Chọn lực ép cho việc đột lỗ thanh cái

Lực đột là một trong số ít thứ trong gia công thanh cái có thể tính chính xác, từ nguyên lý cơ bản, trong khoảng ba mươi giây. Nó cũng là một trong những thứ hay bị đặc tả bằng cách chép lại con số của cỗ máy trước đó. Hai sự thật ấy nằm cạnh nhau khá gượng gạo, bởi phép tính không khó còn cái giá của việc làm sai thì chạy về cả hai phía: một máy ép thiếu lực sẽ chết máy đúng vào công việc quan trọng nhất, còn một máy thừa lực là vốn bạn đã không cần phải bỏ ra.

Công thức

Đột lỗ là cắt một khối vật liệu hình trụ ra khỏi thanh. Diện tích bị cắt bằng chu vi lỗ nhân chiều dày, và lực bằng diện tích đó nhân giới hạn bền cắt của vật liệu:

F = perimeter × t × τ

Với lỗ tròn thì chu vi là π × d, cho ra dạng mà phần lớn mọi người thuộc lòng:

F = π × d × t × τ

với d và t tính bằng milimét và τ tính bằng N/mm², cho ra lực tính bằng newton. Chia cho 1000 để ra kN, chia cho 9807 để ra tấn mét.

Với lỗ có hình dạng phức tạp (rãnh, hình chữ nhật, lỗ ô van, khe chớp trên vỏ busway) thì chu vi là chiều dài đường cắt khai triển, không phải một kích thước danh nghĩa. Một rãnh chữ nhật 20 × 40 mm với bán kính góc 5 mm có chu vi khoảng 2 × (20 + 40) − 8 × 5 + 2π × 5, tức chừng 111 mm chứ không phải 120 mm như khi bỏ qua các góc lượn. Trên một lỗ đơn lẻ thì chênh lệch đó là nhiễu. Trên một cụm tám chày thì không.

Những giá trị giới hạn bền cắt đáng dùng

Giới hạn bền cắt là biến quyết định đáp số, và cũng là biến người ta hay đoán mò. Các con số dưới đây lấy từ dữ liệu đã công bố của nhà cung cấp khuôn dao, cho những hợp kim và cấp độ cứng thực sự xuất hiện dưới dạng thanh cái. Đây là các giá trị điển hình dùng để chọn máy, không phải giá trị nhỏ nhất được chứng nhận, và một chứng chỉ nhà máy cán luôn thắng một cái bảng tra.

Có hai điểm cần đính chính so với những con số lưu truyền không chính thức. Thứ nhất, đồng hay bị nêu ở mức 200-230 N/mm², và mức đó là cao; những con số ấy là giới hạn bền kéo bị đem dùng như thể chúng là giới hạn bền cắt. Theo EN 13601, thanh Cu-ETP được quy định ở 220-260 N/mm² bền kéo cho R220 mềm, 240-300 cho R240 nửa cứng và 300-360 cho R290 cứng. Các trị số bền cắt đo được ở trên vào khoảng 0.65-0.70 lần con số bền kéo tương ứng, chứ không phải 0.8 như quy tắc kinh nghiệm phổ biến gợi ra. Khi bạn không có gì tốt hơn một con số bền kéo thì 0.8 × bền kéo là phương án dự phòng thiên về an toàn, và nó sẽ ước lượng vống lên với đồng khoảng 15-20%.

Thứ hai, câu "nhôm chừng 80 N/mm²" chỉ đúng với các mác dẫn điện 1xxx loại mềm. 6101-T6, hợp kim tiêu chuẩn cho thanh cái đùn ép ở bất cứ đâu cần độ bền cơ học và khả năng chống dão, mạnh gần gấp đôi con số đó. Một máy ép được chọn theo 80 N/mm² rồi đem chạy thanh 6101-T6 sẽ thiếu lực, và kiểu hỏng không phải là chết máy gọn gàng mà là một cái lỗ đột dở dang với chày đột kẹt cứng trong đó.

Một ví dụ tính

Lấy một trường hợp phổ biến: lỗ thông M12, đường kính 13 mm, trên đồng nửa cứng dày 10 mm.

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

Bây giờ vẫn lỗ đó, vẫn thanh đó, nhưng bằng nhôm 6101-T6 với τ ≈ 150:

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

Và cái lỗ lớn nhất mà một máy tầm trung thường bị yêu cầu, 32 mm trên đồng cứng dày 16 mm:

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

Con số cuối cùng đó chính là con số quyết định bạn mua máy nào, và nó đến từ một dòng số học. Cũng phép tính ấy cho bất kỳ tổ hợp lỗ và vật liệu nào đều chạy được trong công cụ tính lực đột thanh cái.

Lực tháo phôi, và vì sao nó thuộc về tổng lực

Sau khi phoi đột tách ra, thanh đàn hồi ép trở lại lên sườn chày và bám lấy nó. Rút chày ra tốn lực thật, do tấm tháo phôi cấp, và lực đó phản lại qua thân máy.

Các quy tắc kinh nghiệm đã công bố đặt lực tháo phôi ở mức 5-20% lực đột, còn hướng dẫn thiết kế khuôn của MetalForming nêu 10-30% và lưu ý rằng vật liệu mềm hơn và khe hở chặt hơn thì cần nhiều hơn. Đồng thì mềm và có xu hướng nằm ở phần trên của dải đó. Để chọn máy cho thanh cái đồng, 15% lực đột là một con số làm việc bảo vệ được, và 20% nếu bạn chạy khe hở ở đầu chặt của dải.

Trên ví dụ 310 kN, phần đó thêm chừng 45-60 kN. Nó không xảy ra đồng thời với lực đột đỉnh, nên nó không đơn giản cộng thẳng vào yêu cầu lực ép, nhưng nó có đặt tải lên tấm tháo phôi, lên gá kẹp khuôn và lên thân máy, và nó là lý do một cỗ máy về danh nghĩa đủ sức vẫn có thể rung giật hoặc trôi vị trí lỗ. Nếu lực tháo phôi của bạn đang cao, nguyên nhân thường là khe hở chứ không phải máy ép, và điều đó được bàn trong bài về khe hở chày cối.

Chọn theo trường hợp xấu nhất, đừng chọn theo mức trung bình

Cái lỗ trung bình trong một công việc tủ đóng cắt là lỗ thông M10 hoặc M12 trên đồng dày 6-10 mm, cần 40-75 kN. Chọn máy theo con số đó là bảo đảm bạn không làm nổi công việc.

Trường hợp xấu nhất là tổ hợp của:

• lỗ lớn nhất trong bộ bản vẽ, kể cả rãnh và ô khoét, đo theo chu vi khai triển chứ không theo kích thước danh nghĩa
• thanh dày nhất bạn sẽ gia công, và thường đó không phải cái thanh mang cái lỗ lớn nhất
• cấp độ cứng cao nhất bạn sẽ chấp nhận. Thanh kéo nguội cứng có độ bền cắt cao hơn loại nửa cứng khoảng 8% và cao hơn loại ủ mềm 27%, còn bộ phận mua hàng sẽ thay cấp độ cứng khi nguồn cung căng
• cụm chày lớn nhất, nếu bạn đột nhiều lỗ trong một hành trình

Những điều này không nhất thiết phải cùng xuất hiện trên một chi tiết có thật thì cỗ máy mới cần sống sót qua chúng. Chúng chỉ cần là có thể xảy ra. Một đặc tả trong hồ sơ thầu ghi "đồng đến 12 mm" cùng một bộ bản vẽ có lỗ 32 mm nghĩa là bạn phải giả định một lỗ 32 mm trên đồng cứng dày 12 mm, tức 233 kN, bất kể chi tiết đó đã tồn tại hay chưa.

Việc thay cấp độ cứng đáng được chú ý riêng vì nó vô hình. Thanh trông y hệt. Triệu chứng đầu tiên thường là chiều cao bavia và vị trí lỗ bắt đầu trôi trên một cỗ máy tháng trước vẫn còn tốt.

Đột theo cụm và đột nhiều lỗ

Đột vài lỗ trong một hành trình nhân lực lên đúng bằng số lỗ. Bốn lỗ M12 trên đồng nửa cứng dày 10 mm trong một hành trình là 4 × 73 = 292 kN, và nó sẽ không vừa trên một máy 300 kN một khi đã tính đến lực tháo phôi và độ biến dạng thân máy.

Có hai cách làm cho việc đột theo cụm trở nên khả thi. Chênh chiều dài các chày để chúng ăn vào lần lượt thay vì cùng lúc, cách này trải lực ra dọc hành trình, đổi lại hành trình dài hơn và tải ngang lớn hơn. Hoặc đột lần lượt ở tốc độ cao, đúng thứ mà một máy thanh cái CNC sinh ra để làm. Ở 150-200 nhát mỗi phút, phần thời gian đội thêm khi đột bốn lỗ riêng lẻ thay vì một cụm là dưới hai giây, và cách này xóa sạch bài toán lực ép. Với phần lớn công việc tủ đóng cắt, đó là một cuộc đổi chác đáng làm.

Mặt chày mài vát thoát

Mặt chày phẳng cắt cả chu vi cùng một lúc, nên lực đỉnh bằng đúng lực tính ra và cú nhả tải khi vật liệu đứt là đột ngột. Mài vát thoát lên mặt chày làm lệch pha đường cắt và hạ đỉnh lực xuống.

Mức lợi phụ thuộc vào chiều sâu vát so với chiều dày vật liệu, và trên thanh cái dày thì nó nhỏ hơn những gì tài liệu tiếp thị gợi ra. Hướng dẫn đã công bố của Roper Whitney nói vát thoát có thể giảm lực đột tới 50%, kèm điều kiện rằng nó hiệu quả nhất trên tôn dày 14 gauge trở xuống. Bảng hệ số vát của H. Weiss hữu ích hơn cho các chiều dày của chúng ta: trên phôi 1/4 in (6.35 mm), chiều sâu vát 1/16 in (1.6 mm) cho hệ số 0.90, chiều sâu 3/32 in (2.4 mm) cho 0.85, và chiều sâu 3/16 in (4.8 mm) cho 0.65.

Cách đọc thực tế cho thanh cái là một chiều sâu vát vừa phải mua được 10-15% trên đồng 6 mm và ít hơn theo tỷ lệ trên đồng 12 mm, bởi chiều sâu vát sẽ phải lớn lên theo chiều dày mới giữ được cùng một tỷ số. Đừng chọn máy dựa trên giả định rằng vát thoát sẽ cứu bạn. Hãy coi nó như bảo hiểm chống xung giật khi vật liệu đứt và như một công cụ kiểm soát phoi đột, còn lực ép thì tính từ con số của chày mặt phẳng.

Hãy dùng vát kiểu mái nhà chứ đừng dùng vát một phía trên mọi thứ trừ những lỗ nhỏ nhất. Vát một phía sinh ra lực ngang mất cân bằng, làm lệch chày và đặt tải lên bạc dẫn hướng.

Quy tắc biên dự phòng

Lấy lực đột ở trường hợp xấu nhất, rồi cộng biên cho những thứ mà công thức không mô hình hóa:

• Tình trạng khuôn dao: một chày mòn cần lực nhiều hơn hẳn một chày sắc, bởi bán kính lưỡi cắt lớn dần lên và phần biến dạng chiếm nhiều hơn trong đường cắt. Đây là số hạng chưa được mô hình hóa lớn nhất.
• Dung sai cấp độ cứng và chiều dày: thanh về ở mức trên của dung sai chiều dày và mức trên của dải độ bền đủ thường xuyên để đáng phải tính.
• Biến dạng thân máy và suy giảm định mức thủy lực: lực danh định là lực tại đầu trượt, ở áp suất danh định, ở nhiệt độ làm việc.
• Công việc tương lai: cỗ máy sẽ nằm trong xưởng mười lăm năm và cơ cấu công việc sẽ thay đổi.

Một quy tắc làm việc là chọn sao cho lực tính ra ở trường hợp xấu nhất không quá khoảng 60-70% lực danh định của máy. Đó không phải một tiêu chuẩn, đó là kinh nghiệm tích lũy, nhưng nó nhất quán với chỗ mà các giới hạn máy đã công bố thực sự nằm. Trên các máy 800 kN nêu dưới đây, lỗ lớn nhất được công bố trên thanh dày nhất được công bố tính ra vào khoảng 485 kN với đồng cứng, tức chừng 61% định mức. Đó không phải chuyện ngẫu nhiên.

Ánh xạ lên một dải máy có thật

Chạy phép tính trường hợp xấu nhất đối chiếu với năng lực đã công bố của từng cỡ thân máy cho ra một bảng chọn khá thẳng thắn. Mọi con số dưới đây dùng đồng cứng ở 193 N/mm², tức trường hợp bi quan nhất.

Những hàng ghi "mức công bố tối đa" là đường kính lỗ lớn nhất do nhà sản xuất nêu ở chiều dày lớn nhất được nêu. Hai hàng "suy ra" là lỗ lớn nhất mà phép tính cho phép ở khoảng hai phần ba lực danh định, vì hai máy đó không công bố đường kính lỗ lớn nhất.

Hãy đọc bảng đó như một hướng dẫn chọn máy chứ không phải một bảng giá. Nhóm 300 kN bao phủ công việc làm tủ điện trên thanh 160 × 15 mm với sơ đồ lỗ M12 và M16, không có gì khác thường. Máy 400 kN EMAC-BP-40 bao phủ phần lớn công việc tủ đóng cắt trên thanh 12 mm ở 150 nhát mỗi phút. Bước lên 600 kN là mua thêm năng lực 16 mm chứ không chỉ mua thêm lực, còn bước lên 800 kN là mua 20 mm và lỗ 40 mm.

Nếu công việc có ô khoét lớn, khe chớp trên vỏ busway hay bất cứ thứ gì có chu vi khai triển vượt 100 mm, hãy lên một nhóm bất kể phép tính lỗ tròn nói gì. Chu vi là số hạng lớn lên nhanh nhất.

Nhóm 800 kN còn quan trọng vì một lý do chẳng liên quan gì tới lỗ. Trên một máy đột và cắt kết hợp, cụm cắt phải cắt đứt toàn bộ tiết diện thanh, và trên đồng 300 × 20 mm thì đó là một mặt cắt 6000 mm². Lực cần cho việc cắt do hình học lưỡi dao và góc nghiêng dao chi phối chứ không theo công thức chu vi đơn giản, nhưng thân máy vẫn phải gánh nó, và trên thanh rộng và dày thì thường chính cụm cắt chứ không phải cụm đột mới là thứ quyết định cỡ thân máy.

Hai điều công thức không nói cho bạn

Lực không đồng nghĩa với năng lực. Một máy ép đủ lực nhưng thiếu độ chính xác vị trí sẽ cho ra lỗ sai chỗ, và trên một sơ đồ mối bắt bu lông theo DIN 43673-1 thì đó là một thanh bỏ đi. Độ chính xác bước lỗ, độ lặp lại và độ cứng vững của hệ cấp thanh là những đặc tả riêng biệt và đáng được soi riêng.

Lực cũng chẳng nói gì về tốc độ đột, mà tốc độ đột mới là thứ quyết định cỗ máy có sinh lời hay không. Một máy 400 kN ở 150 nhát mỗi phút và một máy 800 kN ở 200 nhát mỗi phút là hai đề bài sản xuất khác nhau, và với một công việc toàn lỗ thông M10 và M12, nơi cả hai máy đều còn cách xa giới hạn lực của mình, thì tốc độ đột là con số duy nhất có ý nghĩa. Quan hệ giữa tốc độ đột, tuổi thọ khuôn và chi phí thật của một cái lỗ được trình bày trong bài tuổi thọ khuôn và chi phí trên mỗi lỗ, còn cơ học của bản thân đường cắt thì nằm trong bài tổng quan về nguyên công đột lỗ.