Especificar planitud, rectitud y alabeo después del procesado

Un plano que especifica "barra a plana" no define nada. La palabra cubre tres características geométricamente distintas con diferentes causas, métodos de medición y valores alcanzables. Las disputas en la inspección de recepción suelen derivar de la ambigüedad sobre qué característica se pretendía.

Planitud es una propiedad de una superficie: cada punto debe situarse entre dos planos paralelos separados por el valor de tolerancia. No define la dirección del error.

Rectitud es una propiedad de una línea, un borde o el eje de la barra. En pletinas rectangulares se subdivide en dos. Combado (bow) es la curvatura en la dirección del espesor, que hace que la barra oscilgue cuando se apoya por su cara. Alabeado (camber) es la curvatura en la dirección del ancho, que hace que la barra se vea en forma de plátano cuando se apoya plana. Una barra puede mostrar un combado significativo sin alabeado, o viceversa.

Retorcido (twist) es la rotación de la sección transversal alrededor del eje longitudinal, de modo que los dos extremos no están coplanos. Es la única de las tres características que no es visible colocando la tabla sobre una mesa y mirando a lo largo de ella, y se descubre con mayor frecuencia durante el montaje.

Ninguna de estas propiedades es significativa sin una longitud de referencia. "Alabeado 2 mm" no es una especificación. "Alabeado máximo 2 mm en cualquier tramo de 1000 mm" sí lo es.

Lo que el laminador ya proporcionó

Antes de considerar los efectos del proceso, debe evaluarse el estado de recepción del material. La norma ASTM B187/B187M, que especifica barras colectoras de cobre, varillas y perfiles, define la rectitud en la Tabla 10 como una profundidad máxima de arco medida sobre una longitud declarada:

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

El método de medición es tan importante como el valor. La norma requiere colocar la barra sobre una mesa nivelada para que la desviación de la rectitud sea horizontal, y medir la profundidad máxima del arco con una regla de acero y una regla recta, con una precisión de 1/32 in [0,8 mm]. La medición horizontal elimina los efectos de la gravedad. Un tramo de 3 m de cobre de 100 × 10 mm pesa 27 kg y se deformará varios milímetros bajo su propio peso si se mide verticalmente por los extremos; esta deformación no es una propiedad de la barra.

Tres milímetros de alabeado sobre 2,4 m al recibir es una cantidad significativa, que supera las expectativas de la mayoría de ensambladores. Si la tolerancia de la pieza terminada es más estricta que la tolerancia de recepción, el proceso debe eliminar el error en lugar de preservarlo, y esto debe diseñarse.

Cómo la punzonado genera combado y alabeado

El punzonado no elimina material de forma neutra. Crea un campo de tensiones residuales alrededor de cada orificio, y la suma de estos campos deforma la barra.

Hay dos mecanismos en acción. Alrededor del propio orificio, el material se hacia adentro y hacia abajo cuando la punzona entra, poniendo la región de entrada en compresión, mientras que el material se empuja hacia afuera a través de la cara de salida durante la fractura, poniendo esa región en tensión. Cuando el componente de tensión domina, la barra colectora se arquea. Este efecto es local: una región con muchos orificios se arqueará mientras una región sin perforar de la misma barra permanece plana, por lo que el arqueo a menudo aparece como un pliegue en lugar de un arco suave.

El segundo mecanismo es la carrera. A medida que la punzona se desplaza hacia abajo, la barra se desvía hacia la abertura del troquel. La superficie superior entra en compresión y la inferior en tensión, y el componente plástico de esta deformación no se recupera.

Cuatro factores agravan estos efectos, y todos son controlables. Densidad de orificios establece la tensión acumulada y proviene del diseño. Espesor aumenta el redondeamiento y la fuerza, y la fuerza es lo que deforma el material circundante. Condición de la herramienta es el factor práctico más común: una punzona roma requiere considerablemente más fuerza que una afilada y produce más redondeamiento, lo que generalmente explica por qué una barra colectora comienza repentinamente a salir arqueada de la máquina cuando antes no lo hacía. Holgura, cuando es apretada, aumenta la fuerza y el arqueo. Esta última variable también afecta la vida útil de la herramienta y se analiza en holgura punzona-troquel para barras colectoras de cobre y aluminio.

La flecha, distinta del arqueo, se origina por la asimetría en la dirección del ancho. Un patrón de orificios a lo largo de un borde de una barra ancha ubica la zona bajo tensión fuera del eje neutro, haciendo que la barra se curves en el plano. Los patrones simétricos respecto al centro evitan en gran medida esto, lo que respalda las posiciones estándar de orificios en DIN 43673-1.

Más allá de herramientas afiladas y una holgura correcta, se aplican dos contramedidas. Controlar la presión del desprendedor o pie de prensa: mantiene la barra plana durante el corte, pero en cobre blando una presión excesiva puede arquear la barra por sí misma, y reducirla es a veces la solución. Secuenciar los orificios para distribuir el trabajo en lugar de completar un extremo antes de empezar el otro, lo que la CNC puede lograr si el anidado se configura en consecuencia.

Cómo el corte produce torsión

Una cizalla de guillotina no corta simultáneamente a través de toda la anchura. La hoja superior se coloca con un ángulo de inclinación para que el corte avance de un lado al otro, manteniendo la fuerza manejable. Esta progresión aplica un par al recorte, provocando que rote.

El ángulo de inclinación es la variable dominante. Una mayor inclinación reduce la fuerza de corte e incrementa la torsión; una menor inclinación tiene el efecto contrario. Cuando la inclinación es ajustable, la configuración correcta es el ángulo más pequeño que aún realiza el corte. Usar el mismo ángulo para barra de 6 mm y 16 mm garantiza torsión excesiva en el material más delgado.

La relación de aspecto determina si la torsión es visible. Los fabricantes de cizallas citan comúnmente un ancho mínimo de 10 a 15 veces el espesor del material antes de que una tira cortada se asiente plana. La barra colectora cortada a medida es ancha en relación con su espesor, por lo que la torsión aparece como una pequeña deformación en el extremo cortado en lugar de un forma de sacacorchos. En barra estrecha, como 20 × 10 mm, la relación es 2

y la torsión es pronunciada.

Dos otras fallas de la cizalla causan distorsión en lugar de torsión. Un espacio entre cuchillas demasiado amplio permite que el material se enrolle y se doble sobre la cuchilla inferior antes de fracturarse, produciendo una rebaba grande y una pieza arqueada. Cuchillas romas aplastan antes de cortar, transmitiendo tensión a la pieza y curvándola hacia abajo después de la separación. Ambas se diagnostican examinando la superficie de corte en busca de redondeamiento excesivo y una banda de bruñido corta. La descripción general del proceso de corte cubre la geometría.

Cómo la doblez distorsiona

El doblado es una deformación intencional. El efecto no intencional ocurre alrededor de la doblez.

En un doblez en plano, la fibra exterior se estira y la interior se comprime. Debido a que estas deformaciones no son iguales, la patina adquiere una leve camber y la sección se vuelve ligeramente hueca a lo largo de su anchura cerca del doblez. La recuperación elástica complica esto: la barra relaja después de que el punzón se retrae y, sin compensación, deja el ángulo interior incorrecto y la patina sobresaliente.

La falla específica a monitorear es un orificio cercano al punto de tangencia de un doblez. El material alrededor del orificio se arrastra hacia el doblez, el orificio se ovaliza y su posición se desplaza. Los orificios de paso deben mantenerse a una distancia de al menos dos espesores del punto de tangencia y, cuando el diseño fuerza una posición más cercana, el orificio debe punzonarse después del doblez en lugar de antes.

Medición adecuada

Apoyar la barra en tres puntos sobre una superficie de referencia plana, como una superficie de granito o una mesa de máquina verificada con una regla, en lugar de a lo largo de toda su longitud sobre una superficie desconocida.

Para la planitud de una cara, colocar una regla sobre la superficie en varias orientaciones y medir la brecha con calibradores de espesor, o barrer con un comparador de dial montado en un medidor de altura. Registrar la peor lectura y la longitud sobre la que se tomó.

Para la flecha y la camber, usar el método de ASTM B187: barra sobre una mesa nivelada con la desviación de la rectitud en posición horizontal, regla a lo largo de la arista bajo prueba, máxima profundidad del arco leída con calibradores de espesor. Registrar cuál de las dos direcciones se midió. Informar "flecha" cuando se midió camber es el error de inspección más común en barras colectoras.

Para la torsión, sujetar un extremo plano sobre la superficie de referencia y medir la brecha bajo cada una de las dos esquinas del extremo libre. La torsión es la diferencia entre esas brechas dividida por la anchura de la barra, reportada como un ángulo o como milímetros por metro. Indicar la longitud: 0,5 mm de torsión sobre 300 mm y 0,5 mm sobre 3000 mm no son comparables.

Cuando cualquiera de estas propiedades está sujeta a una prueba de aceptación, la longitud de referencia y la condición de apoyo deben incluirse en la especificación junto con el valor numérico.

Valores alcanzables realistas

Las cifras a continuación son valores indicativos de planificación, no garantías, y asumen herramientas afiladas en buen estado. Las especificaciones de máquina citadas son valores publicados.

La precisión angular en el doblez es una especificación separada y no debe confundirse con la planitud. Una máquina dobladora con servo que mantiene ±0,1° en el ángulo del doblez no proporciona información sobre si la patina es plana, y ambos parámetros requieren especificación si ambos son críticos.

Donde se acumulan las tolerancias

Considere una instalación trifásica apilada: cuatro barras de cobre de 100 × 10 mm sobre soportes aislados, con 2 m entre uniones, atornilladas en cada extremo a la sección adyacente.

Cada barra posee cierta alabeo, y la dirección es aleatoria de una barra a otra. En el límite de la norma ASTM, esto es aproximadamente 2.5 mm sobre 2 m. Dos barras con alabeo opuesto dejan una brecha de varios milímetros en la cara de la unión. Los pernos la cerrarán, ya que el cobre es maleable y un perno M12 puede doblar fácilmente una barra de 10 mm. El resultado es que la unión ahora soporta un precargado de flexión, la presión de contacto a través de la cara ya no es uniforme y el área de contacto efectiva es menor que el área dibujada.

Este es un problema de elevación de temperatura, no estético. La resistencia de la unión está determinada por el área real de contacto, y bajo IEC 61439 los límites son 105 K de elevación para barras colectoras de cobre desnudo y 70 K en terminales destinados a la conexión de conductores externos. Una unión atornillada a través de una barra abombada comienza su vida con un área de contacto menor de la que el diseño asume y pierde más a través de ciclos térmicos. Si el diseño ya está cerca de su límite de capacidad de conducción en la unión, este margen no estaba disponible.

La posición de los orificios se suma. Una barra abombada lleva su patrón de orificios sobre una curva, por lo que incluso un patrón perfectamente punzonado está desplazado en relación con una barra de acoplamiento recta. Los pernos pasan, porque los agujeros de paso son generosos. La unión está pre-esforzada. La tolerancia de espesor se suma en la tercera dirección: cuatro barras por fase en una pila laminada, cada una en el extremo inferior de la tolerancia, cambia la altura total de la pila y, por lo tanto, la longitud de los pernos de apriete y las alturas de los espaciadores. Este cálculo debe realizarse una vez por configuración estándar, no en sitio.

Cuando se justifica el enderezado

El enderezado se justifica cuando la curvatura o torsión residual excede lo que el conjunto puede absorber sin pre-esforzar una unión, o cuando la planitud de la cara de la unión está fuera de especificación por sí misma. No se realiza para mejorar el aspecto de las barras en la estantería.

El orden de operaciones es la parte que con más frecuencia se aplica mal. Nivelar el material antes de punzonar. Nivelar una barra punzonada redistribuye el esfuerzo alrededor de orificios que ya existen, puede distorsionar orificios cerca del borde de la barra y, en material de temple duro, puede dejar un nuevo campo de esfuerzo residual que reaparece después del siguiente ciclo térmico. El nivelado por rodillos redistribuye el esfuerzo; no lo elimina.

Esto convierte el enderezado en un último recurso en una ruta de proceso racional. Empezar con material nivelado, mantener las herramientas de punzonado afiladas y correctamente espaciadas en la punzonadora y cizalla, secuenciar el patrón de orificios para distribuir el trabajo, reducir el ángulo de inclinación de la cizalla donde la máquina lo permita, y compensar el retroceso en la estación de doblado para que la brida caiga según lo dibujado. Las barras producidas de esta manera rara vez necesitan enderezado.

Donde sea necesario, especificarlo como un paso de proceso con su propia medición de aceptación, en lugar de dejarlo a un martillo en el banco de montaje, donde actualmente ocurre gran parte de ello y no queda registrado.