Hochkant- gegenüber Flachkantbiegen an Stromschienen

Flach- und Kantelage sind keine zwei Einstellungen desselben Vorgangs. Es handelt sich um unterschiedliche Umformprobleme mit unterschiedlichen Versagensgrenzen, unterschiedlichen Werkzeugen und – bei den meisten Maschinen – unterschiedlichen Leistungswerten. Die Begrifflichkeit variiert regional: Flachlage wird auch als easy way, flache Biegung oder waagerechte Biegung bezeichnet; Kantlage als hard way, Kantenbiegung oder senkrechte Biegung. Die Mechanik bleibt unverändert.

Eine Flachlagen-Biegung klappt die Leiter über ihre Dicke, sodass die kleinere Dimension maßgebend ist. Eine Kantlagen-Biegung klappt sie über ihre Breite, sodass die größere Dimension maßgebend ist. Alle weiteren Folgerungen ergeben sich aus diesem einen Tausch.

Das Flächen- und das plastische Widerstandsmoment sind der Schlüssel

Für eine rechteckige Leiter der Breite w und Dicke t gilt für das elastische Flächenmoment um die beiden Hauptachsen:

• Flachlage: Z = w·t² / 6
• Kantlage: Z = t·w² / 6

Die plastischen Momente verhalten sich proportional, also w·t²/4 und t·w²/4, und das plastische Moment ist maßgebend, sobald die Umformung beginnt. Das Verhältnis zwischen beiden ist schlicht w/t.

Diese eine Zahl ist der Multiplikator für das Biegemoment. Konkrete Fälle:

Die Abhängigkeit von der Breite ist bemerkenswert. Das Flächenmoment in Flachlage ist linear von der Breite abhängig: Eine Verdopplung der Breite verdoppelt die Kraft. Das Flächenmoment in Kantlage hängt vom Quadrat der Breite ab: Eine Verdopplung der Breite vervierfacht die Kraft. Eine 200 mm breite Leiter erfordert zum Biegen in Kantlage die vierfache Kraft gegenüber einer 100 mm breiten Leiter, nicht die doppelte.

Die Dicke verhält sich umgekehrt. Die Flachkraft steigt mit t², die Kantkraft nur linear mit t. Eine dünne, breite Leiter ist mit beiden Merkmalen der ungünstigste Kandidat für Kantlagen-Biegung: Sie erfordert eine hohe Kraft und bietet zugleich den geringsten Widerstand gegen das im Folgenden beschriebene Versagensbild. Die Tonnenzahl für einen bestimmten Querschnitt kann mit dem Stromschienen-Biegekraftrechner ermittelt werden.

Die Stabilität setzt die Grenze, noch bevor die Kraft maßgebend wird

Maschinen sind momentenbegrenzt. Werkstücke sind stabilitätsbegrenzt, und bei der Kantlagen-Biegung wird die werkstückseitige Grenze zuerst erreicht.

Bei einem Biegen über die Kante sitzt die Faser außen in einem Abstand von halber Streifenbreite von der neutralen Faser, nicht von halber Dicke. Die technische Dehnung der Außenfaser lautet:

ε = 1 / (2·(R/w) + 1)

Bei einem Innerradius gleich der Streifenbreite beträgt sie 33%, bei zweifacher Breite 20%, bei vierfacher Breite 11%. Diese Werte im Vergleich zu den Reißdehnungswerten in den EN 13601 Härtegraden zeigen, warum Biegeradien für das Kantenbiegen als Vielfaches der Breite und nicht der Dicke angegeben werden. R240 halbhart schreibt 8% Mindestreißdehnung vor, R290 hart 4%. Die Biegedehnung übersteigt die Zugreißdehnung aus den im Artikel über Kupferhärte und Mindestbiegeradius dargestellten Gründen, aber der Spielraum ist nicht groß genug, um ein R/w von unter etwa 2 als allgemeine Faustregel zu rechtfertigen.

Auf der Biegunginnenseite ist das Problem ein anderes und entscheidet meistens. Die innere Faser wird längs eines Kreisbogens gedrückt, und das Material, das diese Drucklast aufnimmt, ist ein nur t dickes und w tiefes Band. Es handelt sich um eine schlaffe Platte, die in ihrer eigenen Ebene belastet wird, und schlanke Platten unter Druck knicken aus der Ebene heraus. Die kritische Spannung sinkt mit dem Quadrat der Schlankheit, sodass mit steigendem w/t-Verhältnis die Innenseite zunehmend leichter zu Wellenbildung neigt. Das sichtbare Ergebnis ist eine wellenförmig oder fischgrätig gerollte Innenseite, wobei bisweilen der gesamte Querschnitt aus dem rechten Winkel kippt.

Deshalb sind die Zulagen für das Kantenbiegen enger als für das Flachbiegen. Die SMART-603CNC-S ist für Flachbiegen mit 260 × 20 mm und für Kantenbiegen mit 125 × 15 mm ausgezeichnet. Beide Maße gehen herunter, nicht nur die Breite, und dasselbe Muster findet sich allgemein bei Stromschienen-Biegegeräten. Die Zulage markiert den Punkt, an dem das Werkzeug den Querschnitt nicht mehr rechtwinklig durch die Biegung führen kann.

Praktische Grenzen

Die Kombination der Dehnungsrechnung mit der normalen Werkstattpraxis ergibt einen Arbeitsbereich. Dies sind Richtwerte als Ausgangspunkt für die Erstprüfung, keine normativen Grenzen.

Innenradius von mindestens 2× der Streifenbreite für weiches und halbhartes Kupfer, 3× oder mehr für Härtegrad hart. Breite-zu-Dicke-Verhältnis unter etwa 10 für verlässliche Ergebnisse ohne spezielle Unterstützung; über 12 bis 15 tritt Grenzwellbildung an der Innenseite auf, unabhängig vom Radius. Streifenbreite innerhalb von etwa der Hälfte der flachen Zulage der Maschine. Härtegrad hart in breiten Querschnitten ist die Kombination, die am häufigsten versagt, da sowohl die Grenzdehnung der Außenfaser als auch die Beullastgrenze gleichzeitig enger werden.

Das Rückfedern verhält sich ebenfalls anders. Die Geometrie des plastischen Bereichs, die Einspannung durch das Werkzeug und der effektive R/t-Wert unterscheiden sich allesamt vom Flachbiegen, sodass eine Kantenbiege-Korrektur nicht aus einer Flachbiege-Korrektur abgeleitet werden kann. Eine Trennung der beiden Eintragungen in der Tabelle zur Rückfederkompensation ist daher notwendig.

Werkzeug und Unterstützung

Ein Kantenbiegen muss an jedem Ort eingespannt werden, an dem der Querschnitt ausweichen kann, und das dafür verwendete Werkzeug ist nicht das Werkzeug für das Flachbiegen.

Der Streifen muss durch den gesamten Biegebogen auf beiden breiten Flächen geklemmt werden, nicht nur am Einlauf. Nicht unterstützte breite Flächen lassen den Querschnitt verdrehen, und ein verdrehter Querschnitt erzeugt eine Biegung, die sowohl winkel- als auch ebenenfehlerhaft ist.

Für die Innenseite wird ein Anlage- oder Druckstück benötigt, das den Biegeweg mitführt und die innere Kante gegen Knicken abstützt. Dieses Bauteil unterscheidet eine Maschine, die kantig biegen kann, von einer, die lediglich einen kantigen Biegemodus besitzt.

Das Werkzeug erfordert eine Nut, die auf die Stabdicke abgestimmt ist. Eine universelle V-Nut, die bei der Flachlage über einen Dickenbereich funktioniert, kann eine stehende Stablage nicht halten. Der Spielraum, der für die Flachlage Flexibilität bietet, ist genau jener, den die stehende Lage benötigt, um sich aufzuwölben.

Die Schmierung ist wichtiger als bei der Flachlage, da die Kontaktdrücke auf dem Werkzeuggesicht höher sind und der Stab während der Biegung weiter über das Werkzeug gleitet.

Der gerade Anlauf muss ebenfalls länger sein. Die Einspannlänge ist eine geometrische Beschränkung für die Teileplanung und eine häufige Ursache dafür, dass ein Design zwar prinzipiell biegbar, jedoch nicht auf der Maschine umsetzbar ist, die es fertigen soll. Löcher und Überlappungsfugen müssen frei vom Biegebereich gehalten werden; ein Abstand von mindestens 10 mm zwischen Biegung und Überlappungsfuge sowie 20 mm zwischen Biegung und Stützpunkt gängige Praxis im Schaltschrankbau.

Gestaltungsalternativen

Fällt eine kantige Biegung außerhalb des Maschinenumfelds, stehen drei Alternativen zur Verfügung, die jedoch nicht austauschbar sind.

Drehung und Flachlage

Durch Drehung des Stabes um 90° um seine Längsachse wird die breite Fläche in die Ebene der gewünschten Richtungsänderung gebracht. Anschließend erfolgt die Änderung als einfache Flachlage-Biegung. Die Umformung ist unkompliziert, das Werkzeug ist standardisiert, die Faserspannung in der Biegung wird durch die Dicke statt durch die Breite bestimmt und der Stab trifft am Zielort bereits in der Ebene ein, die die Anschlussklemme erfordert. Der Nachteil ist die Länge: eine Drehung benötigt eigenen geraden Stab, typischerweise mindestens die zweifache Stabbreite und oft mehr. Das Stromschienen-Drehungsführungsprofil beschreibt die Geometrie und erreichbaren Winkel, und das Drehen ist eine Standardfähigkeit der Stromschienen-Biegeköpfe, keine separate Maschine.

Schraubenverbindung

Die Richtungsänderung kann mit zwei geraden Stäben und einer verschraubten Überlappungsfuge ausgeführt werden. Es existiert keine Umformbegrenzung, daher funktioniert dies bei jeder Breite und jedem Härtegrad. Der Nachteil ist eine Verbindung im Strompfad, was Kontaktwiderstand, ein Drehmomentspezifikum, eine Wartungspflicht und einen Prüfpunkt bedeutet. Im Schaltschrankbau wird die Überlappung so bemessen, dass die Kontaktfläche mindestens den fünffachen Stabquerschnitt beträgt. Eine solche Fuge stellt auch eine thermische Diskontinuität dar und muss daher dort angeordnet werden, wo die Temperaturanstieg-Berechnung dies zulässt.

Segment- oder Profilplatte

Die Ecke wird als einzelnes geformtes Teil aus Platte ausgeschnitten. Die Richtungsänderung liegt somit in der Materialebene, sodass keine Umformung erforderlich ist. Dies ergibt den niedrigsten Widerstand der drei Varianten, keine Fuge und völlige Freiheit bei der Eckgeometrie. Der Materialverbrauch ist höher, da der Verschnitt im Inneren der Ecke als Abfall anfällt, und das Teil ist auf der Zeichnung nicht mehr ein Standardprofil.

Entscheidungshilfe

Eine bewährte Entscheidungsregel:

Für eine Stange innerhalb des Stehblech-Biegebereichs der Maschine und wo die Zeichnung einen Innenradius von mindestens dem Doppelten der Stangenbreite zulässt, wird sie im Stehblech gebogen. Dies erfordert die wenigsten Arbeitsgänge und die wenigsten Teile.

Für eine Breite oder ein Breiten-Dicken-Verhältnis außerhalb dieses Bereichs, aber wo der Verlauf vor der Richtungsänderung ausreichend gerade Länge bietet, wird die Stange gedreht und dann im Flachblech gebogen. Dies ist die Standardlösung für breite, dünne Stangen und ist in der Regel kostengünstiger als erwartet, da beide Arbeitsgänge am selben Biegekopf ausgeführt werden.

Wenn keine Länge für eine Drehung zur Verfügung steht und die Ecke ein natürlicher Ort für eine Verbindung ist, wird eine geschraubte Eckenverbindung verwendet. Eine Ecke, die ohnehin eine Abzweigung, einen Übergang zwischen Abschnitten oder eine Wartungsunterbrechung benötigt, sollte unabhängig davon eine Verbindung haben.

Wenn die Stromdichte oder die Gehäusegeometrie eine Verbindung ausschließt und kein Platz für eine Drehung vorhanden ist, wird die Ecke aus Plattenmaterial profilerisiert.

Die Reihenfolge ist entscheidend. Jeder Schritt nach unten in der Liste fügt entweder Teile, Arbeitsgänge oder Ausschuss hinzu, daher sollte die Vorgehensweise von oben nach unten erfolgen und nicht unten beginnen.

Anwendung in der Konstruktionsprüfung

Die meisten Stehblech-Probleme werden längst entschieden, bevor die Stange die Fertigungshalle erreicht. Eine in 3D gezeichnete Verlegung mit einer 90°-Ecke in der falschen Ebene, bei einer Stange von 160 × 10 und einem Radius von 100 mm, ist kein Fertigungsproblem, das mit mehr Tonnen gelöst werden kann. Es handelt sich um eine Geometrie, die kein Kraftaufwand ohne Faltung der Innenseite erzeugen kann.

Die kostengünstigste Maßnahme ist die Prüfung von drei Werten bei der Konstruktionsprüfung: Stangenbreite gegenüber dem Stehblech-Biegerating der Maschine, Innenradius gegenüber Stangenbreite und Breite gegenüber Dicke. Wenn zwei der drei Werte nicht erfüllt sind, muss die Verlegung geändert werden. Maschinen wie der EMAC-BB-H12, die 3D- und 2D-Geometrien direkt einlesen, ermöglichen eine einfache Automatisierung dieser Prüfung, da die Biegeinformationen bereits in der Datei und der Leistungsbereich bereits in der Steuerung hinterlegt sind.