母线扭转：几何、极限与工装

扭转是指绕母线自身的纵轴旋转，而不改变其行进方向。此操作用于母线走向正确但宽面处于错误平面的情况：例如，垂直向上的母线接入水平安装接线端子的断路器，相位堆叠需要扇形展开至不同端子方向，或母线以90°角度接入母线室内的设备。

大多数加工车间依靠经验法则进行操作，而流传的经验法则之间存在高达三倍的差异。这种差异有其原因，并且原因可计算。

扭转长度与宽度的关系

关于分配给90°扭转的母线长度，公开的指导建议存在很大差异。开关柜安装实践要求扭转长度至少为母线宽度的两倍。机器制造商通常规定以宽度的2.5倍作为最低标准，有一个公开的例子中，对于20 mm宽的母线规定了50 mm的扭转长度。其他制造指南引用宽度的2.5至5倍。手动台钳操作的经验值较低，为宽度的1.5至2倍，但此数值仅适用于厚度不超过6 mm、宽度不超过60 mm的母线。

这些数字在考察应变后即可理解。母线截面的角部距离扭转轴线约半个母线宽度。在长度L上旋转角度θ，会产生表面剪切应变：

γ = (w/2) · θ / L

对于90°扭转，简化为 γ = π·w / (4L)。为与伸长率数据进行比较，将其转换为等效单轴应变，ε ≈ γ/√3：

该公式忽略了厚度，这对于母线比例是合理的：在100 × 10 mm的母线上，真实角部半径为50.25 mm，而公式假设值为50 mm。

此指导建议现在合乎逻辑。在2.5倍宽度时，角部承受约18%的等效应变，软态和半硬态铜可轻松吸收。在1.5倍宽度时，承受30%的应变，仅适用于薄窄的软态母线，这正是台钳操作规则所限定的适用范围。在5倍宽度时，角部承受9%的应变，即使在硬态下也属安全范围。

实用规则：R220和R240采用宽度的2.5倍，R290采用宽度的4倍，且无论何种状态，长度均不得低于宽度的2倍。建议在首件上进行确认，因为EN 13601的伸长率数值为最小值，实际交付的材料通常优于该值。

此关系的方向与折弯相反：扭转长度越长，应变越平缓。扭转长度是设计余量而非机器设定，因此若路径上无可用直线段，则无法实施扭转。

扭矩与扭转：为何扭转比侧向折弯更优

扭转矩形截面所需的塑性扭矩约为 τy·(w·t²/2 − t³/6)，主要受 t² 支配，仅随宽度线性增长。对同一截面进行侧向折弯所需的塑性弯矩为 σy·t·w²/4，其随宽度的平方增长。

以半硬铜（屈服强度 180 N/mm²）为例：

该比值在整体范围内接近 0.87·w/t。每增加一毫米宽度，侧向折弯难度不成比例地增加，而扭转难度仅按比例增加。对于侧向折弯最困难的宽薄截面，其优势恰恰最大。

上述量化分析支持了侧向与平弯折弯中讨论的扭转-平弯替代方案。将铜排扭转 90°，可使后续方向改变以普通平弯方式进行，此时应变由厚度而非宽度决定。两次简易操作替代了一次困难操作。

翘曲、边缘减薄及其对截面的影响

圆形轴在扭转载荷下保持截面平面性，矩形截面则不然。在圣维南扭转下，矩形截面的点沿轴向呈鞍形位移，角点处位移最大。此即翘曲，在非圆形截面中不可避免。

由此产生两个实际影响。

扭转区域的尺寸与母材铜排不完全相同。截面略有凹陷，角点相对于面中区域超前或滞后，且扭转区域边缘的实测厚度略低于标称值。对于常规母线铜排比例，减薄量较小，约为百分之几，但会造成局部电阻升高，成为潜在热点。母线载流量计算器可给出该减薄量影响前的运行余量。

翘曲在夹具处也会受到约束，因为夹具平面保持截面平整，而其间的材料趋于翘曲。约束翘曲会产生集中于夹具边缘的轴向应力，因此扭转开裂几乎总是始于夹具线而非扭转区域中部。夹具处开裂表明需要增加自由长度或使用更软的夹具衬垫，而非施加更大扭矩。

扭转区域也会产生加工硬化。弯折不应置于扭转区域内部或其紧邻处。该处材料已消耗大部分可用延展性，在母材可承受的弯折半径下即会开裂。两次操作之间必须保留平直的铜排段。

扭转回弹

扭转会发生回弹，且回弹量远大于弯曲。

卸载时的弹性恢复量为 Δθ = T·L/(G·J)，其中 T 为施加的扭矩，L 为扭转长度，G 为剪切模量，J 为截面的扭转常数。铜的剪切模量可由其弹性模量推算，约为 46 kN/mm²。对一根 100 × 10 mm 的半硬铜排在 250 mm 的自由长度上扭转 90° 进行计算，弹性恢复量约为 5°。同一根铜排在 400 mm 长度上扭转，恢复量约为 8°。一根 160 × 10 mm 的铜排在 400 mm 长度上扭转，恢复量约为 7.6°。

以上是对完全塑性截面进行弹性卸载的一阶估算。需在首件上进行验证，而非直接根据计算值编程。这些估算可靠地表明了量级：扭转恢复量可达数度，比同一根铜排进行平面弯曲的回弹量大一个数量级。

恢复量随扭转长度增加而增大，而应变则随其增加而减小。延长扭转长度以保护角落，会使角度补偿量更大。没有一个长度能同时优化两者，因此必须根据应变要求选择长度，并使用补偿表来确定角度。适用于弯曲回弹补偿的相同偏移表原则在此同样适用，需根据材料、状态、截面和自由长度进行选择，扭转条目与弯曲条目需完全分开。

夹持与工装

扭转头包含两个夹钳：一个固定，一个旋转。它们之间的自由跨度即为扭转长度，这意味着扭转长度由夹钳位置设定，并非所有机器都可连续调节。在设计定稿前，应检查该增量。

夹钳面不得在铜排上留下痕迹。铜质较软，为防止在全扭矩下打滑所需的夹持压力很高。通常使用青铜、铝或硬质聚合物衬垫。带锯齿面的钢制夹钳爪会在铜排上压出印痕，该印痕在扭转载荷下会成为裂纹萌生点。

其中一个夹钳必须能够沿轴向自由移动。铜排在扭转时会沿其轴向轻微缩短。若两端均刚性固定，则会在扭转剪切上叠加轴向拉力，这会直接增加角落处的应变，导致在单独扭转本可承受的应变水平下出现边缘开裂。采用浮动夹钳或设计微小的轴向柔性可消除此问题。

截面在两个夹钳处还必须保持垂直。旋转滑动会缩短有效自由长度，使实际应变高于计算值，并导致最终角度偏差。

母线加工机上公开的扭转能力范围通常在厚度 5 至 10 mm、宽度 15 至 100 mm 左右，明显窄于同一机器的平面弯曲能力。扭转在 EMAC-BB-H12 和 SMART-603CNC-S 上均为标准功能，使用与弯曲工序相同的控制系统和零件程序，因此带有一个扭转和两个弯曲的零件只需一次装夹而非三次。EMAC-BB 机头标注的 ±0.1° 为弯曲精度规格；任何机器的扭转重复性在很大程度上取决于夹钳夹持力，应在实际材料上进行特性评估，而非直接套用弯曲精度数值。

扭转工序在工艺计划中的位置

应在扭转前完成冲孔和剪切。扭转后的铜排无法在冲孔台面上保持平整，也无法可靠地定位在后挡料上。

在几何条件允许的情况下，扭转工序应排在折弯工序之前，因为与直排相比，扭转后的截面在折弯模具中更难夹持方正。

孔必须完全避开扭转区域。在高扭转剪应力区域开孔会造成最恶劣位置的应力集中，材料会在扭转完成前撕裂。

在绘图阶段就必须预留基于应变的扭转长度。在未考虑扭转的尺寸规划中事后增加扭转，是导致车间最终尝试在1.5倍宽度处进行操作并报废铜排的常见原因。扭转和折弯都是消耗长度的工序，展开长度必须兼顾两者。完整的工艺说明见扭转。