从设备操作者的角度看铜排与铝排

选择铜排还是铝排取决于导电性、重量、每公斤价格、短路耐受能力和安装成本。这一比较已在其他地方详述。本文始于决策之后。

当另一种金属的托盘到达车间时，冲孔设置、折弯余量和去毛刺参数都会改变，接头处理也随之变化。本文涵盖这些变量。

首先从机械参数开始，而非电气参数

所有后续工序都源于这些参数。两种标准母线材料——高导电铜和1350级铝的典型值如下：

需记住两点。在相同回火状态下，铝的强度约为铜的三分之一，而其刚度约为铜的一半。这两个比率是不同的，正是这种差异使得回弹表现与直觉相反。

另一个需要注意的点：'铝排'涵盖多个不同牌号。上表中的1350是软质、高导电牌号。许多欧洲和亚洲母线采用EN AW-6101B T6状态，其最小0.2%屈服强度为160 N/mm²，最小抗拉强度为215 N/mm²，导电率≥52% IACS。这几乎是半硬1350屈服强度的三倍，它会改变本文所述的所有工序设置。在选择任何机器设置之前，必须确定材料牌号。

力度，以及现有设备能力

冲孔力 = 周长 × 厚度 × 剪切强度。剪切强度是金属分离的位置。

已发布的C11000冲孔数据显示，半硬铜的剪切强度约为179 N/mm²，硬态为193。软态1xxx铝的数值低得多：1100-O列为62 N/mm²。以10 mm厚料上直径13.5 mm的孔为例，周长为42.4 mm：半硬铜约需76 kN，软铝约需26 kN。

请注意这些铜数据的来源。200到230范围内的数值被广泛流传，但它们是拉伸值被误用作剪切值。对于铜，实测剪切强度约为拉伸强度的0.65到0.70，而非通常认为的0.8规则，因此直接采用拉伸值会使力度估算高出约三分之一。

孔径应通过冲孔力计算器进行计算，而非按示例进行简单缩放。计算时需依据实际库存的铝材牌号。若使用6101B-T6铝材而非1350，62 N/mm²的强度估算过于乐观；在计算吨位时，更合理的初始假设应接近150 N/mm²。这就是计算器将铝材牌号单独列出，而非提供单一“铝材”选项的原因。

对于已配备铜排加工设备的车间而言，其实际影响在于加工铝排时，力值从未成为限制因素。一台EMAC-BP-60（600 kN）对于软铝排而言是严重的能力过剩，这本身没有问题。但假设加工过程因此变得更容易，则是不正确的。

软并不意味着容易

这是容易让人措手不及的一点。铜更硬，但铜的加工性能更稳定。

从冲孔角度看，铜是一种相对脆性断裂的材料。冲头穿透材料，裂纹从冲头边缘萌生并扩展，与模具边缘产生的裂纹汇合，从而使废料分离。光亮带与断裂带的过渡清晰，毛刺小且一致。

软铝不易发生断裂。它倾向于流动。它会在冲头前方拉伸，被拖入模具，并延迟且不整齐地分离。这会导致三个具体问题。

第一个问题是积屑瘤（粘着磨损）。铝会粘附到工具上。一项针对2 mm厚AA5754-O铝板使用M2工具钢进行冲孔的研究，直接测量了材料转移量，发现积屑瘤在冲头初始几次行程中增长最快，在第20至第125次行程之间，转移速率稳定在约7.5 × 10⁵ µm³/次行程。使用油基润滑剂润滑铝板可显著减少材料转移。转移的材料会改变冲头的有效几何形状：冲头尺寸增大，间隙变小，孔径漂移，最终导致冲头卡在废料中。

第二个问题是冷焊，即同样的粘着作用发生在废料上。粘附在冲头端面的铝废料会随冲头返回并落在不应有的位置，通常是模具端面上，下一次冲压会将其压入铝排中。

第三个问题是毛刺的形状。铜毛刺是一个凸起的唇边，可以干净地去除。铝毛刺则是一个卷曲的塑性飞边，在去毛刺刷下会弯折而非被剪断，并且当铝排弯曲时会再次竖起。

间隙设置与直觉相反

一般规律是，硬度更高、剪切强度更大的材料需要更大的间隙，而更软、更具延展性的材料需要更小的间隙。这与大多数操作员的猜测相反，因为他们是从工具寿命而非切割质量出发进行判断。

铝材间隙设置过宽，会导致断裂不彻底。材料被拖拽并拉伸进模具，造成大的塌边、锥形孔（入口直径小于出口直径），并在底面形成严重的撕裂毛刺。间隙设置过紧，则会出现二次剪切（孔壁上可见第二条断裂带），并且由于冲头与模具刃口之间距离更近，中间夹着铝材，积屑瘤问题会加剧。

公开发布的母线冲孔间隙表存在不一致，且部分流通版本内部数据矛盾，因此应以孔壁状态作为判断依据。孔壁呈现光亮带及单一断裂带表明间隙合适；出现双断裂带表明间隙过小；孔口出现大翻边及撕裂则表明间隙过大。完整诊断方法及数据详见铜、铝母线冲头-模具间隙。

另一项重要修正是冲头刃口几何形状。适用于铜材的平端冲头，在加工铝材时需设计剪切角或斜角，以实现渐进式剪切、降低峰值力，从而减少冲裁冲击及废料粘连倾向。

回弹量：取决于铝材牌号

弯曲回弹量与屈服强度与弹性模量的比值（σy/E）成正比（在给定弯曲半径与厚度比条件下），而非仅取决于强度或刚度。

计算三种常用母线材料的该比值：

半硬态 1350 的回弹量明显小于半硬态铜，因其强度虽远低于铜，但弹性模量降幅更大。6101B-T6 的回弹量约为铜的 1.5 倍，因其强度接近铜而保持了铝的低模量特性。

因此“铝回弹量更大”与“铝回弹量更小”两种观点在经验丰富的工程师中均有出现，且各自针对特定材料时均成立。

实际生产中不应争论理论值，而应进行实测。母线折弯机配备电子回弹补偿系统，修正值按材料及模具组合独立存储，而非依赖操作员经验。应设置三种材料参数条目，而非单一的“铝”条目，并对每种新状态或供应商的材料进行试件弯曲测试。最小弯曲半径也需遵循同样原则：尽管铝材所需弯曲力较小，但因其塑性变形能力虽利于冲压成型却无法避免紧密弯曲时外层纤维开裂，故通常需要更大的弯曲半径。

还需注意铝的热膨胀系数（23 × 10⁻⁶ / K）高于铜（17 × 10⁻⁶ / K）。在 6 m 长的母线上，环境温度变化会影响冷态加工尺寸，组装发热后则会影响孔位精度。

氧化层彻底改变后续加工

铜的氧化过程缓慢，生成的氧化膜具有半导体特性——铜离子可向氧化膜内扩散，导电过程可双向进行。这正是裸铜连接能正常工作的原因。

氧化铝是一种优良的电绝缘体，其在洁净表面暴露于空气后的数微秒内即可形成。所有铝排出厂时均已带有此氧化层，且每一个切割面和冲孔在数秒内会重新生成一层。

该氧化层同样具有很高的机械硬度。刚玉是一种磨料，其维氏硬度可达数千HV，而硬拉铜的硬度约为90 HV。因此，这层不导电的薄膜同时也是磨损刀具的薄膜，这构成了一个棘手的组合：铝既因粘附而增加刀具负荷，又因氧化物而加剧磨料磨损。

在车间操作中有两点后果。

对于去毛刺工序，铝会使砂带和刷具的加载速度远快于铜，且被加载的介质会进行抛光而非切削。应使用专用介质加工铝材。禁止两种金属共用砂带，无论从哪个方向开始：嵌入铝表面的铜颗粒会形成等待湿度的微电池，而蹭入铜配合面的铝则会形成位置完全错误的绝缘层。BND800-2可加工厚度0.5至50 mm的板材，进给速度为5至30 m/min，因此将两种金属作为单独批次加工，并在批次间更换介质，其成本在于生产排程而非产能。

对于连接工序，氧化层必须在装配时机械破除，并防止其重新形成。标准做法是在接合化合物层下研磨配合面，使新鲜金属不接触空气，并立即进行装配。周一准备好的铝排，到周三再螺栓紧固，其准备工作即告无效。

电镀与电偶配对

裸铝与裸铝的连接，若正确使用接合剂并装配得当，可以正常工作，但其容错性远低于裸铜与裸铜连接，因为氧化层是绝缘体而非半导体，且铝存在蠕变。

需关注这一蠕变数据。20 °C时，退火态1080铝在26 N/mm²应力下的最小蠕变速率为每1000小时0.022%，而退火态高导电率铜在相同应力下，需加热至150 °C才能达到相同蠕变速率。在正常接合接触压力下，室温铝的蠕变速率已达到铜在其整个服役温度范围内都不会出现的水平。铝连接使用碟形弹簧垫圈并非升级，而是基本要求，更多原因可参阅螺栓连接文章。

在铝与铜接触时，电镀成为必选项。这两种金属在电化学上相差甚远，铜相对于标准氢电极为+0.34 V，铝为−1.66 V，在任何电解质存在的情况下，铝都会发生腐蚀。规则简明如下：

• 严禁在可能接触湿气或凝露的区域，将裸铝与裸铜直接螺栓连接。
• 对铝表面进行镀锡，使界面两侧为相同金属，或使用工厂预复合的双金属过渡板。
• 若过渡必须在现场完成，则需用密封化合物密封界面，并接受定期检查。
• 钢制紧固件同样不应与铝直接接触。虽然其电偶配对严重性低于铜，但并非无害，使用带绝缘垫圈的镀层或不锈钢紧固件成本很低。

刀具磨损与润滑

铜通常采用干式冲孔。铜对刀具的磨损属常规磨料磨损，但其不会粘附，因此刀具寿命由刃口磨损决定，具有可预测性。

铝排应尽可能进行湿式冲孔。润滑是防止粘铝最有效的措施，同时能实现两个目的：阻止金属转移至冲头，并使冲头在脱离料片时不产生拖拽。但润滑剂在母线上必须在绝缘或镀层前清除，因此应选用脱脂工艺可去除的润滑剂，且清洁工序应纳入工艺流程，而非事后补救。

工具涂层可提供帮助。渗氮或DLC涂层的冲头比普通工具钢更能抵抗铝料粘附。冲孔检查频率也应调整：铜排按冲次检查，铝排按孔质量检查，因为粘铝导致的孔质量下降远早于冲头刃口磨损。

更换材料时的调整要点

转产生产线的简要清单如下：

1. 确认合金牌号与状态依据冶炼厂证书，而非包装说明。1350与6101B-T6的行为差异足以视为不同材料。
2. 重置剪切强度计算并重新校核吨位，需针对实际最常用的孔型进行验证。
3. 软铝需减小间隙，验证应依据孔壁实测，而非查表。
4. 增加冲头润滑并在其后增加清洁工序。
5. 通过折弯试件重新计算每种状态的回弹量，并在折弯机中作为独立材料参数存储。
6. 更换去毛刺介质并分类存放。
7. 变更接头规范：使用复合剂、即时组装、碟形弹簧，并在任何铝-铜接触面进行镀层处理。

铜排自身状态在同类材料中同样重要，EN 13601 是相关参考标准：从R220/H040软态退火，抗拉强度220至260 N/mm²，到R290/H090硬态，抗拉强度290至360 N/mm²。仅使用一种铜排状态和一种铝排等级的车间需管理两种材料。而接受贸易商库存任意料品的车间所需管理的材料种类远不止两种，设备参数必须相应调整。