Torção de barramento: geometria, limites e ferramental

Uma torção gira a barra em torno do próprio eixo longitudinal sem mudar a direção em que ela caminha. É a operação que se usa quando o trecho vai na direção certa mas a face larga está no plano errado: uma subida vertical alimentando um disjuntor cujos terminais ficam na horizontal, uma pilha de fases que tem de se abrir em orientações diferentes de terminal, uma descida para um dispositivo montado a 90° em relação à câmara de barramento.

A maioria das oficinas trabalha por regra de bolso, e as regras de bolso em circulação discordam entre si por um fator de três. Elas discordam por um motivo, e o motivo é calculável.

Comprimento de torção em função da largura

A orientação publicada sobre o comprimento de barra a reservar para uma torção de 90° cobre uma faixa larga. A prática de instalação de conjuntos de manobra põe o comprimento de torção em no mínimo duas vezes a largura da barra. Fabricantes de máquina comumente especificam 2.5 vezes a largura como piso, com um exemplo publicado dando 50 mm de comprimento de torção para uma barra de 20 mm de largura. Outras orientações de fabricação citam de 2.5 a 5 vezes a largura. A prática manual de torno de bancada, na ponta baixa, cita de 1.5 a 2 vezes a largura, mas anexa a esse valor um limite de 6 mm de espessura e 60 mm de largura.

Esses números se reconciliam assim que você olha a deformação. O canto da seção fica a aproximadamente meia largura de barra do eixo de torção. Girá-lo por um ângulo θ ao longo de um comprimento L impõe uma deformação cisalhante superficial de:

γ = (w/2) · θ / L

que, para uma torção de 90°, se reduz a γ = π·w / (4L). Convertendo para uma deformação uniaxial equivalente, para comparar com dados de alongamento, ε ≈ γ/√3:

A fórmula ignora a espessura, o que é legítimo nas proporções de barramento: em uma barra de 100 × 10 mm o raio verdadeiro do canto é 50.25 mm contra os 50 mm que a fórmula supõe.

Agora a orientação faz sentido. Em 2.5 × largura o canto vê em torno de 18% de deformação equivalente, que o cobre mole e o meio-duro absorvem sem dificuldade. Em 1.5 × largura ele vê 30%, o que só é sobrevivível em barra fina, estreita e mole — exatamente o envelope que a regra do torno de bancada anexa a si mesma. Em 5 × largura o canto vê 9%, o que é confortável mesmo em têmpera dura.

Uma regra de trabalho: 2.5 × largura para R220 e R240, 4 × largura para R290, e nunca abaixo de 2 × largura seja qual for a têmpera. Confirme em uma peça piloto, porque os valores de alongamento da EN 13601 são mínimos e o material entregue normalmente os supera.

Note a direção, porque é oposta à da dobra: quanto mais longa a torção, mais suave a deformação. O comprimento de torção é uma reserva de projeto, não um ajuste de máquina, então, se a rota não tiver comprimento reto a ceder, a torção simplesmente não está disponível.

Torque, e por que torcer vence dobrar de cutelo

O torque plástico necessário para torcer uma seção retangular é aproximadamente τy·(w·t²/2 − t³/6), que é dominado por t² e cresce apenas linearmente com a largura. O momento plástico necessário para dobrar a mesma seção de cutelo é σy·t·w²/4, que cresce com o quadrado da largura.

Tomando cobre meio-duro a 180 N/mm² de limite de escoamento:

A razão fica próxima de 0.87·w/t em toda a faixa. Cada milímetro extra de largura torna a dobra de cutelo desproporcionalmente mais difícil enquanto torna a torção apenas proporcionalmente mais difícil, e as seções largas e finas, onde a dobra de cutelo é pior, são justamente onde a vantagem é maior.

Esse é o argumento quantitativo a favor da alternativa torção mais dobra de plano discutida em dobra de cutelo contra dobra de plano em barramento. Torça a barra 90° e depois faça a mudança de direção como uma dobra de plano comum, em que a espessura, e não a largura, governa a deformação. Duas operações fáceis substituem uma difícil.

Empenamento, afinamento de aresta e o que acontece com a seção

Um eixo circular sob torção mantém a seção plana. Um retangular não. Sob torção de Saint-Venant, pontos de uma seção retangular se deslocam axialmente em um padrão de sela, com o maior deslocamento nos cantos. Isso é empenamento, e é inevitável em uma seção não circular.

Duas consequências práticas decorrem daí.

A zona torcida não é dimensionalmente idêntica à barra de origem. A seção fica levemente côncava, os cantos adiantam ou atrasam em relação ao meio da face, e a espessura medida nas bordas da região torcida sai marginalmente abaixo do nominal. Em proporções normais de barramento a redução é pequena, da ordem de alguns por cento, mas é um aumento local de resistência e, portanto, um candidato a ponto quente. Confira contra a sua margem de elevação de temperatura; a calculadora de capacidade de corrente dá a folga que o trecho tem antes de a redução importar.

O empenamento também é restringido nas garras, porque as faces da garra seguram a seção plana enquanto o material entre elas quer empenar. Empenamento restringido gera tensões axiais concentradas nas bordas da garra, e é por isso que trincas na torção quase sempre iniciam na linha da garra e não no meio da torção. Se as suas torções trincam na garra, a resposta é um comprimento livre maior ou insertos de garra mais macios, não mais torque.

A zona torcida também está encruada. Não coloque uma dobra dentro de uma torção nem imediatamente ao lado dela. O material ali já gastou uma fração grande da ductilidade disponível e vai trincar em um raio que a barra de origem toleraria. Deixe barra reta livre entre as duas operações.

Retorno elástico torcional

Torções retornam, e retornam consideravelmente mais do que dobras.

A recuperação elástica no descarregamento é Δθ = T·L/(G·J), em que T é o torque aplicado, L o comprimento de torção, G o módulo de cisalhamento e J a constante de torção da seção. O módulo de cisalhamento do cobre decorre do seu módulo de elasticidade, em aproximadamente 46 kN/mm². Fazendo a conta para uma barra meio-dura de 100 × 10 mm torcida 90° ao longo de um comprimento livre de 250 mm, obtém-se recuperação elástica de cerca de 5°. A mesma barra torcida em 400 mm recupera cerca de 8°. Uma barra de 160 × 10 mm em 400 mm recupera cerca de 7.6°.

São estimativas de primeira ordem, a partir do descarregamento elástico de uma seção totalmente plástica. Verifique-as em uma peça piloto em vez de programá-las direto da página. O que elas estabelecem de forma confiável é a escala: a recuperação torcional chega a vários graus, uma ordem de grandeza maior que o retorno elástico de uma dobra de plano na mesma barra.

Note também que a recuperação cresce com o comprimento de torção enquanto a deformação cai com ele. Alongar uma torção para proteger os cantos torna a compensação angular maior. Não existe comprimento que otimize os dois, então escolha o comprimento pelo requisito de deformação e deixe a tabela de compensação cuidar do ângulo. A mesma disciplina de tabela descrita em compensação do retorno elástico se aplica aqui, indexada por material, têmpera, seção e comprimento livre, com as entradas de torção mantidas inteiramente separadas das entradas de dobra.

Fixação e ferramental

Um cabeçote de torção são duas garras: uma fixa e uma giratória. O vão livre entre elas é o comprimento de torção, o que significa que o comprimento de torção é fixado pela posição da garra e não é continuamente ajustável em toda máquina. Verifique o incremento antes de comprometer um projeto com uma reserva específica.

As faces das garras não podem marcar a barra. O cobre é mole, e a pressão de fixação necessária para impedir escorregamento sob torque pleno é alta. Insertos de bronze, alumínio ou polímero duro são normais. Mordentes de aço com face serrilhada estampam a barra, e a estampagem vira sítio de início de trinca sob a deformação torcional.

Uma das garras tem de estar livre para se mover axialmente. A barra encurta ligeiramente ao longo do seu eixo quando torce. Prenda as duas pontas rigidamente e você superpõe tração axial ao cisalhamento torcional, o que soma diretamente à deformação de canto e produz trincas de aresta em níveis de deformação que a torção sozinha teria sobrevivido. Uma garra flutuante, ou uma pequena complacência axial deliberada, elimina o problema.

A seção também tem de ser segura em esquadro nas duas garras. Escorregamento rotacional encurta o comprimento livre efetivo, o que eleva a deformação acima do que você calculou, e tira o ângulo final do lugar.

Os envelopes de torção publicados em máquinas de dobra de barramento tipicamente ficam em torno de 5 a 10 mm de espessura e 15 a 100 mm de largura, sensivelmente mais estreitos que a capacidade de dobra de plano da mesma máquina. A torção é uma capacidade listada tanto na EMAC-BB-H12 quanto na SMART-603CNC-S, rodando no mesmo comando e no mesmo programa de peça das operações de dobra, de modo que uma peça com uma torção e duas dobras é um setup, e não três. O valor de ±0.1° cotado para os cabeçotes EMAC-BB é uma especificação de precisão de dobra; a repetibilidade de torção em qualquer máquina depende fortemente da pega da garra e deve ser caracterizada no seu próprio material, em vez de presumida a partir do valor de dobra.

Onde as torções entram no plano de processo

Fure e corte antes de torcer, não depois. Uma barra torcida não assenta plana na mesa de furo e não pode ser posicionada de forma confiável contra um esbarro traseiro.

Sequencie as torções antes das dobras onde a geometria permitir, porque uma seção torcida é mais difícil de prender em esquadro em uma matriz de dobra do que uma seção reta.

Mantenha furos completamente fora da zona de torção. Um furo em uma região de alto cisalhamento torcional é uma concentração de tensão no pior lugar possível, e o material em volta vai rasgar antes de a torção se completar.

Reserve o comprimento de torção baseado em deformação já na etapa de desenho. Enfiar uma torção depois, em uma rota que foi cotada sem ela, é a razão usual de uma oficina acabar tentando fazê-la a 1.5 vez a largura e sucatear a barra. Torcer e dobrar são operações que consomem comprimento, e o comprimento desenvolvido tem de carregar as duas. A descrição completa do processo está em torção.