Медная и алюминиевая шина со стороны оператора станка

Если вы пришли сюда, чтобы решить, задавать медную или алюминиевую шину, статья не та. Это решение принимают по проводимости, массе, цене за килограмм, стойкости к токам короткого замыкания и стоимости смонтированной трассы, об этом написано исчерпывающе, и вы найдёте разборы лучше всего, что мы могли бы добавить. Идите и прочитайте один из них.

Здесь — о том, что происходит после того, как решение принято, и в вашем цехе появляется поддон другого металла. Настройки пробивки неверны, углы гиба неверны, линия снятия заусенцев засаливается, и первое соединение, которое вы сделаете, тоже будет неверным. Ничего из этого в сравнении для снабжения нет.

Начните с механических характеристик, а не с электрических

Всё дальнейшее следует из них. Типичные значения для двух стандартных материалов шины — меди высокой проводимости и алюминия марки 1350:

Держите в голове две вещи. Алюминий примерно втрое слабее меди в том же состоянии поставки, и он примерно вдвое менее жёсток. Эти два отношения различны, и именно это различие делает поведение пружинения контринтуитивным.

Ещё одно предостережение, прежде чем идти дальше. «Алюминиевая шина» — не один материал. 1350 в таблице выше — мягкая марка высокой проводимости. Значительная часть европейской и азиатской шины — это EN AW-6101B в состоянии T6, у которого минимальный условный предел текучести 0,2 % составляет 160 N/mm², а минимальный предел прочности при растяжении — 215 N/mm² при проводимости ≥52 % IACS. Это почти втрое выше предела текучести полутвёрдого 1350, и это меняет каждую технологическую настройку в этой статье. Выясните, какой из них у вас, прежде чем подходить к станку.

Усилие и станок, который у вас уже есть

Усилие пробивки — это периметр × толщина × сопротивление срезу. Именно на сопротивлении срезу металлы расходятся.

Опубликованные данные по пробивке C11000 дают около 179 N/mm² на срез для полутвёрдой меди и 193 для твёрдой. Мягкий алюминий серии 1xxx лежит существенно ниже: для 1100-O указывают 62 N/mm². Возьмём отверстие 13,5 mm в шине толщиной 10 mm, то есть 42,4 mm периметра: полутвёрдой меди нужно около 76 kN, мягкому алюминию — около 26 kN.

Будьте внимательны к тому, откуда взяты эти значения по меди. Цифры в диапазоне от 200 до 230 ходят широко, но это значения предела прочности при растяжении, применяемые как значения сопротивления срезу. Для меди измеренное сопротивление срезу составляет примерно от 0,65 до 0,70 предела прочности, а не 0,8 по эмпирическому правилу, поэтому заимствование значения предела прочности завышает усилие примерно на треть.

Прогоняйте собственные размеры отверстий через калькулятор усилия пробивки, а не масштабируйте от этого примера, и выбирайте марку, которая соответствует тому, что действительно лежит у вас на стеллаже. Если ваш алюминий — 6101B-T6, а не 1350, то 62 N/mm² сильно оптимистичны; правильное исходное допущение по усилию пресса — что-то ближе к 150 N/mm², и именно поэтому калькулятор перечисляет марки алюминия по отдельности, а не предлагает один вариант «алюминий».

Практическое следствие для цеха, уже оснащённого под медь, — усилие никогда не является ограничением на алюминии. EMAC-BP-60 на 600 kN сильно избыточен для мягкой алюминиевой шины, и это нормально. Ненормально — считать, что процесс из-за этого проще.

Мягкий не значит лёгкий

Вот на чём люди и спотыкаются. Медь твёрже, но медь ведёт себя лучше.

Медь в терминах пробивки — материал, разрушающийся относительно хрупко. Пуансон внедряется, от его кромки зарождается трещина и распространяется навстречу трещине от кромки матрицы, и высечка отделяется. Переход от блестящего пояска к зоне скола чистый, а заусенец мелкий и стабильный.

Мягкий алюминий разрушаться не хочет. Он хочет течь. Он вытягивается впереди пуансона, затягивается в матрицу и отделяется поздно и неопрятно. Отсюда три конкретные проблемы.

Первая — налипание и нарост на режущей кромке. Алюминий переносится на инструмент. Работа по листу AA5754-O толщиной 2 mm, пробиваемому инструментом из стали M2, измерила перенесённый объём напрямую и обнаружила, что налипание идёт быстрее всего на первых ходах при сухой пробивке, выходя на уровень около 7,5 × 10⁵ µm³ за ход между 20-м и 125-м. Смазывание листа смазкой на масляной основе заметно снижало перенос. Перенесённый материал меняет действующую геометрию пуансона: пуансон растёт, зазор закрывается, размер отверстия уходит, и в конце концов пуансон заклинивает в высечке.

Вторая — холодная сварка, то есть та же адгезия, действующая на высечку. Алюминиевая высечка, приварившаяся к торцу пуансона, поднимается вместе с ним и приземляется там, где не должна, обычно на зеркале матрицы, где следующий ход вдавливает её в шину.

Третья — форма заусенца. Медный заусенец — это приподнятая губа, которую можно сбить. Алюминиевый заусенец — это завёрнутый пластичный гребень, который под щёткой для снятия заусенцев подгибается, а не срезается, и снова встаёт, когда шина изгибается.

Зазор идёт в сторону, обратную вашей интуиции

Общее правило: более твёрдый материал с более высоким сопротивлением срезу требует большего зазора, а более мягкий и пластичный — меньшего. Это противоположно тому, что предполагает большинство операторов, потому что они рассуждают от стойкости инструмента, а не от качества реза.

Задайте на алюминии слишком широкий зазор — и он не разрушится чисто. Материал затягивается и вытягивается в матрицу, давая крупную зону смятия, коническое отверстие, меньшее на входе, чем на выходе, и тяжёлый рваный заусенец снизу. Задайте слишком тесный — и вы получите вторичный срез, видимую вторую полосу скола на стенке отверстия, плюс усугубится налипание, поскольку пуансон и поясок матрицы оказываются ближе друг к другу, а между ними алюминий.

Опубликованные таблицы зазоров для шины не согласуются между собой, а некоторые из ходящих по рукам внутренне противоречивы, поэтому пользуйтесь стенкой отверстия как измерительным прибором. Чистый блестящий поясок с единственной зоной скола под ним — правильно, двойная полоса скола означает, что зазор слишком тесный, а крупная зона смятия с рваным выходом — что слишком широкий. Числа и полная диагностика — в материале «Зазор между пуансоном и матрицей для медной и алюминиевой шины».

Вторая существенная поправка — геометрия торца пуансона. Пуансону с плоским торцом, который работает на меди, на алюминии потребуется угол среза или скос, чтобы разрушение шло постепенно и пиковое усилие снижалось; это уменьшает и удар обратной нагрузки при пробое, и склонность высечки прилипать.

Пружинение: зависит от того, какой алюминий

Пружинение при гибке масштабируется отношением предела текучести к модулю упругости, σy/E, при заданном отношении радиуса гиба к толщине. Не одной лишь прочностью и не одной лишь жёсткостью.

Посчитаем это отношение для трёх распространённых материалов шины:

Полутвёрдый 1350 пружинит заметно меньше, чем полутвёрдая медь, потому что, будучи намного слабее, он ещё и намного менее жёсток, и прочность падает сильнее, чем жёсткость. 6101B-T6 пружинит примерно в полтора раза сильнее меди, потому что он восстанавливает большую часть прочности меди, сохраняя низкий модуль алюминия.

Именно поэтому «алюминий пружинит сильнее» и «алюминий пружинит слабее» — оба утверждения, которые вы услышите от опытных людей, и оба они правы относительно того материала, с которым эти люди работают.

Практический ответ — не спорить об этом, а измерить. Шиногибы несут электронную компенсацию пружинения, а это значит, что поправка — сохранённое значение на материал и на сочетание инструмента, а не привычка оператора. Заведите три записи материалов, а не одну под названием «алюминий», и гните пробный образец на каждое новое состояние поставки и каждого нового поставщика. Та же дисциплина относится к минимальному радиусу гиба, к которому алюминий, несмотря на меньшие усилия, обычно требует более щедрого подхода, потому что пластичность, заставляющая его течь под пуансоном, не защищает его от растрескивания по наружному волокну на тугом гибе.

Обратите внимание и на коэффициент расширения 23 × 10⁻⁶ на K против 17 у меди. На шине длиной 6 m это меняет и то, сколько у вас длины, когда вы меряете её в холодном цехе, и то, куда попадут отверстия, когда сборка нагрета.

Оксидный слой меняет всё, что идёт дальше

Медь окисляется медленно, а образующаяся плёнка полупроводящая, потому что ионы меди диффундируют в неё и проводимость может идти сквозь неё в обе стороны. Именно поэтому соединения на меди без покрытия работают.

Оксид алюминия — первоклассный электрический изолятор, и он образуется за микросекунды после встречи свежей поверхности с воздухом. На каждой алюминиевой шине, которую вы получаете, он уже есть. Каждый отрезанный торец и каждое пробитое отверстие обзаводятся новым раньше, чем вы успеете отложить шину.

Он к тому же механически твёрд. Корунд — абразив с твёрдостью в тысячи единиц по шкале Виккерса против примерно 90 HV у твёрдотянутой меди. Так что плёнка, которая не проводит, — это ещё и плёнка, изнашивающая вашу оснастку, и сочетание неприятное: алюминий одновременно засаливает инструмент адгезией и истирает его оксидом.

Два следствия в цехе.

Для снятия заусенцев алюминий засаливает абразивные ленты и щётки намного быстрее меди, а засаленный абразив затем не режет, а наглаживает. Ведите алюминий на выделенном абразивном инструменте. Не используйте одну ленту на обоих металлах ни в ту, ни в другую сторону: частицы меди, внедрённые в алюминиевую поверхность, — это гальванические пары, ожидающие влажности, а алюминий, размазанный по поверхности медного стыка, — изолирующая плёнка ровно в неподходящем месте. BND800-2 принимает шину толщиной от 0,5 до 50 mm со скоростью от 5 до 30 m/min, поэтому ведение двух металлов раздельными кампаниями со сменой абразивного инструмента между ними стоит планирования, а не производительности.

Для соединений оксид нужно механически разрушить при сборке и затем не дать ему образоваться заново. Стандартная практика — зачищать сопрягаемые поверхности под слоем контактной пасты, чтобы свежий металл никогда не видел воздуха, и собирать немедленно. Шина, подготовленная в понедельник и притянутая болтами в среду, подготовлена впустую.

Покрытия и гальванические пары

Соединения «алюминий — алюминий» без покрытия работать могут, если применена паста и сборка выполнена правильно, но они гораздо менее терпимы, чем «медь — медь» без покрытия, потому что оксид изолирующий, а не полупроводящий, и потому что алюминий ползёт.

Держите эту цифру по ползучести при себе. Отожжённый алюминий 1080 при 20 °C показывает минимальную скорость ползучести 0,022 % за 1000 часов при 26 N/mm², а отожжённая медь высокой проводимости достигает той же скорости при том же напряжении только при нагреве до 150 °C. Алюминий при комнатной температуре под обычным контактным давлением стыка уже ползёт со скоростью, до которой медь не доходит нигде в своём рабочем диапазоне. Тарельчатые пружинные шайбы на алюминиевых соединениях — не улучшение, а базовый уровень, и подробнее о том, почему, — в статье о болтовых соединениях.

Там, где алюминий встречается с медью, покрытие перестаёт быть необязательным. Эти два металла электрохимически далеки друг от друга: +0,34 V у меди и −1,66 V у алюминия относительно стандартного водородного электрода, и при наличии любого электролита корродирует алюминий. Правила коротки:

• Никогда не соединяйте болтами алюминий без покрытия с медью без покрытия там, где возможны влага или конденсат.
• Лудите алюминиевую поверхность, чтобы обе стороны границы раздела были одним и тем же металлом, либо применяйте биметаллическую переходную пластину заводского соединения.
• Если переход приходится выполнять на объекте, герметизируйте границу раздела пастой и примите интервал осмотров.
• Стальной крепёж тоже держите вне непосредственного контакта с алюминием. Эта пара менее тяжёлая, чем с медью, но безобидной не является, а крепёж с покрытием или из нержавеющей стали с изолирующей шайбой стоит дёшево.

Износ инструмента и смазка

Медь обычно пробивают всухую. Медь абразивна для оснастки обычным образом, но не налипает, поэтому стойкость инструмента определяется износом режущей кромки и предсказуема.

Алюминий пробивать всухую не следует, если этого можно избежать. Смазка — самое действенное одиночное вмешательство против налипания, и она делает два дела сразу: не даёт металлу переноситься на пуансон и позволяет пуансону выйти из высечки без затягивания. Расплата в том, что смазку с шины нужно удалить перед нанесением изоляции или покрытия, поэтому она должна быть той марки, которую ваш процесс обезжиривания действительно снимает, а операция очистки должна стоять в маршруте, а не подразумеваться.

Покрытия инструмента помогают. Азотированные пуансоны и пуансоны с покрытием DLC сопротивляются налипанию алюминия лучше, чем из простой инструментальной стали. Периодичность осмотра пуансона тоже должна измениться: на меди вы осматриваете по счётчику ходов, на алюминии — по качеству отверстия, потому что налипание портит отверстие задолго до того, как кромка пуансона износится.

Что менять, когда меняется металл

Если вы переводите линию, короткий список такой:

1. Подтвердите сплав и состояние поставки по сертификату завода-изготовителя, а не по упаковочному листу. 1350 и 6101B-T6 ведут себя достаточно по-разному, чтобы считать их отдельными материалами.
2. Переустановите сопротивление срезу в расчёте усилия и перепроверьте усилие пресса по той схеме отверстий, которую действительно пробиваете чаще всего.
3. Уменьшите зазор для мягкого алюминия и проверяйте по стенке отверстия, а не по таблице.
4. Введите смазку на пробивке и операцию очистки после неё.
5. Заново определите пружинение для каждого состояния поставки гибкой образцов и сохраните его как отдельную запись материала в шиногибе.
6. Смените абразивный инструмент для снятия заусенцев и держите его раздельно.
7. Измените требования к соединению: паста, немедленная сборка, тарельчатые пружины и покрытие на любой границе «алюминий — медь».

Состояние поставки самой меди внутри её семейства значит не меньше, и справочником здесь служит EN 13601: от R220/H040, мягкой отожжённой при 220–260 N/mm², до R290/H090, твёрдой при 290–360 N/mm². У цеха, который ведёт одно состояние поставки меди и одну марку алюминия, в управлении два материала. У цеха, который берёт то, что есть на складе у трейдера, их существенно больше двух, и настройки станка должны это отражать.