง

กฎที่ใช้งานได้จริง 2.5 เท่าของความกว้างสำหรับ R220 และ R240 4 เท่าของความกว้างสำหรับ R290 และไม่ต่ำกว่า 2 เท่าของความกว้างไม่ว่าเทมเปอร์ใดก็ตาม ให้ยืนยันกับชิ้นงานตัวอย่างแรก เพราะค่าการยืดตัวใน EN 13601 เป็นค่าต่ำสุด และวัสดุที่ส่งมอบจริงมักดีกว่านั้น

สังเกตทิศทางไว้ด้วย เพราะมันกลับกับการดัด ยิ่งช่วงบิดยาว ความเครียดยิ่งเบา ความยาวช่วงบิดเป็นค่าเผื่อในแบบมากกว่าจะเป็นการตั้งค่าเครื่อง ดังนั้นถ้าแนวเดินไม่มีความยาวช่วงตรงให้สละ การบิดก็ไม่ใช่ทางเลือกตั้งแต่แรก

แรงบิด และเหตุผลที่การบิดชนะการดัดทางสัน

แรงบิดในช่วงพลาสติกที่ต้องใช้บิดหน้าตัดสี่เหลี่ยมมีค่าประมาณ τy·(w·t²/2 − t³/6) ซึ่งถูกครอบงำโดย t² และโตขึ้นเป็นเชิงเส้นตามความกว้างเท่านั้น ส่วนโมเมนต์ในช่วงพลาสติกที่ต้องใช้ดัดหน้าตัดเดียวกันทางสันคือ σy·t·w²/4 ซึ่งโตขึ้นตามกำลังสองของความกว้าง

ใช้ทองแดงกึ่งแข็งที่ความแข็งแรงพิสูจน์ 180 N/mm²

อัตราส่วนนี้ใกล้เคียง 0.87·w/t ตลอดทั้งช่วง ทุกมิลลิเมตรของความกว้างที่เพิ่มขึ้นทำให้การดัดทางสันยากขึ้นแบบไม่ได้สัดส่วน ขณะที่ทำให้การบิดยากขึ้นตามสัดส่วนเท่านั้น และหน้าตัดกว้างบางซึ่งเป็นกรณีที่การดัดทางสันแย่ที่สุด ก็เป็นจุดที่ข้อได้เปรียบนี้มากที่สุดพอดี

นั่นคือเหตุผลเชิงปริมาณสำหรับทางเลือกบิดแล้วดัดทางแบน ซึ่งกล่าวถึงในการดัดบัสบาร์ทางสันเทียบกับทางแบน บิดบาร์ 90° แล้วจึงเปลี่ยนทิศทางด้วยการดัดทางแบนตามปกติ ซึ่งความหนาเป็นตัวคุมความเครียดแทนความกว้าง งานง่ายสองงานเข้าแทนงานยากหนึ่งงาน

การบิดเบี้ยว ขอบที่บางลง และสิ่งที่เกิดขึ้นกับหน้าตัด

เพลากลมภายใต้แรงบิดจะรักษาหน้าตัดให้อยู่ในระนาบเดิม หน้าตัดสี่เหลี่ยมไม่เป็นเช่นนั้น ภายใต้การบิดแบบ Saint-Venant จุดต่าง ๆ บนหน้าตัดสี่เหลี่ยมจะเคลื่อนไปตามแนวแกนเป็นรูปอานม้า โดยเคลื่อนมากที่สุดที่มุม นั่นคือการบิดเบี้ยว และเลี่ยงไม่ได้ในหน้าตัดที่ไม่กลม

ผลที่ตามมาในทางปฏิบัติมีสองข้อ

บริเวณที่ถูกบิดมีขนาดไม่เท่ากับบาร์ต้นทางเสียทีเดียว หน้าตัดแอ่นเล็กน้อย มุมนำหน้าหรือตามหลังกึ่งกลางหน้าบาร์ และความหนาที่วัดได้ตรงขอบของบริเวณที่ถูกบิดจะต่ำกว่าค่าที่ระบุอยู่เล็กน้อย บนสัดส่วนบัสบาร์ตามปกติ การลดลงนี้มีค่าน้อย อยู่ในระดับไม่กี่เปอร์เซ็นต์ แต่มันคือความต้านทานที่สูงขึ้นเฉพาะจุด จึงเป็นจุดร้อนที่เป็นไปได้ ให้ตรวจเทียบกับส่วนเผื่ออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของคุณ เครื่องคำนวณพิกัดกระแสบัสบาร์ จะบอกส่วนเหลือที่แนวเดินมีอยู่ก่อนที่การลดลงนี้จะมีนัยสำคัญ

การบิดเบี้ยวยังถูกยึดรั้งไว้ที่ตัวจับ เพราะหน้าตัวจับกดหน้าตัดให้ราบขณะที่วัสดุระหว่างตัวจับต้องการบิดเบี้ยว การบิดเบี้ยวที่ถูกยึดรั้งทำให้เกิดความเค้นตามแนวแกนกระจุกอยู่ที่ขอบตัวจับ นั่นคือเหตุผลที่รอยแตกในงานบิดเกือบทุกครั้งเริ่มต้นที่แนวตัวจับ ไม่ใช่กลางช่วงบิด ถ้างานบิดของคุณแตกที่ตัวจับ คำตอบคือช่วงอิสระที่ยาวขึ้นหรือแผ่นรองตัวจับที่นิ่มลง ไม่ใช่แรงบิดที่มากขึ้น

บริเวณที่ถูกบิดยังผ่านการขึ้นรูปแข็งมาแล้วด้วย อย่าวางการดัดไว้ภายในช่วงบิดหรือชิดกับช่วงบิด วัสดุตรงนั้นใช้ความเหนียวที่มีอยู่ไปแล้วเป็นสัดส่วนมาก และจะแตกที่รัศมีซึ่งบาร์ต้นทางรับได้สบาย ให้เว้นบาร์ตรงที่ยังไม่ถูกกระทำไว้ระหว่างสองงานนี้

การสปริงกลับเชิงบิด

งานบิดสปริงกลับ และสปริงกลับมากกว่างานดัดอยู่มาก

การคืนตัวเชิงยืดหยุ่นตอนปลดแรงคือ Δθ = T·L/(G·J) โดย T คือแรงบิดที่ใส่เข้าไป L คือความยาวช่วงบิด G คือมอดุลัสเฉือน และ J คือค่าคงที่การบิดของหน้าตัด มอดุลัสเฉือนของทองแดงตามมาจากมอดุลัสยืดหยุ่นที่ราว 46 kN/mm² คำนวณสำหรับบาร์กึ่งแข็ง 100 × 10 mm ที่บิด 90° ตลอดช่วงอิสระ 250 mm จะได้การคืนตัวเชิงยืดหยุ่นราว 5° บาร์เดียวกันที่บิดตลอด 400 mm คืนตัวราว 8° ส่วนบาร์ 160 × 10 mm ตลอด 400 mm คืนตัวราว 7.6°

ตัวเลขเหล่านี้เป็นค่าประมาณอันดับหนึ่งจากการปลดแรงเชิงยืดหยุ่นของหน้าตัดที่เป็นพลาสติกเต็มหน้า ให้ทวนสอบกับชิ้นงานตัวอย่างแรก อย่าเอาไปใส่โปรแกรมตรงจากหน้ากระดาษ สิ่งที่ตัวเลขเหล่านี้บอกได้อย่างเชื่อถือได้คือระดับของมัน การคืนตัวเชิงบิดอยู่ที่หลายองศา ใหญ่กว่าการสปริงกลับของการดัดทางแบนบนบาร์เดียวกันอยู่หนึ่งเท่าตัวของกำลังสิบ

สังเกตด้วยว่าการคืนตัวโตขึ้นตามความยาวช่วงบิด ขณะที่ความเครียดลดลงตามความยาวช่วงบิด การยืดช่วงบิดให้ยาวขึ้นเพื่อปกป้องมุมจะทำให้ค่าชดเชยเชิงมุมใหญ่ขึ้น ไม่มีความยาวใดที่ดีที่สุดสำหรับทั้งสองอย่าง ดังนั้นให้เลือกความยาวจากข้อกำหนดด้านความเครียด แล้วปล่อยให้ตารางชดเชยจัดการเรื่องมุม วินัยเรื่องตารางค่าชดเชยแบบเดียวกับที่อธิบายไว้ในการชดเชยการสปริงกลับ ใช้ได้ที่นี่ด้วย โดยอ้างอิงตามวัสดุ เทมเปอร์ หน้าตัด และความยาวช่วงอิสระ และให้แยกรายการของงานบิดออกจากรายการของงานดัดโดยสิ้นเชิง

การจับยึดและทูล

หัวบิดคือตัวจับสองตัว ตัวหนึ่งอยู่กับที่ อีกตัวหมุน ช่วงอิสระระหว่างทั้งสองคือความยาวช่วงบิด ซึ่งหมายความว่าความยาวช่วงบิดถูกกำหนดโดยตำแหน่งตัวจับ และไม่ได้ปรับได้ต่อเนื่องบนทุกเครื่อง ให้ตรวจขั้นการปรับก่อนที่จะผูกแบบไว้กับค่าเผื่อค่าใดค่าหนึ่ง

หน้าตัวจับต้องไม่ทิ้งรอยบนบาร์ ทองแดงนิ่ม และแรงจับที่ต้องใช้เพื่อกันการลื่นภายใต้แรงบิดเต็มพิกัดนั้นสูง แผ่นรองที่เป็นบรอนซ์ อะลูมิเนียม หรือพอลิเมอร์แข็งเป็นของปกติ ปากจับเหล็กที่มีหน้าเป็นร่องฟันจะกดรอยนูนลงบนบาร์ และรอยนูนนั้นจะกลายเป็นจุดเริ่มรอยแตกภายใต้ความเครียดเชิงบิด

ตัวจับตัวหนึ่งต้องเลื่อนตามแนวแกนได้อิสระ บาร์จะสั้นลงเล็กน้อยตามแนวแกนของตัวเองขณะถูกบิด ถ้ายึดปลายทั้งสองข้างไว้แข็งทื่อ คุณจะซ้อนแรงดึงตามแนวแกนลงบนแรงเฉือนเชิงบิด ซึ่งบวกเข้ากับความเครียดที่มุมโดยตรง และทำให้ขอบแตกที่ระดับความเครียดซึ่งการบิดเพียงอย่างเดียวจะรอดได้ ตัวจับแบบลอยตัว หรือความยืดหยุ่นตามแนวแกนเล็กน้อยที่จงใจใส่ไว้ จะขจัดปัญหานี้

หน้าตัดยังต้องถูกจับให้ได้ฉากที่ตัวจับทั้งสองด้วย การลื่นเชิงหมุนทำให้ความยาวช่วงอิสระที่มีผลจริงสั้นลง ซึ่งดันความเครียดขึ้นเหนือค่าที่คุณคำนวณไว้ และทำให้มุมสำเร็จเพี้ยน

ขอบเขตการบิดที่เผยแพร่ไว้บนเครื่องดัดบัสบาร์โดยทั่วไปอยู่ราวความหนา 5 ถึง 10 mm และความกว้าง 15 ถึง 100 mm แคบกว่าพิกัดการดัดทางแบนของเครื่องเดียวกันอย่างเห็นได้ชัด การบิดเป็นความสามารถที่ระบุไว้ทั้งบน EMAC-BB-H12 และ SMART-603CNC-S โดยทำงานบนชุดควบคุมเดียวกันและโปรแกรมชิ้นงานเดียวกันกับงานดัด ชิ้นงานที่มีทั้งการบิดหนึ่งจุดและการดัดสองจุดจึงเป็นการตั้งเครื่องครั้งเดียว ไม่ใช่สามครั้ง ตัวเลข ±0.1° ที่อ้างไว้สำหรับหัว EMAC-BB เป็นสเปกความแม่นยำของการดัด ส่วนความสามารถทำซ้ำของการบิดบนเครื่องใดก็ตามขึ้นกับแรงจับของตัวจับเป็นอย่างมาก และควรหาค่าจากวัสดุของคุณเอง ไม่ใช่อนุมานเอาจากตัวเลขของการดัด

การบิดควรอยู่ตรงไหนในแผนกระบวนการ

เจาะและตัดก่อนบิด ไม่ใช่หลังบิด บาร์ที่ถูกบิดแล้วจะวางราบบนโต๊ะเจาะไม่ได้ และหาตำแหน่งเทียบกับตัวกั้นระยะได้ไม่น่าเชื่อถือ

จัดลำดับให้บิดก่อนดัดเมื่อเรขาคณิตเปิดให้ทำได้ เพราะหน้าตัดที่ถูกบิดแล้วจับให้ได้ฉากในทูลดัดยากกว่าหน้าตัดที่ยังตรงอยู่

อย่าให้มีรูอยู่ในบริเวณช่วงบิดเลย รูในบริเวณที่มีแรงเฉือนเชิงบิดสูงคือจุดรวมความเค้นในตำแหน่งที่แย่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และวัสดุรอบรูจะฉีกก่อนที่การบิดจะเสร็จ

ให้เผื่อความยาวช่วงบิดที่คิดจากความเครียดไว้ตั้งแต่ขั้นตอนเขียนแบบ การยัดการบิดเข้าไปในแนวเดินที่กำหนดขนาดไว้โดยไม่ได้เผื่อ คือสาเหตุตามปกติที่ทำให้โรงงานลงเอยด้วยการพยายามบิดที่ 1.5 เท่าของความกว้างแล้วทิ้งบาร์เป็นเศษ ทั้งการบิดและการดัด ต่างกินความยาว และความยาวคลี่ต้องรองรับทั้งสองอย่าง คำอธิบายกระบวนการเต็มอยู่ที่การบิด