Xoắn thanh cái: hình học, giới hạn và bộ kẹp

Một mối xoắn quay thanh quanh chính trục dọc của nó mà không đổi hướng thanh đi. Đây là nguyên công bạn dùng khi tuyến đi đúng hướng nhưng mặt rộng lại nằm sai mặt phẳng: một thanh đứng cấp cho máy cắt có đầu cốt nằm ngang, một chồng các pha phải xòe ra theo những hướng đầu nối khác nhau, một nhánh đi xuống vào một khí cụ được lắp lệch 90° so với khoang thanh cái.

Phần lớn các xưởng làm việc này theo quy tắc kinh nghiệm, mà các quy tắc kinh nghiệm đang lưu hành thì chênh nhau tới ba lần. Chúng chênh nhau vì một lý do, và lý do đó tính ra được.

Chiều dài đoạn xoắn theo bề rộng

Hướng dẫn đã công bố về chiều dài thanh cần dành cho một mối xoắn 90° trải trên một dải rộng. Thực hành lắp đặt tủ đóng cắt đặt chiều dài đoạn xoắn ở mức tối thiểu gấp hai lần bề rộng thanh. Các hãng chế tạo máy thường nêu 2.5 lần bề rộng làm sàn, với một ví dụ đã công bố cho chiều dài đoạn xoắn 50 mm trên thanh rộng 20 mm. Các hướng dẫn gia công khác nêu 2.5 đến 5 lần bề rộng. Thực hành làm tay trên ê tô bàn, ở đầu thấp của dải, nêu 1.5 đến 2 lần bề rộng, nhưng gắn kèm giới hạn chiều dày 6 mm và bề rộng 60 mm cho con số đó.

Những con số đó hòa giải được với nhau khi bạn nhìn vào biến dạng. Góc của tiết diện nằm cách trục xoắn khoảng nửa bề rộng thanh. Quay nó đi một góc θ trên chiều dài L áp vào một biến dạng trượt bề mặt bằng:

γ = (w/2) · θ / L

mà với một mối xoắn 90° thì rút về γ = π·w / (4L). Quy đổi sang biến dạng đơn trục tương đương để so với dữ liệu độ giãn dài, ε ≈ γ/√3:

Công thức bỏ qua chiều dày, và điều đó chính đáng với tỷ lệ hình học của thanh cái: trên thanh 100 × 10 mm thì bán kính thật tới góc là 50.25 mm so với 50 mm mà công thức giả định.

Đến đây thì các hướng dẫn kia trở nên có lý. Ở 2.5 × bề rộng, góc thanh chịu khoảng 18% biến dạng tương đương, mức mà đồng mềm và đồng nửa cứng hấp thụ không khó khăn gì. Ở 1.5 × bề rộng, nó chịu 30%, mức chỉ sống sót được trên thanh mỏng, hẹp và mềm, đúng bằng dải điều kiện mà quy tắc ê tô bàn tự gắn kèm cho mình. Ở 5 × bề rộng, góc thanh chịu 9%, mức thoải mái ngay cả với cấp độ cứng cao.

Một quy tắc làm việc: 2.5 × bề rộng cho R220 và R240, 4 × bề rộng cho R290, và không bao giờ dưới 2 × bề rộng dù ở cấp độ cứng nào. Hãy xác nhận trên một chi tiết mẫu đầu tiên, bởi các con số độ giãn dài trong EN 13601 là giá trị nhỏ nhất và vật liệu giao về thường vượt chúng.

Hãy để ý chiều của quan hệ, vì nó ngược với uốn: đoạn xoắn càng dài thì biến dạng càng nhẹ. Chiều dài đoạn xoắn là một khoản dự trù khi thiết kế chứ không phải một thiết lập trên máy, nên nếu tuyến đi không có đoạn thẳng nào để nhường ra thì mối xoắn hoàn toàn không khả dụng.

Mô men, và vì sao xoắn thắng uốn cạnh

Mô men xoắn dẻo cần để xoắn một tiết diện chữ nhật xấp xỉ τy·(w·t²/2 − t³/6), bị chi phối bởi t² và chỉ tăng tuyến tính theo bề rộng. Mô men dẻo cần để uốn cạnh cùng tiết diện đó là σy·t·w²/4, tăng theo bình phương bề rộng.

Lấy đồng nửa cứng ở giới hạn chảy quy ước 180 N/mm²:

Tỷ số này bám sát 0.87·w/t trên suốt cả dải. Mỗi milimét bề rộng tăng thêm làm mối uốn cạnh khó lên một cách không cân xứng trong khi chỉ làm mối xoắn khó lên theo tỷ lệ, và những tiết diện rộng mà mỏng, nơi uốn cạnh tệ nhất, lại đúng là nơi lợi thế lớn nhất.

Đó là lập luận định lượng cho phương án xoắn-rồi-uốn-phẳng được bàn trong bài uốn cạnh so với uốn phẳng thanh cái. Xoắn thanh 90°, rồi thực hiện việc đổi hướng bằng một mối uốn phẳng thông thường, nơi chiều dày chứ không phải bề rộng chi phối biến dạng. Hai nguyên công dễ thay cho một nguyên công khó.

Vênh, mỏng cạnh, và điều xảy ra với tiết diện

Một trục tròn chịu xoắn vẫn giữ tiết diện ngang phẳng. Một trục chữ nhật thì không. Dưới lý thuyết xoắn Saint-Venant, các điểm trên tiết diện chữ nhật dịch chuyển theo phương dọc trục thành một dạng yên ngựa, với chuyển vị lớn nhất ở các góc. Đó là biến dạng vênh tiết diện, và nó không tránh được trên tiết diện không tròn.

Từ đó có hai hệ quả thực tế.

Vùng bị xoắn không đồng nhất về kích thước với thanh gốc. Tiết diện lõm nhẹ, các góc chạy trước hoặc chạy sau so với giữa mặt, và chiều dày đo được ở mép của vùng xoắn ra hơi dưới mức danh nghĩa. Trên tỷ lệ hình học thanh cái thông thường, mức giảm đó nhỏ, cỡ vài phần trăm, nhưng nó là một chỗ tăng điện trở cục bộ và do đó là một ứng viên điểm nóng. Hãy đối chiếu nó với biên độ tăng nhiệt của bạn; công cụ tính khả năng tải dòng của thanh cái cho biết tuyến thanh còn bao nhiêu khoảng dư trước khi mức giảm ấy trở nên đáng kể.

Vênh cũng bị cản tại các kẹp, bởi mặt kẹp giữ tiết diện phẳng trong khi vật liệu ở giữa hai kẹp lại muốn vênh. Vênh bị cản sinh ra ứng suất dọc trục tập trung ở mép kẹp, và đó là lý do vết nứt khi xoắn gần như luôn khởi phát ở đường kẹp chứ không phải ở giữa đoạn xoắn. Nếu các mối xoắn của bạn nứt tại kẹp, câu trả lời là chiều dài tự do dài hơn hoặc má kẹp mềm hơn, không phải nhiều mô men hơn.

Vùng bị xoắn cũng đã hóa bền biến dạng. Đừng đặt một mối uốn bên trong một đoạn xoắn hay ngay sát nó. Vật liệu ở đó đã tiêu một phần lớn độ dẻo sẵn có của nó và sẽ nứt ở một bán kính mà thanh gốc vẫn chịu được. Hãy chừa ra đoạn thanh thẳng sạch giữa hai nguyên công.

Đàn hồi ngược xoắn

Các mối xoắn có đàn hồi ngược, và chúng đàn hồi ngược nhiều hơn hẳn các mối uốn.

Phần hồi phục đàn hồi khi nhả tải là Δθ = T·L/(G·J), trong đó T là mô men xoắn đã đặt, L là chiều dài đoạn xoắn, G là mô đun trượt và J là hằng số xoắn của tiết diện. Mô đun trượt của đồng suy ra từ mô đun đàn hồi của nó, vào khoảng 46 kN/mm². Chạy phép tính cho thanh nửa cứng 100 × 10 mm xoắn 90° trên chiều dài tự do 250 mm cho ra lượng hồi phục đàn hồi khoảng 5°. Cũng thanh đó xoắn trên 400 mm thì hồi phục khoảng 8°. Thanh 160 × 10 mm trên 400 mm hồi phục khoảng 7.6°.

Đây là những ước lượng bậc một từ việc nhả tải đàn hồi của một tiết diện đã dẻo hoàn toàn. Hãy kiểm chứng chúng trên một chi tiết mẫu đầu tiên chứ đừng lập trình thẳng từ trang giấy này. Điều chúng xác lập một cách đáng tin là bậc độ lớn: hồi phục xoắn lên tới vài độ, lớn hơn một bậc độ lớn so với đàn hồi ngược của một mối uốn phẳng trên cùng thanh đó.

Cũng lưu ý rằng lượng hồi phục tăng theo chiều dài đoạn xoắn trong khi biến dạng lại giảm theo nó. Kéo dài đoạn xoắn ra để bảo vệ các góc thanh sẽ làm lượng bù góc lớn hơn. Không có chiều dài nào tối ưu được cả hai, nên hãy chọn chiều dài theo yêu cầu về biến dạng và để bảng bù lo phần góc. Cùng kỷ luật bảng bù đã mô tả cho bù đàn hồi ngược được áp dụng ở đây, tra theo vật liệu, cấp độ cứng, tiết diện và chiều dài tự do, với các mục xoắn giữ hoàn toàn tách khỏi các mục uốn.

Kẹp và bộ đồ gá

Một đầu xoắn là hai cái kẹp: một cố định, một quay. Khoảng tự do giữa chúng chính là chiều dài đoạn xoắn, nghĩa là chiều dài đoạn xoắn do vị trí kẹp quyết định và trên không phải máy nào cũng điều chỉnh liên tục được. Hãy kiểm tra bước điều chỉnh trước khi chốt một thiết kế theo một khoản dự trù cụ thể.

Mặt kẹp không được để lại vết trên thanh. Đồng thì mềm, mà áp lực kẹp cần để chống trượt dưới mô men xoắn đầy tải lại cao. Má kẹp bằng đồng thau, nhôm hoặc polyme cứng là chuyện bình thường. Hàm kẹp thép có mặt khía răng sẽ dập hằn lên thanh, và vết hằn đó trở thành điểm khởi phát nứt dưới biến dạng xoắn.

Một trong hai kẹp phải được tự do dịch dọc trục. Thanh ngắn lại một chút theo trục của nó khi bị xoắn. Giữ cứng cả hai đầu là bạn chồng thêm ứng suất kéo dọc trục lên biến dạng trượt xoắn, phần này cộng thẳng vào biến dạng ở góc thanh và gây nứt mép ở những mức biến dạng mà chỉ riêng mối xoắn thì thanh đã vượt qua được. Một kẹp thả nổi, hoặc một độ mềm dọc trục nhỏ có chủ ý, sẽ loại bỏ vấn đề.

Tiết diện cũng phải được giữ vuông góc tại cả hai kẹp. Trượt quay làm ngắn chiều dài tự do hữu hiệu, khiến biến dạng vượt lên trên mức bạn đã tính, và nó làm sai góc thành phẩm.

Dải năng lực xoắn được công bố trên máy uốn thanh cái thường nằm quanh chiều dày 5 đến 10 mm và bề rộng 15 đến 100 mm, hẹp hơn thấy rõ so với định mức uốn phẳng của cùng cỗ máy đó. Xoắn là một năng lực được liệt kê trên cả EMAC-BB-H12 lẫn SMART-603CNC-S, chạy trên cùng bộ điều khiển và cùng chương trình chi tiết như các nguyên công uốn, nên một chi tiết vừa có mối xoắn vừa có hai mối uốn là một lần gá chứ không phải ba. Con số ±0.1° nêu cho các đầu EMAC-BB là đặc tả độ chính xác uốn; độ lặp lại khi xoắn trên bất kỳ máy nào cũng phụ thuộc nhiều vào lực bám của kẹp và nên được xác định đặc trưng trên chính vật liệu của bạn chứ đừng suy ra từ con số của mối uốn.

Mối xoắn nằm ở đâu trong quy trình

Hãy đột và cắt trước khi xoắn, đừng làm sau. Một thanh đã xoắn sẽ không nằm phẳng trên bàn đột và không định vị đáng tin cậy được vào cữ chặn sau.

Hãy xếp mối xoắn trước mối uốn ở những chỗ hình học cho phép, bởi một tiết diện đã xoắn khó kẹp vuông trong khuôn uốn hơn một tiết diện thẳng.

Hãy giữ cho vùng xoắn hoàn toàn không có lỗ. Một cái lỗ nằm trong vùng có ứng suất trượt xoắn cao là một chỗ tập trung ứng suất đặt vào vị trí tệ nhất có thể, và vật liệu quanh nó sẽ rách trước khi mối xoắn hoàn tất.

Hãy dự trù chiều dài đoạn xoắn theo biến dạng ngay từ khâu bản vẽ. Nhét thêm một mối xoắn vào một tuyến đã được ghi kích thước mà không tính tới nó chính là lý do thường gặp khiến một xưởng cuối cùng phải thử làm ở mức 1.5 lần bề rộng rồi bỏ thanh đi. Cả xoắn lẫn uốn đều là những nguyên công ăn chiều dài, và chiều dài khai triển phải gánh được cả hai. Mô tả đầy đủ về nguyên công nằm ở mục xoắn.