Especificar planitud, rectitud y alabeo después del procesado

Un plano que dice «la barra debe quedar plana» no ha especificado nada. La palabra se usa de forma laxa para cubrir tres características geométricamente distintas, con causas distintas, métodos de medición distintos y valores alcanzables distintos. Las discusiones en la inspección de recepción suelen ser discusiones sobre cuál de las tres se quería decir.

La planitud es una propiedad de una superficie: todos sus puntos deben quedar entre dos planos paralelos separados por el valor de la tolerancia. No dice nada sobre la dirección del error.

La rectitud es una propiedad de una línea, de un canto o del eje de la barra. En barra rectangular se desdobla en dos. La flecha (bow) es la curvatura en el sentido del espesor, de modo que la barra bascula al apoyarla sobre su cara. La comba (camber) es la curvatura en el sentido del ancho, de modo que la barra parece un plátano al apoyarla en plano. Una barra puede tener mucha de una y nada de la otra.

El alabeo (twist) es el giro de la sección alrededor del eje longitudinal, de forma que los dos extremos no quedan en el mismo plano. Es el único de los tres que no se ve apoyando la barra en una mesa y mirando a lo largo, y es el que más veces se descubre en el montaje.

Ninguno de ellos significa nada sin una longitud de referencia. «Comba 2 mm» no le dice nada. «Comba de 2 mm como máximo en cualquier tramo de 1000 mm» sí es una especificación.

Lo que ya le dio el laminador

Antes de culpar a su propio proceso, mire con qué llega el material. ASTM B187/B187M, la especificación que cubre barra colectora, redondo y perfiles de cobre, fija la rectitud en su tabla 10 como flecha máxima del arco medida sobre una parte declarada de la longitud:

• Barra en general: 1/4 in [6 mm] en 60 in [1500 mm]
• Barra rectangular semidura, de 3 a 15 mm de espesor y de 50 a 150 mm de ancho: 1/8 in [3 mm] en 96 in [2400 mm]
• Redondo: 1/2 in [13 mm] en 120 in [3000 mm]
• Perfiles: 1/2 in [13 mm] en 72 in [1800 mm]

El método importa tanto como el valor. La norma indica colocar la barra sobre una mesa nivelada de forma que la desviación de rectitud quede en horizontal, y medir la flecha máxima del arco con regla metálica y regla de filo recto con aproximación de 1/32 in [0.8 mm]. Medir en horizontal saca la gravedad del resultado. Un tramo de 3 m de cobre de 100 × 10 mm pesa 27 kg y flectará varios milímetros por su propio peso si se apoya por los extremos y se mide en vertical, y esa flecha no es una propiedad de la barra.

Tres milímetros de comba en 2.4 m tal como se suministra es bastante más de lo que la mayoría de los montadores espera. Si su tolerancia de pieza acabada es más estrecha que su tolerancia de recepción, el proceso tiene que eliminar error en lugar de conservarlo, y eso hay que diseñarlo.

Cómo produce el punzonado flecha y comba

El punzonado no retira material de forma neutra. Deja un campo de tensiones residuales alrededor de cada agujero, y la suma de esos campos mueve la barra.

Actúan dos mecanismos. Alrededor del propio agujero, el material es arrastrado hacia dentro y hacia abajo al entrar el punzón, lo que deja la zona del lado de entrada en compresión, y el material es empujado hacia fuera por la cara de salida durante la fractura, lo que deja esa zona en tracción. Cuando domina el término de tracción, la barra flecta. Esto es local: una zona muy punzonada flectará mientras que una zona sin punzonar de la misma barra sigue plana, y por eso la flecha aparece muchas veces como un quiebro y no como un arco suave.

El segundo mecanismo es la propia carrera. Al bajar el punzón, la barra flexa hacia la abertura de la matriz. La cara superior entra en compresión y la inferior en tracción, y la componente plástica de eso no se recupera.

Cuatro cosas lo empeoran, y las cuatro son controlables. La densidad de agujeros fija la tensión acumulada y viene del plano. El espesor aumenta el redondeo del borde de entrada y la fuerza, y la fuerza es lo que deforma el material circundante. El estado de la herramienta es lo que más importa en la práctica: un punzón sin filo necesita bastante más fuerza que uno afilado y produce más redondeo, que es la explicación habitual de que una barra empiece de pronto a salir de la máquina flectada cuando antes nunca lo hacía. Y la holgura: si es estrecha, sube la fuerza y sube la flecha. Esa última es la misma variable que gobierna la vida de la herramienta, y se trata en la holgura entre punzón y matriz para barra de cobre y aluminio.

La comba, a diferencia de la flecha, viene de la asimetría en el sentido del ancho. Un patrón de agujeros que discurre por un canto de una barra ancha deja la zona tensionada fuera del eje neutro y la barra se curva en planta. Los patrones simétricos respecto de la línea central lo evitan en buena medida, que es uno de los argumentos menos ruidosos a favor de las posiciones normalizadas de agujero de DIN 43673-1.

Dos contramedidas más allá de la herramienta afilada y la holgura correcta. Controle la presión del pisador: mantiene la barra plana durante el corte, pero en cobre blando una presión excesiva flectará la barra por sí sola, y aflojarla es a veces la solución. Y secuencie los agujeros para repartir el trabajo en lugar de terminar un extremo antes de empezar el otro, cosa que el CNC hará por usted si el anidado está configurado para ello.

Cómo produce el cizallado alabeo

Una cizalla de guillotina no corta todo el ancho a la vez. La cuchilla superior va inclinada de modo que el corte avanza de un lado al otro, que es lo que mantiene la fuerza en valores manejables. Ese avance aplica un par al recorte, y el recorte gira.

El ángulo de inclinación de la cuchilla es la variable dominante. Una inclinación mayor reduce la fuerza de corte y aumenta el alabeo; una menor hace lo contrario. Donde la inclinación es ajustable, el ajuste correcto es el ángulo más pequeño con el que aún se haga el corte, y usar el mismo ángulo para barra de 6 mm y de 16 mm garantiza alabeo excesivo en la delgada.

La relación de esbeltez decide si el alabeo se ve. Los fabricantes de cizallas citan habitualmente un ancho mínimo de 10 a 15 veces el espesor del material para que una tira cortada quede plana. La barra colectora cortada a medida es ancha respecto a su espesor, así que el alabeo aparece como un pequeño giro en el extremo cizallado y no como un sacacorchos. En barra estrecha de 20 × 10 mm la relación es 2

y el alabeo es real.

Otros dos defectos de cizalla producen distorsión en lugar de alabeo. Una separación entre cuchillas demasiado abierta deja que el material se enrolle y se doble sobre la cuchilla inferior antes de fracturar, lo que da una rebaba grande y una pieza flectada. Las cuchillas sin filo aplastan antes de cortar, meten tensión en la pieza y la flectan hacia abajo tras la separación. Ambos se diagnostican igual, mirando la cara de corte en busca de redondeo excesivo y de una banda bruñida corta. La visión general del proceso de cizallado cubre la geometría.

Cómo distorsiona el doblado

El doblado es deformación intencionada. La parte no intencionada es lo que hace alrededor del doblez.

En un doblado de plano, la fibra exterior se estira y la interior se comprime y, como las dos no son iguales, el ala adquiere una ligera comba y la sección queda algo hueca a lo ancho cerca del doblez. La recuperación elástica lo agrava: la barra se relaja después de retirarse el punzón, y una recuperación elástica sin compensar deja el ángulo incluido equivocado y el ala fuera de posición.

El fallo concreto que hay que vigilar es un agujero próximo a la tangente del doblez. El material que rodea el agujero es arrastrado hacia el doblez, el agujero se ovaliza y su posición se desplaza. Mantenga los agujeros de paso al menos a dos espesores de la tangente y, donde el plano obligue a acercarlos más, punzone después de doblar y no antes.

Medirlo correctamente

Apoye la barra en tres puntos sobre una referencia plana —un mármol de granito o una mesa de máquina verificada con regla de filo recto— en lugar de en toda su longitud sobre una superficie desconocida.

Para la planitud de una cara, cruce una regla de filo recto sobre la superficie en varias orientaciones y lea la separación con galgas de espesores, o barra la superficie con un comparador sobre soporte de altura. Registre la peor lectura y la longitud sobre la que se tomó.

Para la flecha y la comba, use el método de ASTM B187: barra sobre mesa nivelada con la desviación de rectitud en horizontal, regla de filo recto a lo largo del canto en estudio y flecha máxima del arco leída con galgas de espesores. Deje constancia de cuál de las dos direcciones midió. Informar de «flecha» cuando lo que se midió fue comba es el error de inspección más frecuente en barra colectora.

Para el alabeo, sujete un extremo en plano sobre el mármol y mida la separación bajo cada una de las dos esquinas del extremo libre. El alabeo es la diferencia entre esas dos separaciones dividida por el ancho de la barra, y se declara como ángulo o como milímetros por metro. Indique la longitud: 0.5 mm de alabeo en 300 mm y 0.5 mm en 3000 mm no son comparables.

Cuando alguno de estos parámetros sea un ensayo de aceptación, la longitud de referencia y la condición de apoyo forman parte de la especificación tanto como la cifra.

Qué es realista alcanzar

Las cifras siguientes son valores indicativos de planificación y no garantías, y suponen herramienta afilada y en buen estado. Las especificaciones de máquina que se citan son valores publicados.

La precisión angular en doblado es una especificación aparte y no debe confundirse con la planitud. Una dobladora servo que mantiene ±0.1° en el ángulo de doblado no dice nada sobre si el ala queda plana, y ambas cosas tienen que estar en el plano si ambas importan.

Dónde muerde la acumulación de tolerancias

Tome un tendido trifásico apilado: cuatro barras de cobre de 100 × 10 mm sobre soportes aislantes, 2 m entre uniones, atornilladas en cada extremo al tramo contiguo.

Cada barra lleva algo de comba, y la dirección es aleatoria de una barra a otra. En el límite de ASTM son unos 2.5 mm en 2 m. Dos barras cuyas combas se oponen dejan varios milímetros de separación en la cara de unión. Los tornillos la cerrarán, porque el cobre cede y un tornillo M12 no tiene ninguna dificultad para doblar una barra de 10 mm. Lo que ha pasado es que la unión soporta ahora un apriete previo de flexión, la presión de contacto sobre la cara ya no es uniforme y el área efectiva de contacto es menor que el área dibujada.

Eso es un problema de calentamiento, no una cuestión estética. La resistencia de la unión la fija el área real de contacto y, bajo IEC 61439, los límites son 105 K de calentamiento para barra de cobre desnuda y 70 K en los bornes previstos para la conexión de conductores externos. Una unión atornillada a través de una flecha empieza su vida con menos área de contacto de la que supuso el diseño y pierde más a medida que cicla térmicamente. Si el diseño ya está cerca de su límite de capacidad de corriente en la unión, ese margen no estaba para gastarlo.

La posición de los agujeros se suma encima. Una barra combada lleva su patrón de agujeros sobre una curva, así que incluso un patrón perfectamente punzonado queda desplazado respecto a una barra recta que case con ella. Los tornillos entran, porque los agujeros de paso son generosos. La unión queda pretensionada igualmente. La tolerancia de espesor se acumula en la tercera dirección: cuatro barras por fase en un paquete laminado, cada una en el extremo bajo de tolerancia, cambia la altura total del paquete y, por tanto, la longitud de los tornillos de apriete y la altura de los separadores. Haga esa aritmética una vez por configuración estándar en lugar de hacerla en obra.

Cuándo está justificado enderezar

Enderece cuando la flecha o el alabeo residuales superen lo que el conjunto puede absorber sin pretensionar una unión, o cuando la planitud de la cara de unión esté fuera de especificación. No para que las barras se vean mejor en el bastidor.

El orden de las operaciones es lo que más se equivoca. Aplane el material antes de punzonar. Aplanar una barra ya punzonada redistribuye la tensión alrededor de agujeros que ya existen, puede distorsionar los agujeros cercanos al canto de la barra y, en material de temple duro, puede dejar un nuevo campo de tensiones residuales que reaparece tras el siguiente ciclo térmico. El aplanado por rodillos redistribuye la tensión; no la borra.

Eso convierte el enderezado en el último recurso dentro de una ruta de proceso sensata. Empiece con material aplanado, mantenga la herramienta de punzonado afilada y con la holgura correcta en la punzonadora y cizalla, secuencie el patrón de agujeros para repartir el trabajo, baje el ángulo de inclinación de la cuchilla en la cizalla donde la máquina lo permita y compense la recuperación elástica en la estación de doblado para que el ala caiga donde dice el plano. Las barras producidas así rara vez necesitan enderezado.

Donde haga falta, especifíquelo como un paso de proceso con su propia medición de aceptación en lugar de dejarlo a un mazo sobre el banco de montaje, que es donde ocurre buena parte del enderezado actual y donde no se registra nada de él.