Hochkant- gegenüber Flachkantbiegen an Stromschienen

Flachkant und hochkant sind nicht zwei Einstellungen desselben Arbeitsgangs. Es sind unterschiedliche Umformaufgaben mit unterschiedlichen begrenzenden Versagensmechanismen, unterschiedlichen Werkzeugen und, an den meisten Maschinen, unterschiedlichen Kapazitätsangaben. Die Begriffe schwanken regional: Die Flachkantbiegung heißt auch die leichte Richtung, die flache Biegung oder die liegende Biegung; die Hochkantbiegung heißt die schwere Richtung, die Kantenbiegung oder die stehende Biegung. Die Mechanik schwankt nicht.

Eine Flachkantbiegung faltet die Stromschiene über ihre Dicke, es bestimmt also die kleine Abmessung. Eine Hochkantbiegung faltet sie über ihre Breite, es bestimmt also die große Abmessung. Alles Weitere folgt aus diesem einen Tausch.

Das Widerstandsmoment ist die ganze Geschichte

Für eine rechteckige Sammelschiene der Breite w und der Dicke t beträgt das elastische Widerstandsmoment um die beiden Hauptachsen:

• Flachkant: Z = w·t² / 6
• Hochkant: Z = t·w² / 6

Die plastischen Widerstandsmomente tragen dasselbe Verhältnis, w·t²/4 und t·w²/4, und sobald Sie umformen, ist der plastische Wert der maßgebende. So oder so ist das Verhältnis zwischen beiden einfach w/t.

Diese eine Zahl ist der Multiplikator auf das Biegemoment. Einige konkrete Fälle:

Lesen Sie die Breitenabhängigkeit sorgfältig, denn sie ist der Teil, der überrascht. Das Widerstandsmoment flachkant ist linear in der Breite: Verdoppeln Sie die Breite, und Sie verdoppeln die Kraft. Das Widerstandsmoment hochkant geht mit dem Quadrat der Breite: Verdoppeln Sie die Breite, und Sie vervierfachen sie. Eine 200 mm breite Schiene ist hochkant nicht doppelt so schwer zu biegen wie eine 100-mm-Schiene. Sie ist viermal so schwer.

Die Dicke verhält sich umgekehrt. Die Kraft flachkant geht mit t², die Kraft hochkant nur linear mit t. Eine dünne, breite Schiene ist damit in beiden Hinsichten zugleich der ungünstigste Kandidat für das Hochkantbiegen: Sie verlangt hohe Kraft und setzt zugleich dem als Nächstes beschriebenen Versagensmechanismus den geringsten Widerstand entgegen. Wenn Sie Kraftwerte für einen bestimmten Querschnitt brauchen, rechnet der Rechner für die Biegekraft an Stromschienen sie aus der Geometrie.

Die Stabilität setzt die Grenze vor der Kraft

Maschinen sind durch das Moment begrenzt. Werkstücke sind durch die Stabilität begrenzt, und beim Hochkantbiegen kommt die Grenze des Werkstücks zuerst.

An der Außenseite einer Hochkantbiegung liegt die Faser um die halbe Breite der Schiene von der neutralen Faser entfernt statt um die halbe Dicke. Die technische Dehnung der Außenfaser beträgt:

ε = 1 / (2·(R/w) + 1)

Bei einem Innenradius gleich der Schienenbreite sind das 33 %. Beim Doppelten der Breite 20 %. Beim Vierfachen der Breite 11 %. Vergleichen Sie das mit den Werten der Bruchdehnung in den Werkstoffzuständen nach EN 13601, wo R240 halbhart mit mindestens 8 % und R290 hart mit 4 % festgelegt ist, und es wird deutlich, warum Radien für das Hochkantbiegen als Vielfache der Breite und nicht als Vielfache der Dicke angegeben werden. Die ertragbare Biegedehnung übersteigt die Bruchdehnung aus dem Zugversuch tatsächlich, aus den Gründen, die der Beitrag zu Werkstoffzustand des Kupfers und Mindestbiegeradius darlegt, aber der Abstand ist nicht groß genug, um ein R/w unter etwa 2 zu einer sicheren allgemeinen Regel zu machen.

An der Innenseite der Biegung liegt das Problem anders und ist meist maßgebend. Die Innenfaser steht entlang eines Bogens unter Druck, und der Werkstoff, der diesen Druck trägt, ist ein Streifen von nur t Dicke und w Tiefe. Das ist eine schlanke Platte, die in ihrer eigenen Ebene belastet wird, und schlanke Platten knicken unter Druck aus der Ebene aus. Die kritische Spannung fällt mit dem Quadrat der Schlankheit, mit steigendem w/t lässt sich die Innenkante daher zunehmend leichter falten. Sichtbar wird das als wellige oder ausgeschuppte Innenkante, mitunter kippt dabei der gesamte Querschnitt aus dem Winkel.

Deshalb sind die Kapazitätsangaben für das Hochkantbiegen so viel enger als die für das Flachkantbiegen. An der SMART-603CNC-S ist das Flachkantbiegen mit 260 × 20 mm und das Hochkantbiegen mit 125 × 15 mm angegeben. Beide Abmessungen gehen zurück, nicht nur die Breite, und dasselbe Muster zeigt sich bei Biegetechnik für Stromschienen allgemein. Die Angabe markiert den Punkt, an dem das Werkzeug den Querschnitt über die Biegung hinweg nicht mehr im Winkel halten kann.

Praktische Grenzen

Die Dehnungsrechnung mit der üblichen Werkstattpraxis zusammengenommen ergibt einen Arbeitsbereich. Behandeln Sie diese Werte als Anhaltspunkte, die am Erstmuster zu bestätigen sind, und nicht als normative Grenzen.

Innenradius mindestens 2× Schienenbreite für weiches und halbhartes Kupfer und 3× oder mehr für den harten Zustand. Verhältnis von Breite zu Dicke unter etwa 10 für verlässliche Ergebnisse ohne besondere Abstützung; oberhalb von 12 bis 15 ist mit Falten an der Innenkante unabhängig vom Radius zu rechnen. Schienenbreite innerhalb von rund der Hälfte der Flachkantangabe der Maschine. Der harte Zustand in breiten Querschnitten ist die Kombination, die am häufigsten versagt, weil sich die Dehnungsgrenze der Außenfaser und die Knickgrenze zugleich verschärfen.

Auch die Rückfederung verhält sich anders. Die Geometrie der plastischen Zone, die Behinderung durch das Werkzeug und das wirksame R/t unterscheiden sich alle vom Flachkantfall; ein Offset für hochkant lässt sich daher nicht aus einem Offset für flachkant ableiten. Halten Sie die beiden Sätze von Einträgen in der Tabelle zur Rückfederungskompensation getrennt.

Werkzeug und Abstützung

Eine Hochkantbiegung muss überall dort gehalten werden, wohin der Querschnitt ausweichen kann, und das Werkzeug, das das leistet, ist nicht das Werkzeug, das flachkant biegt.

Die Schiene muss über den gesamten Biegebogen an beiden Breitseiten gespannt sein und nicht nur am Einlauf. Nicht abgestützte Breitseiten lassen den Querschnitt kippen, und ein gekippter Querschnitt ergibt eine Biegung, die neben dem Winkel auch die Ebene verfehlt.

Die Innenkante braucht einen mitlaufenden Niederhalter oder Druckklotz, der sich mit der Biegung bewegt und die gedrückte Kante gegen das Ausknicken hält. Das ist das Bauteil, das eine Maschine, die hochkant biegen kann, von einer unterscheidet, die lediglich eine Betriebsart für hochkant hat.

Die Biegeform braucht eine Nut, die auf die Schienendicke abgestimmt ist. Eine universelle V-Form, die flachkant über einen Dickenbereich funktioniert, hält einen hochkant stehenden Querschnitt nicht, denn das Spiel, das ihr die Flexibilität gibt, ist genau das Spiel, in das der Querschnitt hineinkippt.

Die Schmierung ist wichtiger als beim Flachkantbiegen, weil die Flächenpressungen an der Biegeform höher sind und die Schiene während der Biegung weiter über das Werkzeug gleitet.

Auch der gerade Vorlauf muss länger sein. Die Spannlänge ist eine maßliche Randbedingung für die Teileauslegung und eine häufige Ursache dafür, dass eine Konstruktion grundsätzlich biegbar ist, aber nicht auf der Maschine, die sie herstellen soll. Halten Sie Löcher und Überlappungsverbindungen aus der Biegezone heraus; mindestens 10 mm zwischen einer Biegung und einer Überlappungsverbindung und 20 mm zwischen einer Biegung und einer Abstützstelle vorzusehen ist übliche Praxis im Schaltschrankbau.

Die konstruktiven Alternativen

Wenn eine Hochkantbiegung nicht in den Arbeitsbereich passt, gibt es drei Wege daran vorbei, und sie sind nicht austauschbar.

Verwinden und flachkant biegen

Verwinden Sie die Schiene um 90° um ihre eigene Achse, sodass sich die Breitseite in die Ebene der erforderlichen Richtungsänderung dreht, und führen Sie diese Änderung dann als gewöhnliche Flachkantbiegung aus. Die Umformung ist einfach, das Werkzeug ist Standard, die Dehnung der Außenfaser in der Biegung wird von der Dicke und nicht von der Breite bestimmt, und die Schiene kommt am Ziel bereits in der Ebene an, die der Anschluss verlangt. Der Preis ist Länge: Eine Verwindung braucht ihren eigenen geraden Schienenabschnitt, typischerweise mindestens das Doppelte der Schienenbreite und oft mehr. Der Leitfaden zum Verwinden von Stromschienen behandelt die Geometrie und die erreichbaren Winkel, und Verwinden ist an Biegeköpfen für Stromschienen eine Standardfunktion und keine eigene Maschine.

Geschraubte Ecke

Führen Sie die Richtungsänderung mit zwei geraden Schienen und einer geschraubten Überlappungsverbindung aus. Es gibt überhaupt keine Umformgrenze, das funktioniert also bei jeder Breite und in jedem Werkstoffzustand. Der Preis ist eine Verbindung im Strompfad der Sammelschiene, und das bedeutet Übergangswiderstand, eine Drehmomentangabe, eine Wartungspflicht und einen Prüfpunkt. Die Praxis im Schaltschrankbau bemisst die Überlappung so, dass die Kontaktfläche mindestens das Fünffache des Schienenquerschnitts beträgt. Eine Verbindung ist außerdem eine thermische Unstetigkeit und muss daher dort sitzen, wo der Erwärmungsnachweis sie aufnehmen kann.

Segmentierte oder konturierte Platte

Schneiden Sie die Ecke als einzelnes konturiertes Stück aus Platte, sodass die Richtungsänderung in der Ebene des Werkstoffs erfolgt und keine Umformung nötig ist. Das ergibt von den dreien den geringsten Widerstand, keine Verbindung und volle Freiheit bei der Eckengeometrie. Die Kosten sind die Materialausnutzung, da der Abschnitt innerhalb der Ecke Verschnitt ist, und ein Teil, das auf der Zeichnung kein Standardquerschnitt mehr ist.

Die Wahl zwischen ihnen

Eine Entscheidungsregel, die sich in der Praxis bewährt:

Liegt die Schiene innerhalb des Hochkant-Arbeitsbereichs der Maschine und lässt die Zeichnung einen Innenradius von mindestens dem Doppelten der Schienenbreite zu, biegen Sie hochkant. Das sind die wenigsten Arbeitsgänge und die wenigsten Teile.

Liegen die Breite oder das Verhältnis von Breite zu Dicke außerhalb dieses Bereichs, steht aber vor der Richtungsänderung genügend gerade Länge zur Verfügung, verwinden Sie und biegen flachkant. Das ist der Regelfall für breite, dünne Schienen und meist günstiger, als man erwartet, weil beide Arbeitsgänge auf demselben Kopf zum Biegen laufen.

Steht keine Länge für eine Verwindung zur Verfügung und ist die Ecke ohnehin ein natürlicher Ort für eine Verbindung, verwenden Sie eine geschraubte Ecke. Eine Ecke, die ohnehin einen Abgang, einen Übergang zwischen Querschnitten oder eine Trennstelle für die Instandhaltung braucht, ist eine Ecke, die in jedem Fall eine Verbindung haben sollte.

Schließen die Stromdichte oder die Geometrie des Gehäuses eine Verbindung aus und ist kein Platz zum Verwinden, konturieren Sie die Ecke aus Platte.

Die Reihenfolge ist von Bedeutung. Jeder Schritt weiter unten in der Liste fügt entweder Teile, Arbeitsgänge oder Verschnitt hinzu; arbeiten Sie sich also nach unten durch, statt unten anzufangen.

Wo das in der Konstruktionsprüfung auftaucht

Die meisten Probleme beim Hochkantbiegen sind lange entschieden, bevor die Schiene in die Fertigung kommt. Eine in 3D gezeichnete Führung mit einer 90°-Ecke in der falschen Ebene, an einer Schiene 160 × 10, mit einem Radius von 100 mm, ist kein Fertigungsproblem, das sich mit mehr Presskraft lösen lässt. Es ist eine Geometrie, die keine noch so große Kraft ohne gefaltete Innenkante erzeugt.

Der billige Eingriff besteht darin, in der Konstruktionsprüfung drei Zahlen zu prüfen: Schienenbreite gegen die Hochkantangabe der Maschine, Innenradius gegen Schienenbreite und Breite gegen Dicke. Fallen zwei der drei durch, muss die Führung geändert werden. Maschinen wie die EMAC-BB-H12, die 3D- und 2D-Geometrie direkt lesen, machen diese Prüfung leicht automatisierbar, weil die Biegeliste bereits in der Datei steht und der Kapazitätsbereich bereits in der Steuerung.