銅とアルミのブスバーを、機械の側から見る

銅とアルミのどちらのブスバーを指定すべきかを見極めるために来られたのなら、この記事は間違いです。その判断は 導電率、質量、キログラム単価、短絡耐力、据付費用で下されるもので、すでに徹底的に書かれており、当社が付け 加えられるどんなものよりも良い扱いが見つかります。そちらを読んでください。

ここで扱うのは、その判断が下された後、もう一方の金属のパレットが自社の工場に届いてから起こることです。 打抜きの設定は合っておらず、曲げ角度も合っておらず、バリ取りラインは目詰まりし、最初に作る接続部も適切では ありません。そのいずれも、調達側の比較には出てきません。

電気的な数値ではなく機械的な数値から始める

下流のすべてはここから来ます。標準的な 2 つのブスバー材料、高導電性銅と 1350 系アルミニウムの代表値です。

押さえておくべき点が 2 つあります。アルミニウムは同じ質別で銅のおよそ 3 分の 1 の強度であり、剛性はおよそ 半分 です。この 2 つの比は異なっており、その違いがスプリングバックを直感に反する振る舞いにします。

先へ進む前にもうひとつ注意を。「アルミブスバー」はひとつの材料ではありません。上表の 1350 は軟質で高導電性の グレードです。欧州とアジアのブスバーには EN AW-6101B の T6 が多く使われており、0.2 % 耐力は最小 160 N/mm²、引張強さは最小 215 N/mm²、導電率は 52 % IACS 以上です。半硬質の 1350 の耐力のほぼ 3 倍であり、 本稿のすべての工程設定が変わります。機械に触れる前に、どちらを持っているかを確かめてください。

力と、すでに所有している機械

打抜き力は周長 × 板厚 × せん断強さです。2 つの金属が分かれるのはせん断強さのところです。

C11000 について公表されている打抜きのデータは、半硬質銅でせん断強さおよそ 179 N/mm²、硬質で 193 を与えて います。軟質の 1xxx 系アルミニウムははるかに低く、1100-O は 62 N/mm² とされています。板厚 10 mm のバーに 13.5 mm の穴、すなわち周長 42.4 mm を取ると、半硬質銅にはおよそ 76 kN、軟質アルミニウムにはおよそ 26 kN が 必要です。

その銅の数値がどこから来ているかには注意してください。200–230 の範囲の数値が広く出回っていますが、それらは 引張値がせん断値として使われたものです。銅では実測のせん断はおおむね引張の 0.65–0.70 倍であり、経験則の 0.8 ではありません。したがって引張値を借りてくると、力を 3 分の 1 ほど過大に述べることになります。

この例から比例で外挿するのではなく、自社の穴径を 打抜き力計算ツール に 通し、実際にラックにあるものに合うグレードを選んでください。自社のアルミニウムが 1350 ではなく 6101B-T6 で あれば、62 N/mm² はかなり楽観的です。加圧力の見積としては 150 N/mm² 近くが正しい出発点になります。計算 ツールが「アルミニウム」というひとつの選択肢ではなく、アルミの各グレードを個別に挙げているのはそのためです。

すでに銅向けに金型を揃えた工場にとっての実務上の帰結は、アルミニウムでは力が制約になることはない、という ことです。600 kN の EMAC-BP-60 は軟質アルミの バーには大幅に過剰な仕様であり、それ自体は問題ありません。問題なのは、だから工程も楽だと考えることです。

軟らかいことは容易であることを意味しない

ここがつまずきやすい部分です。銅のほうが硬く、そして銅のほうが素直です。

打抜き の観点では、銅は比較的もろく破断する材料です。パンチが進入し、パンチの 刃先からき裂が発生してダイの刃先からのき裂と出会い、抜きカスが分離します。せん断面から破断面への移行は きれいで、バリは小さく安定しています。

軟質のアルミニウムは破断したがりません。流れたがります。パンチの前方で伸び、ダイの中へ引き込まれ、遅く、 きれいでない形で分離します。ここから 3 つの具体的な問題が生じます。

第 1 は凝着とパンチ先端への構成刃先です。アルミニウムは工具へ移着します。M2 工具鋼で打ち抜いた板厚 2 mm の AA5754-O 板を対象に移着量を直接測定した研究では、乾式打抜きの最初の数ストロークで凝着が最も速く進み、 20 ストロークから 125 ストロークの間ではストロークあたりおよそ 7.5 × 10⁵ µm³ の速度に落ち着くことが示されて います。油性の潤滑剤を板に施すと移着は目に見えて減りました。移着した材料がすることは、パンチの実効形状を 変えることです。パンチは太り、クリアランスは詰まり、穴の寸法はずれ、やがてパンチが抜きカスの中で焼き付き ます。

第 2 は冷間圧着で、同じ凝着が抜きカスに働くものです。パンチ端面に圧着したアルミの抜きカスはパンチとともに 上がり、あってはならない場所、たいていはダイの面に落ち、次のストロークでバーに押し込まれます。

第 3 はバリの形です。銅のバリは叩き落とせる隆起した縁です。アルミのバリは巻き込んだ延性のあるひれで、バリ 取りブラシの下では削り取られずに折れ曲がり、バーがたわむとまた立ち上がります。

クリアランスは直感と逆に動く

一般則は、硬くせん断強さの高い材料ほどクリアランスを大きく取り、軟らかく延性のある材料ほど小さく取る、と いうものです。これは作業者の大半が推測するのと逆です。彼らは切口の品質ではなく金型寿命から考えるからです。

アルミのクリアランスを広く取りすぎると、きれいに破断しません。材料はダイの中へ引きずられ伸ばされ、大きな だれ、入口側が出口側より小さい円錐状の穴、そして裏面に大きな引きちぎれたバリを生みます。詰めすぎれば二次 せん断、すなわち穴壁に見える 2 本目の破断帯が生じ、そのうえパンチとダイの切刃部が間にアルミを挟んでより 近づくため、凝着の問題も悪化します。

ブスバーについて公表されているクリアランスの表は互いに一致しておらず、出回っているものの中にはそれ自体で 矛盾しているものもあります。判断の道具として穴壁を使ってください。きれいなせん断面の下に破断面が 1 本ある のが適正、破断帯が二重なら詰めすぎ、大きなだれと出口側の引きちぎれなら広すぎです。数値と診断の全体は 銅・アルミブスバーのパンチとダイのクリアランス に あります。

もうひとつ重要な修正はパンチ先端の形状です。銅で機能する平面のパンチは、アルミではせん断角または面取りが 必要になります。切断を順次進めて最大荷重を下げるためで、これは破断貫通時の衝撃と、抜きカスが張り付く傾向の 両方を減らします。

スプリングバック — どのアルミニウムかによる

曲げにおけるスプリングバックは、曲げ半径と板厚の比を一定とすれば、耐力と弾性率の比 σy/E に比例します。強度 だけでもなく、剛性だけでもありません。

ブスバーによく使われる 3 つの材料についてこの比を計算します。

半硬質の 1350 は半硬質の銅よりはっきりと 小さく 戻ります。強度がずっと低い一方で剛性もずっと低く、強度の 低下のほうが剛性の低下より大きいためです。6101B-T6 は銅のおよそ 1.5 倍戻ります。銅の強度の大半を取り戻し ながら、アルミニウムの低い弾性率を保っているからです。

「アルミはよく戻る」と「アルミはあまり戻らない」の両方が経験のある人から聞こえてくる理由がこれであり、その どちらも、自分が扱っている材料については正しい理由でもあります。

実務的な答えは議論することではなく測ることです。曲げ加工機 は電子式スプリングバック補正を備えており、補正が作業者の癖ではなく、材料と金型の組合せごとに記憶された値と して扱われるということです。「アルミニウム」というひとつの材料ではなく 3 つの材料の行を作り、質別や供給元が 変わるたびにテストピースを曲げてください。同じ規律が最小曲げ半径にも当てはまります。力は小さくても、アルミ ニウムは一般により大きな半径を必要とします。パンチの下で流れる原因である延性は、小さい半径の 曲げ で外側繊維が割れることからは守ってくれないからです。

線膨張係数が銅の 17 に対して 23 × 10⁻⁶/K であることにも注意してください。6 m のバーでは、寒い工場で測った ときの長さと、アセンブリが高温になったときの穴の位置が変わります。

酸化被膜が下流のすべてを変える

銅の酸化は遅く、生じる被膜は半導体的です。銅イオンが被膜中へ拡散し、導電が両方向に進みうるためです。素地の 銅の接続部が機能するのはこのためです。

酸化アルミニウムは一級の電気絶縁体であり、新生面が空気に触れてからマイクロ秒のうちに形成されます。受け取る アルミのバーにはすでにそれがあります。切断面も打抜き穴も、バーを置く前に新しい被膜を成長させます。

しかも機械的に硬いものです。コランダムは研磨材であり、ビッカース硬さは数千の水準にあります。硬引き銅の およそ 90 HV に対してです。つまり、導電しない被膜が同時に金型を摩耗させる被膜でもあるということで、これは やっかいな組合せです。アルミニウムは凝着によって工具を目詰まりさせ、同時に酸化物によって摩耗させます。

現場での帰結が 2 つあります。

バリ取り では、アルミニウムは銅よりはるかに速く研磨ベルトやブラシを目詰まり させ、目詰まりした研磨材は削らずに磨くようになります。アルミには専用の研磨材を使ってください。2 つの金属で ベルトを共用しないこと。どちらの向きでもです。アルミの表面に埋め込まれた銅の粒子は湿気を待つ電池であり、 銅の接続面に塗り付けられたアルミは、まさに最悪の場所にできた絶縁被膜です。 BND800-2 は板厚 0.5–50 mm のバーを 5–30 m/min で処理する ので、2 つの金属を研磨材の交換を挟んだ別々のまとまりとして流しても、失うのは処理量ではなく計画の自由度です。

接続については、組立時に酸化被膜を機械的に破り、再生を防がなければなりません。標準的な作法は、接続用 コンパウンドの層の下で合わせ面を研磨し、新生面が空気に触れないようにして、直ちに組み立てることです。月曜に 処理して水曜にボルト締めしたバーは、何のためにも処理されていません。

めっきと異種金属の組合せ

素地のアルミどうしの接続部は、コンパウンドを使って適切に組み立てれば機能しますが、素地の銅どうしよりはるかに 余裕がありません。酸化被膜が半導体的ではなく絶縁性であること、そしてアルミニウムがクリープすることが理由 です。

このクリープの数値は覚えておいてください。20 °C の焼なまし 1080 アルミニウムは 26 N/mm² で 1000 時間 あたり 0.022 % の最小クリープ速度を示し、焼なまし高導電性銅が同じ応力で同じ速度に達するのは 150 °C まで 加熱した場合です。通常の接続部の接触圧力下にある室温のアルミニウムは、銅が使用範囲のどこでも達しない速度で すでにクリープしています。アルミの接続部における皿ばね座金は追加仕様ではなく基準であり、その理由については ボルト接続部の記事 でさらに述べています。

アルミニウムが銅と接するところでは、めっきは任意ではなくなります。2 つの金属は電気化学的に大きく離れて おり、標準水素電極に対して銅が +0.34 V、アルミニウムが −1.66 V です。電解質があればアルミニウムが腐食 します。規則は短いものです。

• 湿気や結露にさらされうる場所で、素地のアルミを素地の銅にボルト締めしないこと。
• アルミ側の面にすずめっきをして界面の両側を同じ金属にするか、工場で接合されたバイメタルの遷移板を使うこと。
• 現場で遷移を作らざるをえない場合は、界面をコンパウンドで封じ、点検の間隔を設けること。
• 鋼のファスナもアルミニウムと直接接触させないこと。銅との組合せほど厳しくはありませんが無害でもなく、 絶縁座金を伴うめっきまたはステンレスのファスナは安価です。

金型の摩耗と潤滑

銅は通常、乾式で打ち抜きます。銅は通常の意味で金型を摩耗させますが凝着しないため、金型寿命は刃先の摩耗で 決まり、予測できます。

アルミニウムは、避けられるなら乾式で打ち抜くべきではありません。潤滑は凝着に対して単独で最も効果のある手段 であり、2 つの仕事を同時にします。金属がパンチへ移着するのを防ぎ、パンチが抜きカスから引きずられずに戻れる ようにします。代償は、ブスバー上の潤滑剤は絶縁やめっきの前に落とさなければならないことです。したがって自社の 脱脂工程が実際に除去できるグレードである必要があり、洗浄の工程は前提とするのではなく工程表に入っている必要が あります。

工具のコーティングは有効です。窒化処理や DLC コーティングを施したパンチは、無処理の工具鋼よりアルミの 付着に強くなります。パンチの点検の頻度も変えるべきです。銅ではストローク数で点検しますが、アルミでは穴の 品質で点検します。凝着はパンチの刃先が摩耗しきるはるか前に穴を悪化させるからです。

金属が変わったときに変えるもの

ラインを切り替えるのであれば、要点は次のとおりです。

1. 合金と質別を、納品書ではなく材料証明書で確認する。1350 と 6101B-T6 は、別の材料として扱うに足るほど 振る舞いが違います。
2. 力の計算のせん断強さを設定し直し、実際に最も多く打ち抜く穴配置に対して加圧力を再確認する。
3. 軟質アルミではクリアランスを小さくし、表ではなく穴壁で検証する。
4. パンチに潤滑を導入し、その下流に洗浄の工程を設ける。
5. テストピースを曲げて質別ごとにスプリングバックを求め直し、曲げ機に別の材料の行として保存する。
6. バリ取りの研磨材を交換し、金属ごとに分離しておく。
7. 接続部の仕様を変える。コンパウンド、直ちに組み立てること、皿ばね、そしてアルミと銅のすべての界面での めっきです。

銅そのものの質別も、その仲間の中では同じだけ効いてきます。その拠りどころが EN 13601 で、220–260 N/mm² の軟質焼なまし R220/H040 から、290–360 N/mm² の 硬質 R290/H090 までです。銅を 1 質別、アルミを 1 グレード流している工場は、管理すべき材料が 2 つあります。 商社の在庫にあるものを何でも受け取る工場は、2 つよりかなり多くを抱えており、機械の設定はそれを反映していな ければなりません。