Sbarre in rame o in alluminio, dal lato di chi sta alla macchina

Se è arrivato qui per decidere se prescrivere sbarre in rame o in alluminio, questo è l'articolo sbagliato. Quella decisione si prende su conducibilità, peso, prezzo al chilogrammo, tenuta al cortocircuito e costo installato, se ne è scritto in modo esaustivo e troverà trattazioni migliori di qualunque cosa potremmo aggiungere. Ne legga una di quelle.

Qui si parla di che cosa succede dopo che quella decisione è stata presa e in officina arriva un bancale dell'altro metallo. Le impostazioni di punzonatura sono sbagliate, gli angoli di piega sono sbagliati, la linea di sbavatura si intasa, e anche la prima giunzione che farà sarà sbagliata. Niente di tutto questo sta nel confronto per gli acquisti.

Parta dai numeri meccanici, non da quelli elettrici

Tutto ciò che sta a valle discende da questi. Valori tipici per i due materiali standard da sbarra, rame ad alta conducibilità e alluminio grado 1350:

Due cose da tenere a mente. L'alluminio ha all'incirca un terzo della resistenza del rame a parità di stato del materiale, ed è all'incirca metà rigido. Quei due rapporti sono diversi, ed è la differenza fra loro a rendere controintuitivo il comportamento del ritorno elastico.

Ancora un avvertimento prima di proseguire. «Sbarra in alluminio» non è un materiale unico. Il 1350 della tabella qui sopra è il grado tenero ad alta conducibilità. Molte sbarre europee e asiatiche sono in EN AW-6101B allo stato T6, che ha un Rp0,2 minimo di 160 N/mm² e una resistenza a trazione minima di 215 N/mm², con conducibilità ≥52% IACS. È quasi il triplo del carico di snervamento del 1350 semicrudo, e cambia ogni impostazione di processo di questo articolo. Scopra quale dei due ha prima di toccare una macchina.

La forza, e la macchina che già possiede

La forza di punzonatura è perimetro × spessore × resistenza al taglio. È sulla resistenza al taglio che i due metalli si separano.

I dati di punzonatura pubblicati per il C11000 danno circa 179 N/mm² di taglio per il rame semicrudo e 193 per il crudo. L'alluminio tenero della serie 1xxx sta molto più in basso: il 1100-O è indicato a 62 N/mm². Prenda un foro da 13,5 mm in una barra da 10 mm, cioè 42,4 mm di perimetro: il rame semicrudo richiede circa 76 kN, l'alluminio tenero circa 26 kN.

Faccia attenzione a da dove vengono quei numeri sul rame. Valori nell'intervallo da 200 a 230 circolano ampiamente, ma sono valori di trazione usati come valori di taglio. Per il rame il taglio misurato sta all'incirca fra 0,65 e 0,70 della trazione, non allo 0,8 della regola pratica, quindi prendere in prestito il valore di trazione sovrastima la forza di circa un terzo.

Faccia girare le sue misure di foro nel calcolatore della forza di punzonatura invece di scalare da quell'esempio, e scelga il grado che corrisponde a quello che ha davvero in rastrelliera. Se il suo alluminio è 6101B-T6 e non 1350, 62 N/mm² è gravemente ottimistico; qualcosa vicino a 150 N/mm² è l'ipotesi di partenza giusta per il tonnellaggio, ed è per questo che il calcolatore elenca i gradi di alluminio separatamente invece di offrire un'unica voce «alluminio».

La conseguenza pratica per un'officina già attrezzata per il rame è che sull'alluminio la forza non è mai il vincolo. Una EMAC-BP-60 da 600 kN è ampiamente sovradimensionata per barra di alluminio tenero, e va bene così. Quello che non va bene è dedurne che il processo sia perciò più facile.

Tenero non vuol dire facile

È il punto su cui si inciampa. Il rame è più duro, ma il rame si comporta meglio.

In termini di punzonatura il rame è un materiale a frattura relativamente fragile. Il punzone penetra, una cricca si innesca dal tagliente del punzone e si propaga fino a incontrare quella che parte dal bordo della matrice, e il ritaglio si separa. La transizione dalla fascia lucida alla zona di frattura è netta e la bava è piccola e costante.

L'alluminio tenero non vuole fratturarsi. Vuole fluire. Si allunga davanti al punzone, viene trascinato dentro la matrice e si separa tardi e in modo disordinato. Ne discendono tre problemi specifici.

Il primo è l'incollaggio sull'utensile con formazione di tagliente di riporto. L'alluminio si trasferisce sull'utensile. Un lavoro su lamiera AA5754-O da 2 mm punzonata con acciaio da utensili M2 ha misurato direttamente il volume trasferito e ha trovato che l'incollaggio procede più rapidamente nelle prime corse a secco, per poi assestarsi su una velocità di circa 7,5 × 10⁵ µm³ per corsa fra la ventesima e la centoventicinquesima. Lubrificare la lamiera con un lubrificante a base d'olio ha ridotto sensibilmente il trasferimento. Quello che il materiale trasferito fa è cambiare la geometria effettiva del punzone: il punzone cresce, il gioco si chiude, la misura del foro va alla deriva e alla fine il punzone si blocca nel ritaglio.

Il secondo è la saldatura a freddo, cioè la stessa adesione che agisce sul ritaglio. Un ritaglio di alluminio che si è saldato alla faccia del punzone risale insieme al punzone e atterra dove non dovrebbe, di solito sulla faccia della matrice, dove la corsa successiva lo preme dentro la barra.

Il terzo è la forma della bava. Una bava di rame è un labbro sollevato che si riesce a staccare. Una bava di alluminio è un'aletta duttile ripiegata che sotto una spazzola di sbavatura si piega invece di essere asportata, e si rialza quando la barra flette.

Il gioco va nella direzione opposta al suo istinto

La regola generale è che il materiale più duro e con resistenza al taglio più alta vuole più gioco, e il materiale più tenero e più duttile ne vuole meno. È l'opposto di ciò che la maggior parte degli operatori suppone, perché ragionano a partire dalla durata dell'utensile invece che dalla qualità del taglio.

Imposti il gioco sull'alluminio troppo largo e non frattura in modo pulito. Il materiale viene trascinato e stirato dentro la matrice, dando un grande arrotondamento del bordo d'ingresso, un foro conico più piccolo all'ingresso che all'uscita e una pesante bava strappata sul lato inferiore. Lo imposti troppo stretto e ottiene taglio secondario, cioè una seconda fascia di frattura visibile sulla parete del foro, e in più il problema dell'incollaggio peggiora, perché punzone e fascia della matrice sono più vicini con l'alluminio in mezzo.

Le tabelle di gioco pubblicate per le sbarre non concordano fra loro, e alcune di quelle in circolazione sono internamente incoerenti, quindi usi la parete del foro come strumento. Una fascia lucida pulita con sotto una sola zona di frattura è corretta; una doppia fascia di frattura significa troppo stretto; un grande arrotondamento con uscita strappata significa troppo largo. I numeri e la diagnostica completa stanno in gioco fra punzone e matrice per sbarre in rame e alluminio.

L'altra correzione che conta è la geometria del naso del punzone. Un punzone a faccia piana che funziona nel rame avrà bisogno di un angolo di spoglia o di uno smusso sull'alluminio per rompere il taglio in modo progressivo e abbassare la forza di picco, cosa che riduce sia l'urto da distacco sia la tendenza del ritaglio ad attaccarsi.

Ritorno elastico: dipende da quale alluminio

Il ritorno elastico in una piega scala con il rapporto fra carico di snervamento e modulo elastico, σy/E, a parità di rapporto fra raggio di piega e spessore. Non con la sola resistenza, e non con la sola rigidezza.

Faccia il conto del rapporto per i tre materiali da sbarra più comuni:

Il 1350 semicrudo ritorna sensibilmente meno del rame semicrudo perché, per quanto sia molto meno resistente, è anche molto meno rigido e la resistenza cala più di quanto cali la rigidezza. Il 6101B-T6 ritorna all'incirca una volta e mezzo il rame, perché recupera gran parte della resistenza del rame mantenendo il basso modulo dell'alluminio.

È per questo che «l'alluminio ritorna di più» e «l'alluminio ritorna di meno» sono entrambe affermazioni che sentirà da persone esperte, ed è per questo che entrambe hanno ragione sul materiale con cui quelle persone lavorano.

La risposta pratica non è discuterne ma misurarlo. Le piegatrici portano la compensazione elettronica del ritorno elastico, il che significa che la correzione è un valore memorizzato per ogni combinazione di materiale e utensile e non un'abitudine dell'operatore. Imposti tre voci di materiale, non una chiamata «alluminio», e pieghi un provino di prova per ogni nuovo stato del materiale o fornitore. La stessa disciplina vale per il raggio minimo di piega, con cui l'alluminio in genere deve essere più generoso nonostante le forze più basse, perché la duttilità che lo fa fluire sotto un punzone non lo protegge dalla criccatura sulla fibra esterna di una piega stretta.

Noti anche il coefficiente di dilatazione di 23 × 10⁻⁶ per K contro i 17 del rame. Su una barra da 6 m questo cambia quanta lunghezza ha quando la misura in un'officina fredda e dove finiscono i fori quando l'assieme è caldo.

Lo strato di ossido cambia tutto ciò che sta a valle

Il rame si ossida lentamente, e il film che si forma è semiconduttore, perché ioni di rame vi diffondono e la conduzione può procedere in entrambe le direzioni. È per questo che le giunzioni in rame nudo funzionano.

L'ossido di alluminio è un isolante elettrico di prim'ordine e si forma entro microsecondi da quando una superficie fresca incontra l'aria. Ogni barra di alluminio che riceve ce l'ha già. Ogni faccia tagliata e ogni foro punzonato ne fa crescere uno nuovo prima che lei riesca a posare la barra.

È anche meccanicamente duro. Il corindone è un abrasivo, con durezza nell'ordine delle migliaia sulla scala Vickers, contro i circa 90 HV del rame crudo. Quindi il film che non conduce è anche il film che consuma i suoi utensili, e la combinazione è sgradevole: l'alluminio carica l'utensile per adesione e lo abrade con l'ossido nello stesso momento.

Due conseguenze in officina.

Per la sbavatura, l'alluminio intasa nastri e spazzole abrasive molto più in fretta del rame, e il mezzo abrasivo intasato poi lucida invece di tagliare. Lavori l'alluminio con abrasivi dedicati. Non condivida un nastro fra i due metalli in nessuna delle due direzioni: particelle di rame incastonate in una superficie di alluminio sono celle galvaniche in attesa di umidità, e l'alluminio spalmato su una faccia di giunzione in rame è un film isolante esattamente nel punto sbagliato. La BND800-2 prende barre da 0,5 a 50 mm di spessore a 5–30 m/min, quindi lavorare i due metalli come campagne separate con un cambio di abrasivo in mezzo costa in programmazione e non in produttività.

Per la giunzione, l'ossido va rotto meccanicamente al montaggio e poi tenuto dal riformarsi. La pratica corrente è abradere le facce di accoppiamento sotto uno strato di composto di giunzione, così che il metallo fresco non veda mai l'aria, e montare subito. Una barra preparata lunedì e imbullonata mercoledì è stata preparata per niente.

Rivestimenti e accoppiamento galvanico

Le giunzioni alluminio-alluminio nude possono funzionare se sono trattate con composto e montate come si deve, ma sono molto meno indulgenti di quelle rame-rame nude, perché l'ossido è isolante anziché semiconduttore e perché l'alluminio scorre.

Si porti appresso quel dato sullo scorrimento. L'alluminio 1080 ricotto a 20 °C mostra una velocità minima di scorrimento dello 0,022% ogni 1000 ore a 26 N/mm², e il rame ricotto ad alta conducibilità raggiunge la stessa velocità, alla stessa tensione, solo se portato a 150 °C. L'alluminio a temperatura ambiente, sotto la normale pressione di contatto di una giunzione, sta già scorrendo a una velocità che il rame non raggiunge in nessun punto del proprio campo di servizio. Le rondelle a molla a tazza sulle giunzioni in alluminio non sono una miglioria, sono la base di partenza, e sul perché c'è dell'altro nell'articolo sulle giunzioni bullonate.

Dove l'alluminio incontra il rame, il rivestimento smette di essere facoltativo. I due metalli stanno lontani sul piano elettrochimico, a +0,34 V per il rame e −1,66 V per l'alluminio rispetto all'elettrodo standard a idrogeno, e in presenza di un elettrolita qualsiasi l'alluminio si corrode. Le regole sono brevi:

• Non imbulloni mai alluminio nudo su rame nudo dove possa esserci umidità o condensa.
• Stagni la faccia in alluminio perché entrambi i lati dell'interfaccia siano lo stesso metallo, oppure usi una piastra bimetallica di transizione unita in fabbrica.
• Se deve fare la transizione in cantiere, sigilli l'interfaccia con un composto e accetti un intervallo di ispezione.
• Tenga anche gli elementi di fissaggio in acciaio fuori dal contatto diretto con l'alluminio. L'accoppiamento è meno severo di quello con il rame ma non è innocuo, e un elemento di fissaggio rivestito o inox con una rondella isolante costa poco.

Usura degli utensili e lubrificazione

Il rame si punzona normalmente a secco. Il rame è abrasivo sugli utensili nel modo ordinario ma non aderisce, quindi la durata dell'utensile è fissata dall'usura del tagliente ed è prevedibile.

L'alluminio non andrebbe punzonato a secco se può evitarlo. La lubrificazione è il singolo intervento più efficace contro l'incollaggio e fa due lavori insieme: impedisce al metallo di trasferirsi sul punzone e permette al punzone di sfilarsi dal ritaglio senza trascinare. Il compromesso è che il lubrificante su una sbarra deve venire via prima dell'isolamento o del rivestimento, quindi dev'essere un tipo che il suo processo di sgrassaggio riesca davvero a rimuovere, e la fase di lavaggio dev'essere nel ciclo di lavoro e non data per scontata.

I rivestimenti degli utensili aiutano. I punzoni nitrurati o rivestiti DLC resistono al riporto di alluminio meglio del semplice acciaio da utensili. Anche la frequenza di ispezione del punzone dovrebbe cambiare: con il rame si ispeziona su un conteggio di corse, con l'alluminio si ispeziona sulla qualità del foro, perché l'incollaggio degrada il foro molto prima che il tagliente del punzone sia consumato.

Che cosa cambiare quando cambia il metallo

Se sta convertendo una linea, l'elenco breve è questo:

1. Confermi lega e stato del materiale dal certificato di laminatoio, non dalla bolla di consegna. Il 1350 e il 6101B-T6 si comportano in modo abbastanza diverso da dover essere trattati come materiali separati.
2. Reimposti la resistenza al taglio nel calcolo della forza e riverifichi il tonnellaggio rispetto allo schema di foratura che viene davvero punzonato più spesso.
3. Riduca il gioco per l'alluminio tenero e verifichi sulla parete del foro, non su una tabella.
4. Introduca la lubrificazione sul punzone e una fase di lavaggio a valle.
5. Ricavi di nuovo il ritorno elastico per ogni stato del materiale piegando provini, e lo memorizzi come voce di materiale separata nella piegatrice.
6. Cambi gli abrasivi di sbavatura e li tenga separati.
7. Cambi la specifica di giunzione: composto, montaggio immediato, molle a tazza e rivestimento su qualunque interfaccia alluminio-rame.

Lo stato del materiale del rame conta altrettanto all'interno della propria famiglia, e la EN 13601 è il riferimento per questo: dal R220/H040 ricotto a 220-260 N/mm² fino al R290/H090 crudo a 290-360 N/mm². Un'officina che lavora uno stato di rame e un grado di alluminio ha due materiali da gestire. Un'officina che prende quello che il commerciante ha a magazzino ne ha parecchi più di due, e le impostazioni di macchina devono rifletterlo.