Quy định độ phẳng, độ thẳng và độ vênh xoắn sau gia công

Một bản vẽ ghi "thanh phải phẳng" thì chưa quy định gì cả. Chữ đó được dùng lỏng lẻo để gộp ba đặc tính khác nhau về hình học, với nguyên nhân khác nhau, phương pháp đo khác nhau và giá trị đạt được khác nhau. Những cuộc tranh cãi ở khâu kiểm tra hàng vào thường là tranh cãi về việc người ta đã định nói tới đặc tính nào.

Độ phẳng là một tính chất của bề mặt: mọi điểm phải nằm giữa hai mặt phẳng song song cách nhau đúng bằng giá trị dung sai. Nó không nói gì về hướng của sai lệch.

Độ thẳng là tính chất của một đường, một cạnh hoặc của trục thanh. Trên thanh cái chữ nhật nó tách thành hai. Cong mặt (bow) là độ cong theo phương chiều dày, khiến thanh bập bênh khi đặt nằm trên mặt bản. Cong cạnh (camber) là độ cong theo phương chiều rộng, khiến thanh trông như quả chuối khi đặt nằm phẳng. Một thanh có thể cong rất nhiều theo kiểu này mà không cong chút nào theo kiểu kia.

Vênh xoắn là sự xoay của tiết diện quanh trục dọc, khiến hai đầu thanh không nằm trong cùng một mặt phẳng. Đây là đặc tính duy nhất trong ba đặc tính mà bạn không thấy được bằng cách đặt thanh lên bàn rồi ngắm dọc theo nó, và cũng là đặc tính hay bị phát hiện ở khâu lắp ráp nhất.

Không đặc tính nào trong số đó có nghĩa nếu thiếu một chiều dài chuẩn. "Cong cạnh 2 mm" chẳng nói lên điều gì. "Cong cạnh tối đa 2 mm trên bất kỳ đoạn 1000 mm nào" mới là một quy định kỹ thuật.

Nhà máy cán đã giao cho bạn sẵn cái gì

Trước khi đổ lỗi cho quy trình của chính mình, hãy xem vật liệu về tới nơi đã mang sẵn cái gì. ASTM B187/B187M, tiêu chuẩn về thanh cái đồng, thanh tròn và thanh định hình, quy định độ thẳng trong Bảng 10 dưới dạng chiều sâu cung lớn nhất đo trên một đoạn chiều dài đã nêu:

• Thanh nói chung: 1/4 in [6 mm] trên 60 in [1500 mm]
• Thanh chữ nhật nửa cứng, dày 3 đến 15 mm và rộng 50 đến 150 mm: 1/8 in [3 mm] trên 96 in [2400 mm]
• Thanh tròn: 1/2 in [13 mm] trên 120 in [3000 mm]
• Thanh định hình: 1/2 in [13 mm] trên 72 in [1800 mm]

Phương pháp đo quan trọng ngang với con số. Tiêu chuẩn nói phải đặt thanh lên một bàn thăng bằng sao cho độ lệch khỏi đường thẳng nằm theo phương ngang, và đo chiều sâu cung lớn nhất bằng thước thép và thước thẳng, làm tròn tới 1/32 in [0.8 mm]. Đo theo phương ngang là để loại trọng lực khỏi kết quả. Một đoạn đồng 100 × 10 mm dài 3 m nặng 27 kg và sẽ võng vài milimét dưới trọng lượng bản thân nếu kê hai đầu rồi đo theo phương đứng, mà độ võng đó không phải là một tính chất của thanh.

Ba milimét cong cạnh trên 2.4 m ở trạng thái được cấp là nhiều hơn hẳn những gì phần lớn người lắp ráp trông đợi. Nếu dung sai chi tiết thành phẩm của bạn chặt hơn dung sai hàng vào, thì quy trình phải khử sai lệch chứ không phải giữ nguyên nó, và điều đó phải được thiết kế vào từ đầu.

Đột sinh ra cong mặt và cong cạnh như thế nào

Đột không lấy vật liệu đi một cách trung tính. Nó để lại một trường ứng suất dư quanh mỗi lỗ, và tổng của các trường đó làm thanh dịch chuyển.

Có hai cơ chế tác động. Ngay quanh lỗ, vật liệu bị kéo vào trong và xuống dưới khi chày đi vào, đưa vùng phía mặt vào của chày sang trạng thái nén, còn vật liệu bị đẩy ra qua mặt thoát trong lúc đứt gãy thì đưa vùng đó sang trạng thái kéo. Khi số hạng kéo chiếm ưu thế, thanh bị cong mặt. Chuyện này mang tính cục bộ: một vùng bị đột dày đặc sẽ cong mặt trong khi vùng không đột của chính thanh đó vẫn phẳng, đó là lý do cong mặt thường xuất hiện dưới dạng một chỗ gãy khúc chứ không phải một cung trơn.

Cơ chế thứ hai là chính bản thân hành trình. Khi chày đi xuống, thanh võng vào trong khẩu độ cối. Mặt trên chịu nén còn mặt dưới chịu kéo, và phần biến dạng dẻo trong đó không hồi phục.

Có bốn thứ làm nó tệ hơn, và cả bốn đều kiểm soát được. Mật độ lỗ quyết định lượng ứng suất tích lũy và đến từ bản vẽ. Chiều dày làm tăng vùng bo tròn mép và tăng lực, mà lực chính là thứ làm biến dạng vật liệu xung quanh. Tình trạng khuôn và dao trên thực tế quan trọng nhất: một chày đột cùn cần lực lớn hơn hẳn so với chày sắc và tạo ra nhiều vùng bo tròn mép hơn, đó là lời giải thích thường gặp cho một thanh bỗng dưng ra khỏi máy trong tình trạng cong mặt trong khi trước nay chưa từng như vậy. Và khe hở chày cối, khi quá chật, làm tăng lực và tăng cong mặt. Biến cuối cùng này cũng chính là biến chi phối tuổi thọ khuôn và dao, và nó được bàn trong bài khe hở chày cối cho thanh cái đồng và nhôm.

Cong cạnh, khác với cong mặt, đến từ sự bất đối xứng theo phương chiều rộng. Một dãy lỗ chạy dọc một mép của thanh rộng đặt vùng chịu ứng suất lệch khỏi trục trung hòa và thanh cong đi trên hình chiếu bằng. Các dãy lỗ đối xứng qua đường tâm phần lớn tránh được điều đó, và đó là một trong những lý lẽ ít được nhắc tới cho các vị trí lỗ tiêu chuẩn trong DIN 43673-1.

Có hai biện pháp đối phó nữa ngoài dao sắc và khe hở đúng. Kiểm soát áp lực tấm gạt phôi hoặc chân đè: nó giữ thanh nằm phẳng trong lúc cắt, nhưng trên đồng mềm thì áp lực quá lớn tự nó lại làm cong thanh, và giảm bớt áp lực đôi khi mới là cách sửa. Và hãy sắp thứ tự các lỗ sao cho công việc được phân bố đều, thay vì làm xong hẳn một đầu rồi mới sang đầu kia; CNC sẽ làm việc đó thay bạn nếu nesting được thiết lập cho điều đó.

Cắt bằng dao sinh ra vênh xoắn như thế nào

Máy cắt kiểu guillotine không cắt hết cả bề rộng cùng một lúc. Lưỡi trên đặt nghiêng một góc nên đường cắt tiến dần từ bên này sang bên kia, chính điều đó giữ cho lực nằm ở mức xử lý được. Sự tiến dần đó đặt một ngẫu lực lên phần cắt thừa, và phần cắt thừa xoay đi.

Góc nghiêng lưỡi dao là biến chi phối. Góc nghiêng lớn hơn làm giảm lực cắt và tăng vênh xoắn; góc nhỏ hơn thì ngược lại. Ở những máy chỉnh được góc nghiêng, mức đặt đúng là góc nhỏ nhất mà vẫn cắt được, và dùng cùng một góc cho thanh 6 mm và thanh 16 mm thì chắc chắn thanh mỏng sẽ bị vênh xoắn quá mức.

Tỷ lệ hình dạng quyết định vênh xoắn có nhìn thấy được hay không. Các hãng máy cắt thường nêu chiều rộng tối thiểu bằng 10 đến 15 lần chiều dày vật liệu thì một dải cắt ra mới nằm phẳng. Thanh cái cắt theo chiều dài thì rộng so với chiều dày của nó, nên vênh xoắn hiện ra dưới dạng một chút vặn nhẹ ở đầu vừa cắt chứ không phải một hình xoắn ốc. Trên thanh hẹp cỡ 20 × 10 mm thì tỷ lệ là 2

và vênh xoắn là có thật.

Hai lỗi khác của máy cắt sinh ra biến dạng chứ không phải vênh xoắn. Khe hở lưỡi dao đặt quá rộng sẽ để vật liệu cuốn và gập qua lưỡi dưới trước khi đứt gãy, cho ra bavia lớn và một chi tiết bị cong mặt. Lưỡi dao cùn thì nghiền vật liệu trước khi cắt, dồn ứng suất vào chi tiết và làm nó cong xuống sau khi tách rời. Cả hai đều được chẩn đoán theo cùng một cách, bằng cách nhìn mặt cắt tìm vùng bo tròn mép quá lớn và một dải bóng ngắn. Bài tổng quan về nguyên công cắt bằng dao trình bày phần hình học.

Uốn làm biến dạng như thế nào

Uốn là biến dạng có chủ ý. Phần không chủ ý là những gì nó gây ra ở quanh mối uốn.

Ở một mối uốn phẳng, thớ ngoài giãn ra và thớ trong bị nén, và vì hai bên không bằng nhau nên cánh uốn nhận thêm một chút cong cạnh, còn tiết diện thì hơi lõm nhẹ theo chiều rộng ở gần mối uốn. Đàn hồi ngược làm chuyện đó nặng thêm: thanh giãn ra sau khi chày lùi về, và đàn hồi ngược không được bù sẽ để lại góc kẹp sai và cánh uốn nhô lên.

Kiểu hỏng cụ thể cần canh chừng là một lỗ nằm sát điểm tiếp tuyến của mối uốn. Vật liệu quanh lỗ bị kéo vào mối uốn, lỗ méo thành hình bầu dục và vị trí của nó xê dịch. Hãy giữ các lỗ bắt bu lông cách điểm tiếp tuyến ít nhất hai lần chiều dày, và ở chỗ bản vẽ buộc phải đặt lỗ gần hơn, hãy đột sau khi uốn chứ đừng đột trước.

Đo cho đúng

Hãy kê thanh tại ba điểm trên một mặt chuẩn phẳng, một bàn máp đá granit hoặc một bàn máy đã được kiểm bằng thước thẳng, chứ đừng đặt nó nằm suốt chiều dài trên một mặt không rõ độ phẳng.

Với độ phẳng của một mặt, hãy đặt thước thẳng ngang qua bề mặt theo vài hướng khác nhau và đọc khe hở bằng căn lá, hoặc rà một đồng hồ so gắn trên thước đo cao. Hãy ghi lại số đọc xấu nhất và chiều dài mà nó được đo trên đó.

Với cong mặt và cong cạnh, hãy dùng phương pháp của ASTM B187: thanh đặt trên bàn thăng bằng với độ lệch khỏi đường thẳng nằm theo phương ngang, thước thẳng đặt dọc cạnh cần kiểm, chiều sâu cung lớn nhất đọc bằng căn lá. Hãy ghi lại bạn đã đo theo hướng nào trong hai hướng. Báo cáo "cong mặt" trong khi thực ra đã đo cong cạnh là lỗi kiểm tra phổ biến nhất trên thanh cái.

Với vênh xoắn, hãy kẹp một đầu thanh nằm phẳng trên bàn máp rồi đo khe hở dưới từng góc trong hai góc ở đầu tự do. Vênh xoắn là hiệu giữa hai khe hở đó chia cho chiều rộng thanh, báo cáo dưới dạng một góc hoặc dưới dạng milimét trên mét. Hãy nêu rõ chiều dài: 0.5 mm vênh xoắn trên 300 mm và 0.5 mm trên 3000 mm là hai chuyện không so sánh được.

Khi bất kỳ phép đo nào trong số này là một hạng mục nghiệm thu, thì chiều dài chuẩn và điều kiện kê đỡ phải nằm trong quy định kỹ thuật cùng với con số.

Thực tế đạt được tới đâu

Các con số dưới đây là giá trị chỉ dẫn để lập kế hoạch chứ không phải cam kết, và chúng giả thiết khuôn và dao sắc, trong tình trạng tốt. Các thông số máy được nêu là giá trị đã công bố.

Độ chính xác góc khi uốn là một thông số riêng và không nên lẫn với độ phẳng. Một máy uốn servo giữ được ±0.1° trên góc uốn không nói gì về việc cánh uốn có phẳng hay không, và cả hai đều phải có trên bản vẽ nếu cả hai đều quan trọng.

Chỗ cộng dồn dung sai cắn vào

Lấy một tuyến ba pha xếp chồng: bốn thanh đồng 100 × 10 mm trên các giá đỡ cách điện, 2 m giữa hai mối nối, hai đầu bắt bu lông vào đoạn kế tiếp.

Mỗi thanh đều mang một chút cong cạnh, và chiều cong thì ngẫu nhiên từ thanh này sang thanh khác. Ở mức giới hạn của ASTM thì đó là khoảng 2.5 mm trên 2 m. Hai thanh có chiều cong ngược nhau sẽ để lại một khe hở vài milimét ở mặt mối nối. Bu lông sẽ khép nó lại, vì đồng dễ biến dạng và một con bu lông M12 không gặp khó khăn gì khi uốn một thanh 10 mm. Chuyện đã xảy ra là mối nối giờ mang một lực căng trước do uốn, áp lực tiếp xúc trên mặt không còn đều nữa, và diện tích tiếp xúc hữu hiệu nhỏ hơn diện tích trên bản vẽ.

Đó là một vấn đề về độ tăng nhiệt chứ không phải vấn đề thẩm mỹ. Điện trở mối nối do diện tích tiếp xúc thực quyết định, và theo IEC 61439 thì giới hạn là độ tăng nhiệt 105 K với thanh cái đồng trần và 70 K tại các đầu nối dùng để đấu dây dẫn bên ngoài. Một mối nối bắt bu lông xuyên qua một chỗ cong mặt bắt đầu đời nó với diện tích tiếp xúc nhỏ hơn mức thiết kế giả định, rồi mất thêm nữa khi trải qua các chu kỳ nhiệt. Nếu thiết kế vốn đã sát giới hạn khả năng tải dòng tại mối nối, thì phần dự trữ đó không có sẵn để mà tiêu.

Vị trí lỗ cộng dồn lên trên đó. Một thanh bị cong cạnh mang dãy lỗ của nó nằm trên một đường cong, nên ngay cả một dãy lỗ được đột hoàn hảo cũng bị xê dịch so với thanh ghép thẳng. Bu lông vẫn xỏ qua được, vì lỗ bắt bu lông vốn rộng rãi. Mối nối thì vẫn cứ bị ứng suất trước. Dung sai chiều dày cộng dồn theo phương thứ ba: bốn thanh mỗi pha trong một chồng ghép lớp, mỗi thanh nằm ở đầu thấp của dung sai, sẽ làm thay đổi tổng chiều cao chồng và do đó thay đổi chiều dài bu lông kẹp và chiều cao các miếng đệm. Hãy làm phép tính đó một lần cho mỗi cấu hình tiêu chuẩn, thay vì làm ngoài công trường.

Khi nào nắn thẳng là chính đáng

Hãy nắn thẳng khi cong mặt hoặc vênh xoắn còn lại vượt quá mức mà kết cấu lắp ráp có thể hấp thụ được mà không gây ứng suất trước cho một mối nối, hoặc khi bản thân độ phẳng mặt mối nối nằm ngoài quy định. Đừng nắn chỉ để các thanh trông đẹp hơn khi xếp trên giá.

Thứ tự các nguyên công là chỗ hay bị làm sai nhất. Hãy nắn phẳng phôi trước khi đột. Nắn phẳng một thanh đã đột sẽ phân bố lại ứng suất quanh những lỗ đã có sẵn, có thể làm méo các lỗ nằm gần mép thanh, và trên vật liệu có cấp độ cứng cao thì có thể để lại một trường ứng suất dư mới, trường này sẽ hiện lại sau chu kỳ nhiệt tiếp theo. Nắn phẳng bằng con lăn phân bố lại ứng suất; nó không xóa được ứng suất.

Điều đó khiến nắn thẳng trở thành phương án cuối cùng trong một tuyến công nghệ hợp lý. Hãy bắt đầu từ phôi đã nắn phẳng, giữ chày đột sắc và đặt đúng khe hở trên máy đột và cắt, sắp thứ tự dãy lỗ sao cho công việc được phân bố đều, hạ góc nghiêng lưỡi dao trên máy cắt ở những máy cho phép, và bù đàn hồi ngược tại trạm uốn để cánh uốn về đúng chỗ bản vẽ ghi. Thanh được làm ra theo cách đó hiếm khi cần nắn thẳng.

Ở chỗ nào bắt buộc phải nắn, hãy quy định nó thành một bước công nghệ có phép đo nghiệm thu riêng, thay vì phó mặc cho một cái búa cao su trên bàn lắp ráp, vốn là nơi phần lớn việc nắn hiện đang diễn ra và là nơi không có gì được ghi chép lại.