Bù đàn hồi ngược khi uốn thanh cái

Một góc uốn thanh cái 90° đo được 88,4° thường được quy cho 'lực phục hồi' (springback). Thuật ngữ này mô tả hiệu ứng, không chỉ ra cần thay đổi dụng cụ, chương trình hay vật liệu – ba điều chỉnh duy nhất có thể thực hiện.

Lực phục hồi là phép tính trước khi là bất kỳ điều gì khác. Quan hệ chi phối đã có trong tài liệu gia công nhiều thập kỷ, các hằng số vật liệu đã được công bố, và sự phân tán dư thừa xung quanh dự đoán là lý do tồn tại của bảng bù trừ.

Phần gì phục hồi, và tại sao

Uốn thanh cái kéo các sợi bên ngoài vào trạng thái kéo và các sợi bên trong vào trạng thái nén. Giữa chúng là lõi nơi ứng suất không bao giờ vượt quá giới hạn chảy. Mọi sợi trong tiết diện, bao gồm cả những sợi đã chảy, đều mang thành phần biến dạng elastic. Nhả pít-tông cho phép thành phần elastic đó phục hồi. Thanh cái thẳng lại cho đến khi momento nội trở về bằng không.

Lực phục hồi là phần elastic của biến dạng có chủ đích bị loại bỏ. Phần plastic vẫn còn. Tỷ lệ giữa hai phần này xác định góc bị mất. Đây không phải khuyết tật vật liệu cũng không phải lỗi máy, mặc dù thường được báo cáo là cả hai.

Bất cứ điều gì tăng tỷ lệ tiết diện bị đẩy quá giới hạn chảy sẽ giảm lực phục hồi. Bất cứ điều gì tăng biến dạng elastic tích lũy tại độ cong nhất định sẽ tăng nó. Cả hai đòn bẩy đều xuất hiện rõ ràng trong phương trình.

Các tỷ lệ ảnh hưởng đến nó

Hai tỷ lệ chi phối, và biến số thứ ba bắt nguồn từ tỷ lệ thứ hai.

Giới hạn chảy trên modulus elastic (σy/E). Vật liệu tích lũy biến dạng elastic lên đến σy/E trước khi bắt đầu chảy. Tăng giới hạn chảy sẽ tăng biến dạng có thể phục hồi ở mọi nơi trong tiết diện. Tăng modulus sẽ giảm nó, vì vật liệu cứng hơn đạt cùng ứng suất ở biến dạng nhỏ hơn. Modulus của đồng vào khoảng 120 kN/mm² bất kể xử lý, vì vậy σy/E trong thực tế là biến số về trạng thái cứng. Đồng cứng phục hồi gấp khoảng bốn lần so với đồng mềm tại cùng hình học.

Bán kính trong trên độ dày (R/t). Tại R/t lớn, đường uốn nhẹ nhàng, vùng plastic là lớp mỏng ở mỗi bề mặt, và lõi elastic chi phối. Tại R/t nhỏ, vùng plastic gần như kéo đến trục trung tính và rất ít vật liệu elastic còn lại để kéo thanh cái trở lại. Lực phục hồi tăng đơn điệu theo R/t, và tăng nhanh. Từ R/t = 2 lên R/t = 8, góc bị mất tăng gấp khoảng bốn lần.

Độ dày thông qua tỷ lệ thứ hai chứ không phải tự thân nó. Với bán kính dập cố định, thanh cái dày hơn có R/t nhỏ hơn và do đó phục hồi ít hơn. Các vận hành viên cho rằng thanh cái dày khó giữ góc hơn đang nhầm lẫn lực với lực phục hồi: thanh cái 16 mm qua dập 20 mm tuân thủ kích thước tốt hơn thanh cái 6 mm qua cùng dập, mặc dù cần gấp ba lần tải trọng. Về tải trọng自身, máy tính lực uốn thanh cái xác định kích thước từ tiết diện thanh cái và khe dập.

Phương trình lực phục hồi

Công thức đóng chuẩn, dưới dạng được Kalpakjian và Schmid trình bày và được trích dẫn lại trong các tài liệu về gia công biến dạng, là:

Ri / Rf = 4 (Ri·σy / E·t)³ − 3 (Ri·σy / E·t) + 1

Trong đó Ri là bán kính trong dưới tải, Rf là bán kính trong sau khi giải phóng, σy là giới hạn chảy 0.2%, E là modulus đàn hồi và t là độ dày thanh.

Nhóm trong ngoặc đơn mang toàn bộ kết quả. Gọi nó là x:

x = (Ri/t) × (σy/E)

suy ra công thức thu gọn thành K = 4x³ − 3x + 1, trong đó K là hệ số hồi spring. Cần kiểm tra hai điều kiện trước khi sử dụng. Thứ nhất, K phải cho kết quả nhỏ hơn một chút so với 1, vì spring luôn làm tăng bán kính, không bao giờ giảm nó. Thứ hai, đối với đồng x có cấp độ 10⁻³, nên số hạng lập phương nhỏ hơn số hạng tuyến tính sáu bậc magnitudo và không đóng góp gì đáng kể. Trong thực tế K ≈ 1 − 3x. Một số phiên bản công thức đã công bố bị đảo dấu và sẽ cho K > 1. Trong trường hợp đó, công thức sai, không phải vật liệu.

Hệ số tương tự chuyển đổi góc. Độ dài cung trung tính được bảo toàn qua quá trình hồi spring, do đó Riθi = Rfθf, suy ra K = θf/θi. Một con số thực hiện cả hai công việc. Để đạt góc mục tiêu θf, cần gia công ở góc:

θi = θf / K

Các thông số cần nhập

Modulus. Hướng dẫn về thanh cái của Hiệp hội Phát triển Đồng đưa ra modulus đàn hồi từ 116 đến 130 kN/mm² cho đồng dẫn điện cao, và sử dụng 124 × 10³ N/mm² trong các ví dụ tính toán độ võng beam của họ. Khoảng biến đổi này không phải là sự cẩu thả. Đồng có tính chất đàn hồi vô hướng ở cấp tinh thể, và quá trình cán lạnh tạo ra cấu trúc kết hợp (texture), nên modulus theo mặt phẳng của một lá đồng cán thay đổi theo hướng khoảng 7% tùy thuộc vào mức độ biến dạng. Các phép đo của Bunge trên lá đồng cán lạnh cho thấy biến đổi góc ở mức xấp xỉ con số đó, với phương trục lá đồng là trục đối xứng.

Đối với phép tính spring, hậu quả thực tế là khiêm tốn. Tính lại ví dụ bên dưới ở 116 và 130 kN/mm² làm góc bù cần thiết thay đổi từ 0.85° xuống 0.75°, biên độ khoảng 12% trên một con số vốn đã nhỏ hơn một độ. Sử dụng 124 kN/mm² và để bảng bù trừ hấp thụ phần chênh lệch.

Độ bền. Hầu hết các ước tính sai ở đây. Phương trình yêu cầu giới hạn chảy, không phải độ bền kéo, và EN 13601 chỉ định các loại temper theo độ bền kéo. R220 bao gồm 220 đến 260 N/mm², R240 bao gồm 240 đến 300 N/mm², R290 bao gồm 290 đến 360 N/mm². Việc đưa bất kỳ số nào trong số này vào phương trình spring sẽ dự báo quá mức gấp hai lần trở lên.

Các trị số độ bền giãn mà các nhà sản xuất tôn công bố cho các loại cứng của Cu-ETP thường là: R220 với Rp0.2 giới hạn ở mức 140 N/mm², R240 ở mức tối thiểu 180 N/mm², R290 ở mức tối thiểu 250 N/mm². Các số liệu CDA cho đồng-profile thanh cái thấp hơn nữa ở mức mềm, từ 50 đến 55 N/mm² cho vật liệu tôi hoàn toàn và từ 170 đến 200 N/mm² cho loại bán cứng.

Trường hợp R220 cần được nhấn mạnh riêng. Quy chuẩn đặt ra một trần cho độ bền giãn, không phải đáy. Một thanh được tôi mềm đúng cách có thể nằm ở mức 55 N/mm² trong khi một thanh khác được bán cùng mức tiêu chuẩn lại ở mức gần 140. Đó là hệ số 2.5 về độ bật lò xo giữa hai lô hàng đều đạt chuẩn. Đây là nguyên nhân phổ biến nhất khiến bảng bù loại tâm đồng mềm hoạt động tốt quý trước bị dịch chuyển quý này, và không có số lần hiệu chuẩn máy nào có thể khắc phục được. Độ bền giãn đo được phải có trong chứng chỉ của nhà máy, hoặc mỗi cuộn phải được đo lường trên mẫu thử đầu tiên.

Một trường hợp cụ thể

Lấy ví dụ thanh Cu-ETP kích thước 80 × 10 mm ở độ cứng R240 bán cứng, uốn 90° trên mặt phẳng với bán kính đục 20 mm, tức R/t = 2.

x  = (Ri/t) × (σy/E) = 2 × (180 / 124 000) = 0.00290
K  = 4(0.00290)³ − 3(0.00290) + 1 = 0.9913
Rf = 20 / 0.9913 = 20.18 mm
θi = 90 / 0.9913 = 90.79°

Uốn đến 90.8° để đạt được 90°, và dự kiến bán kính mặt trong sẽ mở rộng từ 20 mm lên khoảng 20.18 mm. Thay đổi bán kính này tuy nhỏ nhưng không đáng bỏ qua: nó làm thay đổi chiều dài phát triển, nên chiều dài bù tính từ bán kính dụng cụ sẽ ngắn đi vài phần mười milimet trên một chi tiết có nhiều đường uốn.

Mức uốn bù điển hình theo độ cứng

Bảng dưới đây tính toán cùng một trường hợp với các tổ hợp độ cứng và R/t thường gặp trong công tác lắp tủ điện. Mức uốn bù là góc bổ sung cần đặt cho một đường uốn danh nghĩa 90°, tính với E = 124 kN/mm² và các trị số độ bền giãn lần lượt là 60, 180 và 250 N/mm² cho R220, R240 và R290.

Đây là các điểm khởi đầu cho mẫu thử đầu tiên, không phải thông số sản xuất. Bốn lưu ý áp dụng, và mỗi lưu ý đều lớn hơn độ chính xác thể hiện ở hai chữ số thập phân.

Cột R220 giả định thanh ở trạng thái mềm hoàn toàn với 60 N/mm². Tính lại với mức trần quy chuẩn 140 N/mm² sẽ làm chỉ số R/t = 2 tăng từ 0.26° lên 0.61°. Mua R220 mà không yêu cầu độ bền giãn sẽ phải chấp nhận toàn bộ phạm vi dao động này.

Mô hình này coi đồng là đàn hồi và dẻo lý tưởng. Đồng bị giari work-hardening qua đường uốn, nên vật liệu trong vùng dẻo sẽ kết thúc với độ bền cao hơn ban đầu và chứa nhiều biến dạng đàn hồi hơn mô hình cho phép. Dự báo này là mức đáy.

Mô hình giả định bán kính hình thành bằng bán kính dụng cụ. Điều này đúng với phương pháp ép sát và in nổi. Nó không đúng với phương pháp uốn bằng khí nén, và sự khác biệt đủ lớn để cần một mục riêng.

Thanh cái được cắt từ tấm phẳng (slit plate) thay vì cuộn hoặc kéo thành hình, có thể có bề mặt và các tính chất khác dọc theo chiều dài. Thanh loại này phải được coi là một vật liệu riêng biệt trong bảng bù trừ.

Tại sao uốn bằng khí nén (air bending) có hiện tượng springback cao hơn

Uốn bằng khí nén tạo hình thanh trên khuôn có khe hở, mà đầu dập không bao giờ chạm đáy. Thanh tiếp xúc với mũi dập và hai vai khuôn, không gì khác, nên bán kính tạo ra trong hành trình được quyết định bởi khe hở khuôn, không phải bởi mũi dập. Bán kính tạo hình đó thường gấp nhiều lần bán kính mũi dập, nghĩa là hiệu dụng R/t trong quá trình gấp gấp nhiều lần giá trị R/t dựa trên dụng cụ. Việc đẩy R/t từ 2 lên 8 trong bảng trên làm tăng góc bù cho đồng bán cứng từ 0.79° lên 3.25°. Đây là lời giải thích cho sự sai lệch giữa uốn bằng khí nén và tính toán lý thuyết.

Uốn chạm đáy (bottoming) đóng kín mũi dập vào khuôn để thanh bị ép buộc theo hình dạng dụng cụ. Bán kính tạo hình lúc này chính là bán kính mũi dập, mô hình toán học được áp dụng, và springback giảm xuống gần với giá trị trong bảng. Chi phí phải trả là lực: bottoming thường được trích dẫn ở mức gấp năm đến sáu lần tải trọng uốn bằng khí nén cho cùng một tiết diện.

Uốn dập bề mặt (coining) đẩy mũi dập vào vật liệu sao cho toàn bộ vùng uốn, bao gồm lõi đàn hồi, đều bị biến dạng quá giới hạn chảy. Khi không còn lõi đàn hồi, gần như không có gì để phục hồi và springback tiến gần bằng không. Tải trọng tăng cao hơn nhiều so với bottoming, và trên các tiết diện thanh cái có độ dày 10 đến 20 mm, tải này nhanh chóng vượt quá khả năng của máy để bàn.

Hầu hết các đầu uốn thanh cái CNC hoạt động gần với bottoming hơn là uốn khí nén tự do, bởi vì dụng cụ uốn thanh cái là các bộ ghép đôi khớp forms (matched sets) chứ không phải là khuôn V đa dụng. Do đó, springback của thanh cái thường nằm trong khoảng một đến ba độ thay vì năm đến mười lăm độ được trích dẫn cho kim loại tấm mỏng, và là lý do tại sao một bảng bù trừ được xây dựng tốt vẫn giữ được độ chính xác trong thời gian dài.

Ba cơ chế thường được quảng cáo là bù trừ springback

Tài liệu về máy liên tục nhầm lẫn chúng. Sự khác biệt nằm ở những gì chúng đo được và thời điểm đo.

Bảng bù trừ theo vật liệu, độ dày, độ cứng và dụng cụ

Đây là cơ sở. Bộ điều khiển giữ một bảng tra cứu được đánh chỉ số theo bốn biến số mà vật lý cho là quan trọng: hợp kim và độ cứng, độ dày, bộ dụng cụ và góc mục tiêu. Người vận hành, hoặc một chu trình dạy máy (teach cycle), uốn mẫu, đo lường, và bộ điều khiển lưu trữ sự khác biệt giữa góc yêu cầu và góc thực tế đạt được. Lần sau khi tổ hợp này được gọi, bộ điều khiển cộng thêm bù trừ đã lưu trữ trước khi di chuyển.

Đây là hệ thống vòng hở. Nó không có thông tin gì về thanh đang ở trước mặt, chỉ có thông tin về thanh ở lần trước. Hầu hết sản xuất chạy trên hệ thống này, vì trong một cuộn cùng độ cứng, sự biến đổi giữa các thanh là nhỏ. Nó thất bại khi vật liệu thay đổi bên dưới bảng, đây là vấn đề R220 được mô tả ở trên.

Kỷ luật then chốt là vệ sinh bảng. Một bù trừ lưu với "đồng 10 mm" là vô giá trị. Một bù trừ lưu với "Cu-ETP R240, 10 mm, dụng cụ R20, 90°, lô cuộn 4471" là một bản ghi kỹ thuật có thể sử dụng. Các máy đọc trực tiếp hình học từ tệp 3D hoặc 2D, như máy EMAC-BB-H12 làm, có thể đưa key này qua từ hệ thống thiết kế, loại bỏ bước nhập liệu thủ công nơi hầu hết lỗi trong bảng xảy ra.

Đo lường sản phẩm mẫu đầu tiên

Cầu nối giữa vòng kín và vòng hở. Phần đầu tiên của một lô hàng được uốn theo giá trị trên bảng, đo ngoài máy bằng thước góc hoặc máy đo tọa độ, và độ lệch được sửa trước khi lô hàng chạy. Phương pháp này rẻ, áp dụng được cho mọi trường hợp, và phát hiện được sự sai lệch do vật liệu gây ra mà một bảng tĩnh không thể.

Chi phí là một chi tiết và một chu kỳ đo lường cho mỗi lô hàng. Tự động hóa việc ghi chép thay vì đo lường là hiệu quả. Trong các lô ngắn với nhiều mã chi tiết, chu kỳ đó chiếm phần lớn thời gian, và đó là nơi đo lường trong quá trình sản xuất xứng đáng với chi phí.

Đo lường góc vòng kín trong quá trình đúc

Bộ điều khiển đo góc cánh khi thanh vẫn còn trong dụng cụ. Trên máy uốn phanh, việc này được thực hiện bằng quang học, với một đường laser chiếu lên cánh và được camera đọc; độ chính xác đã công bố cho các hệ thống này nằm trong khoảng 0,1° đến 0,15°. Chu trình là: tiếp cận mục tiêu dưới tải, giải phóng thanh ram đủ để giải phóng lực uốn, đo góc đã được giải phóng, tính toán độ phục hồi cho thanh cụ thể này, sau đó hạ xuống lần nữa vượt qua độ sâu ban đầu theo số đo đã tính.

Đây là vòng kín theo nghĩa chặt chẽ. Nó bù đắp cho sự biến đổi về độ dày, biến đổi về độ cứng và tác động của hướng lăn trên từng chi tiết riêng lẻ, không cần kiến thức trước. Đây cũng là lựa chọn đắt nhất, thêm một chu kỳ đo và quay lại cho mỗi lần uốn, và cần đường nhìn tới cánh, mà máy uốn thanh cái không phải lúc nào cũng để lại.

Đối với thanh cái, phương pháp thực tế là kết hợp bảng bù đắp duy trì cùng với xác minh sản phẩm mẫu đầu tiên có kỷ luật, và giữ đo lường trong quá trình sản xuất cho các công việc đa dạng hoặc cho các vật liệu có chứng chỉ không đáng tin.

Nơi thông số kỹ thuật máy phù hợp

Hai con số trên bảng thông số kỹ thuật của máy uốn liên quan đến độ phục hồi và chúng không giống nhau.

Độ lặp lại là mức độ máy tái tạo kết quả của chính nó. Đầu thuần servo EMAC-BB-S12 và anh em lai thủy lực của nó đều được chỉ định với độ chính xác uốn ±0,1° trên dung lượng 200 × 16 mm. Con số đó cho thấy vị trí thanh ram, encoder và độ cứng khung đủ nhất quán để cùng một lệnh tạo ra cùng một góc. Nó không nói gì về việc góc đó có phải là góc mong muốn hay không.

Bù đắp độ phục hồi thu hẹp khoảng cách giữa góc được chỉ định và góc mong muốn. Bù đắp độ phục hồi điện tử trên các đầu này là cơ chế bảng bù đắp: bộ điều khiển lưu trữ một giá trị sửa đổi cho mỗi kết hợp vật liệu và dụng cụ và áp dụng nó tự động. Hai con số này cùng nhau có ý nghĩa. Bù đắp đưa góc vào mục tiêu; độ lặp lại ±0,1° giữ nó ở đó cho phần còn lại của lô hàng.

Máy có độ lặp lại xuất sắc nhưng không có bù đắp sẽ tạo ra năm trăm chi tiết giống nhau nhưng sai. Máy có bù đắp nhưng độ lặp lại kém sẽ tập trung vào mục tiêu và phân tán xung quanh nó. Cả hai đều cần thiết. Khi so sánh máy, thuộc tính cụ thể được đề cập bởi "độ chính xác" được trích dẫn phải được làm rõ, vì các nhà cung cấp không nhất quán về điều này.

Xây dựng bảng bù đắp offsets ổn định

Một số thói quen tạo ra sự khác biệt giữa các bảng dùng được lâu dài và những bảng cần phải xây dựng lại hàng tháng.

Ghi nhận vật liệu dựa trên chứng chỉ nhà máy thay vì mô tả tồn kho. Chứng chỉ chứa thông số độ cứng và, nếu được yêu cầu, thông số cường độ chịu tải đã được đo lường. Hành vi uốn bám theo chứng chỉ.

Lưu một giá trị bù đắp offset cho mỗi góc uốn thay vì một giá trị cho mỗi công cụ. Độ co lùi springback tính bằng độ không phải là hằng số cho cùng một dụng cụ trên các góc uốn khác nhau, vì cung tròn mà độ phục hồi tích lũy trên đó thay đổi. Một bảng chứa giá trị 1.2° cho góc uốn 90° và áp dụng nó cho góc uốn 30° sẽ cho kết quả sai ở góc 30°.

Kiểm tra lại khi thay đổi cuộn vật liệu, khi thay đổi nhà cung cấp và khi mài lại dụng cụ. Một khuôn mài lại sẽ có bán kính mũi lớn hơn ban đầu, điều này làm tăng tỷ số R/t và tăng độ co lùi springback.

Giữ riêng các giá trị bù đắp offset cho uốn dọc trục edgewise và ngang trục flatwise. Các vùng dẻo-plastic khác nhau, các ràng buộc khác nhau và các con số không thể chuyển đổi, như bài viết uốn thanh cái dọc trục edgewise so với ngang trục flatwise đã trình bày.

Xem xét độ co lùi springback và bán kính uốn nhỏ nhất như một quyết định duy nhất. Độ cứng temper quyết định cả hai và quyết định chúng theo cùng một cách: độ cứng spring back ít nhất là độ cứng ít bị nứt nhất, đó là lý do tại sao nhiều vấn đề uốn được giải quyết bằng các vấn đề mua sapyrus. Mối quan hệ giữa độ cứng đồng temper và bán kính uốn nhỏ nhất thiết lập giới hạn dưới cho R/t; bài viết này thiết lập giá trị bù đắp cho bất kỳ giá trị R/t nào cuối cùng sử dụng. Cả hai đều đọc được từ cùng một dòng trên chứng chỉ nhà máy và đều nằm trong cùng một quyết định quy trình uốn thanh cái.