Stromschienen verwinden: Geometrie, Grenzen und Werkzeug

Eine Verwindung dreht die Stromschiene um ihre eigene Längsachse, ohne die Richtung zu ändern, in die sie läuft. Es ist der Arbeitsgang für den Fall, dass der Verlauf zwar stimmt, die Breitseite aber in der falschen Ebene liegt: ein senkrechter Steigezug auf einen Leistungsschalter, dessen Anschlussfahnen waagerecht sitzen, ein Paket von Phasenschienen, das auf unterschiedliche Anschlussorientierungen auffächern muss, ein Abgang in ein Gerät, das um 90° zum Sammelschienenraum verdreht montiert wurde.

Die meisten Betriebe arbeiten dabei nach Faustregeln, und die kursierenden Faustregeln weichen um den Faktor drei voneinander ab. Sie weichen aus einem Grund voneinander ab, und dieser Grund ist berechenbar.

Verwindelänge als Funktion der Breite

Die veröffentlichten Empfehlungen zu der Schienenlänge, die für eine Verwindung um 90° vorzusehen ist, spannen ein weites Band auf. Die Montagepraxis im Schaltanlagenbau setzt die Verwindelänge auf mindestens das Doppelte der Schienenbreite an. Maschinenhersteller geben häufig das 2,5-Fache der Breite als Untergrenze an, mit einem veröffentlichten Beispiel von 50 mm Verwindelänge für eine 20 mm breite Schiene. Andere Fertigungsempfehlungen nennen das 2,5- bis 5-Fache der Breite. Die Praxis mit dem Schraubstock von Hand nennt am unteren Ende das 1,5- bis 2-Fache der Breite, knüpft an diesen Wert aber eine Grenze von 6 mm Dicke und 60 mm Breite.

Diese Zahlen lassen sich in Einklang bringen, sobald Sie auf die Verformung schauen. Die Ecke des Querschnitts liegt etwa eine halbe Schienenbreite von der Verwindeachse entfernt. Sie über eine Länge L um einen Winkel θ zu drehen erzeugt an der Oberfläche eine Schubverzerrung von:

γ = (w/2) · θ / L

was sich für eine Verwindung um 90° zu γ = π·w / (4L) vereinfacht. Umgerechnet auf eine gleichwertige einachsige Dehnung zum Vergleich mit Werten der Bruchdehnung, ε ≈ γ/√3:

Die Formel vernachlässigt die Dicke, was bei den Proportionen einer Stromschiene zulässig ist: An einer Schiene 100 × 10 mm beträgt der tatsächliche Eckenradius 50,25 mm gegenüber den 50 mm, die die Formel annimmt.

Damit ergeben die Empfehlungen einen Sinn. Beim 2,5-Fachen der Breite sieht die Ecke rund 18 % Vergleichsdehnung, die weiches und halbhartes Kupfer ohne Schwierigkeiten aufnehmen. Beim 1,5-Fachen sieht sie 30 %, was nur in dünner, schmaler, weicher Schiene zu überstehen ist, genau der Bereich, den sich die Schraubstockregel selbst auferlegt. Beim 5-Fachen der Breite sieht die Ecke 9 %, was auch im harten Zustand unproblematisch ist.

Eine Arbeitsregel: das 2,5-Fache der Breite für R220 und R240, das 4-Fache für R290 und nie unter dem 2-Fachen der Breite, gleich in welchem Werkstoffzustand. Bestätigen Sie das am Erstmuster, denn die Werte der Bruchdehnung in EN 13601 sind Mindestwerte, und geliefertes Material liegt üblicherweise darüber.

Achten Sie auf die Richtung, denn sie läuft dem Biegen entgegen: Je länger die Verwindung, desto milder die Verformung. Die Verwindelänge ist eine konstruktive Zugabe und keine Maschineneinstellung; hat der Verlauf keine gerade Länge herzugeben, steht die Verwindung überhaupt nicht zur Verfügung.

Das Moment, und warum Verwinden günstiger ist als Hochkantbiegen

Das plastische Torsionsmoment, das zum Verwinden eines Rechteckquerschnitts nötig ist, beträgt näherungsweise τy·(w·t²/2 − t³/6); es wird von t² bestimmt und wächst mit der Breite nur linear. Das plastische Biegemoment, das denselben Querschnitt hochkant biegt, beträgt σy·t·w²/4 und wächst mit dem Quadrat der Breite.

Für halbhartes Kupfer mit 180 N/mm² Dehngrenze:

Das Verhältnis liegt über den gesamten Bereich nahe bei 0,87·w/t. Jeder Millimeter zusätzliche Breite macht die Hochkantbiegung überproportional schwerer und die Verwindung nur proportional schwerer, und die breiten, dünnen Querschnitte, bei denen das Hochkantbiegen am ungünstigsten ist, sind genau die, bei denen der Vorteil am größten ist.

Das ist die zahlenmäßige Begründung für die Alternative aus Verwinden und Flachkantbiegen, die Hochkant- gegenüber Flachkantbiegen an Stromschienen behandelt. Verwinden Sie die Schiene um 90° und führen Sie die Richtungsänderung dann als gewöhnliche Flachkantbiegung aus, bei der die Dicke und nicht die Breite die Verformung bestimmt. Zwei einfache Arbeitsgänge ersetzen einen schwierigen.

Verwölbung, Kantenverdünnung und was mit dem Querschnitt geschieht

Eine kreisrunde Welle unter Torsion behält ihren Querschnitt in der Ebene. Eine rechteckige nicht. Unter Saint-Venant-Torsion verschieben sich Punkte eines Rechteckquerschnitts axial in einem Sattelmuster, mit der größten Verschiebung an den Ecken. Das ist die Verwölbung, und sie ist an einem nicht kreisrunden Querschnitt unvermeidlich.

Daraus folgen zwei praktische Konsequenzen.

Die verwundene Zone ist maßlich nicht mit der Ausgangsschiene identisch. Der Querschnitt schüsselt leicht, die Ecken eilen der Mitte der Breitseite vor oder nach, und die gemessene Dicke an den Kanten des verwundenen Bereichs fällt geringfügig unter das Nennmaß. Bei den üblichen Proportionen einer Sammelschiene ist die Abnahme klein, in der Größenordnung weniger Prozent, aber sie ist eine örtliche Widerstandserhöhung und damit eine mögliche Wärmestelle. Prüfen Sie sie gegen Ihre Reserve bei der Erwärmung; der Rechner für die Strombelastbarkeit von Stromschienen gibt an, welchen Spielraum der Zug hat, bevor die Abnahme von Bedeutung wird.

Die Verwölbung wird außerdem an den Spannstellen behindert, weil die Spannflächen den Querschnitt eben halten, während sich der Werkstoff dazwischen verwölben will. Behinderte Verwölbung erzeugt Axialspannungen, die sich an den Spannkanten konzentrieren; deshalb geht die Rissbildung beim Verwinden fast immer von der Spannlinie aus und nicht von der Mitte der Verwindung. Reißen Ihre Verwindungen an der Spannstelle, lautet die Antwort größere freie Länge oder weichere Spanneinsätze und nicht mehr Moment.

Die verwundene Zone ist außerdem kaltverfestigt. Legen Sie keine Biegung in eine Verwindung oder unmittelbar daneben. Der Werkstoff dort hat bereits einen großen Teil seiner verfügbaren Verformbarkeit aufgebraucht und reißt bei einem Radius, den die Ausgangsschiene vertragen würde. Lassen Sie zwischen den beiden Arbeitsgängen freie gerade Schiene.

Torsionsrückfederung

Verwindungen federn zurück, und sie federn erheblich stärker zurück als Biegungen.

Die elastische Rückstellung beim Entlasten beträgt Δθ = T·L/(G·J), wobei T das aufgebrachte Moment ist, L die Verwindelänge, G der Schubmodul und J das Torsionsflächenmoment des Querschnitts. Der Schubmodul von Kupfer folgt aus seinem Elastizitätsmodul mit rund 46 kN/mm². Rechnet man das für eine halbharte Schiene 100 × 10 mm durch, die über eine freie Länge von 250 mm um 90° verwunden wird, ergibt sich eine elastische Rückstellung von etwa 5°. Dieselbe Schiene über 400 mm verwunden stellt sich um etwa 8° zurück. Eine Schiene 160 × 10 mm über 400 mm stellt sich um etwa 7,6° zurück.

Das sind Abschätzungen erster Ordnung aus der elastischen Entlastung eines vollplastischen Querschnitts. Prüfen Sie sie am Erstmuster nach, statt sie aus dem Text heraus zu programmieren. Was sie zuverlässig festlegen, ist die Größenordnung: Die Rückstellung bei Torsion geht in mehrere Grad, eine Größenordnung mehr als die Rückfederung an einer Flachkantbiegung derselben Schiene.

Beachten Sie außerdem, dass die Rückstellung mit der Verwindelänge wächst, während die Verformung mit ihr fällt. Eine Verwindung zu verlängern, um die Ecken zu schonen, vergrößert die Winkelkompensation. Es gibt keine Länge, die beides zugleich löst; wählen Sie die Länge daher aus der Verformungsanforderung und überlassen Sie den Winkel der Kompensationstabelle. Hier gilt dieselbe Disziplin der Offsettabelle, die unter Rückfederungskompensation beschrieben ist, mit dem Schlüssel aus Werkstoff, Werkstoffzustand, Querschnitt und freier Länge, wobei die Einträge für Verwindungen vollständig von denen für Biegungen getrennt bleiben.

Spannen und Werkzeug

Ein Verwindekopf besteht aus zwei Spannstellen: einer festen und einer drehenden. Die freie Länge dazwischen ist die Verwindelänge; die Verwindelänge wird also über die Spannposition eingestellt und ist nicht an jeder Maschine stufenlos verstellbar. Prüfen Sie die Schrittweite, bevor Sie eine Konstruktion auf eine bestimmte Zugabe festlegen.

Die Spannflächen dürfen die Schiene nicht zeichnen. Kupfer ist weich, und der Spanndruck, der ein Rutschen unter vollem Moment verhindert, ist hoch. Einsätze aus Bronze, Aluminium oder hartem Kunststoff sind üblich. Stahlbacken mit gezahnter Fläche prägen die Schiene, und die Prägung wird unter der Torsionsbeanspruchung zum Ausgangspunkt eines Risses.

Eine der Spannstellen muss axial frei beweglich sein. Eine Schiene verkürzt sich beim Verwinden entlang ihrer Achse geringfügig. Halten Sie beide Enden starr, überlagern Sie der Torsionsschubbeanspruchung eine Axialzugspannung, die sich unmittelbar zur Verformung an der Ecke addiert und Kantenrisse bei Verformungen erzeugt, die die Verwindung allein überstanden hätte. Eine schwimmende Spannstelle oder eine kleine, bewusst vorgesehene axiale Nachgiebigkeit beseitigt das Problem.

Der Querschnitt muss außerdem an beiden Spannstellen im Winkel gehalten werden. Ein Verdrehschlupf verkürzt die wirksame freie Länge, was die Verformung über den gerechneten Wert hebt, und er bringt den fertigen Winkel aus der Vorgabe.

Die veröffentlichten Arbeitsbereiche für das Verwinden an Biegetechnik für Stromschienen liegen typischerweise bei etwa 5 bis 10 mm Dicke und 15 bis 100 mm Breite, spürbar enger als die Flachkantangabe derselben Maschine. Verwinden ist sowohl an der EMAC-BB-H12 als auch an der SMART-603CNC-S als Funktion aufgeführt und läuft auf derselben Steuerung und im selben Teileprogramm wie die Biegevorgänge; ein Teil mit einer Verwindung und zwei Biegungen ist damit eine Aufspannung und nicht drei. Der für die EMAC-BB-Köpfe genannte Wert von ±0,1° ist eine Angabe zur Biegegenauigkeit; die Wiederholgenauigkeit beim Verwinden hängt an jeder Maschine stark vom Griff der Spannstellen ab und sollte an Ihrem eigenen Werkstoff ermittelt und nicht aus dem Biegewert abgeleitet werden.

Wo Verwindungen in den Arbeitsplan gehören

Stanzen und Schneiden vor dem Verwinden, nicht danach. Eine verwundene Schiene liegt nicht flach auf dem Stanztisch auf und lässt sich nicht zuverlässig am Anschlag anlegen.

Setzen Sie Verwindungen vor Biegungen in die Reihenfolge, wo die Geometrie es zulässt, denn ein verwundener Querschnitt lässt sich in einer Biegeform schwerer im Winkel spannen als ein gerader.

Halten Sie Löcher vollständig aus der Verwindezone heraus. Ein Loch in einem Bereich hoher Torsionsschubbeanspruchung ist eine Spannungskonzentration an der ungünstigsten Stelle, und der Werkstoff um es herum reißt, bevor die Verwindung fertig ist.

Sehen Sie die aus der Verformung abgeleitete Verwindelänge bereits in der Zeichnung vor. Eine Verwindung nachträglich in einen Verlauf einzupassen, der ohne sie bemaßt wurde, ist der übliche Grund dafür, dass ein Betrieb es am Ende mit dem 1,5-Fachen der Breite versucht und die Schiene verschrottet. Verwinden und Biegen verbrauchen beide Länge, und die gestreckte Länge muss beides tragen. Die vollständige Prozessbeschreibung steht unter Verwinden.