ブスバーのねじり加工 — 形状、限界、金型

ツイストは、バーをその自軸周りに回転させ、進行方向を変えずに曲げます。この加工は、突き出しが正しい方向に向いているが、広い面が誤った平面にある場合に使用されます。たとえば、端子が水平に取り付けられた遮断器に供給する垂直ライザー、異なる端子方向に展開する必要がある位相のスタック、ブスバー室に対して90°で取り付けられたデバイスへの突き出しなどです。

ほとんどの加工現場は経験則で行っていますが、流通している経験則は互いに3倍の違いがあります。この違いには理由があり、その理由は計算可能です。

90°ツイストの長さと幅の関係

90°ツイストに割り当てるバーの長さに関する公開されたガイダンスは、幅広い範囲にわたっています。スイッチギアの実務では、ツイスト長はバー幅の最低2倍とされています。機械メーカーは一般的に幅の2.5倍を最低限として指定しており、公開された例では、幅20mmのバーに対してツイスト長50mmが与えられています。他の製造ガイダンスでは、幅の2.5～5倍と記載されています。手動のベンチバイス作業では、低めの数値として幅の1.5～2倍とされていますが、この数値には厚さ6mm、幅60mmという制限が伴います。

これらの数値は、歪みを検討すると整合します。断面の角は、ツイスト軸から約バー幅の半分の距離に位置します。長さLにわたって角度θで回転させると、表面せん断歪みが発生します：

γ = (w/2) · θ / L

90°ツイストの場合、これはγ = π·w / (4L)に簡約されます。引張データとの比較用の等価単軸歪みに変換すると、ε ≈ γ/√3です：

この式は厚さを無視していますが、ブスバーの寸法比率ではそれが妥当です。100 × 10mmのバーでは、実際の角の半径は50.25mmであり、式が仮定する50mmに近接しています。

これでガイダンスが合理化されます。幅の2.5倍では、角は約18%の等価歪みを受けますが、これは柔らかいおよび半硬の銅が問題なく吸収します。幅の1.5倍では30%を受けますが、これは薄幅の柔らかいバーでのみ生存可能であり、まさにベンチバイスのルールが自ら添える制限です。幅の5倍では角は9%を受け、これは硬質テンパでも許容範囲内です。

運用ルールとして、R220およびR240には幅の2.5倍、R290には幅の4倍、テンパに関わらず幅の2倍未満は使用しない。最初の試作品で確認することをお勧めします。なぜなら、EN 13601の引張値は最小値であり、納入される材料は通常、それを上回るからです。

関係性の方向は曲げ加工とは逆です。ツイストが長いほど、歪みは緩やかになります。ツイスト長は機械設定ではなく設計上の許容値です。したがって、ルートに直線部分を確保できない場合、ツイストはそもそも実行できません。

トルク、および縁曲げ比ねじりが有利な理由

矩形断面をねじり塑性トルクはおおよそτy·(w·t²/2 − t³/6)であり、t²に支配され、幅に対してのみ線形に増大する。同じ断面を縁方向に曲げ塑性モーメントはσy·t·w²/4であり、幅の二乗に比例して増大する。

半硬銅（降伏強度180 N/mm²）の場合：

比率は全体を通して0.87·w/tに近い。幅が1mm増えるたびに縁方向曲げは不釣り合いに困難になる一方、ねじりは比例的にしか困難にならず、縁方向曲げが最も不利となる幅広薄肉断面こそが、この利点が最大となる領域である。

これは縁方向と平面方向ブスバー曲げで議論された、ねじり＋平面曲げ代替案の定量的根拠である。棒材を90°ねじることで、 subsequent direction change が普通の平面曲げとして実現でき、此時 strain は width ではなく thickness に支配される。困難な操作1つが、容易な操作2つに置き換わる。

歪み、端面減肉および断面への影響

ねじり荷重を受ける円形軸はその断面を平面のまま保持する。矩形断面はそうではない。Saint-Venant ねじり条件下では、矩形断面上の点は鞍状パターンで軸方向に変位し、最大変位は角部に生じる。これが歪み（warping）であり、円形でない断面では不可避である。

実用上、二つの結果が伴う。

ねじり領域は元の棒材と寸法的に同一ではない。断面はわずかに皿状に変形し、角部は面中央に対して前後し、ねじり領域端部で測定された板厚は名目値をわずかに下回る。通常のブスバー寸法比では、この減りは数%程度と小さいが、局所的な抵抗上昇となるため、ホットスポットの候補となる。ブスバー許容電流計算ツールは、この減りが影響するまでの余裕を示す。

歪みはクランプ部でも制約される。クランプ面は断面を平面に保持するが、その間の材料は歪もうとする。制約歪みはクランプ縁に集中した軸方向応力を生成する。これはねじりにおける割れが、ねじり部の中間部ではなく、ほぼ常にクランプラインから始まる理由である。クランプでの割れは、より長い遊長、またはより柔らかいクランプインサートの必要性を示唆し、トルク増加を意味しない。

ねじり領域は加工硬化も起こしている。曲げ部をねじり内部、あるいはその直近に配置すべきではない。その位置の材料は、既に利用可能な延性の大部分を消費しており、元の棒材が耐える半径でも割れが生じる。この二つの操作間には、明確な直線部を残す必要がある。

ねじれのスプリングバック

ねじれはスプリングバックし、曲げ加工よりもはるかに大きいです。

荷重除去時の弾性回復は Δθ = T·L/(G·J) で表されます。T は加わったトルク、L はねじれ長、G は剪断弾性率、J は断面のねじり定数です。銅の剪断弾性率は、弾性率から約 46 kN/mm² と推定されます。100 × 10 mm の半硬銅バーを、250 mm の自由長で 90° ねじれた場合の算術計算を行うと、弾性回復は約 5° となります。同じバーを 400 mm でねじれた場合、回復は約 8° です。160 × 10 mm のバーを 400 mm でねじれた場合、回復は約 7.6° です。

これらは、完全塑性断面の弾性緩和に基づく一次推定値です。プログラムで使用する前に、初物で確認が必要です。確実に明らかにするのはその規模であり、ねじれによる回復は数度に達し、同じバーの幅方向曲げにおけるスプリングバックより一桁大きいです。

回復量はねじれ長に比例して増加し、応変はねじれ長に比例して減少します。角部を保護するためにねじれ長を長くすると、角度補正量は大きくなります。両方を最適化する長さは存在しないため、応変要件からねじれ長を選定し、角度には補正表を使用する必要があります。スプリングバック補正 で説明されたオフセット表の原則がここでも適用され、材料、硬度、断面形状、自由長をキーとし、ねじれエントリは曲げエントリと完全に分離されます。

クランプと工具

ねじれヘッドは二つのクランプから構成されます。一つは固定式、もう一つは回転式です。クランプ間の自由スパンがねじれ長を決定し、これにより、ねじれ長はクランプ位置で設定され、すべての機械で連続的に調整できるわけではありません。設計を特定の許容差に確定する前に、 increments を確認する必要があります。

クランプ面はバーに跡を残してはなりません。銅は柔らかく、最大トルク下でスリップを防止するために必要なクランプ圧力は高いです。ブロンズ、アルミニウム、またはハードポリマーのインサートが一般的です。歯付き面の鋼製ジョーはバーにエンボスを付け、そのエンボスはねじれ応変下でクラックの発生点となります。

一方のクランプは軸方向に自由に動ける必要があります。バーはねじれると軸方向にわずかに短くなります。両端を剛性で固定すると、ねじれ剪断に軸方向の引張が重なり、角部の応変に直接加わり、ねじれ alone では耐えられる応変レベルでも端部にクラックが発生します。フローティングクランプ、または意図的な軸方向コンプライアンスにより、この問題は解消されます。

断面は両方のクランプで方形に保持されなければなりません。回転スリップは有効自由長を短縮し、応変を計算値以上に引き上げ、完了角度にも誤差を生じさせます。

ブスバー加工機で公表されているねじれエンベロープは、一般的に厚さ 5～10 mm、幅 15～100 mm で、同じ機械の幅方向曲げ能力と比較して明らかに厳格です。ねじれ機能は EMAC-BB-H12 と SMART-603CNC-S の両機に標準装備されており、曲げ加工と同じ制御と部品プログラムで動作するため、ねじれと2つの曲げをもつ部品は、3回ではなく1回のセットアップで加工されます。EMAC-BB ヘッドで引用される ±0.1° は曲げ精度仕様です。どの機械でのねじれ繰返し精度も、クランプの保持力に大きく依存し、曲げの数値から推定するのではなく、実際の材料で特性評価を行う必要があります。

工程計画におけるねじれの位置づけ

ねじり加工は打抜き・切断の前に行う。ねじれたバーは打抜き台上に平らに乗らず、バックゲージに対して確実に位置決めできない。

形状が許す限り、ねじり加工は曲げ加工の前に実行する。ねじれた部分は直線部分よりも弯曲型内でsquareにクランプするのが困難だからだ。

ねじりゾーン内に穴を設けてはならない。ねじりの途中で穴が貫通すると、ねじれが完了する前にその周辺の材料が破断する。最も不利な位置にねじり応力が集中するためである。

図面段階でねじりによる歪みに基づくねじり長を考慮する必要がある。ねじりを考慮せずに寸法を決めてから加工を追加すると、通常、バーの幅の1.5倍でねじりを試み、バーを廃棄することになる。ねじりと曲げ加工はどちらも材料を消費する加工であり、展開長には両方を収める必要がある。詳細はねじり加工のページを参照のこと。