Cobre e alumínio no barramento, pelo lado de quem opera a máquina

Se você veio aqui para decidir se especifica barramento de cobre ou de alumínio, este é o artigo errado. Essa decisão se toma por condutividade, peso, preço por quilo, suportabilidade ao curto-circuito e custo instalado, já foi escrita à exaustão, e você vai encontrar tratamentos melhores do que qualquer coisa que pudéssemos acrescentar. Vá ler um deles.

Este texto é sobre o que acontece depois de a decisão estar tomada e um palete do outro metal aparecer na sua oficina. Os ajustes de furo estão errados, os ângulos de dobra estão errados, a linha de rebarbação empasta, e a primeira junta que você fizer também vai estar errada. Nada disso está na comparação de compras.

Comece pelos números mecânicos, não pelos elétricos

Tudo o que vem depois sai destes. Valores típicos para os dois materiais padrão de barramento, cobre de alta condutividade e alumínio grau 1350:

Duas coisas a guardar. O alumínio tem aproximadamente um terço da resistência do cobre na mesma têmpera, e tem aproximadamente metade da rigidez. Essas duas razões são diferentes, e é a diferença que faz o retorno elástico se comportar de forma contraintuitiva.

Mais uma advertência antes de seguir. "Barramento de alumínio" não é um material só. O 1350 da tabela acima é o grau mole, de alta condutividade. Boa parte do barramento europeu e asiático é EN AW-6101B em T6, que tem limite de escoamento 0.2% mínimo de 160 N/mm² e resistência à tração mínima de 215 N/mm², com condutividade ≥52% IACS. Isso é quase o triplo do limite de escoamento do 1350 meio-duro, e muda todo ajuste de processo deste artigo. Descubra qual dos dois você tem antes de encostar em uma máquina.

Força, e a máquina que você já tem

A força de furo é perímetro × espessura × resistência ao cisalhamento. É na resistência ao cisalhamento que os metais se separam.

Dados publicados de furo para o C11000 dão cerca de 179 N/mm² em cisalhamento para o cobre meio-duro e 193 para o duro. O alumínio mole da série 1xxx fica bem abaixo: o 1100-O é listado em 62 N/mm². Tome um furo de 13.5 mm em uma barra de 10 mm, portanto 42.4 mm de perímetro: o cobre meio-duro exige cerca de 76 kN, o alumínio mole cerca de 26 kN.

Cuidado com a origem desses números de cobre. Valores na faixa de 200 a 230 circulam bastante, mas são valores de tração usados como valores de cisalhamento. Para o cobre, o cisalhamento medido fica em aproximadamente 0.65 a 0.70 do de tração, e não nos 0.8 da regra de bolso, de modo que pegar emprestado o valor de tração superestima a força em cerca de um terço.

Passe os seus próprios tamanhos de furo pela calculadora de força de furo em vez de escalar a partir daquele exemplo, e escolha o grau que corresponde ao que está de fato no seu rack. Se o seu alumínio é 6101B-T6 e não 1350, 62 N/mm² é muito otimista; algo mais próximo de 150 N/mm² é a hipótese inicial correta para tonelagem, e é por isso que a calculadora lista os graus de alumínio separadamente em vez de oferecer uma única opção "alumínio".

A consequência prática para uma oficina já ferramentada para cobre é que a força nunca é a restrição no alumínio. Uma EMAC-BP-60 de 600 kN fica muito superespecificada para barra de alumínio mole, e tudo bem. O que não fica bem é supor que o processo, portanto, é mais fácil.

Mole não quer dizer fácil

É esta a parte que pega as pessoas de surpresa. O cobre é mais duro, mas o cobre é mais bem-comportado.

Em termos de furo, o cobre é um material que fratura com relativa nitidez. O punção penetra, uma trinca inicia na aresta do punção e se propaga até encontrar a trinca da aresta da matriz, e o recorte se separa. A transição da banda polida para a zona de fratura é limpa e a rebarba é pequena e constante.

O alumínio mole não quer fraturar. Ele quer escoar. Estica à frente do punção, é arrastado para dentro da matriz e se separa tarde e de forma desordenada. Três problemas específicos decorrem daí.

O primeiro é o engripamento e o aresta postiça. O alumínio se transfere para a ferramenta. Trabalhos com chapa de AA5754-O de 2 mm puncionada com aço-ferramenta M2 mediram diretamente o volume transferido e encontraram o engripamento avançando mais rápido nos primeiros golpes de um punção a seco, estabilizando em uma taxa de cerca de 7.5 × 10⁵ µm³ por golpe entre o 20º e o 125º. Lubrificar a chapa com um lubrificante de base oleosa reduziu sensivelmente a transferência. O que o material transferido faz é mudar a geometria efetiva do punção: o punção cresce, a folga fecha, o tamanho do furo deriva, e por fim o punção agarra no recorte.

O segundo é a soldagem a frio, que é a mesma adesão agindo sobre o recorte. Um recorte de alumínio que se soldou à face do punção sobe junto com ele e cai em algum lugar em que não deveria, normalmente sobre a face da matriz, onde o golpe seguinte o prensa contra a barra.

O terceiro é o formato da rebarba. Uma rebarba de cobre é um lábio levantado que dá para derrubar. Uma rebarba de alumínio é uma aleta dúctil dobrada que se enrola sob a escova de rebarbação em vez de ser cisalhada, e volta a se levantar quando a barra flexiona.

A folga vai no sentido contrário ao do seu instinto

A regra geral é que material mais duro e de maior resistência ao cisalhamento pede mais folga, e material mais mole e mais dúctil pede menos. É o oposto do que a maioria dos operadores chuta, porque eles raciocinam a partir da vida da ferramenta e não da qualidade do corte.

Ajuste a folga do alumínio larga demais e ele não fratura limpo. O material é arrastado e esticado para dentro da matriz, dando um grande arredondamento de borda, um furo cônico menor na entrada do que na saída, e uma rebarba pesada e rasgada na face inferior. Ajuste apertado demais e você obtém cisalhamento secundário, uma segunda banda de fratura visível na parede do furo, além de o problema de engripamento piorar, porque o punção e o assento da matriz ficam mais próximos com alumínio entre eles.

As tabelas publicadas de folga para barramento não concordam entre si, e algumas das que circulam são internamente inconsistentes, então use a parede do furo como instrumento. Uma banda polida limpa com uma única zona de fratura abaixo dela está certa; uma banda dupla de fratura significa folga apertada demais; e um grande arredondamento de borda com saída rasgada significa folga larga demais. Os números e o diagnóstico completo estão em folga entre punção e matriz para barramento de cobre e alumínio.

A outra correção que importa é a geometria do nariz do punção. Um punção de face plana que funciona em cobre vai precisar de um ângulo de cisalhamento ou de um bisel no alumínio para romper o corte progressivamente e derrubar a força de pico, o que reduz tanto o choque de rompimento brusco quanto a tendência de o recorte grudar.

Retorno elástico: depende de qual alumínio

O retorno elástico em uma dobra escala com a razão entre a tensão de escoamento e o módulo de elasticidade, σy/E, para uma dada razão entre raio de dobra e espessura. Não com a resistência sozinha, e não com a rigidez sozinha.

Calcule a razão para os três materiais comuns de barramento:

O 1350 meio-duro retorna sensivelmente menos que o cobre meio-duro, porque, embora seja muito mais fraco, também é muito menos rígido, e a resistência cai mais do que a rigidez. O 6101B-T6 retorna aproximadamente uma vez e meia o do cobre, porque recupera boa parte da resistência do cobre mantendo o baixo módulo do alumínio.

É por isso que "o alumínio retorna mais" e "o alumínio retorna menos" são duas afirmações que você vai ouvir de gente experiente, e por que as duas estão certas a respeito do material com que cada um trabalha.

A resposta prática não é discutir, é medir. As dobradeiras trazem compensação eletrônica de retorno elástico, o que significa que a correção é um valor armazenado por material e por combinação de ferramenta, e não um hábito do operador. Configure três entradas de material, não uma chamada "alumínio", e dobre um corpo de prova para cada nova têmpera ou fornecedor. A mesma disciplina vale para o raio mínimo de dobra, com o qual o alumínio geralmente precisa ser mais generoso apesar das forças menores, porque a ductilidade que o faz escoar sob um punção não o protege de trincar na fibra externa de uma dobra apertada.

Note também o coeficiente de dilatação de 23 × 10⁻⁶ por K contra os 17 do cobre. Em uma barra de 6 m, isso muda quanto comprimento você tem ao medi-la em uma oficina fria e onde os furos vão parar quando o conjunto estiver quente.

A camada de óxido muda tudo daí para a frente

O cobre oxida devagar, e o filme que se forma é semicondutor, porque íons de cobre difundem para dentro dele e a condução pode ocorrer nos dois sentidos. É por isso que juntas de cobre nu funcionam.

O óxido de alumínio é um isolante elétrico de primeira e se forma em microssegundos quando uma superfície nova encontra o ar. Toda barra de alumínio que você recebe já o tem. Toda face cortada e todo furo puncionado geram um novo antes de você conseguir apoiar a barra.

Ele também é mecanicamente duro. O coríndon é um abrasivo, com dureza na casa dos milhares na escala Vickers, contra aproximadamente 90 HV do cobre encruado. Ou seja, o filme que não conduz é também o filme que desgasta o seu ferramental, o que é uma combinação desagradável: o alumínio carrega a ferramenta por adesão e a abrasa pelo óxido ao mesmo tempo.

Duas consequências na oficina.

Na rebarbação, o alumínio empasta cintas e escovas abrasivas muito mais rápido do que o cobre, e a mídia empastada passa a brunir em vez de cortar. Rode alumínio com mídia dedicada. Não compartilhe uma cinta entre os dois metais em nenhum sentido: partículas de cobre incrustadas em uma superfície de alumínio são células galvânicas esperando umidade, e alumínio esfregado em uma face de junta de cobre é um filme isolante exatamente no lugar errado. A BND800-2 aceita barra de 0.5 a 50 mm de espessura a 5 a 30 m/min, então rodar os dois metais como campanhas separadas com troca de mídia entre elas custa programação, não produtividade.

Para o trabalho de juntas, o óxido tem de ser rompido mecanicamente na montagem e depois impedido de se refazer. A prática padrão é abrasar as faces de contato sob uma camada de composto de junta, de modo que o metal novo nunca veja o ar, e montar imediatamente. Uma barra preparada na segunda-feira e aparafusada na quarta foi preparada à toa.

Revestimento e par galvânico

Juntas de alumínio contra alumínio nu podem funcionar se forem compostadas e montadas direito, mas perdoam bem menos do que cobre nu contra cobre nu, porque o óxido é isolante em vez de semicondutor e porque o alumínio flui.

Carregue esse dado de fluência consigo. O alumínio 1080 recozido a 20 °C mostra uma taxa mínima de fluência de 0.022% por 1000 horas a 26 N/mm², e o cobre recozido de alta condutividade só alcança a mesma taxa, sob a mesma tensão, quando aquecido a 150 °C. O alumínio à temperatura ambiente sob pressão normal de contato de junta já está fluindo a uma taxa que o cobre não alcança em nenhum ponto da sua faixa de serviço. Arruelas de mola-prato em juntas de alumínio não são uma melhoria opcional, são a linha de base, e há mais sobre o porquê no artigo sobre juntas parafusadas.

Onde o alumínio encontra o cobre, o revestimento deixa de ser opcional. Os dois metais ficam eletroquimicamente distantes, a +0.34 V para o cobre e −1.66 V para o alumínio contra o eletrodo padrão de hidrogênio, e com qualquer eletrólito presente o alumínio corrói. As regras são curtas:

• Nunca aparafuse alumínio nu contra cobre nu em nenhum lugar que possa ver umidade ou condensação.
• Estanhe a face de alumínio para que os dois lados da interface sejam o mesmo metal, ou use uma placa de transição bimetálica unida em fábrica.
• Se você tiver de fazer a transição em campo, vede a interface com um composto e aceite um intervalo de inspeção.
• Mantenha fixadores de aço fora de contato direto com o alumínio também. O par é menos severo do que com cobre, mas não é inofensivo, e um fixador revestido ou inoxidável com arruela isolante é barato.

Desgaste de ferramenta e lubrificação

O cobre normalmente é furado a seco. O cobre é abrasivo para o ferramental do jeito comum, mas não adere, então a vida da ferramenta é fixada pelo desgaste da aresta e é previsível.

O alumínio não deve ser furado a seco, se der para evitar. A lubrificação é a intervenção isolada mais eficaz contra o engripamento, e faz dois serviços de uma vez: impede que o metal se transfira para o punção e deixa o punção sair do recorte sem arrastar. A contrapartida é que lubrificante em um barramento tem de sair antes do isolamento ou do revestimento, então precisa ser um grau que o seu processo de desengraxe consiga de fato remover, e a etapa de limpeza precisa estar no roteiro, e não ser presumida.

Revestimentos de ferramenta ajudam. Punções nitretados ou com revestimento DLC resistem melhor ao acúmulo de alumínio do que aço-ferramenta comum. A frequência de inspeção do punção também deve mudar: com cobre você inspeciona por contagem de golpes, com alumínio você inspeciona pela qualidade do furo, porque o engripamento degrada o furo muito antes de a aresta do punção estar gasta.

O que mudar quando o metal muda

Se você está convertendo uma linha, a lista curta é:

1. Confirme a liga e a têmpera pelo certificado da laminação, não pelo romaneio. O 1350 e o 6101B-T6 se comportam de forma suficientemente diferente para serem tratados como materiais separados.
2. Redefina a resistência ao cisalhamento no cálculo de força e reconfira a tonelagem contra o padrão de furos que de fato mais se pune.
3. Reduza a folga para alumínio mole e verifique pela parede do furo, não por uma tabela.
4. Introduza lubrificação no furo e uma etapa de limpeza a jusante dele.
5. Redetermine o retorno elástico por têmpera dobrando corpos de prova, e guarde-o como entrada de material separada na dobradeira.
6. Troque a mídia de rebarbação e mantenha-as segregadas.
7. Mude a especificação de junta: composto, montagem imediata, molas-prato e revestimento em qualquer interface alumínio-cobre.

A têmpera do próprio cobre importa tanto dentro da sua família, e a EN 13601 é a referência para isso: do R220/H040 recozido mole, de 220 a 260 N/mm², até o R290/H090 duro, de 290 a 360 N/mm². Uma oficina que roda uma têmpera de cobre e um grau de alumínio tem dois materiais a gerenciar. Uma oficina que pega o que o distribuidor tiver em estoque tem consideravelmente mais que dois, e os ajustes de máquina precisam refletir isso.