Prescrivere planarità, rettilineità e svergolamento dopo la lavorazione

Un disegno che dice «barra piana» non ha prescritto nulla. La parola viene usata in modo lasco per coprire tre caratteristiche geometricamente distinte, con cause diverse, metodi di misura diversi e valori raggiungibili diversi. Le discussioni al controllo in accettazione sono di solito discussioni su quale delle tre si intendeva.

La planarità è una proprietà di una superficie: ogni punto deve cadere fra due piani paralleli distanti fra loro il valore di tolleranza. Non dice nulla sulla direzione dell'errore.

La rettilineità è una proprietà di una linea, di uno spigolo o dell'asse della barra. Sulla sbarra rettangolare si sdoppia. L'inarcamento è la curvatura nel senso dello spessore, per cui la barra dondola se appoggiata sulla faccia. La falcatura è la curvatura nel senso della larghezza, per cui la barra appoggiata di piatto sembra una banana. Una barra può averne molta dell'una e nessuna dell'altra.

Lo svergolamento è la rotazione della sezione attorno all'asse longitudinale, per cui le due estremità non stanno sullo stesso piano. È l'unico dei tre che non si vede appoggiando la barra su un tavolo e guardandola di infilata, ed è quello che più spesso si scopre in montaggio.

Nessuno dei tre significa qualcosa senza una lunghezza di riferimento. «Falcatura 2 mm» non le dice niente. «Falcatura massima 2 mm su qualsiasi tratto di 1000 mm» è una specifica.

Quello che il laminatoio le ha già dato

Prima di dare la colpa al proprio processo, guardi con che cosa arriva il materiale. La ASTM B187/B187M, la specifica che copre sbarre, tondi e profilati in rame, fissa la rettilineità nella Tabella 10 come freccia massima dell'arco misurata su una porzione dichiarata della lunghezza:

• Barra in generale: 1/4 in [6 mm] su 60 in [1500 mm]
• Barra rettangolare semicruda, da 3 a 15 mm di spessore e da 50 a 150 mm di larghezza: 1/8 in [3 mm] su 96 in [2400 mm]
• Tondo: 1/2 in [13 mm] su 120 in [3000 mm]
• Profilati: 1/2 in [13 mm] su 72 in [1800 mm]

Il metodo conta quanto il valore. La norma prescrive di appoggiare la barra su un tavolo in piano in modo che lo scostamento dalla rettilineità giaccia in orizzontale, e di misurare la freccia massima dell'arco con una riga di riscontro e un righello d'acciaio al 1/32 in [0,8 mm] più vicino. Misurare in orizzontale toglie la gravità dal risultato. Uno spezzone da 3 m di rame 100 × 10 mm pesa 27 kg e, se appoggiato alle estremità e misurato in verticale, si inflette di diversi millimetri sotto il proprio peso: e quell'inflessione non è una proprietà della barra.

Tre millimetri di falcatura su 2,4 m in fornitura sono molto più di quanto la maggior parte dei montatori si aspetti. Se la tolleranza sul pezzo finito è più stretta di quella in accettazione, il processo deve togliere errore invece di conservarlo, e questo va messo in conto in progettazione.

Come la punzonatura produce inarcamento e falcatura

La punzonatura non asporta materiale in modo neutro. Lascia un campo di tensioni residue attorno a ogni foro, e la somma di quei campi sposta la barra.

Agiscono due meccanismi. Attorno al foro stesso il materiale viene tirato verso l'interno e verso il basso all'ingresso del punzone, cosa che mette in compressione la zona sul lato d'ingresso, mentre durante la frattura il materiale viene spinto fuori dalla faccia d'uscita, cosa che mette quella zona in trazione. Quando prevale il termine di trazione, la barra si inarca. È un fenomeno locale: una zona molto punzonata si inarca mentre una zona non punzonata della stessa barra resta piana, ed è per questo che l'inarcamento compare spesso come un gomito anziché come un arco regolare.

Il secondo meccanismo è la corsa stessa. Mentre il punzone scende, la barra si inflette dentro l'apertura della matrice. La superficie superiore va in compressione e quella inferiore in trazione, e la componente plastica di questo non si recupera.

Quattro cose peggiorano la situazione, e tutte e quattro sono controllabili. La densità dei fori determina la tensione accumulata e viene dal disegno. Lo spessore aumenta l'arrotondamento del bordo d'ingresso e la forza, e la forza è ciò che deforma il materiale circostante. Le condizioni dell'utensile contano più di tutto nella pratica: un punzone consumato richiede sensibilmente più forza di uno affilato e produce più arrotondamento del bordo, ed è la spiegazione abituale di una barra che comincia all'improvviso a uscire inarcata dalla macchina quando prima non succedeva. E il gioco: se è stretto, alza la forza e alza l'inarcamento. Quest'ultima è la stessa variabile che governa la durata dell'utensile, ed è trattata in gioco fra punzone e matrice per sbarre in rame e alluminio.

La falcatura, a differenza dell'inarcamento, viene dall'asimmetria nel senso della larghezza. Uno schema di foratura che corre lungo un bordo di una barra larga porta la zona tensionata fuori dall'asse neutro e la barra si curva in pianta. Gli schemi simmetrici rispetto alla mezzeria la evitano in gran parte, ed è uno degli argomenti meno chiassosi a favore delle posizioni standard dei fori della DIN 43673-1.

Due contromisure oltre a utensili affilati e gioco corretto. Controlli la pressione del premipezzo o dell'estrattore: tiene la barra piana durante il taglio, ma sul rame tenero una pressione eccessiva inarca lei stessa la barra, e a volte la soluzione è ridurla. E ordini i fori in modo da distribuire il lavoro anziché completare un'estremità prima di iniziare l'altra, cosa che il CNC fa da sé se il nesting è impostato per questo.

Come la cesoiatura produce svergolamento

Una cesoia a ghigliottina non taglia tutta la larghezza in una volta. La lama superiore è inclinata di un angolo di taglio, così il taglio avanza da un lato all'altro, ed è questo a tenere gestibile la forza. Quell'avanzamento applica una coppia al pezzo tagliato, e il pezzo ruota.

L'angolo di inclinazione della lama è la variabile dominante. Un'inclinazione maggiore riduce la forza di taglio e aumenta lo svergolamento; una minore fa l'opposto. Dove l'inclinazione è regolabile, l'impostazione corretta è il minimo angolo che riesce ancora a fare il taglio, e usare lo stesso angolo per barra da 6 mm e da 16 mm garantisce svergolamento in eccesso su quella sottile.

Il rapporto fra larghezza e spessore decide se lo svergolamento sia visibile. I costruttori di cesoie citano di norma una larghezza minima da 10 a 15 volte lo spessore del materiale perché una striscia tagliata appoggi piana. La sbarra tagliata a misura è larga rispetto al proprio spessore, quindi lo svergolamento si presenta come una leggera torsione all'estremità cesoiata anziché come un cavatappi. Su barra stretta 20 × 10 mm il rapporto è 2

e lo svergolamento è reale.

Altri due difetti di cesoiatura producono distorsione anziché svergolamento. Un gioco fra le lame troppo largo lascia che il materiale ruoti e si ripieghi sopra la lama inferiore prima di fratturarsi, dando una bava grande e un pezzo inarcato. Le lame consumate schiacciano prima di tagliare, introducendo tensioni nel pezzo e inarcandolo verso il basso dopo la separazione. Entrambi si diagnosticano allo stesso modo, guardando la faccia di taglio in cerca di un arrotondamento eccessivo e di una fascia lucida corta. La panoramica sulla cesoiatura tratta la geometria.

Come la piegatura deforma

La piegatura è deformazione voluta. La parte non voluta è quello che succede attorno alla piega.

In una piega di piatto la fibra esterna si allunga e quella interna si comprime e, poiché le due non sono uguali, l'ala prende una leggera falcatura e la sezione diventa marginalmente concava sulla larghezza in prossimità della piega. Il ritorno elastico ci si somma: la barra si rilassa dopo che il punzone si ritrae, e un ritorno elastico non compensato lascia sbagliato l'angolo compreso e l'ala fuori posizione.

Il difetto specifico da tenere d'occhio è un foro vicino alla tangente di piega. Il materiale attorno al foro viene tirato dentro la piega, il foro si ovalizza e la sua posizione si sposta. Tenga i fori di passaggio ad almeno due spessori dalla tangente e, dove il disegno ne impone uno più vicino, punzoni dopo la piegatura anziché prima.

Misurarlo come si deve

Appoggi la barra su tre punti su un riferimento piano, un piano di riscontro in granito o una tavola macchina verificata con una riga di riscontro, invece che per tutta la lunghezza su una superficie ignota.

Per la planarità di una faccia, appoggi una riga di riscontro sulla superficie in più orientamenti e legga il gioco con gli spessimetri, oppure faccia correre un comparatore montato su un calibro di altezza. Registri la lettura peggiore e la lunghezza sulla quale è stata presa.

Per inarcamento e falcatura usi il metodo della ASTM B187: barra su un tavolo in piano con lo scostamento dalla rettilineità giacente in orizzontale, riga di riscontro lungo lo spigolo in esame, freccia massima dell'arco letta con gli spessimetri. Registri quale delle due direzioni ha misurato. Riportare «inarcamento» quando si è misurata la falcatura è l'errore di collaudo più comune sulle sbarre.

Per lo svergolamento, blocchi un'estremità piana sul piano di riscontro e misuri il gioco sotto ciascuno dei due spigoli all'estremità libera. Lo svergolamento è la differenza fra quei due giochi divisa per la larghezza della barra, riportata come angolo oppure in millimetri al metro. Dichiari la lunghezza: 0,5 mm di svergolamento su 300 mm e 0,5 mm su 3000 mm non sono confrontabili.

Dove una di queste è una prova di accettazione, la lunghezza di riferimento e la condizione di appoggio fanno parte della specifica, accanto al numero.

Che cosa è realisticamente raggiungibile

I valori qui sotto sono indicativi, utili per pianificare e non garanzie, e presuppongono utensili affilati e in buone condizioni. Le specifiche di macchina citate sono valori pubblicati.

La precisione angolare in piegatura è una specifica a parte e non va confusa con la planarità. Una piegatrice servo che tiene ±0,1° sull'angolo di piega non dice nulla sul fatto che l'ala sia piana, ed entrambe devono stare sul disegno se entrambe contano.

Dove morde l'accumulo delle tolleranze

Prenda una tratta trifase impacchettata: quattro barre di rame 100 × 10 mm su supporti isolanti, 2 m fra le giunzioni, imbullonate a ciascuna estremità alla sezione adiacente.

Ogni barra porta una certa falcatura, e la direzione è casuale da barra a barra. Al limite ASTM si è attorno a 2,5 mm su 2 m. Due barre le cui falcature si oppongono lasciano sulla faccia di giunzione un gioco di diversi millimetri. I bulloni lo chiuderanno, perché il rame è cedevole e un bullone M12 non ha difficoltà a piegare una barra da 10 mm. Quello che è successo è che ora la giunzione porta un precarico di flessione, la pressione di contatto sulla faccia non è più uniforme e l'area di contatto effettiva è più piccola di quella disegnata.

È un problema di sovratemperatura, non di estetica. La resistenza di giunzione è fissata dall'area di contatto reale e, secondo la IEC 61439, i limiti sono 105 K di sovratemperatura per le sbarre in rame nudo e 70 K ai morsetti destinati al collegamento di conduttori esterni. Una giunzione imbullonata attraverso un inarcamento parte con meno area di contatto di quanto il progetto assumesse e ne perde ancora al ciclare termico. Se il progetto è già vicino al proprio limite di portata in corrispondenza della giunzione, quel margine non c'era da spendere.

La posizione dei fori si somma sopra. Una barra falcata porta il proprio schema di foratura su una curva, quindi anche uno schema punzonato alla perfezione risulta spostato rispetto a una barra di accoppiamento diritta. I bulloni passano, perché i fori di passaggio sono generosi. La giunzione è comunque pre-tensionata. La tolleranza di spessore si somma nella terza direzione: quattro barre per fase in un pacco laminato, ciascuna all'estremo basso della tolleranza, cambiano l'altezza totale del pacco e quindi la lunghezza dei bulloni di serraggio e l'altezza dei distanziali. Faccia quel conto una volta per configurazione standard, non in cantiere.

Quando la raddrizzatura è giustificata

Raddrizzi quando l'inarcamento o lo svergolamento residui superano ciò che l'assieme può assorbire senza pre-tensionare una giunzione, oppure quando la planarità della faccia di giunzione è essa stessa fuori specifica. Non per far sembrare più belle le barre in rastrelliera.

L'ordine delle operazioni è la parte che si sbaglia più spesso. Spiani la barra prima di punzonare. Spianare una barra già punzonata ridistribuisce le tensioni attorno a fori che esistono già, può deformare i fori vicini al bordo della barra e, su materiale allo stato crudo, può lasciare un nuovo campo di tensioni residue che ricompare al ciclo termico successivo. La spianatura a rulli ridistribuisce le tensioni; non le cancella.

Questo fa della raddrizzatura l'ultima risorsa in un ciclo di lavoro sensato. Parta da barra spianata, tenga gli utensili di punzonatura affilati e con il gioco corretto sulla punzonatrice e cesoia, ordini lo schema di foratura in modo da distribuire il lavoro, abbassi l'angolo di inclinazione della lama sulla cesoia dove la macchina lo permette e compensi il ritorno elastico sulla stazione di piegatura perché l'ala cada dove dice il disegno. Le barre prodotte così raramente hanno bisogno di raddrizzatura.

Dove serve, la prescriva come fase di processo con una propria misura di accettazione, invece di lasciarla a una mazzuola sul banco di montaggio: che è dove buona parte di essa avviene oggi, e dove niente di tutto ciò viene registrato.