Ebenheit, Geradheit und Verwindung nach der Bearbeitung angeben

Eine Zeichnung, auf der „Schiene eben“ steht, hat nichts festgelegt. Das Wort wird locker für drei geometrisch verschiedene Merkmale mit unterschiedlichen Ursachen, unterschiedlichen Messverfahren und unterschiedlichen erreichbaren Werten verwendet. Auseinandersetzungen im Wareneingang sind üblicherweise Auseinandersetzungen darüber, welches davon gemeint war.

Die Ebenheit ist eine Eigenschaft einer Fläche: Jeder Punkt muss zwischen zwei parallelen Ebenen liegen, deren Abstand der Toleranzwert ist. Über die Richtung der Abweichung sagt sie nichts.

Die Geradheit ist eine Eigenschaft einer Linie, einer Kante oder der Achse der Schiene. An der rechteckigen Sammelschiene zerfällt sie in zwei. Die Längskrümmung (bow) ist die Krümmung in Dickenrichtung; die Schiene kippelt daher, wenn sie auf ihrer Breitseite liegt. Die Säbelform (camber) ist die Krümmung in Breitenrichtung; flach liegend sieht die Schiene daher aus wie eine Banane. Eine Schiene kann von der einen reichlich und von der anderen nichts haben.

Die Verwindung ist die Drehung des Querschnitts um die Längsachse; die beiden Enden liegen dann nicht in derselben Ebene. Sie ist von den dreien die einzige, die Sie nicht sehen, wenn Sie die Schiene auf einen Tisch legen und an ihr entlangblicken, und von den dreien diejenige, die am häufigsten erst bei der Montage entdeckt wird.

Keines der drei bedeutet ohne Bezugslänge etwas. „Säbelform 2 mm“ sagt Ihnen nichts. „Säbelform höchstens 2 mm auf beliebigen 1000 mm“ ist eine Festlegung.

Was das Walzwerk Ihnen schon mitgegeben hat

Bevor Sie Ihren eigenen Prozess verantwortlich machen, sehen Sie sich an, womit der Werkstoff ankommt. ASTM B187/B187M, die Spezifikation für Stromschienen, Stangen und Profile aus Kupfer, legt die Geradheit in Tabelle 10 als größte Pfeilhöhe fest, gemessen über einen angegebenen Teil der Länge:

• Schiene allgemein: 1/4 in [6 mm] auf 60 in [1500 mm]
• Halbharte Rechteckschiene, 3 bis 15 mm dick und 50 bis 150 mm breit: 1/8 in [3 mm] auf 96 in [2400 mm]
• Stange: 1/2 in [13 mm] auf 120 in [3000 mm]
• Profile: 1/2 in [13 mm] auf 72 in [1800 mm]

Das Verfahren zählt so viel wie der Wert. Die Norm verlangt, die Schiene so auf einen waagerechten Tisch zu legen, dass die Abweichung von der Geradheit waagerecht liegt, und die größte Pfeilhöhe mit Stahlmaßstab und Haarlineal auf 1/32 in [0,8 mm] genau zu messen. Waagerecht zu messen nimmt die Schwerkraft aus dem Ergebnis. Eine Länge von 3 m aus 100 × 10 mm Kupfer wiegt 27 kg und hängt unter ihrem eigenen Gewicht mehrere Millimeter durch, wenn sie an den Enden aufgelegt und senkrecht gemessen wird, und dieser Durchhang ist keine Eigenschaft der Schiene.

Drei Millimeter Säbelform auf 2,4 m im Anlieferungszustand sind erheblich mehr, als die meisten Monteure erwarten. Wenn Ihre Toleranz am fertigen Teil enger ist als Ihre Eingangstoleranz, muss der Prozess Abweichung abbauen statt sie zu erhalten, und das muss konstruktiv vorgesehen sein.

Wie das Stanzen Längskrümmung und Säbelform erzeugt

Das Stanzen nimmt Werkstoff nicht neutral weg. Es hinterlässt um jedes Loch ein Eigenspannungsfeld, und die Summe dieser Felder bewegt die Schiene.

Zwei Mechanismen wirken. Am Loch selbst wird Werkstoff beim Eintritt des Stempels nach innen und nach unten gezogen, was den Bereich auf der Eintrittsseite unter Druck setzt, und beim Bruch wird Werkstoff durch die Austrittsfläche herausgedrückt, was diesen Bereich unter Zug setzt. Überwiegt der Zuganteil, krümmt sich die Schiene. Das ist örtlich: Ein dicht gestanzter Bereich krümmt sich, während ein ungestanzter Bereich derselben Schiene eben bleibt, und deshalb tritt die Längskrümmung oft als Knick und nicht als gleichmäßiger Bogen auf.

Der zweite Mechanismus ist der Hub selbst. Während der Stempel niedergeht, biegt sich die Schiene in die Matrizenöffnung hinein. Die obere Fläche gerät unter Druck und die untere unter Zug, und der plastische Anteil davon geht nicht zurück.

Vier Dinge machen es schlimmer, und alle vier sind beherrschbar. Die Lochdichte bestimmt die aufsummierte Spannung und kommt aus der Zeichnung. Die Dicke erhöht den Kanteneinzug und die Kraft, und die Kraft ist das, was den umgebenden Werkstoff verformt. Der Werkzeugzustand zählt in der Praxis von den vieren am meisten: Ein stumpfer Stempel braucht spürbar mehr Kraft als ein scharfer und erzeugt mehr Kanteneinzug, und das ist die übliche Erklärung dafür, dass eine Schiene plötzlich krumm von der Maschine kommt, obwohl sie das nie tat. Und der Schneidspalt erhöht, eng eingestellt, die Kraft und damit die Längskrümmung. Diese letzte Größe ist dieselbe, die die Werkzeugstandzeit bestimmt; behandelt wird sie in Schneidspalt für Stromschienen aus Kupfer und Aluminium.

Die Säbelform kommt, anders als die Längskrümmung, aus einer Unsymmetrie in Breitenrichtung. Ein Lochbild, das an einer Kante einer breiten Schiene entlangläuft, legt die beanspruchte Zone neben die neutrale Faser, und die Schiene krümmt sich in der Draufsicht. Zur Mittellinie symmetrische Lochbilder vermeiden das weitgehend, und das ist eines der leiseren Argumente für die genormten Lochlagen in DIN 43673-1.

Zwei Gegenmaßnahmen über scharfe Werkzeuge und den richtigen Schneidspalt hinaus. Steuern Sie den Druck von Abstreifer oder Niederhalter: Er hält die Schiene während des Schnitts eben, aber an weichem Kupfer krümmt ein zu hoher Druck die Schiene selbst, und ihn zurückzunehmen ist mitunter die Abhilfe. Und legen Sie die Reihenfolge der Löcher so, dass die Arbeit verteilt wird, statt ein Ende fertigzustellen, bevor das andere beginnt; das erledigt die CNC für Sie, wenn die Schachtelung dafür eingerichtet ist.

Wie das Scheren Verwindung erzeugt

Eine Guillotineschere schneidet nicht über die gesamte Breite auf einmal. Das obere Messer steht unter einem Schnittwinkel, sodass der Schnitt von einer Seite zur anderen fortschreitet, und genau das hält die Kraft beherrschbar. Dieses Fortschreiten bringt ein Kräftepaar in den Abschnitt ein, und der Abschnitt dreht sich.

Der Schnittwinkel ist die bestimmende Größe. Ein größerer Schnittwinkel senkt die Schnittkraft und erhöht die Verwindung; ein kleinerer wirkt umgekehrt. Wo der Schnittwinkel einstellbar ist, ist die richtige Einstellung der kleinste Winkel, der den Schnitt noch ausführt, und denselben Winkel für 6 mm und 16 mm Schiene zu verwenden erzeugt an der dünnen sicher zu viel Verwindung.

Das Seitenverhältnis entscheidet, ob die Verwindung sichtbar wird. Scherenhersteller nennen üblicherweise eine Mindestbreite vom 10- bis 15-Fachen der Werkstoffdicke, damit ein abgeschnittener Streifen eben liegt. Auf Länge geschnittene Stromschiene ist im Verhältnis zu ihrer Dicke breit, sodass sich die Verwindung als kleine Schränkung am geschnittenen Ende zeigt und nicht als Korkenzieher. An schmaler Schiene mit 20 × 10 mm liegt das Verhältnis bei 2

, und die Verwindung ist real.

Zwei weitere Fehler an der Schere erzeugen Verzug statt Verwindung. Ein zu weit eingestellter Messerspalt lässt den Werkstoff sich einrollen und über das Untermesser umlegen, bevor er bricht; das ergibt einen großen Grat und ein krummes Teil. Stumpfe Messer quetschen, bevor sie schneiden, treiben Spannung in das Stück und krümmen es nach der Trennung nach unten. Beides wird auf dieselbe Weise erkannt, indem man die Schnittfläche auf übermäßigen Kanteneinzug und ein kurzes Glattschnittband ansieht. Die Geometrie behandelt der Überblick zum Scheren.

Wie das Biegen verzieht

Biegen ist beabsichtigte Umformung. Der unbeabsichtigte Teil ist das, was es rund um die Biegung anrichtet.

Bei einer Flachkantbiegung wird die äußere Faser gedehnt und die innere gestaucht, und weil beides nicht gleich groß ist, nimmt der Schenkel eine leichte Säbelform an, und der Querschnitt wird nahe der Biegung über die Breite geringfügig hohl. Die Rückfederung verstärkt das: Die Schiene entspannt sich, nachdem der Stempel zurückgefahren ist, und eine nicht kompensierte Rückfederung lässt den eingeschlossenen Winkel falsch und den Schenkel überstehend zurück.

Der Fehler, auf den zu achten ist, ist ein Loch nahe an der Biegetangente. Werkstoff um das Loch wird in die Biegung hineingezogen, das Loch wird oval, und seine Lage verschiebt sich. Halten Sie Durchgangslöcher mindestens zwei Dicken von der Tangente entfernt, und wo die Zeichnung eines näher erzwingt, stanzen Sie nach dem Biegen statt davor.

Richtig messen

Legen Sie die Schiene an drei Punkten auf eine ebene Bezugsfläche auf, eine Granit-Messplatte oder einen mit dem Haarlineal geprüften Maschinentisch, statt über ihre ganze Länge auf eine unbekannte Fläche.

Für die Ebenheit einer Fläche legen Sie ein Haarlineal in mehreren Richtungen über die Fläche und lesen den Spalt mit Fühlerlehren ab, oder Sie fahren mit einer Messuhr an einem Höhenmessgerät darüber. Halten Sie den ungünstigsten Messwert fest und die Länge, über die er aufgenommen wurde.

Für Längskrümmung und Säbelform verwenden Sie das Verfahren nach ASTM B187: Schiene auf einem waagerechten Tisch, die Abweichung von der Geradheit waagerecht liegend, Haarlineal an der zu prüfenden Kante, größte Pfeilhöhe mit Fühlerlehren abgelesen. Halten Sie fest, welche der beiden Richtungen Sie gemessen haben. „Längskrümmung“ zu melden, wenn Sie die Säbelform gemessen haben, ist von den Prüffehlern an der Stromschiene der häufigste.

Für die Verwindung spannen Sie ein Ende flach auf der Messplatte auf und messen den Spalt unter jeder der beiden Ecken am freien Ende. Die Verwindung ist die Differenz dieser beiden Spalte geteilt durch die Schienenbreite, angegeben als Winkel oder als Millimeter je Meter. Geben Sie die Länge an: 0,5 mm Verwindung auf 300 mm und 0,5 mm auf 3000 mm sind nicht vergleichbar.

Wo eines davon eine Abnahmeprüfung ist, gehören die Bezugslänge und die Auflagebedingung neben die Zahl in die Festlegung.

Was realistisch erreichbar ist

Die folgenden Zahlen sind Anhaltswerte für die Planung und keine Zusicherungen, und sie setzen scharfes Werkzeug in gutem Zustand voraus. Die genannten Maschinenangaben sind veröffentlichte Werte.

Die Winkelgenauigkeit beim Biegen ist eine eigene Festlegung und sollte nicht mit der Ebenheit verwechselt werden. Eine Servo-Biegemaschine, die ±0,1° am Biegewinkel hält, sagt nichts darüber aus, ob der Schenkel eben ist, und wenn beides zählt, muss beides auf der Zeichnung stehen.

Wo die Toleranzkette zubeißt

Nehmen Sie einen dreiphasigen Schienenzug im Paket: vier Schienen aus 100 × 10 mm Kupfer auf Isolierstützen, 2 m zwischen den Verbindungen, an jedem Ende mit dem angrenzenden Abschnitt verschraubt.

Jede Schiene bringt etwas Säbelform mit, und die Richtung ist von Schiene zu Schiene zufällig. Am Grenzwert nach ASTM sind das rund 2,5 mm auf 2 m. Zwei Schienen, deren Säbelform gegenläufig ist, lassen an der Verbindungsfläche einen Spalt von mehreren Millimetern. Die Schrauben ziehen ihn zu, denn Kupfer ist nachgiebig, und eine M12-Schraube hat keine Mühe, eine 10-mm-Schiene zu biegen. Was dabei geschehen ist: Die Verbindung trägt jetzt eine Biegevorspannung, der Kontaktdruck über die Fläche ist nicht mehr gleichmäßig, und die wirksame Kontaktfläche ist kleiner als die gezeichnete.

Das ist ein Problem der Erwärmung und keines der Optik. Der Übergangswiderstand der Verbindung wird von der wirklichen Kontaktfläche bestimmt, und nach IEC 61439 liegen die Grenzen bei 105 K Erwärmung für blanke Sammelschienen aus Kupfer und bei 70 K an Anschlussstellen für den Anschluss äußerer Leiter. Eine über eine Längskrümmung verschraubte Verbindung startet mit weniger Kontaktfläche, als die Auslegung angenommen hat, und verliert über die Temperaturwechsel weiter. Wenn die Auslegung an der Verbindung ohnehin schon nahe an ihrer Grenze der Strombelastbarkeit liegt, war diese Reserve nicht dazu da, ausgegeben zu werden.

Die Lochlage summiert sich obendrauf. Eine säbelförmige Schiene trägt ihr Lochbild auf einer Kurve, sodass selbst ein einwandfrei gestanztes Lochbild gegenüber einer geraden Gegenschiene versetzt liegt. Die Schrauben gehen durch, weil Durchgangslöcher großzügig sind. Die Verbindung ist trotzdem vorgespannt. Die Dickentoleranz summiert sich in der dritten Richtung: vier Schienen je Phase im Paket, jede am unteren Rand der Toleranz, ändern die Gesamthöhe des Pakets und damit die Länge der Spannschrauben und die Höhen der Distanzstücke. Rechnen Sie das einmal je Standardkonfiguration aus statt auf der Baustelle.

Wann Richten gerechtfertigt ist

Richten Sie, wenn die verbliebene Längskrümmung oder Verwindung übersteigt, was die Montage aufnehmen kann, ohne eine Verbindung vorzuspannen, oder wenn die Ebenheit der Verbindungsfläche selbst außerhalb der Festlegung liegt. Nicht dazu, damit Schienen im Regal besser aussehen.

Die Reihenfolge der Arbeitsgänge ist der Teil, der am häufigsten falsch gemacht wird. Richten Sie das Vormaterial vor dem Stanzen. Eine gestanzte Schiene zu richten verteilt die Spannung um bereits vorhandene Löcher um, kann Löcher nahe der Schienenkante verformen und kann an Werkstoff im harten Zustand ein neues Eigenspannungsfeld hinterlassen, das nach dem nächsten Temperaturwechsel wieder auftritt. Richtwalzen verteilt Spannung um; es löscht sie nicht.

Damit ist das Richten in einer vernünftigen Prozessfolge das letzte Mittel. Beginnen Sie mit gerichtetem Vormaterial, halten Sie die Stanzwerkzeuge an der Stanz- und Schneidmaschine scharf und mit richtigem Schneidspalt, legen Sie die Reihenfolge des Lochbilds so, dass die Arbeit verteilt wird, nehmen Sie den Schnittwinkel an der Schere zurück, wo die Maschine es zulässt, und kompensieren Sie die Rückfederung an der Biegestation, damit der Schenkel dort landet, wo die Zeichnung es sagt. So gefertigte Schienen müssen selten gerichtet werden.

Wo es erforderlich ist, legen Sie es als Arbeitsgang mit eigener Abnahmemessung fest, statt es einem Gummihammer auf der Montagebank zu überlassen; dort geschieht heute ein großer Teil davon, und dort wird nichts davon aufgezeichnet.