Инструмент для формовки листового металла: Английское колесо

Введение

Инструмент для обработки металла, предназначенный для гибки листового металла.

Английское колесо, в Великобритании также известное как колесная машина, — это инструмент для обработки металла, позволяющий мастеру придавать плоским листам металла, таким как алюминий или сталь, сложные криволинейные формы (двойной кривизны).

Описание

Процесс использования английского колеса известен как вилинг. Панели, изготовленные таким способом, дороги из-за высококвалифицированного и трудоемкого метода производства, но их ключевое преимущество заключается в гибкости производства различных панелей на одном и том же станке. Это формовочная машина, работающая за счет растяжения поверхности и по принципу действия схожая с выбивкой панелей. Она применяется там, где требуются небольшие партии сложных изогнутых панелей, например, в кузовостроении, реставрации автомобилей, гоночных автомобилях с трубчатым каркасом, соответствующих требованиям, предписывающим использование панелей из листового металла, имитирующих автомобили массового производства (NASCAR), при создании автомобильных прототипов и элементов обшивки самолетов. Производство панелей на английском колесе наиболее востребовано при мелкосерийном производстве спортивных автомобилей, особенно при использовании легко формуемых алюминиевых сплавов. Если требуется крупносерийное производство панелей, английское колесо заменяется штамповочным прессом, который требует значительно больших капиталовложений и более длительного времени разработки, чем использование английского колеса, однако каждая панель в серии может быть изготовлена за считанные секунды. Эти затраты компенсируются большим объемом производства, но штамповочный пресс ограничен производством только одной модели панели на комплект штампов. Представленная модель английского колеса приводится в действие вручную, но при работе с более толстым листовым металлом, например, при изготовлении корпусов судов, станок может быть оснащен приводом и иметь значительно большие размеры.

Строительство

Машина имеет форму большой закрытой буквы "С". На концах буквы "С" расположены два колеса. Колесо сверху называется катящимся колесом, а колесо снизу – колесом-наковальней. (В некоторых источниках колеса называют по их положению: верхнее и нижнее колеса.) Колесо-наковальня обычно имеет меньший радиус, чем катящееся колесо. Хотя существуют и более крупные машины, катящееся колесо обычно имеет ширину не более , а диаметр не более . Катящееся (верхнее) колесо плоское в поперечном сечении, а колесо-наковальня (нижнее) – выпуклое. Глубина С-образной рамы называется зевом. Самые большие машины имеют зев размером 120 см (48 дюймов), в то время как меньшие машины – около 60 см (24 дюйма). Буква "С" стоит вертикально и поддерживается рамой. Размер зева обычно определяет максимальный размер металлического листа, который оператор может поместить в машину и с которым удобно работать. На некоторых машинах оператор может поворачивать верхнее колесо и колесо-наковальню на 90 градусов к раме, чтобы увеличить максимальный размер заготовки. Поскольку машина работает за счет определенного давления между колесами через материал, и поскольку это давление меняется по мере утонения материала, нижняя губка и ложемент рамы, удерживающие колесо-наковальню, регулируются. Они могут перемещаться с помощью гидравлического домкрата на машинах, предназначенных для стальных листов, или винтового домкрата на машинах, предназначенных для листового металла. По мере утонения материала оператор должен регулировать давление для компенсации. Конструкция рамы – наиболее важный элемент этого простого устройства. В основном, колеса мало изменились с XIX века. Ранние английские машины (в отличие от американских версий), такие как Edwards, Kendrick, Brown, Boggs и Ranalah и т.д., имели чугунные рамы. Эти колеса, изготовленные в XIX веке, имели подшипники скольжения из баббита, что затрудняло продавливание металла через них при работе под высоким давлением. Позже, с появлением шарикоподшипников, машины стали более подходящими для твердых и толстых материалов, таких как сталь толщиной 1/8 дюйма. Несмотря на преимущества чугуна, его жесткость (модуль Юнга) менее чем вдвое ниже, чем у стали, и иногда его необходимо заменять сталью, когда требуется более жесткая рама. Стальные рамы из цельного листа, вырезанного плазмой, или рамы, собранные из вырезанных и сварных листов, – распространенные конструкции. Стальные трубы, как правило, квадратного сечения, используются для рам колесных машин в течение последних 30 лет, особенно в США, где формовка листового металла стала как хобби, так и бизнесом. Машины с трубчатыми рамами относительно недороги и доступны в виде комплектов для сборки или могут быть легко построены по чертежам. Самые жесткие трубчатые рамы имеют полностью треугольную внешнюю систему распорок. Они наиболее эффективны при работе с более тонкими или мягкими материалами, такими как сталь толщиной 20 га или алюминий толщиной 0,063 дюйма. Машины с чугунными рамами, как на фотографии, все еще доступны. Хорошо оснащенная машина имеет ассортимент колес-наковаленей. Колеса-наковальни, как и кулачки, используемые с молотками при выбивке (которые также известны как наковальни), должны соответствовать желаемой кроне или кривизне заготовки.

The machine is shaped like a large, closed letter "C". At the ends of the C, there are two wheels. The wheel on the top is called the rolling wheel, while the wheel on the bottom is called the anvil wheel. (Some references refer to the wheels by their position: upper wheel and lower wheel.) The anvil wheel usually has a smaller radius than the rolling wheel. Although larger machines exist, the rolling wheel is usually wide or less, and usually in diameter, or less. The rolling (top) wheel is flat in cross section, while the anvil (bottom) wheel is domed. The depth of the C shaped frame is called the throat. The largest machines have throat sizes of 120 cm (48 inches), while smaller machines have throat sizes of about 60 cm (24 inches). The C stands vertically and is supported by a frame. The throat size usually determines the largest size of metal sheet that the operator can place in the machine and work easily. On some machines, the operator can turn the top wheel and anvil 90 degrees to the frame to increase the maximum size of the work piece. Because the machine works by an amount of pressure between the wheels through the material, and because that pressure changes as the material becomes thinner, the lower jaw and cradle of the frame that holds the anvil roller is adjustable. It may move with a hydraulic jack on machines designed for steel plate, or a jackscrew on machines designed for sheet metals. As the material thins, the operator must adjust the pressure to compensate. Frame designs are the most significant element of this simple device. For the most part wheels have changed very little since the 19th century. The early English machines (as opposed to the American versions), such as Edwards, Kendrick, Brown, Boggs, and Ranalah, etc., had cast iron frames. These wheels, made during the 19th Century, had Babbitt metal plain bearings, making them difficult to push and pull the metal through when operated at high pressures. Later, when ball bearings came into use, the machines became more suitable for hard and thick material, such as 1/8” steel. Despite the advantages of cast iron, it has less than half the stiffness (Young's modulus) of steel and sometimes must be replaced by steel when a stiffer frame is needed. Steel frames made of solid flame cut plate, or frames built up of cut and welded plates, are common designs. Steel tubing, generally of square section, has been used for wheeling machine frames during the past 30 years, in the US particularly, where sheet metal shaping has become a hobby as well as a business. Tube framed machines are reasonably priced and are available as kit built machines or can be built easily from plans. The stiffest tubular frames have a fully triangulated external bracing truss. They are most effective on thinner or softer materials, such as 20 ga steel or .063" aluminum. Cast frame machines, like the one pictured, are still available. A properly equipped machine has an assortment of anvil wheels. Anvil wheels, like dollies used with hammers in panel beating (which are also known as anvils) should be used to match the desired crown or curvature of the work piece.

Операция

Оператор машины пропускает лист металла между наковальней и валком. Этот процесс растягивает материал и приводит к его утонению. По мере растяжения материала он образует выпуклую поверхность над наковальней. Эта поверхность известна как "корона". Высокая корона имеет выраженную кривизну, низкая корона – небольшую. Жесткость и прочность поверхности детали обеспечиваются участками с высокой короной. Радиус поверхности после обработки зависит от степени растяжения металла в середине детали относительно края. Если середина растягивается слишком сильно, оператор может восстановить форму, правкой края детали. Правка края оказывает тот же эффект в корректировке деформации, вызванной чрезмерным растяжением в середине, что и усадка непосредственно на перерастянутом участке с использованием термической усадки или усадки по типу Эккольд. Это происходит потому, что кромка фиксирует форму. Усадка края перед правкой способствует формированию формы в процессе правки и уменьшает степень растяжения и утонения, необходимые для достижения окончательной формы. Процессы усадки уменьшают площадь поверхности за счет увеличения толщины листового металла. Усадка вручную сложнее и медленнее, чем растяжка с помощью инструментов для выбивки или правки на валках, поэтому ее следует использовать только в крайних случаях. Алюминиевый лист следует отжигать перед правкой, так как прокатка на производстве делает его более твердым. Прочность и жесткость также обеспечиваются обработкой кромки, такой как отгибка или обводка, после придания правильного контура поверхности. Отгибка настолько важна для формы готовой поверхности, что некоторые панели можно изготовить путем усадки и растяжки только отгибки, без использования растяжки поверхности.

Корректировка

Давление в контактной области, которое изменяется в зависимости от радиуса сферической части на наковальне и усилия регулировочного винта, а также количество проходов колеса, определяет степень растяжения материала. Некоторые операторы предпочитают ножной регулятор, чтобы поддерживать постоянное давление при работе с листовым металлом разной толщины для выравнивания, оставляя обе руки свободными для манипулирования заготовкой. Этот тип регулятора также полезен для сглаживания переходов между участками с большим выпуском, которые тоньше, и участками с малым выпуском, которые растягиваются меньше. Недостатком ножного регулятора является то, что он может мешать работе с сильно выгнутыми по продольной оси панелями, такими как крылья (колесные арки) циклического типа, используемые на мотоциклах, спортивных автомобилях, выпущенных до Второй мировой войны, и современных автомобилях с открытыми колесами, таких как Lotus / Caterham 7. Для решения этой проблемы некоторые станки оснащены ручным регулятором, расположенным близко к наковальне (также известной как держатель колеса), чтобы такие панели могли свободно изгибаться под ним. Этот тип станка обычно имеет диагональную нижнюю раму в форме буквы С, изогнутую ниже к полу, с ручным регулятором, расположенным рядом с держателем наковальни, вместо горизонтального и длинного вертикального ручного регулятора, показанного на предыдущем рисунке. Третий тип регулятора перемещает верхнее колесо вверх и вниз, оставляя нижнюю наковальню неподвижной.

Формирование

На каждом этапе изготовления оператор должен постоянно сверяться с формой, которую необходимо воспроизвести. Это может включать использование бумажных шаблонов, шаблонов секций (изготовленных из бумаги или тонкого листового металла), опорных блоков, формовочных приспособлений, профильных щупов, профильных шаблонов и, конечно, оригинальной панели. Колесоотгибочные машины, оснащенные рычагом быстрого освобождения, позволяющим оператору опустить опорное колесо от верхнего колеса для быстрой смены заготовки без потери настройки давления, значительно экономят время на этом этапе. Оператору требуется кропотливое терпение, чтобы многократно проходить по участку листа, добиваясь правильной формы. Он может выполнять дополнительные проходы разными колесами и в разных направлениях (например, под углом 90 градусов для простой формы двойного изгиба), чтобы достичь желаемого результата. Использование правильного давления, соответствующей формы опорного колеса и точных, плотно прилегающих траекторий перекрывающихся проходов (или даже перекрывающихся при использовании опорных колес с небольшим выпуклостью) превращает работу на машине в настоящее искусство. Слишком большое давление приводит к образованию волнистой, деформированной и напряженной детали, а слишком малое – значительно увеличивает время работы. Локальная вытяжка на одном участке панели может привести к деформации смежных областей. Вытягивание или растяжение участка вызывает осадку соседних участков, а их исправление может повлиять на области, более удаленные от обрабатываемой панели. Это связано с тем, что напряжения в панели, возникающие при растяжении, влияют на ее форму в большей степени, чем можно предположить. Это означает, что оператор должен работать на большой площади панели, устраняя эти побочные эффекты, одновременно вызывая новые, которые также необходимо исправить. Ключ к получению правильной формы – обеспечить правильное количество растянутого металла на этой большей площади. Если это достигнуто, можно "перемещать" металл с минимальным дополнительным растяжением, заполняя углубления металлом из выпуклых участков. Это сглаживание напоминает правку с умеренной настройкой давления, но все же более интенсивно, чем при правке. Это трудоемкий и кропотливый итеративный процесс, являющийся одним из самых сложных и требующих мастерства этапов вытяжки. По мере увеличения размера панели/секции объем работы и уровень сложности возрастают непропорционально. Именно поэтому очень большие панели сложно изготавливать целиком, и их делают из секций. Панели/секции с высокой выпуклостью могут потребовать отжига из-за упрочнения металла, которое делает его хрупким, труднообрабатываемым и склонным к разрушению. После достижения правильной основной формы с правильным количеством металла в нужных местах, мастер должен сгладить переходы между краями участков с высокой и низкой выпуклостью, чтобы контур поверхности плавно переходил от одного к другому. После этого заключительный этап вытяжки включает в себя очень легкое давление для правки поверхности, чтобы придать ей гладкую, цельную форму. На этом этапе металл не растягивается, а уже растянутый металл перемещается, поэтому важно использовать минимальное давление на опорное колесо и максимально широкое опорное колесо, которое позволяет форма панели. Как правило, небольшие панели с высокой выпуклостью (например, ремонтные секции) или большие панели с низкой выпуклостью (например, крыши) изготавливаются в один кусок. Для поддержки веса больших панелей с низкой выпуклостью требуются два квалифицированных мастера.

At every fabrication stage, the operator must constantly reference the shape that they want to reproduce. This may involve the use of template paper, section templates (made using paper or thin sheet metal), station bucks, formers, profile gauges, profile templates and of course an original panel. Wheeling machines that feature a quick release lever, which enables the operator to drop the anvil wheel away from the upper wheel so the work piece can be removed and inserted quickly without losing the pressure setting, are great time savers during this part of the process. The operator must have painstaking patience to make many passes over an area on the sheet to form the area correctly. They may make additional passes with different wheels and in different directions (at 90 degrees for a simple double curvature shape, for example) to achieve the desired shape. Using the correct pressure and appropriate anvil wheel shape, and accurate close patterns of overlapping wheeling passes (or actually overlapping with low crown anvils) makes using the machine something of an art. Too much pressure produces a part that is undulating, marred, and stressed—while too little pressure makes the job take a long time. Localised wheeling on one part of the panel is likely to cause mis shaping in adjacent areas. Raising or stretching an area causes adjacent areas to sink, and correcting that may affect areas further away from the original panel working. This is because the tensions in the panel caused by stretching affect the panel shape further away than might be imagined. This means the operator must work over a large area of the panel, fixing these side effects while causing more side effects that must also be fixed. Key to producing the right shape is to have the right amount of stretched metal surface over this wider area. If this is achieved, it is possible to "move" the metal with minimal extra stretching, filling the low spots with metal from the high spots. This smoothing is almost like planishing using a moderate pressure setting, but is still heavier than that used for planishing. It is a time consuming and fiddly iterative process, that is one of the most difficult and skillful parts of wheeling. As the size of the panel/section increases, the work involved and the level of difficulty increases disproportionately. This is also a reason that very large panels can be very difficult to do and are made in sections. High crown panels/sections may need to be annealed due to work hardening of the metal, which makes it brittle unworkable and liable to fracture. After achieving the correct basic shape with the correct amount of metal in the right places, the worker must blend the edges of high crown areas with low crown areas, so that the surface contour transitions from one to the other smoothly. After this, the final wheeling stage involves very light pressure wheeling to planish the surface to make it a smooth, cohesive shape. This stage does not stretch the metal but moves the already stretched metal around, so using the minimum anvil pressure and as wide an anvil as is possible with the panel shape, is essential. Typically, only small high crown panels, (such as repair sections) or large low crown panels (such as roofs), are made in one piece. Large low crown panels need two skilled craftsmen to support the weight of the panel.

Завершение

После достижения правильного контура поверхности, финальным этапом изготовления панели является обработка кромки, такая как отгибка (для листового металла) или окантовка проволокой. Это завершает и укрепляет край. Обычно, в отгибе содержится избыток или недостаток металла, что деформирует панель после отгиба – поэтому его необходимо растянуть или ужать для восстановления формы поверхности. Это проще всего сделать методом вытяжки и усадки по Эколду, но также возможно использовать горячую или холодную усадку, забивая и проковывая металл в себя, или применяя молоток и подставку для холодной усадки. Для растяжки или усадки отгиба требуется молоток и подставка с соответствующим профилем. Молот и подставка должны соответствовать желаемой форме отгиба в точке контакта через отгиб (известно как "звон" подставки) с молотком. Значительная вытяжка или усадка упрочняет металл отгиба и может привести к трещинам и разрывам. Хотя их можно сварить, гораздо лучше отжечь металл до этого, чтобы восстановить его пластичность. Английское колесо – более эффективный инструмент для квалифицированного мастера при работе с небольшим выпуском, чем ручная ковка. Ручная выгладка с использованием подставок и шаберов или выглаживающий молоток после формовки молотком – очень трудоемкий процесс. Использование грушевидного бойка и мешка с песком для растяжки листового металла (осадки), или вытяжка на оправке, ускоряет изготовление участков с большим выпуском. (Оправка – это подставка, которая может быть значительно больше ручных подставок, обычно с коническим квадратным сечением и литой основой. Это позволяет закреплять ее в тисках или соответствующем гнезде в наковальне с клювом, используемой кузнецами и ковалями.) Пневматический или силовой молоток еще быстрее. Английское колесо очень эффективно при выглаживании (для чего оно изначально было запатентовано в Англии), обеспечивая гладкую финишную обработку после этих операций.