从设备操作者的角度看铜排与铝排

如果您是来判断该选铜排还是铝排的，那么这篇文章不对路。那个决定要按导电率、重量、每公斤价格、短路耐受能力和安装成本来做，相关论述已经写得非常充分，您能找到的版本会比我们所能补充的更好。去读那些吧。

本文讲的是那个决定做完之后的事：另一种金属的一托盘料出现在您的车间里。冲孔参数不对，折弯角度不对，去毛刺线的磨料很快被堵塞，您做的第一个接头也会是错的。这些内容在采购比较里一个字都没有。

先看力学数据，而不是电气数据

后面的一切都由这些数据推导而来。两种标准母排材料——高导电性铜和 1350 牌号铝——的典型值：

有两点要记住。在相同状态下，铝的强度约为铜的三分之一，而刚度约为铜的一半。这两个比例并不相同，正是这个差别让回弹的表现与直觉相反。

再往下之前还有一点提醒。“铝母排”不是一种材料。上表中的 1350 是软态、高导电性的牌号。欧洲和亚洲的很多母排是 T6 状态的 EN AW-6101B，其 0.2% 屈服强度最小值为 160 N/mm²，抗拉强度最小值为 215 N/mm²，导电率 ≥52% IACS。这几乎是半硬态 1350 屈服强度的三倍，而且它会改变本文中的每一项工艺参数。动设备之前，先弄清楚您手上的是哪一种。

力，以及您已经拥有的那台设备

冲孔力等于孔的周长乘以材料厚度再乘以抗剪强度。两种金属分道扬镳的地方，就在抗剪强度上。

已发表的 C11000 冲孔数据给出：半硬态铜的抗剪强度约为 179 N/mm²，硬态为 193 N/mm²。软态 1xxx 铝低得多：1100-O 的列值为 62 N/mm²。取 10 mm 厚母排上的一个 13.5 mm 孔，周长 42.4 mm：半硬态铜需要约 76 kN，软态铝约 26 kN。

要留意那些铜的数值是从哪里来的。200 至 230 这个区间的数字流传很广，但它们是被当作抗剪强度使用的抗拉强度值。对铜而言，实测抗剪强度约为抗拉强度的 0.65 至 0.70 倍，而不是经验上常说的 0.8，因此照搬抗拉强度值会把冲孔力高估约三分之一。

用冲孔力计算器算您自己的孔径，而不要从上面那个例子按比例推算，并且要选与您料架上实际放着的牌号相符的材料。如果您的铝是 6101B-T6 而不是 1350，62 N/mm² 就过于乐观了；估算吨位时，接近 150 N/mm² 才是合适的起始假设——这也是计算器把各铝牌号分开列出、而不是只给一个“铝”选项的原因。

对一家已经按铜配好工装的工厂来说，实际结果是：加工铝时力从来不是约束条件。600 kN 的 EMAC-BP-60 用来加工软态铝排，能力是大幅富余的，这没有问题。有问题的是由此认为这道工序更容易。

软不等于好加工

这就是让人栽跟头的地方。铜更硬，但铜更听话。

就冲孔而言，铜属于断裂偏脆的材料。冲头压入，裂纹自冲头刃口起裂并扩展，与凹模刃口起的裂纹会合，废料随之分离。光亮带到断裂带的过渡干净，毛刺小而一致。

软态铝不想断裂，它想流动。它在冲头前方被拉伸，被拖入凹模，分离得又晚又不整齐。由此带来三个具体问题。

第一个是粘着磨损和积屑瘤。铝会转移到模具上。有研究用 M2 工具钢冲 2 mm 厚的 AA5754-O 板材，直接测量了转移体积，发现干冲时粘着在最初几个行程内进行得最快，在第 20 到第 125 个行程之间稳定在每行程约 7.5 × 10⁵ µm³。用油基润滑剂润滑板材可显著减少这种转移。转移上去的材料所做的事情是改变冲头的实际几何形状：冲头变大，间隙变小，孔径发生漂移，最终冲头卡死在废料里。

第二个是冷焊，也就是同一种粘着作用发生在废料上。粘焊在冲头端面上的铝废料会随冲头一起上来，落到不该落的地方，通常是凹模面上，下一个行程就把它压进母排里。

第三个是毛刺的形状。铜的毛刺是一道翻起的唇边，可以敲掉。铝的毛刺是一片卷过来的塑性薄片，在去毛刺刷下只会被压倒而不被切除，母排一受弯它又立起来。

冲裁间隙的方向与直觉相反

一般规律是：越硬、抗剪强度越高的材料，间隙取得越大；越软、塑性越好的材料，间隙取得越小。这与多数操作工的猜测正好相反，因为他们是从模具寿命出发推想的，而不是从断面质量出发。

铝的间隙取得过大，就不会干净地断裂。材料被拖入并拉伸进凹模，形成大塌角、入口小于出口的锥形孔，以及背面严重的撕裂毛刺。间隙取得过小则出现二次剪切，孔壁上能看到第二条断裂带；同时粘着问题会加重，因为冲头与凹模刃带之间距离更近，中间还夹着铝。

已发表的母排冲裁间隙表彼此并不一致，流传中的有些表格自身也前后矛盾，所以要把孔壁当作判断的仪器。干净的光亮带、下面只有一条断裂带，就是对的；出现两条断裂带说明间隙过小；大塌角加上撕裂的出口说明间隙过大。具体数值和完整的判读方法见铜排与铝排的冲裁间隙。

另一项要紧的修正是冲头端面几何形状。在铜上好用的平端面冲头，用在铝上就需要加剪切角或斜面，让剪切逐步进行、降低峰值力，这既能减小突破时的冲击，也能降低废料粘连的倾向。

回弹：要看是哪一种铝

在给定的弯曲半径与厚度之比下，折弯的回弹随屈服应力与弹性模量之比 σy/E 而增大。不是单看强度，也不是单看刚度。

把这个比值对三种常见母排材料算一遍：

半硬态 1350 的回弹明显小于半硬态铜，因为它虽然强度低得多，刚度也低得多，而强度下降的幅度大于刚度下降的幅度。6101B-T6 的回弹约为铜的一点五倍，因为它恢复了铜的大部分强度，却保持着铝的低模量。

这就是为什么“铝的回弹更大”和“铝的回弹更小”这两种说法，您都会从有经验的人那里听到；也是为什么就他们各自接触的材料而言，两种说法都是对的。

务实的做法不是争论，而是测量。母线折弯机带电子回弹补偿，也就是说，补偿量是按材料、按模具组合存下来的数值，而不是操作工的手感。建立三个材料条目，而不是一个叫“铝”的条目，并且每换一种状态或一家供货商就折弯一件试样。同样的做法适用于最小弯曲半径：尽管折弯力更低，铝一般仍需要把最小半径放得更宽松，因为让它在冲头下流动的塑性，并不能保护它在小半径折弯时外层纤维不开裂。

还要注意 23 × 10⁻⁶ 每 K 的膨胀系数，对铜的 17。对一根 6 m 长的母排，这会改变您在低温车间里量到的长度，也会改变成套设备发热时孔最终落在什么位置。

氧化层改变下游的一切

铜氧化缓慢，所形成的膜是半导体性的，因为铜离子会扩散进膜内，导电可以在两个方向上进行。这就是裸铜接头能用的原因。

氧化铝是一流的电绝缘体，新鲜表面接触空气后几微秒内就会生成。您收到的每一根铝排上都已经有了。每一个切断面、每一个冲出的孔，在您把母排放下之前就已经长出新的一层。

它在机械上也很硬。刚玉本身就是一种磨料，维氏硬度以千计，而硬拉铜约为 90 HV。于是，那层不导电的膜同时也是磨损您模具的膜，这是个很难对付的组合：铝一边靠粘着堵住模具，一边靠氧化物磨蚀模具。

在车间里有两个后果。

对去毛刺来说，铝堵塞砂带和毛刷的速度远快于铜，而堵塞后的磨料只是在抛光而不再切削。加工铝要用专用磨料。不要让两种金属共用一条砂带，任何一个方向都不行：嵌进铝表面的铜颗粒是等着湿气到来的原电池，而蹭到铜接头面上的铝，则是一层恰恰长错了位置的绝缘膜。BND800-2 可加工 0.5 至 50 mm 厚的母排，速度 5 至 30 m/min，因此把两种金属分成两个批次跑、中间换一次磨料，付出的是排产上的代价，而不是产能上的代价。

对接头来说，氧化层必须在装配时以机械方式破除，然后防止它重新生成。标准做法是在一层接头膏下面打磨贴合面，使新鲜金属始终不接触空气，并且随即装配。周一处理好、周三才拧螺栓的母排，等于白处理了。

镀层与电偶配对

裸铝对裸铝的接头，只要涂了接头膏并装配得当，是可以用的，但它比裸铜对裸铜的容错度低得多——因为氧化层是绝缘的而不是半导体性的，也因为铝会蠕变。

把那个蠕变数字随身带着。退火态 1080 铝在 20 °C、26 N/mm² 下的最小蠕变速率为每 1000 小时 0.022%，而退火态高导电性铜在同样应力下要加热到 150 °C 才达到同一速率。室温下、在正常接头接触压力下的铝，其蠕变速率已经达到铜在整个使用范围内任何一点都达不到的水平。铝接头上的碟簧垫圈不是升级项，而是基本配置，原因在螺栓接头一文中有更多说明。

在铝与铜相接的地方，电镀就不再是可选项。这两种金属在电化学上相距很远——相对标准氢电极，铜为 +0.34 V，铝为 −1.66 V——只要存在电解质，被腐蚀的就是铝。规则很短：

• 在任何可能有潮气或凝露的地方，绝不要把裸铝与裸铜螺栓连接起来。
• 把铝的接触面镀锡，使界面两侧是同一种金属；或者使用工厂复合好的双金属过渡板。
• 如果不得不在现场完成过渡连接，就用接头膏把界面封起来，并接受一个定期检查周期。
• 钢制紧固件也不要与铝直接接触。这一对的严重程度不如与铜相配，但也不是无害的，而镀层或不锈钢紧固件加一个绝缘垫圈并不贵。

模具磨损与润滑

铜通常是干冲的。铜对模具有一般意义上的磨蚀，但它不粘着，因此模具寿命由刃口磨损决定，是可以预测的。

铝则应尽可能避免干冲。润滑是对付粘着最有效的单项措施，它同时做两件事：阻止金属转移到冲头上，并让冲头在退出废料时不产生拖带。代价是母排上的润滑剂必须在绝缘或电镀之前去除，所以它得是您的脱脂工艺真能去掉的牌号，而且清洗这道工序要写进工艺路线里，而不是想当然地认为会有。

模具涂层有帮助。氮化处理或 DLC 涂层的冲头比普通工具钢更能抵抗铝的粘附。冲头检查的频次也要改变：加工铜时按冲次计数检查，加工铝时按孔的质量检查，因为在冲头刃口磨钝之前很久，粘着就已经把孔做坏了。

换金属时要改哪些

如果您要把一条线换过来，简短的清单是：

1. 依据材质证明书确认合金牌号和状态，而不是依据装箱单。1350 和 6101B-T6 的表现差异大到应当按两种材料来对待。
2. 重设力计算中的抗剪强度，并按实际冲得最多的孔型重新核算吨位。
3. 对软态铝减小冲裁间隙，并以孔壁而不是表格来验证。
4. 在冲孔工位加入润滑，并在其下游加入一道清洗工序。
5. 用试样折弯，按状态重新求出回弹量，并在折弯机中作为单独的材料条目存起来。
6. 更换去毛刺磨料，并把两种磨料分开管理。
7. 修改接头规范：接头膏、随即装配、碟簧垫圈，以及在任何铝铜界面上做电镀。

在铜自己这一族里，状态同样重要，其依据是 EN 13601：从软态退火的 R220/H040，220 至 260 N/mm²，到硬态的 R290/H090，290 至 360 N/mm²。只跑一种状态的铜和一种牌号的铝的工厂，要管理两种材料。贸易商有什么就收什么的工厂，要管理的远不止两种，而设备参数必须体现这一点。