Como especificar planeza, retilineidade e torção após o processamento

Um desenho que especifica "barra a ser plana" não define nada. A palavra abrange três características geometricamente distintas, com causas diferentes, métodos de medição diferentes e valores alcançáveis diferentes. Disputas na inspeção de recebimento normalmente surgem da ambiguidade sobre qual característica foi pretendida.

Planimetria é uma propriedade de uma superfície: cada ponto deve estar entre dois planos paralelos separados pela tolerância. Não define a direção do erro.

Reta é uma propriedade de uma linha, uma borda ou o eixo da barra. Em barramento retangular, ela se divide em duas. Flecha é a curvatura na direção da espessura, fazendo a barra balançar quando apoiada pela face. Arqueamento é a curvatura na direção da largura, fazendo a barra parecer em formato de banana quando apoiada pela face larga. Uma barra pode apresentar flecha significativa sem arqueamento, ou vice-versa.

Torção é a rotação da seção transversal em torno do eixo longitudinal, de modo que as duas extremidades não ficam coplanares. É a única das três características que não é visível ao apoiar a barra em uma mesa e olhar ao longo dela, e é mais frequentemente descoberta na montagem.

Nenhuma dessas propriedades é significativa sem um comprimento de referência. "Arqueamento 2 mm" não é uma especificação. "Arqueamento 2 mm máximo em qualquer comprimento de 1000 mm" é uma especificação.

O que a laminação já forneceu

Antes de considerar os efeitos do processo, a condição de recebimento do material deve ser avaliada. A ASTM B187/B187M, a especificação para barras de cobre, varetas e perfis, define reto na Tabela 10 como uma profundidade máxima de arco medida sobre um comprimento declarado:

• Barras em geral: 1/4 pol [6 mm] sobre 60 pol [1500 mm]
• Barras retangulares meio-duras, de 3 a 15 mm de espessura e 50 a 150 mm de largura: 1/8 pol [3 mm] sobre 96 pol [2400 mm]
• Varetas: 1/2 pol [13 mm] sobre 120 pol [3000 mm]
• Perfis: 1/2 pol [13 mm] sobre 72 pol [1800 mm]

O método de medição é tão importante quanto o valor. O padrão exige colocar a barra em uma mesa nivelada para que a desvio da reto seja horizontal, e medir a profundidade máxima do arco com uma régua de aço e uma régua de apoio até o 1/32 pol [0,8 mm] mais próximo. A medição horizontal elimina os efeitos da gravidade. Um comprimento de 3 m de cobre 100 × 10 mm pesa 27 kg e sofrerá um afundamento de vários milímetros sob seu próprio peso se medido verticalmente nas extremidades; este afundamento não é uma propriedade da barra.

Três milímetros de arqueamento sobre 2,4 m no fornecimento é uma quantidade significativa, excedendo as expectativas da maioria dos montadores. Se a tolerância da peça acabada for mais apertada que a tolerância de recebimento, o processo deve remover o erro em vez de preservá-lo, e isso deve ser projetado.

Como a puncionagem produz flecha e arqueamento

A puncionagem não remove material de forma neutra. Cria um campo de tensões residuais ao redor de cada furo, e a soma desses campos distorce a barra.

Dois mecanismos estão ativos. Ao redor do próprio furo, o material é puxado para dentro e para baixo conforme o pua entra, colocando a região do lado da entrada em compressão, enquanto o material é empurrado através da face de saída durante a fratura, colocando essa região em tração. Quando o componente de tração domina, a barra entorta. Este efeito é local: uma região intensamente furaçada se curvará, enquanto uma região não furada da mesma barra permanece plana, razão pela qual a curva frequentemente aparece como uma dobra abrupta em vez de um arco suave.

O segundo mecanismo é o curso. Conforme o pua desce, a barra desvia para dentro da abertura da matriz. A superfície superior entra em compressão e a inferior em tração, e o componente plástico desta deformação não se recupera.

Quatro fatores agravam estes efeitos, e todos são controláveis. Densidade de furos determina a tensão acumulada e vem do projeto. Espessura aumenta o arredondamento e a força, e a força é o que deforma o material ao redor. Condição da ferramenta é o fator prático mais comum: um pua carente requer substancialmente mais força que um afiado e produz mais arredondamento, o que geralmente explica uma barra que subitamente começa a sair da máquina torta quando antes não saía. Folga, quando apertada, aumenta a força e a curvatura. Esta última variável também influencia a vida útil da ferramenta e é discutida em folga pua-matriz para barramento de cobre e alumínio.

A flecha (camber), distinta da curva (bow), origina-se de assimetria na direção da largura. Um padrão de furos ao longo de uma borda de uma barra larga coloca a zona sob tensão fora do eixo neutro, fazendo a barra curvar no plano. Padrões simétricos em relação à linha central evitam em grande parte isso, o que sustenta as posições de furos padrão em DIN 43673-1.

Além de ferramentas afiadas e folga correta, duas contramedidas se aplicam. Controlar a pressão do desengatador ou pé pressor: ela segura a barra plana durante o corte, mas em cobre mole, pressão excessiva por si só irá entortar a barra, e reduzi-la é por vezes a solução. Sequenciar os furos para distribuir o trabalho em vez de completar uma extremidade antes de começar a outra, o que a CNC pode realizar se o aninhamento estiver configurado adequadamente.

Como o corte gira o material

Uma guilhotina não corta em toda a largura simultaneamente. A lâmina superior é ajustada com um ângulo de ataque para que o corte progrida de um lado para o outro, mantendo a força controlável. Esta progressão aplica um binário ao recorte, fazendo-o rotacionar.

O ângulo de ataque é a variável dominante. Um ângulo maior reduz a força de corte e aumenta a torção; um ângulo menor tem o efeito oposto. Onde o ângulo de ataque é ajustável, a configuração correta é o menor ângulo que ainda realiza o corte. Usar o mesmo ângulo para barras de 6 mm e 16 mm garante torção excessiva no material mais fino.

A proporção de aspecto determina se a torção é visível. Fabricantes de guilhotinas citam comumente uma largura mínima de 10 a 15 vezes a espessura do material antes que uma faixa cortada permaneça plana. O barramento cortado ao comprimento é largo em relação à sua espessura, então a torção aparece como uma leve hélice na extremidade cortada em vez de uma espiral. Em barras estreitas, como 20 × 10 mm, a proporção é de 2

e a torção é pronunciada.

Outras duas falhas de guilhotina causam distorção em vez de torção. Uma folga de lâmina definida ampla permite que o material roole e dobre sobre a lâmina inferior antes de fraturar, produzindo um grande rebarba e uma peça entortada. Lâminas carentes esmagam antes de cortar, transferindo tensão para a peça e curvando-a para baixo após a separação. Ambas são diagnosticadas examinando a face do corte para excesso de arredondamento e uma faixa de brunimento curta. A visão geral do processo de corte aborda a geometria.

Como a dobra distorce

Dobrar é deformação intencional. O efeito não intencional ocorre ao redor da dobra.

Em uma dobra plana, a fibra externa se estica e a fibra interna se comprime. Como essas deformações não são iguais, a alma adquire uma leve curvatura e a seção transversal torna-se levemente côncava em sua largura próxima à dobra. O retorno elástico complica isso: a barra relaxa após a retração da punção, e um retorno elástico não compensado deixa o ângulo interno incorreto e a alma fora do plano.

A falha específica a ser monitorada é um furo próximo ao ponto de tangência da dobra. O material ao redor do furo é puxado para dentro da dobra, o furo se torna oval e sua posição se move. Furos de folga devem ser mantidos a pelo menos duas espessuras de distância da tangência, e quando o projeto força uma posição mais próxima, o furo deve ser puncionado após a dobra, e não antes.

Medição adequada

A barra deve ser apoiada em três pontos sobre uma superfície de referência plana, como uma placa de granito ou uma bancada de máquina verificada com uma régua, em vez de ao longo de toda a sua extensão em uma superfície desconhecida.

Para a planaridade de uma face, colocar uma régua sobre a superfície em várias orientações e medir a folga com calibres de lâmina, ou passar um indicador de relógio montado em um comparador de altura. Registrar a pior leitura e o comprimento sobre o qual ela foi obtida.

Para flecha e curvatura, utilizar o método ASTM B187: barra sobre uma mesa nivelada com a desvio da retilinearidade na horizontal, régua ao longo da borda a ser testada, profundidade máxima do arco lida com calibres de lâmina. Registrar em qual das duas direções a medição foi feita. Reportar "flecha" quando a curvatura foi medida é o erro de inspeção mais comum em barramento.

Para torção, fixar uma extremidade plana na placa de referência e medir a folga sob cada um dos dois cantos na extremidade livre. A torção é a diferença entre essas folgas dividida pela largura da barra, reportada como um ângulo ou em milímetros por metro. Indicar o comprimento: 0,5 mm de torção sobre 300 mm e 0,5 mm sobre 3000 mm não são comparáveis.

Quando qualquer uma dessas propriedades estiver sujeita a um teste de aceitação, o comprimento de referência e a condição de apoio devem constar na especificação junto ao valor numérico.

O que é realista alcançar

Os valores abaixo são indicativos para planejamento, não garantias, e pressupõem ferramentas afiadas e em bom estado. As especificações de máquina citadas são valores publicados.

A precisão angular na dobra é uma especificação separada e não deve ser confundida com a planaridade. Uma dobradeira de barramento com acionamento por servo que mantém ±0,1° no ângulo da dobra não fornece informações sobre se a alma está plana, e ambos os parâmetros requerem especificação se ambos forem críticos.

Onde a pilhagem pesa

Considere um conjunto empilhado trifásico: quatro barras de cobre de 100 × 10 mm em suportes isolados, 2 m entre juntas, aparafusadas em cada extremidade à seção adjacente.

Cada barra possui algum camber, e a direção é aleatória de barra para barra. No limite da ASTM, isso é aproximadamente 2,5 mm em 2 m. Duas barras com camber oposto deixam uma folga de vários milímetros na face da junta. Os parafusos fecharão isso, pois o cobre é maleável e um parafuso M12 pode facilmente flexionar uma barra de 10 mm. O resultado é que a junta agora carrega uma pré-carga de flexão, a pressão de contato através da face não é mais uniforme e a área de contato efetiva é menor que a área desenhada.

Este é um problema de elevação de temperatura, não cosmético. A resistência da junta é determinada pela área de contato real e, sob IEC 61439, os limites são 105 K de elevação para barras de cobre nuas e 70 K em terminais destinados à conexão de condutores externos. Uma junta aparafusada através de uma barra curvada inicia sua vida com menos área de contato do que o projeto assume e perde mais através de ciclos térmicos. Se o projeto já está próximo de seu limite de capacidade de corrente na junta, essa margem não estava disponível.

A posição do furo se acumula. Uma barra camberada transporta seu padrão de furos em uma curva, então até um padrão perfeitamente furado é deslocado em relação a uma barra de encaixe reta. Os parafusos passam, pois os furos de folga são generosos. A junta está pré-esforçada. A tolerância de espessura se acumula na terceira direção: quatro barras por fase em uma pilha laminada, cada uma na extremidade baixa da tolerância, altera a altura total da pilha e, portanto, o comprimento do parafuso de aperto e a altura dos espaçadores. Este cálculo deve ser realizado uma vez por configuração padrão, não no local.

Quando o alinhamento é justificado

O alinhamento é justificado quando a flexão ou torção residual excede o que a montagem pode absorver sem pré-esforçar uma junta, ou quando a planaridade da face da junta está em si fora de especificação. Não é realizado para fazer as barras parecerem melhores no armário.

A ordem das operações é a parte mais frequentemente mal aplicada. Nivelar o material antes de furar. Nivelar uma barra furada redistribui estresse ao redor de furos que já existem, pode distorcer furos perto da borda da barra e, em material temperado duro, pode deixar um novo campo de estresse residual que reaparece após o próximo ciclo térmico. O nivelamento por rolos redistribui estresse; não o elimina.

Isso torna o alinhamento um último recurso em uma rota de processo racional. Começar com material nivelado, manter a ferramenta de perfuração afiada e com folga correta na máquina de puncionamento e corte, sequenciar o padrão de furos para distribuir o trabalho, reduzir o ângulo de rasante na guilhotina onde a máquina permite, e compensar a mola na estação de dobra para que a aba caia como desenhado. Barras produzidas dessa forma raramente precisam de alinhamento.

Onde é necessário, especificá-lo como uma etapa de processo com sua própria medição de aceitação, em vez de deixá-lo para um martelo no banco de montagem, onde grande parte atualmente ocorre e não é registrada.