加工之后的平面度、直线度与扭曲该怎样规定

一张只写着“母排应平直”的图纸，其实什么也没有规定。这个说法被笼统地用来指三项几何上互不相同的特性，它们成因不同、测量方法不同、可达到的数值也不同。来料检验时的争执，通常就是在争到底指的是哪一项。

平面度是表面的属性：表面上每一点都必须落在相距为公差值的两个平行平面之间。它不说明误差的方向。

直线度是一条线、一条棱边或母排轴线的属性。在矩形母排上它分成两种。弓弯 (bow) 是厚度方向上的弯曲，母排平放在大面上时会翘动。镰刀弯 (camber) 是宽度方向上的弯曲，母排平放时看上去像一根香蕉。一根排完全可能其中一种很大，另一种为零。

扭曲是横截面绕纵轴的转动，因此两端不在同一平面内。三者之中，只有它无法通过把排放在台面上、沿长度方向看过去而发现，也正是它最常在装配时才被发现。

没有基准长度，这三项都没有意义。“镰刀弯 2 mm”什么也没告诉您。“任意 1000 mm 长度内镰刀弯最大 2 mm”才是一项规定。

材料到货时就已经带着什么

在怪自己的工艺之前，先看看材料到货时本身是什么状态。ASTM B187/B187M 是覆盖铜母排、铜棒和异型材的规范，它在 Table 10 中把直线度规定为在指定长度区段上测得的最大弓高：

• 一般母排：60 in [1500 mm] 长度上 1/4 in [6 mm]
• 半硬态矩形母排，厚 3 到 15 mm、宽 50 到 150 mm：96 in [2400 mm] 长度上 1/8 in [3 mm]
• 棒材：120 in [3000 mm] 长度上 1/2 in [13 mm]
• 异型材：72 in [1800 mm] 长度上 1/2 in [13 mm]

方法和数值同样重要。标准要求把母排放在水平台面上，使直线度偏差落在水平方向上，并用钢尺和直尺测量最大弓高，读数精确到 1/32 in [0.8 mm]。水平测量把重力从结果中排除掉。一段 3 m 长的 100 × 10 mm 铜排重 27 kg，如果两端支撑、在竖直方向上测量，它会在自重下下垂好几毫米，而这段下垂并不是母排本身的属性。

来料在 2.4 m 上就允许有 3 mm 的镰刀弯，这比多数装配人员预期的大得多。如果成品件的公差比来料公差还严，那么工艺就必须消除误差而不是保留误差，而这一点必须在工艺设计时就安排进去。

冲孔如何造成弓弯与镰刀弯

冲孔并不是中性地去掉材料。它在每个孔周围留下一个残余应力场，而这些应力场叠加起来会让母排变形。

有两种机理在起作用。在孔的周围，冲头进入时材料被向内、向下带动，使入口一侧的区域受压；断裂阶段材料又被从出口面挤出，使该区域受拉。当受拉一项占主导时，母排就产生弓弯。这种作用是局部的：同一根排上，孔密集的区段会弯，而没有冲孔的区段仍然平直——这就是弓弯常常表现为一处折角而不是一条平滑圆弧的原因。

第二种机理是冲程本身。冲头向下压时，母排会向凹模孔内挠曲。上表面受压、下表面受拉，其中的塑性部分不会恢复。

有四件事会让它更严重，而这四件都是可控的。孔密度决定累积应力的大小，它来自图纸。厚度增大塌角和冲孔力，而正是这个力使孔周围的材料变形。模具状态在实际中影响最大：钝的冲头所需的力明显大于锋利冲头，产生的塌角也更大——一根排以前一直好好的、突然开始下机时就带弯，通常就是这个原因。还有冲裁间隙：间隙偏小会增大冲孔力，也就增大弓弯。最后这一项与决定模具寿命的是同一个变量，铜排与铝排的冲裁间隙一文对此有专门讨论。

镰刀弯与弓弯不同，它来自宽度方向上的不对称。宽排上沿一条边排列的孔位，使受应力区偏离中性轴，母排于是在平面内弯曲。关于中心线对称的孔位基本可以避免这一点——这也是支持 DIN 43673-1 标准孔位的一条不太被提起的理由。

除了保持模具锋利和间隙正确之外，还有两项对策。控制卸料板或压料脚的压力：它在冲切过程中把母排压平，但在软态铜上压力过大本身就会把排压弯，有时把压力调小才是解决办法。以及安排冲孔顺序，把加工量分散开，而不是先把一端冲完再冲另一端——只要套料时设置好，CNC 会替您完成这件事。

剪切如何造成扭曲

闸式剪并不是一次剪断整个宽度。上刀片带有一个倾斜角，使剪切从一侧逐步推进到另一侧，正是这样才把剪切力控制在可接受的范围内。这个推进过程会对被剪下的一段施加一个力偶，于是它发生转动。

倾斜角是起主导作用的变量。倾斜角越大，剪切力越小、扭曲越大；倾斜角越小则相反。在倾斜角可调的设备上，正确的设定是仍能完成剪切的最小角度；对 6 mm 和 16 mm 的母排用同一个角度，必然会让薄的那一种扭曲过大。

宽厚比决定扭曲是否看得出来。剪切设备制造商常引用的说法是：剪下的条料要能平放，宽度至少要达到材料厚度的 10 到 15 倍。按定尺剪断的母排，相对于其厚度是宽的，因此扭曲表现为剪切端的一点轻微翻转，而不是整根拧成麻花。在 20 × 10 mm 的窄排上，这个比值是 2

，扭曲就是实实在在的了。

另外两种剪切故障产生的是变形而不是扭曲。刀口间隙设得过大，材料在断裂之前会在下刀片上翻卷、折叠，形成很大的毛刺和一件弯曲的零件。刀片钝了则是先压溃再剪断，把应力压进工件里，分离之后零件向下弯。这两种都用同一种方法诊断：看切割面上有没有过大的塌角和过短的光亮带。剪切工艺概述介绍了相关的几何关系。

折弯如何造成变形

折弯本身就是有意的变形。非有意的那部分，是它在弯曲区周围造成的后果。

平弯时外侧纤维被拉伸、内侧被压缩，由于两者并不相等，边翼会带上轻微的镰刀弯，弯曲区附近的截面沿宽度方向也会略微内凹。回弹使问题叠加：上模退回之后母排会松弛，未经补偿的回弹会让夹角不对、边翼位置偏出。

需要特别提防的一种失效，是靠近折弯切点的孔。孔周围的材料被拉入弯曲区，孔变成椭圆，孔位也发生移动。让过孔离切点至少留出两倍厚度的距离；如果图纸迫使某个孔必须更靠近，那就先折弯后冲孔，而不是先冲后弯。

正确的测量方法

把母排三点支撑在一个平整的基准面上——花岗岩平板，或者用直尺校验过的机床工作台——而不是整根平放在一个来路不明的平面上。

测量某个面的平面度时，按几个不同方向把直尺横放在表面上，用塞尺读出间隙；或者用装在高度尺上的千分表扫过表面。记录最差的读数，以及取得该读数的长度范围。

测量弓弯和镰刀弯时，用 ASTM B187 的方法：母排放在水平台面上，直线度偏差落在水平方向，直尺沿被测棱边放置，用塞尺读出最大弓高。要记录测的是两个方向中的哪一个。测的是镰刀弯却报成“弓弯”，是母排检验中最常见的错误。

测量扭曲时，把一端平贴夹紧在平板上，测量自由端两个角下面各自的间隙。扭曲量等于这两个间隙之差除以母排宽度，以角度或每米毫米数报出。要写明长度：300 mm 上 0.5 mm 的扭曲和 3000 mm 上 0.5 mm 的扭曲不具可比性。

只要其中任何一项被列为验收检验，基准长度和支撑条件就应当和数值一起写进规范。

实际能达到什么水平

下面的数值是用于规划的参考值，不是保证值，并且以模具锋利、状态良好为前提。文中引用的设备参数为公布值。

折弯的角度精度是另一项独立的指标，不应与平面度混为一谈。一台把折弯角保持在 ±0.1° 的伺服折弯机，并没有说明边翼是否平整；如果两者都重要，就都要写在图纸上。

公差累积在哪里咬人

以一段三相叠层母线为例：100 × 10 mm 铜排四片，装在绝缘支撑上，接头间距 2 m，两端各与相邻段用螺栓连接。

每一片排都带有一定的镰刀弯，而各片之间的弯曲方向是随机的。按 ASTM 的限值，在 2 m 上大约是 2.5 mm。两片镰刀弯方向相反的排，在接头面上会留下几毫米的间隙。螺栓会把它拉合，因为铜是柔顺的，一个 M12 螺栓要把 10 mm 的排弯过来毫不费力。但结果是：这个接头现在带着一份弯曲预载荷，接头面上的接触压力不再均匀，有效接触面积小于图纸上的面积。

这是一个温升问题，不是外观问题。接头电阻由真实接触面积决定，而按 IEC 61439，裸铜母排的限值是 105 K 温升，用于连接外部导体的端子处为 70 K。一个跨着弓弯拧紧的接头，一开始的接触面积就小于设计所假定的，随着热循环还会进一步减少。如果设计在接头处本来就已经接近其载流量限值，那这份裕度本来就不存在，谈不上拿来消耗。

孔位误差叠加在上面。带镰刀弯的排，其孔位是沿一条曲线分布的，因此即使冲得完美无缺，相对于一根平直的配对排也已经偏移。螺栓还是能穿过去，因为过孔的间隙很宽松。但接头照样带上了预应力。厚度公差则在第三个方向上叠加：每相四片叠置，每片都取公差下限，会改变叠层总高度，进而改变夹紧螺栓的长度和垫块高度。这笔账每一种标准配置算一次，不要留到现场去算。

什么时候才该校直

当残余弓弯或扭曲超过装配在不给接头带上预应力的前提下所能吸收的量时，就该校直；接头面的平面度本身超差时，也该校直。不是为了让排在货架上看起来更好看。

工序顺序是最常被弄错的一环。要在冲孔之前校平原材料。对已经冲过孔的母排做校平，会在已有孔的周围重新分布应力，可能使靠近排边的孔变形，在硬态材料上还可能留下一个新的残余应力场，在下一次热循环之后重新显现出来。辊式校平是重新分布应力，并不是消除应力。

因此在一条合理的工艺路线里，校直是最后的手段。从已校平的原材料开始，在数控母线冲剪机上保持冲头锋利、间隙正确，把孔位的加工顺序排开以分散加工量，在设备允许的情况下把剪切的倾斜角调小，并在折弯工位上补偿回弹，让边翼落在图纸规定的位置。这样加工出来的母排很少需要校直。

确实需要校直时，要把它作为一道有自己验收测量的工序写进工艺，而不是把它丢给装配台上的一把木锤——目前很大一部分校直正是在那里完成的，而且没有任何记录。