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

A escolha entre barramento de cobre e alumínio é feita com base na condutividade, peso, preço por quilo, resistência a curto-circuito e custo instalado. Essa comparação é amplamente discutida em outro lugar. Este artigo começa após a decisão ter sido tomada.

Quando um palete do outro metal chega à oficina, as configurações da puncionadeira, as tolerâncias de dobra e os parâmetros de desbaste mudam, e a preparação da junta muda com eles. Essas são as variáveis aqui abordadas.

Comece pelos números mecânicos, não pelos elétricos

Tudo o que se segue decorre destes. Valores típicos para os dois materiais padrão de barramento, cobre de alta condutividade e alumínio grau 1350:

Dois pontos a reter. O alumínio tem aproximadamente um terço da resistência do cobre no mesmo estado de têmpera, e sua rigidez é aproximadamente metade. Essas duas relações são diferentes, e essa diferença é o que faz com que o retorno elácio se comporte de forma contraintuitiva.

Uma advertência adicional: "barramento de alumínio" abrange vários graus distintos. O 1350 na tabela acima é o grau mole, de alta condutividade. Muito barramento europeu e asiático é EN AW-6101B em T6, que possui um limite de escoamento mínimo a 0,2% de 160 N/mm² e uma resistência à tração mínima de 215 N/mm², com ≥52% de condutividade IACS. Isso é quase triplo o limite de escoamento do 1350 meio-duro, e altera todas as configurações de processo neste artigo. O grau deve ser estabelecido antes de qualquer configuração de máquina ser selecionada.

Força, e capacidade da máquina existente

A força de punção é perímetro × espessura × resistência ao cisalhamento. A resistência ao cisalhamento é onde os metais se separam.

Dados de punção publicados para C11000 indicam aproximadamente 179 N/mm² no cisalhamento para cobre meio-duro e 193 para duro. O alumínio 1xxx mole fica bem abaixo: 1100-O é listado em 62 N/mm². Pegue-se um furo de 13,5 mm em uma barra de 10 mm, portanto 42,4 mm de perímetro: o cobre meio-duro precisa de cerca de 76 kN, o alumínio mole de cerca de 26 kN.

Cuidado com a origem desses números de cobre. Valores na faixa de 200 a 230 circulam amplamente, mas são valores de tração sendo usados como valores de cisalhamento. Para o cobre, o cisalhamento medido gira em torno de 0,65 a 0,70 da tração, e não da regra geral de 0,8, de modo que usar o valor de tração sobrestima a força em cerca de um terço.

Os tamanhos de furo devem ser calculados por meio da calculadora de força de puncionamento, em vez de serem escalados a partir desse exemplo, considerando a gradação realmente mantida em estoque. Onde o alumínio é 6101B-T6 em vez de 1350, 62 N/mm² é uma estimativa muito otimista; algo mais próximo de 150 N/mm² é a premissa correta para a tonelagem, razão pela qual a calculadora lista as graduações de alumínio separadamente em vez de oferecer uma única opção 'alumínio'.

A consequência prática para uma oficina já equipada para cobre é que a força nunca é a restrição no alumínio. Uma EMAC-BP-60 com 600 kN é claramente sobredimensionada para barras de alumínio macio, o que é aceitável. O que não é aceitável é assumir que o processo é, portanto, mais fácil.

Macio não significa fácil

Esta é a parte que pega desprevenido. O cobre é mais duro, mas o cobre é mais previsível.

O cobre é um material de fratura relativamente frágil em termos de puncionamento. A punção penetra, uma trinca inicia-se na borda da punção e se propaga até encontrar a trinca da borda da matriz, e o estampo se separa. A transição da banda polida para a zona de fratura é limpa e a rebarba é pequena e consistente.

O alumínio macio não quer fraturar. Ele quer fluir. Ele se estica à frente da punção, arrasta-se para dentro da matriz e se separa tardiamente e de forma desordenada. Três problemas específicos decorrem disso.

O primeiro é a adesão e a aresta acumulada. O alumínio se transfere para a ferramenta. Trabalhos em chapa de 2 mm AA5754-O puncionada com punção de aço M2 mediram o volume transferido diretamente e constataram que a adesão prosseguia mais rápido nos primeiros golpes de uma punção seca, estabilizando-se a uma taxa de aproximadamente 7,5 × 10⁵ µm³ por golpe entre o 20º e o 125º. Lubrificar a chapa com um lubrificante à base de óleo reduziu significativamente a transferência. O que o material transferido faz é alterar a geometria efetiva da punção: a punção cresce, a folga diminui, o furo muda de tamanho e, eventualmente, a punção emperra no estampo.

O segundo é a solda a frio, que é a mesma adesão atuando sobre o estampo. Um estampo de alumínio que soldou-se à face da punção sobe com ela e pousa onde não deveria, geralmente na face da matriz, onde o próximo golpe o pressiona na barra.

O terceiro é o formato da rebarba. Uma rebarba de cobre é um bordo elevado que se remove facilmente. Uma rebarba de alumínio é uma aba dúctil enrolada que se doba sob a escova de desbastar em vez de se cortar, e volta a levantar-se quando a barra flexiona.

A folga vai contra a intuição

A regra geral é que material mais duro, com maior resistência ao corte, requer mais folga e material mais macio, mais dúctil, requer menos. Isso é o oposto do que a maioria dos operadores imagina, pois raciocinam com base na vida útil da ferramenta e não na qualidade do corte.

Se a folga para o alumínio for larga demais, ele não fratura de forma limpa. O material é arrastado e esticado na matriz, gerando um grande arredondamento de borda, um furo cônico (menor na entrada que na saída) e uma rebarba de rasgamento pesada na face inferior. Se for apertada demais, aparece um cisalhamento secundário, uma segunda faixa de fratura visível na parede do furo, e o problema de adesão piora porque as terras da punção e da matriz ficam mais próximas, com alumínio entre elas.

As tabelas de folga publicadas para barramento não concordam entre si, e algumas das que circulam são internamente inconsistentes. Portanto, utilize a parede do furo como instrumento. Uma faixa brunida limpa com uma única zona de fratura abaixo está correta. Uma faixa dupla de fratura indica aperto demais, e um rebaixamento grande com saída rompida indica folga demais. Os números e o diagnóstico completo estão em folga de punção para matriz de cobre e alumínio.

A outra correção que importa é a geometria da ponta da punção. Uma punção de faces planas que funciona em cobre precisará de um ângulo de cisalhamento ou um chanfro em alumínio para quebrar o corte progressivamente e reduzir a força de pico, o que diminui tanto o choque de penetração quanto a tendência do cavaco grudar.

Retorno elástico: depende do alumínio

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

Calcule a razão para os três materiais comuns de barramento:

O alumínio 1350 semi-duro retorna significativamente menos que o cobre semi-duro, porque embora seja muito mais fraco, também é muito menos rígido e sua resistência cai mais do que sua rigidez. O 6101B-T6 retorna aproximadamente metade mais uma vez que o cobre, porque recupera a maior 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 afirmações ouvidas de profissionais experientes, e por que ambas estão corretas sobre o material com o qual trabalham.

A resposta prática não é discutir, mas medir. As dobradeiras de barramento possuem compensação eletrônica de retorno elástico, o que significa que a correção é um valor armazenado por material e por combinação de ferramental, e não um hábito do operador. Configure três entradas de material, não uma chamada "alumínio", e faça uma dobra de teste para cada nova tempera ou fornecedor. A mesma disciplina se aplica ao raio de dobra mínimo, para o qual o alumínio geralmente precisa ser mais generoso, apesar das menores forças, porque a ductilidade que faz ele fluir sob a punção não o protege de rachaduras na fibra externa de uma dobra apertada.

Observe também o coeficiente de expansão de 23 × 10⁻⁶ por K em comparação com 17 do cobre. Em uma barra de 6 m, isso altera o comprimento medido em uma oficina fria e as posições dos furos quando o conjunto está quente.

A camada de óxido muda tudo a jusante

O cobre oxida lentamente, e o filme que se forma é semicondutor, porque íons de cobre difundem nele e a condução pode ocorrer através dele em ambas as direções. É por isso que junções de cobre nu funcionam.

O óxido de alumínio é um isolante elétrico de primeira classe e se forma em microssegundos quando uma superfície fresca encontra o ar. Cada barra de alumínio já vem com ele, e cada face cortada e furo puncionado gera um novo em segundos.

Também é mecanicamente duro. A corrupta é um abrasivo, com dureza na escala Vickers de milhares, contra cerca de 90 HV para o cobreWorkingHard. Portanto, o filme que não conduz é também o filme que desgasta a ferramenta, uma combinação desagradável: o alumínio sobrecarrega a ferramenta por adesão e a abraoda pelo óxido ao mesmo tempo.

Duas consequências na oficina.

Para desbaste, o alumínio carrega as faixas abrasivas e escovas muito mais rápido que o cobre, e as mídias carregadas polimentam em vez de cortar. Opere o alumínio com mídias dedicadas. Não compartilhe uma faixa entre os dois metais em nenhuma direção: partículas de cobre incorporadas em uma superfície de alumínio são células galvânicas aguardando umidade, e alumínio esmagado em uma junta de cobre é um filme isolante exatamente no lugar errado. A BND800-2 processa barras de 0,5 a 50 mm de espessura a 5 a 30 m/min, de modo que operar os dois metais como campanhas separadas com troca de mídia entre elas custa em agendamento, não em taxa de produção.

Para o registro, o óxido tem que ser quebrado mecanicamente na montagem e depois evitado que se reforme. A prática padrão é abrasar as faces sob uma camada de composto de junção, de modo que o metal fresco nunca veja o ar, e montar imediatamente. Uma barra preparada na segunda-feira e parafusada na terça-feira foi preparada para nada.

Revestimento e pareamento galvânico

Juntas nus de alumínio-a-alumínio podem funcionar se forem compostas e montadas adequadamente, mas são muito menos tolerantes que juntas nus de cobre-a-cobre, porque o óxido é isolante em vez de semicondutor e porque o alumínio sofre fluência.

Mantenha essa taxa de fluência em mente. O alumínio recozido 1080 a 20 °C apresenta uma taxa mínima de fluência de 0,022% por 1000 horas a 26 N/mm², e o cobre de alta condução recozido só atinge a mesma taxa, na mesma tensão, quando aquecido a 150 °C. O alumínio à temperatura ambiente sob a pressão normal de contato da junta já está fluindo a uma taxa que o cobre não atinge em nenhuma parte de sua faixa de serviço. Arruelas de pressão em juntas de alumínio não são uma melhoria, são a linha de base, e há mais informações sobre o motivo no artigo sobre juntas parafusadas.

Onde o alumínio encontra o cobre, o revestimento deixa de ser opcional. Os dois metais ficam muito distantes eletroquimicamente, com +0,34 V para o cobre e −1,66 V para o alumínio em relação ao eletrodo hidrogênio padrão, e com qualquer eletrólito presente o alumínio se corrói. As regras são curtas:

• Nunca parafuse alumínio nu com cobre nu em qualquer lugar que possa ver umidade ou condensação.
• Revesta a face de alumínio com estanho para que ambos os lados da interface sejam o mesmo metal, ou use uma placa de transição bimetálica ligada em fábrica.
• Onde a transição tiver que ser feita no campo, sela a interface com um composto e aceite um intervalo de inspeção.
• Mantenha os fixadores de aço fora do contato direto com o alumínio também. O pareamento é menos severo que com o cobre, mas não é benigno, e um fixador revestido ou de aço inoxidável com uma arruela isolante é barato.

Desgaste de ferramenta e lubrificação

O cobre é normalmente puncionado a seco. O cobre é abrasivo para as ferramentas de forma comum, mas não adere, de modo que a vida útil da ferramenta é determinada pelo desgaste da borda e é previsível.

A aluminium deve ser perfurada a molhado sempre que possível. A lubrificação é a intervenção mais eficaz contra a adesão, e cumpre duas funções simultaneamente: impede que o metal se transfira para a matriz e permite que a matriz se destache da batedeira sem arrasto. O compromisso é que o lubrificante no barramento precisa ser removido antes do isolamento ou do revestimento, devendo ser um grau que o processo de desengorduramento possa eliminar, e a etapa de limpeza deve constar do fluxo operacional em vez de ser pressuposta.

Revestimentos de ferramentas auxiliam. Matrizes nitradas ou com revestimento DLC resistem melhor à adesão de alumínio do que o aço-ferramenta convencional. A frequência da inspeção da matriz também deve ser alterada: cobre é inspecionado por contagem de golpes, alumínio pela qualidade do furo, pois a adesão degrada o furo muito antes da borda da matriz estar desgastada.

O que alterar quando o metal muda

Para uma linha em processamento intermitente, a lista curta é:

1. Confirmar a liga e o estado de recozimento no certificado de fundição, e não na nota de embalagem. 1350 e 6101B-T6 comportam-se de forma suficientemente distinta para serem tratados como materiais separados.
2. Redefinir a resistência ao corte no cálculo de força e rever a tonelagem em relação ao padrão de furos que realmente é perfurado com mais frequência.
3. Reduzir a folga para alumínio mole e verificar em relação à parede do furo, e não em relação a uma tabela.
4. Introduzir lubrificação na matriz e uma etapa de limpeza posterior.
5. Recalcular o retorno elástico por estado de recozimento utilizando amostras de dobra e armazená-lo como uma entrada de material separada na dobradeira.
6. Trocar os meios de desbaste e mantê-los segregados.
7. Alterar a especificação da junta: composto, montagem imediata, molas Belleville e revestimento em qualquer interface alumínio-cobre.

O estado de recozimento do cobre é tão importante dentro de sua família quanto, e a EN 13601 é a referência para isso: R220/H040 recozido mole a 220 a 260 N/mm² até R290/H090 endurecido a 290 a 360 N/mm². Uma oficina que processa um estado de recozimento de cobre e uma liga de alumínio tem dois materiais para gerenciar. Uma oficina que utiliza o que o comerciante tem em estoque consideravelmente mais de dois, e as configurações da máquina precisam refletir isso.