Состояние поставки меди и минимальный радиус гиба

«Медная шина, 100 × 10, 3 метра» — не покупаемая спецификация. Она называет металл и сечение и опускает единственное свойство, которое решает, согнётся ли шина по радиусу с вашего чертежа или треснет по наружной грани на первой же детали. Это свойство — состояние поставки, и это поле снабжения раньше, чем цеховая задача: как только шина легла на стеллаж, изменить его без печи уже никто не сможет.

Дальше рекомендации по радиусу гиба привязаны к обозначениям состояния поставки, которые появляются в заказах на закупку и в сертификатах завода-изготовителя, а не к одной лишь толщине. Толщина имеет значение, но она — вторая переменная.

Что означают обозначения EN 13601

EN 13601 распространяется на медные прутки, шины и проволоку для электротехнических целей, и для работы с шиной интерес представляет марка Cu-ETP с обозначением CW004A. Стандарт определяет состояние материала двумя способами, и оба встречаются в сертификатах.

Обозначение R привязано к минимальному пределу прочности при растяжении в N/mm². R220 означает минимальный предел прочности 220. Обозначение H привязано к минимальной твёрдости по Виккерсу. H040 означает минимум 40 HV. Они идут параллельно, поэтому вы и видите их в паре.

Диапазоны предела прочности — из стандарта. Значения условного предела текучести, относительного удлинения и твёрдости — те, что заводы публикуют в спецификациях рядом с этими обозначениями для Cu-ETP, и принимать их следует как типичные, а не как нормативные; руководство Copper Development Association по шинам приводит от 50 до 55 N/mm² условного предела текучести для полностью отожжённой меди шинного сечения и от 170 до 200 N/mm² для полутвёрдой, что в мягкой части диапазона ниже приведённых выше значений для ленты.

Из таблицы следуют две вещи, и обе важнее самих чисел.

Во-первых, цепочка односторонняя. Холодная деформация повышает предел прочности, повышает предел текучести, повышает твёрдость и снижает относительное удлинение. Все свойства в строке движутся вместе, потому что все они следуют из одной и той же плотности дислокаций. Купить твёрдую медь, у которой при этом сохранилась формуемость мягкой, нельзя.

Во-вторых, столбец относительного удлинения падает намного быстрее, чем растут столбцы прочности. Переход от R220 к R290 даёт примерно 40 % прироста предела прочности и стоит около 88 % относительного удлинения. Эта асимметрия и есть причина, по которой выбор состояния поставки определяется соображениями формообразования, а не прочности.

Размерный эффект, о котором не упоминают

На твёрдое состояние есть оговорка, на которой люди спотыкаются на крупных сечениях. Максимально достижимая прочность зависит от поперечного сечения, потому что величина холодной деформации, которую завод может вложить в шину, ограничена тем, какую степень обжатия по площади допускает процесс. Руководство CDA относит шину в твёрдом состоянии к диапазону от 250 до 340 N/mm² в зависимости от площади поперечного сечения, причём крупные сечения лежат в нижней его части.

Поэтому «твёрдая» на шине 30 × 5 и «твёрдая» на шине 200 × 12 — не одно и то же состояние материала, даже когда в обоих сертификатах написано R290. Крупное сечение окажется ближе к нижней границе полосы, будет чуть терпимее к гибке и будет пружинить чуть меньше. Если вы переносите проверенную таблицу поправок с малого сечения на крупное, ожидайте, что она окажется консервативной, а не ошибочной.

Минимальный радиус гиба при гибке плашмя

Опубликованная отправная точка — рекомендации CDA для меди высокой проводимости в полутвёрдом или твёрдом состоянии, которые задают минимальные радиусы гибочной оправки как кратные толщине:

Свыше 50 mm шину обычно не гнут вовсе; CDA отмечает, что это выполнимо с местным отжигом перед формообразованием.

Эти значения уже предполагают более твёрдые состояния, поэтому для R240 и R290 они служат безопасной нижней границей. Для R220 можно идти туже, но повод для этого возникает редко. Чего диапазоны по толщине не показывают, так это оси состояния поставки, поэтому на практике рабочая таблица выглядит скорее так:

Столбцы R220 и R290 принимайте как ориентировочные. Таблица CDA — проверенная опора; разброс по обе стороны от неё отражает обычную цеховую практику и должен подтверждаться на первой детали для каждого сочетания материала, толщины и оснастки.

Относительное удлинение ранжирует состояния поставки, но лимита деформации при гибке не задаёт

Инженерная деформация в наружном волокне гиба следует прямо из геометрии:

ε = t / (2R + t) = 1 / (2·(R/t) + 1)

При R/t = 1 это 33 %. При R/t = 2 — 20 %. При R/t = 4 — 11 %. Сопоставьте это со столбцом относительного удлинения: для R290 задан минимум 4 %, что при наивном прочтении потребовало бы R/t выше 11, прежде чем наружное волокно уцелеет.

Не потребует, и понимание причины избавляет от завышения радиусов. Испытание на растяжение измеряет относительное удлинение до разрушения на равномерной расчётной длине, где шейка свободно образуется и развивается. При гибке пиковая деформация существует только на наружной поверхности на коротком участке дуги, а окружающий недеформированный материал не даёт шейке развиться. Достижимая деформация при гибке поэтому с большим запасом превосходит относительное удлинение при растяжении — именно так CDA и может задавать 1 t для твёрдой меди толщиной до 10 mm на материале с относительным удлинением 4 %.

Пользуйтесь величиной относительного удлинения, чтобы ранжировать состояния поставки между собой и предсказывать, какое треснет первым. Не пользуйтесь ею как лимитом деформации при гибке.

Как выглядит разрушение

Растрескивание по наружному волокну развивается через узнаваемые стадии, и обнаружение его на первой стадии спасает партию.

Первой идёт «апельсиновая корка». Наружная поверхность огрубляется в заметную текстуру по мере того, как отдельные зёрна деформируются независимо друг от друга. Само по себе это косметика, но она говорит, что наружное волокно близко к своему пределу, и она усиливается с ростом размера зерна, который сам является признаком чрезмерного отжига.

Дальше идут поперечные микротрещины, идущие параллельно оси гиба поперёк наружной грани. На шине с покрытием они могут проявиться только как разрывы покрытия. На этой стадии деталь — брак, потому что трещина является концентратором напряжений ровно там, где усталостная нагрузка в эксплуатации максимальна. Сквозное растрескивание — конечная стадия, и описания не требует.

На внутренней грани механизм разрушения другой: потеря устойчивости при сжатии, проявляющаяся как выпучивание или гофрирование. При гибке плашмя это обычно признак того, что шина была недостаточно поддержана. При гибке на ребро это определяющее ограничение, а не побочное.

Гибка на ребро требует радикально больших радиусов

Всё сказанное выше относится к гибке плашмя, где шина складывается через свою толщину и деформацию определяет малый размер. Согните ту же шину трудным путём, через её ширину, и геометрия меняется полностью: наружное волокно теперь отстоит от нейтральной линии на половину ширины шины, а не на половину толщины, а у внутреннего волокна оказывается длинный неподкреплённый пролёт в сжатии.

Практическое подтверждение — в таблицах возможностей станков. SMART-603CNC-S рассчитан на 260 × 20 mm при гибке плашмя и на 125 × 15 mm при гибке на ребро, и это примерно двукратное уменьшение обоих размеров — картина, которую вы найдёте по шиногибочному оборудованию в целом. Минимальные радиусы для работы на ребро исчисляются кратными ширине шины, а не толщине, и обычно в несколько раз превышают значение для гибки плашмя. Сравнение гибки шины на ребро и плашмя разбирает механику и конструктивные альтернативы.

Не переносите правило радиуса для гибки плашмя на гибку на ребро. Это самый быстрый путь к трещине по наружной кромке.

Направление волокна

Катаная и тянутая медь несёт кристаллографическую текстуру, ориентированную по направлению обработки, и формуемость из-за этого получается направленной. Действует общее правило из листовой штамповки: гиб, ось которого идёт перпендикулярно направлению прокатки, — благоприятная ориентация, а гиб, ось которого идёт параллельно ему, — тот, который трескается.

Для обычной шины это работает в вашу пользу без каких-либо усилий. Шину катают или тянут вдоль её длины, и обычный поперечный гиб ставит ось гиба поперёк шины, перпендикулярно направлению обработки. Вы уже находитесь в благоприятной ориентации.

Автоматически это перестаёт работать на шине, вырезанной из широкого листа или нарезанной продольно из рулона, где длина готовой шины может не совпадать с исходным направлением прокатки. Если поставщик подменит тянутую шину нарезанной из рулона, поведение при гибке может измениться, хотя сертификат по прочности читается одинаково. Это хороший повод фиксировать вид полуфабриката, а не только марку и состояние поставки, в записи процесса гибки.

Как читать сертификат завода-изготовителя

Полезный сертификат на шину содержит марку и стандарт: Cu-ETP CW004A по EN 13601. Он содержит обозначение состояния поставки в обеих формах там, где завод приводит обе: R240 / H065. Он содержит измеренные предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твёрдость с привязкой к номеру плавки или партии. Он содержит проводимость в процентах IACS, которая для отожжённого материала должна быть 100 % или выше, а для твёрдотянутого — не менее 97 %, потому что холодная деформация стоит от 2 до 3 % проводимости.

Чего он обычно не содержит, если не попросить, — это измеренный условный предел текучести 0,2 %. Это как раз то число, которое нужно расчёту пружинения, и для R220 у него самый широкий допускаемый разброс. Стандарт задаёт для мягкого материала потолок предела текучести, а не нижнюю границу, поэтому две отвечающие стандарту шины R220 могут различаться вдвое по величине пружинения. Если вы работаете с мягкой медью в производстве, впишите измеренный Rp0.2 в заказ на закупку.

Второе, что стоит проверить, — что сертификат относится к поставленной партии, а не к типовому испытанию. Сертификаты по типовым испытаниям распространены и представляют собой не то же самое доказательство.

Когда отжиг — правильный ответ

Законные случаи есть. Шина толщиной свыше 50 mm, где местный отжиг в зоне гиба перед формообразованием — единственный практический путь. Переделка уже отформованной шины, где зона гиба нагартована первой операцией и второй гиб в том же месте треснет. Очень тугие радиусы при модернизации, где шина уже отрезана, а альтернатива — брак.

Есть и распространённый случай, который законным основанием не является: купить твёрдую шину потому, что именно она была у поставщика, а затем отжечь её, чтобы она гнулась. Такая последовательность платит за холодную деформацию, а затем платит ещё раз за её устранение и выбрасывает механические свойства, которые давало твёрдое состояние. Твёрдая шина сопротивляется провисанию на длинных неподкреплённых пролётах и сопротивляется остаточному искажению формы под действием электродинамических усилий короткого замыкания. Отожгите шину целиком — и вы не купили ни формуемости R220, ни жёсткости R290.

Прежде чем решаться на отжиг, учтите два технических ограничения. Cu-ETP прогрессивно разупрочняется выше примерно 150 °C, а полный рекристаллизационный отжиг обычно ведут около 400 °C, где рекристаллизация по существу завершается за минуты. Более длительные выдержки укрупняют зерно, а крупное зерно даёт «апельсиновую корку» на следующем гибе, поэтому долгий отжиг способен ухудшить состояние поверхности, одновременно делая материал мягче.

Второе ограничение специфично для этой марки. Cu-ETP содержит остаточный кислород. Отожгите её в водородсодержащей атмосфере — и водород диффундирует внутрь, восстанавливает оксидные включения и образует водяной пар по границам зёрен, что необратимо охрупчивает материал. EN 13601 несёт требование стойкости к водородному охрупчиванию ровно по этой причине. Если отжиг входит в ваш процесс, управляйте атмосферой печи или задавайте вместо этого бескислородную марку.

Как оформить заказ на закупку

Минимальный набор для заказа шины — марка и стандарт, обозначение состояния поставки, сечение, вид полуфабриката и требование к сертификату. Добавление измеренного условного предела текучести заводу ничего не стоит и снимает крупнейший единичный источник ухода параметров при гибке. Если шина отправляется на шиногиб с сохранённой таблицей поправок на пружинение, обозначение состояния поставки — это ключ, по которому построена эта таблица, и незаданное состояние поставки означает, что действительной записи в таблице нет.

Состояние поставки при этом никак не влияет на длительно допустимый ток, который задаётся сечением, расположением и тепловой средой; если ограничение у вас именно в этом, калькулятор допустимого тока шины обрабатывает его независимо от того, как шина была обработана. Эти два решения разделимы, и разделение не даёт доводам о формуемости просачиваться в доводы о выборе сечения.