Auslegung der Presskraft für das Stanzen von Stromschienen

Die Stanzkraft gehört zu den wenigen Größen in der Schienenbearbeitung, die sich exakt, aus den Grundgleichungen und in etwa dreißig Sekunden berechnen lassen. Sie gehört zugleich zu den Größen, die am häufigsten dadurch festgelegt werden, dass man übernimmt, was die vorige Maschine hatte. Diese beiden Tatsachen vertragen sich schlecht, denn die Rechnung ist nicht schwierig, und ein Fehler kostet in beide Richtungen: Eine zu klein ausgelegte Presse bleibt an genau dem Auftrag stehen, auf den es ankommt, und eine zu groß ausgelegte ist Kapital, das Sie nicht hätten binden müssen.

Die Formel

Beim Stanzen wird ein Zylinder Werkstoff aus der Sammelschiene herausgeschert. Die gescherte Fläche ist der Umfang des Lochs mal der Dicke, und die Kraft ist diese Fläche mal der Scherfestigkeit des Werkstoffs:

F = Umfang × t × τ

Für ein Rundloch ist der Umfang π × d, woraus die Form entsteht, die sich die meisten merken:

F = π × d × t × τ

mit d und t in Millimetern und τ in N/mm², was die Kraft in Newton ergibt. Für kN durch 1000 teilen, für metrische Tonnen durch 9807.

Bei einem Formloch (einem Langloch, einem Rechteck, einem Ovalloch, einer Lüftungsöffnung im Schienenverteiler) ist der Umfang die abgewickelte Schnittlänge und kein Nennmaß. Ein rechteckiges Langloch von 20 × 40 mm mit 5 mm Eckenradien hat einen Umfang von etwa 2 × (20 + 40) − 8 × 5 + 2π × 5, also rund 111 mm statt der 120 mm, die sich ergeben, wenn man die Ecken übergeht. An einem einzelnen Loch ist dieser Unterschied Rauschen. Über eine Gruppe von acht Löchern hinweg nicht mehr.

Werte der Scherfestigkeit, mit denen sich arbeiten lässt

Die Scherfestigkeit ist die Größe, die das Ergebnis entscheidet, und sie ist zugleich die, die geschätzt wird. Die folgenden Zahlen stammen aus veröffentlichten Daten von Werkzeuglieferanten für die Legierungen und Werkstoffzustände, die als Stromschiene tatsächlich vorkommen. Es sind typische Werte für die Auslegung und keine garantierten Mindestwerte, und ein Werkszeugnis schlägt immer eine Tabelle.

Zwei Korrekturen an den Zahlen, die informell kursieren. Erstens wird Kupfer häufig mit 200–230 N/mm² angegeben, und das ist zu hoch; diese Werte sind Zugfestigkeiten, die verwendet wurden, als wären sie Scherfestigkeiten. Nach EN 13601 wird Schiene aus Cu-ETP mit 220–260 N/mm² Zugfestigkeit für R220 weich, 240–300 für R240 halbhart und 300–360 für R290 hart festgelegt. Die oben genannten gemessenen Scherwerte liegen bei etwa 0,65–0,70 des zugehörigen Zugfestigkeitswerts und nicht bei den 0,8, die die verbreitete Faustformel nahelegt. Wo Ihnen nichts Besseres als ein Zugfestigkeitswert vorliegt, ist 0,8 × Zugfestigkeit ein konservativer Ersatzwert, und er überschätzt Kupfer um 15–20 %.

Zweitens gilt „Aluminium liegt bei etwa 80 N/mm²“ nur für die weichen Leitersorten der 1xxx-Reihe. 6101-T6, die Standardlegierung für stranggepresste Stromschiene überall dort, wo mechanische Festigkeit und Kriechbeständigkeit zählen, liegt etwa doppelt so hoch. Eine Presse, die auf 80 N/mm² ausgelegt und dann mit Schiene aus 6101-T6 beschickt wird, hat zu wenig Kraft, und das Versagensbild ist kein sauberes Stehenbleiben, sondern ein halb gestanztes Loch mit dem Stempel darin.

Ein Rechenbeispiel

Nehmen Sie einen häufigen Fall: ein Durchgangsloch für M12, 13 mm Durchmesser, in 10 mm halbhartem Kupfer.

F = π × 13 × 10 × 179
  = 40.84 × 10 × 179
  = 73 100 N
  ≈ 73 kN  (7.5 tonnes)

Nun dasselbe Loch in derselben Schiene aus Aluminium 6101-T6, τ ≈ 150:

F = π × 13 × 10 × 150 = 61 300 N ≈ 61 kN

Und das größte Loch, das von einer Maschine der Mittelklasse üblicherweise verlangt wird, 32 mm in 16 mm hartem Kupfer:

F = π × 32 × 16 × 193 = 310 400 N ≈ 310 kN  (31.7 tonnes)

Die letzte Zahl entscheidet, welche Maschine Sie kaufen, und sie stammt aus einer einzigen Zeile Arithmetik. Dieselbe Rechnung für jede beliebige Kombination aus Loch und Werkstoff läuft im Rechner für die Stanzkraft an Stromschienen.

Die Abstreifkraft, und warum sie in die Summe gehört

Nachdem sich der Butzen gelöst hat, federt die Schiene auf die Stempelflanke zurück und klemmt sie fest. Den Stempel herauszuziehen kostet echte Kraft; sie wird vom Abstreifer aufgebracht und über die Maschine abgestützt.

Veröffentlichte Faustformeln setzen die Abstreifkraft bei 5–20 % der Stanzkraft an; die Hinweise von MetalForming zur Werkzeugauslegung nennen 10–30 % und merken an, dass weichere Werkstoffe und engere Schneidspalte mehr verlangen. Kupfer ist weich und liegt eher im oberen Teil dieses Bandes. Für die Auslegung an Stromschienen aus Kupfer sind 15 % der Stanzkraft ein vertretbarer Arbeitswert, und 20 %, wenn Sie den Schneidspalt am engen Rand des Bandes fahren.

Am Beispiel mit 310 kN kommen damit etwa 45–60 kN hinzu. Sie tritt nicht gleichzeitig mit der Spitze der Stanzkraft auf und addiert sich daher nicht einfach zum Presskraftbedarf, aber sie belastet den Abstreifer, die Werkzeugaufnahme und den Rahmen, und sie ist der Grund, warum eine nominell ausreichende Maschine rattern oder in der Lochlage wandern kann. Wenn Ihre Abstreifkraft hoch läuft, liegt die Ursache üblicherweise am Schneidspalt und nicht an der Presse; behandelt wird das im Beitrag zum Schneidspalt.

Für den ungünstigsten Fall auslegen, nicht für den Durchschnitt

Das durchschnittliche Loch in einem Auftrag des Schaltanlagenbaus ist ein Durchgangsloch für M10 oder M12 in 6–10 mm Kupfer und verlangt 40–75 kN. Eine Maschine auf diese Zahl auszulegen stellt sicher, dass Sie den Auftrag nicht fahren können.

Der ungünstigste Fall ist die Kombination aus:

• dem größten Loch im Zeichnungssatz, einschließlich Langlöchern und Ausschnitten, gemessen am abgewickelten Umfang und nicht am Nennmaß
• der dicksten Schiene, die Sie bearbeiten werden, und das ist häufig nicht die Schiene mit dem größten Loch
• dem härtesten Werkstoffzustand, den Sie annehmen. Hartgezogene Schiene ist in der Scherfestigkeit rund 8 % fester als halbharte und 27 % fester als geglühte, und der Einkauf tauscht den Werkstoffzustand aus, wenn die Versorgung knapp ist
• der größten Werkzeuggruppe, wenn Sie mehrere Löcher in einem Hub stanzen

Sie müssen an einem wirklichen Teil nicht zusammen auftreten, damit die Maschine sie aushalten muss. Sie müssen möglich sein. Eine Ausschreibungsspezifikation, die „Kupfer bis 12 mm“ sagt, und ein Zeichnungssatz mit einem 32-mm-Loch bedeuten, dass Sie ein 32-mm-Loch in 12 mm hartem Kupfer annehmen müssen, also 233 kN, ob es dieses Teil schon gibt oder nicht.

Der Austausch des Werkstoffzustands verdient besondere Aufmerksamkeit, weil er unsichtbar ist. Die Schiene sieht gleich aus. Das erste Anzeichen sind üblicherweise die Grathöhe und ein Wandern der Lochlage an einer Maschine, die im Vormonat noch in Ordnung war.

Gruppen- und Mehrlochstanzen

Mehrere Löcher in einem Hub zu stanzen vervielfacht die Kraft exakt mit der Anzahl der Löcher. Vier M12-Löcher in 10 mm halbhartem Kupfer in einem einzigen Hub ergeben 4 × 73 = 292 kN, und das passt nicht auf eine 300-kN-Maschine, sobald Abstreifen und Rahmenverformung berücksichtigt sind.

Es gibt zwei Wege, Werkzeuggruppen bezahlbar zu machen. Staffeln Sie die Stempellängen, sodass sie nacheinander statt gleichzeitig eingreifen; das verteilt die Kraft über den Hub, kostet aber einen längeren Hub und bringt höhere Querkräfte. Oder stanzen Sie nacheinander mit hoher Hubzahl, wofür eine CNC-Maschine für Stromschienen gebaut ist. Bei 150–200 Hüben pro Minute liegt der Zeitverlust dafür, vier Löcher einzeln statt als Gruppe zu stanzen, unter zwei Sekunden, und er beseitigt das Presskraftproblem vollständig. Bei den meisten Arbeiten im Schaltanlagenbau lohnt dieser Tausch.

Angeschliffene Schneidschrägen an der Stempelstirn

Eine flache Stempelstirn schneidet den gesamten Umfang auf einmal; die Spitzenkraft entspricht daher der berechneten Kraft, und die Entlastung durch den Schnittschlag ist abrupt. Eine in die Stempelstirn geschliffene Schneidschräge staffelt den Schnitt und senkt die Spitze.

Der Gewinn hängt von der Schrägungstiefe im Verhältnis zur Werkstoffdicke ab, und an dicker Stromschiene fällt er kleiner aus, als die Werbung nahelegt. Roper Whitney gibt veröffentlicht an, dass eine Schneidschräge die Stanzkraft um bis zu 50 % senken kann, mit der Einschränkung, dass sie bei 14 gauge und dünner am wirksamsten ist. Die Schrägungsfaktoren von H. Weiss sind für unsere Dicken brauchbarer: Bei 1/4 in (6,35 mm) Werkstoff ergibt eine Schrägungstiefe von 1/16 in (1,6 mm) einen Faktor von 0,90, eine Tiefe von 3/32 in (2,4 mm) ergibt 0,85 und eine Tiefe von 3/16 in (4,8 mm) ergibt 0,65.

Für die Sammelschiene heißt das in der Praxis, dass eine mäßige Schrägungstiefe an 6 mm Kupfer 10–15 % bringt und an 12 mm entsprechend weniger, weil die Schrägungstiefe mit der Dicke wachsen müsste, um dasselbe Verhältnis zu halten. Legen Sie eine Maschine nicht in der Annahme aus, die Schneidschräge werde Sie retten. Behandeln Sie sie als Absicherung gegen den Schnittschlag und als Hilfe für die Butzenführung und rechnen Sie die Presskraft mit dem Wert für die flache Stempelstirn.

Verwenden Sie den Dachschliff statt einer einseitigen Schräge bei allem außer den kleinsten Löchern. Eine einseitige Schräge erzeugt eine unausgeglichene Querkraft, die den Stempel auslenkt und die Führung belastet.

Die Reserveregel

Nehmen Sie die Stanzkraft des ungünstigsten Falls und schlagen Sie eine Reserve für das auf, was die Formel nicht abbildet:

• Werkzeugzustand: Ein verschlissener Stempel braucht spürbar mehr Kraft als ein scharfer, weil der Kantenradius wächst und ein größerer Teil des Schnitts zu Umformung wird. Von den nicht abgebildeten Größen ist das die größte einzelne.
• Werkstoffzustand und Dickentoleranz: Schiene trifft oft genug am oberen Rand ihrer Dickentoleranz und am oberen Rand ihres Festigkeitsbandes ein, dass es zählt.
• Rahmenverformung und hydraulische Abminderung: Die Nennkraft gilt am Stößel, bei Nenndruck, bei Betriebstemperatur.
• Künftige Aufträge: Die Maschine steht fünfzehn Jahre in der Fertigung, und der Auftragsmix wird sich ändern.

Ein Arbeitswert ist, so auszulegen, dass die berechnete Kraft des ungünstigsten Falls nicht mehr als etwa 60–70 % der Nennkraft der Maschine beträgt. Das ist keine Norm, sondern angesammelte Praxis, aber es passt dazu, wo die veröffentlichten Maschinengrenzen tatsächlich liegen. Bei den 800-kN-Maschinen weiter unten ergibt das größte veröffentlichte Loch in der dicksten veröffentlichten Schiene in hartem Kupfer rund 485 kN, also etwa 61 % der Nennkraft. Das ist kein Zufall.

Übertragung auf eine reale Maschinenstaffel

Wenn Sie die Rechnung für den ungünstigsten Fall gegen die veröffentlichte Kapazität jeder Baugröße halten, entsteht eine einfache Auswahltabelle. Alle Zahlen unten rechnen mit hartem Kupfer bei 193 N/mm², also mit dem pessimistischen Fall.

Die mit „veröffentlichtes Maximum“ gekennzeichneten Zeilen geben den vom Hersteller angegebenen größten Lochdurchmesser bei der angegebenen größten Dicke wieder. Die beiden mit „abgeleitet“ gekennzeichneten Zeilen zeigen das größte Loch, das die Arithmetik bei rund zwei Dritteln der Nennkraft zulässt, denn diese Maschinen veröffentlichen keinen größten Lochdurchmesser.

Lesen Sie diese Tabelle als Auslegungshilfe und nicht als Preisliste. Die 300-kN-Klasse deckt Schaltschrankarbeiten in 160 × 15 mm Schiene mit Lochbildern für M12 und M16 ab und nichts Ausgefallenes. Die EMAC-BP-40 mit 400 kN deckt den größten Teil des Schaltanlagenbaus in 12 mm Schiene bei 150 Hüben pro Minute ab. Der Schritt auf 600 kN bringt 16 mm Bearbeitungsdicke und nicht nur mehr Kraft, und der Schritt auf 800 kN bringt 20 mm und Löcher von 40 mm.

Wenn der Auftrag große Ausschnitte, Lüftungsöffnungen im Schienenverteiler oder irgendetwas enthält, bei dem der abgewickelte Umfang über 100 mm hinausgeht, gehen Sie eine Klasse höher, unabhängig davon, was die Rechnung für das Rundloch sagt. Von den Größen in der Formel wächst der Umfang am schnellsten.

Die 800-kN-Klasse ist außerdem aus einem Grund von Bedeutung, der mit Löchern nichts zu tun hat. An einer kombinierten Stanz- und Schneidmaschine muss die Schneidstation den vollen Schienenquerschnitt abtrennen, und an 300 × 20 mm Kupfer ist das eine Schnittfläche von 6000 mm². Die für das Scheren erforderliche Kraft richtet sich nach der Messergeometrie und dem Schnittwinkel und nicht nach der einfachen Umfangsformel, aber der Rahmen muss sie tragen, und an breiter, schwerer Schiene bestimmt häufig die Schere und nicht der Stempel die Rahmengröße.

Zwei Dinge, die die Formel nicht sagt

Kraft ist nicht dasselbe wie Leistungsfähigkeit. Eine Presse mit ausreichender Presskraft und unzureichender Positioniergenauigkeit erzeugt Löcher an der falschen Stelle, und bei einem Lochbild für Schraubverbindungen nach DIN 43673-1 ist das eine verschrottete Schiene. Die Genauigkeit der Lochteilung, die Wiederholgenauigkeit und die Steifigkeit des Schienenvorschubs sind eigene Festlegungen und verdienen eine eigene Prüfung.

Die Kraft sagt außerdem nichts über die Hubzahl, und die Hubzahl entscheidet, ob sich die Maschine rechnet. Eine 400-kN-Maschine mit 150 Hüben pro Minute und eine 800-kN-Maschine mit 200 Hüben pro Minute sind unterschiedliche Produktionsangebote, und bei einem Auftrag, der von Durchgangslöchern für M10 und M12 bestimmt wird und bei dem keine der beiden Maschinen auch nur in die Nähe ihrer Kraftgrenze kommt, ist die Hubzahl die einzige Zahl, die zählt. Den Zusammenhang zwischen Hubzahl, Werkzeugstandzeit und den wirklichen Kosten eines Lochs behandelt Werkzeugstandzeit und Kosten je Loch, die Mechanik des Schnitts selbst der Überblick zum Stanzen.