Prescrivere planarità, rettilineità e svergolamento dopo la lavorazione

Un disegno che specifica "barra piatta" non definisce nulla. La parola copre tre caratteristiche geometricamente distinte con cause diverse, metodi di misurazione diversi e valori raggiungibili diversi. Le controversie nell'ispezione in entrata derivano tipicamente dall'ambiguità su quale caratteristica fosse intesa.

Pianezza è una proprietà di una superficie: ogni punto deve trovarsi tra due piani paralleli separati dal valore di tolleranza. Non definisce la direzione dell'errore.

Raddrizzamento è una proprietà di una linea, un bordo o l'asse della barra. Nelle sbarre rettangolari si divide in due. Freccia è la curvatura nella direzione dello spessore, che fa oscillare la barra quando appoggiata sulla faccia. Camber è la curvatura nella direzione della larghezza, che fa apparire la barra a forma di banana quando appoggiata piatta. Una barra può mostrare una freccia significativa senza camber, o viceversa.

Torsione è la rotazione della sezione trasversale attorno all'asse longitudinale, in modo che le due estremità non siano complanari. È l'unica delle tre caratteristiche non visibile appoggiando la barra su un tavolo e guardando lungo di essa, e viene scoperta più spesso durante il montaggio.

Nessuna di queste proprietà è significativa senza una lunghezza di riferimento. "Camber 2 mm" non è una specifica. "Camber 2 mm massimo su qualsiasi 1000 mm" è una specifica.

Ciò che il laminatoio ha già fornito

Prima di considerare gli effetti del processo, la condizione in entrata del materiale deve essere valutata. ASTM B187/B187M, la specifica per barre in rame, aste e profili, definisce il raddrizzamento nella Tabella 10 come una profondità massima dell'arco misurata su una lunghezza dichiarata:

• Barre in generale: 1/4 in [6 mm] su 60 in [1500 mm]
• Barre rettangolari semidure, 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]
• Aste: 1/2 in [13 mm] su 120 in [3000 mm]
• Profili: 1/2 in [13 mm] su 72 in [1800 mm]

Il metodo di misurazione è importante quanto il valore. Lo standard richiede di posizionare la barra su un tavolo livellato in modo che la deviazione dal raddrizzamento sia orizzontale, e di misurare la profondità massima dell'arco con una riga in acciaio e un filo a piombo alla risoluzione più vicina di 1/32 in [0.8 mm]. La misurazione orizzontale elimina gli effetti della gravità. Una lunghezza di 3 m di rame 100 × 10 mm pesa 27 kg e si fletterà di diversi millimetri sotto il proprio peso se misurata verticalmente alle estremità; questa flessione non è una proprietà della barra.

Tre millimetri di camber su 2,4 m come fornito sono una quantità significativa, superando le aspettative della maggior parte degli assemblatori. Se la tolleranza del pezzo finito è più stretta della tolleranza in entrata, il processo deve rimuovere l'errore piuttosto che preservarlo, e questo deve essere progettato.

Come la punzonatura produce freccia e camber

La punzonatura non rimuove il materiale in modo neutro. Crea un campo di tensioni residue attorno a ciascun foro, e la somma di questi campi deforma la barra.

Sono attivi due meccanismi. Intorno al foro stesso, il materiale viene attirato verso l'interno e verso il basso mentre il punzone penetra, ponendo la zona lato entrata in compressione, mentre il materiale viene spinto fuori attraverso la faccia di uscita durante la frattura, ponendo quella zona in trazione. Quando la componente di trazione domina, la barra si piega. Questo effetto è locale: una regione pesantemente poinzonata si piegherà mentre una regione non poinzonata della stessa barra rimarrà piatta, motivo per cui la piega appare spesso come un angolo piuttosto che come un arco regolare.

Il secondo meccanismo è la coursesa. Mentre il punzone si muove verso il basso, la barra si deflette nell'apertura del matte. La superficie superiore va in compressione e quella inferiore in trazione, e la componente plastica di questa deformazione non recupera.

Quattro fattori peggiorano questi effetti, e tutti sono controllabili. La densità dei fori imposta lo sforzo accumulato e deriva dalla progettazione. Lo spessore aumenta l'arrotondamento e la forza, e la forza è ciò che deforma il materiale circostante. Lo stato degli utensili è il fattore pratico più comune: un punzone sordo richiede materialmente più forza rispetto a uno affilato e produce più arrotondamento, il che spesso spiega perché una barra inizi improvvisamente a uscire dalla macchina piegata quando prima non lo faceva. La scostamento, quando stretto, aumenta la forza e peggiora la piega. Quest'ultima variabile influisce anche sulla vita dell'utensile ed è trattata in scostamento punzone-matrice per barre in rame e alluminio.

La camberatura, distinta dalla piega, origina da un'asimmetria nella direzione della larghezza. Uno schema di fori lungo un bordo di una barra larga posiziona la zona sollecitata fuori dall'asse neutro, facendo curvare la barra in piani. Gli schemi simmetrici rispetto alla linea centrale evitano largamente questo problema, il che supporta le posizioni standard dei fori in DIN 43673-1.

Oltre a utensili affilati e scostamento corretto, si applicano due contromisure. Controllare la pressione dello spintapunzone o del piede premifilo: tiene la barra piatta durante il taglio, ma sul rame morbido una pressione eccessiva piegherà essa stessa la barra, e ridurla è a volte la soluzione. Sequenziare i fori per distribuire il lavoro piuttosto che completare un'estremità prima di iniziare l'altra, cosa che il CNC può realizzare se il nesting è configurato di conseguenza.

Come la cesoia produce una torsione

Una cesoia a lama non taglia attraverso tutta la larghezza simultaneamente. La lama superiore è impostata con un angolo di affilatura in modo che il taglio proceda da un lato all'altro, mantenendo la forza gestibile. Questa progressione applica una coppia al taglio, facendolo ruotare.

L'angolo di affilatura è la variabile dominante. Un angolo più ampio riduce la forza di taglio e aumenta la torsione; un angolo più piccolo ha l'effetto opposto. Dove l'angolo è regolabile, l'impostazione corretta è l'angolo più piccolo che esegue ancora il taglio. Utilizzare lo stesso angolo per barre da 6 mm e 16 mm garantisce una torsione eccessiva sul materiale più sottile.

Il rapporto di aspetto determina se la torsione è visibile. I produttori di cesoie citano comunemente una larghezza minima di 10 a 15 volte lo spessore del materiale prima che la str>taglio giaccia piatta. Le barre ritagliate a misura sono larghe rispetto al loro spessore, quindi la torsione appare come un piccolo avvolgimento all'estremità tagliata piuttosto che come un cavatappi. Su barre strette, come 20 × 10 mm, il rapporto è 2

e la torsione è pronunciata.

Altri due guasti della cesoia causano distorsione piuttosto che torsione. Un gioco della lama impostato troppo largo permette al materiale di arrotolarsi e ripiegarsi sulla lama inferiore prima della frattura, producendo un grande barbero e una parte piegata. Le lame sordinate schiacciano prima di tagliare, spingendo lo sforzo nel pezzo e piegandolo verso il basso dopo la separazione. Entrambi vengono diagnosticati esaminando la faccia del taglio per un eccessivo arrotondamento e una breve banda di lucidatura. La panoramica del processo di taglio copre la geometria.

Come la piegatura distorce

La piegatura è una deformazione intenzionale. L'effetto non intenzionale si verifica intorno alla piega.

Nella piega piana, la fibra esterna si allunga e quella interna si comprime. Poiché queste deformazioni non sono uguali, la flangia acquisisce una leggera campanatura e la sezione diventa marginalmente cava nella sua larghezza vicino alla piega. Il ritorno elastico complica la situazione: la barra si rilascia dopo la ritrazione del punzone e un ritorno elastico non compensato lascia l'angolo interno errato e la flangia in rilievo.

Il guasto specifico da monitorare è un foro vicino alla tangente di una piega. Il materiale attorno al foro viene trascinato nella piega, il foro si deforma in ovalità e la sua posizione si sposta. I fori di passaggio devono essere mantenuti a una distanza di almeno due spessori dalla tangente e, quando il design impone una posizione più ravvicinata, il foro deve essere punzonato dopo la piegatura piuttosto che prima.

Misurazione corretta

La barra deve essere supportata in tre punti su una superficie di riferimento piana, come un piano di granito o un tavolo macchina verificato con una riga, piuttosto che su tutta la sua lunghezza su una superficie sconosciuta.

Per la planarità di una faccia, posizionare una riga sulla superficie in diverse orientazioni e leggere il gioco con spessimetri, oppure scorrere un indicatore a comparatore montato su un altimetro. Registrare la lettura peggiore e la lunghezza su cui è stata rilevata.

Per campanatura e freccia, utilizzare il metodo ASTM B187: barra su un tavolo livellato con la deviazione dalla rettilineità in posizione orizzontale, riga lungo il lato in esame, massima profondità dell'arco letta con spessimetri. Registrare quale delle due direzioni è stata misurata. Dichiarare "freccia" quando è stata misurata la campanatura è l'errore di ispezione più comune sulle sbarre in rame.

Per la torsione, fissare un'estremità piatta sul piano di riferimento e misurare il gioco sotto ciascuno dei due angoli all'estremità libera. La torsione è la differenza tra quei gioci divisa per la larghezza della barra, espressa come angolo o in millimetri per metro. Indicare la lunghezza: 0,5 mm di torsione su 300 mm e 0,5 mm su 3000 mm non sono confrontabili.

Quando una qualsiasi di queste proprietà è soggetta a collaudo, la lunghezza di riferimento e la condizione di supporto devono far parte della specifica accanto al valore numerico.

Valori realisticamente raggiungibili

Le cifre riportate di seguito sono valori indicativi di pianificazione, non garanzie, e presuppongono utensili affilati e in buone condizioni. Le specifiche delle macchine citate sono valori pubblicati.

L'accuratezza angolare nella piegatura è una specifica separata e non deve essere confusa con la planarità. Una macchina piegatrice a servomotore che mantiene ±0,1° sull'angolo di piega non fornisce informazioni sulla planarità della flangia, e entrambi i parametri richiedono una specifica se entrambi sono critici.

Dove l'accumulo di tolleranze si fa sentire

Considerare un cavo trifase impilato: quattro sbarre di 100 × 10 mm in rame su supporti isolati, 2 m tra le giunzioni, bullonate a ciascuna estremità alla sezione adiacente.

Ogni sbarra presenta una certa freccia, e la direzione è casuale da sbarra a sbarra. Al limite ASTM, questa è di circa 2,5 mm su 2 m. Due sbarre con freccia opposta lasciano un vuoto di diversi millimetri sul piano di giunzione. I bulloni lo chiuderanno, perché il rame è deformabile e un bullone M12 può facilmente piegare una sbarra da 10 mm. Il risultato è che la giunzione ora trasporta una precarica a flessione, la pressione di contatto sul piano non è più uniforme e l'area di contatto effettiva è più piccola dell'area disegnata.

Questo è un problema di aumento della temperatura, non estetico. La resistenza della giunzione è determinata dall'area di contatto reale e, secondo IEC 61439, i limiti sono un aumento di 105 K per le sbarre di rame nudo e 70 K sui terminali destinati alla connessione di conduttori esterni. Una giunzione bullonata attraverso una sbarra con freccia inizia la sua vita con meno area di contatto di quanto previsto dal progetto e ne perde di più attraverso i cicli termici. Se il progetto è già vicino al suo limite di portata alla giunzione, questo margine non era disponibile.

La posizione dei fori si accumula ulteriormente. Una sbarra con freccia trasporta il suo schema di fori su una curva, quindi anche un schema perfettamente ponzonato è spostato rispetto a una sbarra di accoppiamento diritta. I bulloni passano attraverso, perché i fori di passaggio sono generosi. La giunzione è pre-sollecitata. La tolleranza dello spessore si accumula nella terza direzione: quattro sbarre per fase in uno stack laminato, ciascuna all'estremità inferiore della tolleranza, cambia l'altezza totale dello stack e quindi la lunghezza del bullone di serraggio e le altezze degli distanziali. Questo calcolo dovrebbe essere effettuato una volta per la configurazione standard, non in cantiere.

Quando la raddrizzatura è giustificata

La raddrizzatura è giustificata quando la freccia residua o la torsione superano ciò che l'assemblaggio può assorbire senza pre-sollecitare una giunzione, o quando la planarità del piano di giunzione stessa è fuori specifica. Non viene eseguita per far apparire le sbarre migliori nel rack.

L'ordine delle operazioni è la parte più spesso applicata in modo errato. Livellare il materiale prima del ponzonamento. Il livellamento di una sbarra ponzonata ridistribuisce le sollecitazioni intorno ai fori che già esistono, può deformare i fori vicino al bordo della sbarra e, su materiali temperati duri, può lasciare un nuovo campo di sollecitazioni residue che ricompare dopo il prossimo ciclo termico. Il livellamento a rulli ridistribuisce le sollecitazioni; non le elimina.

Questo rende la raddrizzatura una soluzione di ultima istanza in un percorso di processo razionale. Iniziare con materiale livellato, mantenere gli utensili da ponzonamento affilati e con il giusto gioco sulla macchina per ponzonatura e taglio, sequenziare lo schema dei fori per distribuire il lavoro, ridurre l'angolo di inclinazione sulla lama dove la macchina lo consente, e compensare il ritorno elastico sulla stazione di piegatura in modo che la flangia atterri come disegnato. Le sbarre prodotte in questo modo raramente necessitano di raddrizzatura.

Dove è richiesta, specificarla come un passaggio di processo con la propria misurazione di accettazione, anziché lasciarla a un martello sul banco di assemblaggio, dove attualmente gran parte di essa avviene e non è registrata.