Schneidspalt für Stromschienen aus Kupfer und Aluminium

Der Schneidspalt ist der Abstand zwischen der Schneidkante des Stempels und der Schneidkante der Matrize. Es ist eine einzige Zahl, sie ist leicht falsch gewählt, und an der Sammelschiene ist sie häufiger falsch als jede andere Werkzeuggröße. Die meisten veröffentlichten Empfehlungen wurden für das Blechstanzen bei 1–3 mm geschrieben; eine Stromschiene sind 6–20 mm weiches, zähes, kaltverfestigendes Kupfer. Die Prozentsätze lassen sich übertragen. Die Folgen nicht.

Es gibt zwei Konventionen, und sie unterscheiden sich um den Faktor zwei. Der Gesamtschneidspalt ist die Differenz zwischen Matrizenöffnung und Stempelmaß. Der Schneidspalt je Seite ist die Hälfte davon, also der radiale Abstand an einer beliebigen Stelle des Umfangs. Eine Lieferantentabelle mit „Kupfer, 20 %“ und ein Betrieb, der mit 10 % arbeitet, können dasselbe Werkzeug beschreiben. Klären Sie, auf welche Konvention sich eine Zahl bezieht, bevor Sie sie mit irgendetwas vergleichen. Dieser Beitrag rechnet durchgehend je Seite und rechnet zitierte Quellen um, wo es nötig ist.

Was Ihnen die Schnittfläche sagt

Ein gestanztes Loch in der Schiene hat vier Zonen, sichtbar an der Lochwand und spiegelbildlich am Butzen. Sie abzulesen geht schnell und kostet nichts.

Der Kanteneinzug liegt an der Eintrittsseite des Stempels, wo der Werkstoff nachgibt und in das Loch hineingezogen wird, bevor er schneidet; zurück bleibt eine gerundete Lippe. Die Tiefe des Einzugs wächst mit dem Schneidspalt, mit stumpfer Schneide und mit weichem Werkstoff, er ist also für sich genommen kein Fehler. An geglühtem Kupfer ist er immer sichtbar.

Die Glattschnittzone ist das blanke Band unterhalb des Einzugs, wo die Lochwand von der Stempelflanke geglättet wurde. Sie ist glatt und gerade, und maßlich ist sie das Loch. Die Werkzeugempfehlung von Dayton Lamina beschreibt den richtigen Schneidspalt dadurch, dass der Butzen ein Glattschnittband von etwa einem Drittel der Werkstoffdicke zeigt und dazu fluchtend eine gleichmäßige Bruchebene; das lässt sich auch an der Stromschiene als Abnahmeregel verwenden.

Die Bruchzone ist der matte, grobe Rest. Sie verläuft schräg, weil der Riss von der Stempelkante zur Matrizenkante läuft, und der Schneidspalt bestimmt diesen Winkel. Eine Bruchfläche, die gerade und gleichmäßig ist und ohne Absatz an das Glattschnittband anschließt, bedeutet, dass sich die beiden Risse getroffen haben. Genau darum geht es.

Der Grat sitzt an der Austrittsseite des Stempels: Der letzte Werkstoffsteg wird gelängt und reißt, statt zu scheren. Die Grathöhe steigt mit dem Schneidspalt, mit dem Verschleiß der Schneidkante und mit der Weichheit des Werkstoffs.

Zwei Fehlerbilder sind wichtiger als die übrigen. Ein sekundäres Scherband — ein zweiter blanker Ring weiter unten an der Lochwand, mit einem Absatz zwischen beiden — besagt, dass sich der Riss vom Stempel und der Riss von der Matrize nicht in derselben Ebene getroffen haben und der Werkstoff dazwischen ein zweites Mal geschert werden musste. Das ist zu wenig Schneidspalt. Ein großer Kanteneinzug mit dünnem, ausgefranstem Grat und sehr kurzem Glattschnittband ist zu viel.

Heben Sie von jedem neuen Werkzeugsatz einen Butzen auf, beschriftet mit Werkstoff, Dicke und Schneidspalt. Einen verdächtigen Butzen gegen einen bekannt guten zu halten dauert fünfzehn Sekunden und entscheidet die meisten Diskussionen darüber, ob ein Werkzeug nachgeschliffen werden muss oder der Schneidspalt nicht stimmt.

Der Schneidspalt als Prozentsatz der Dicke, je Seite

Die Arbeitsgleichung lautet:

c = k × t          (Schneidspalt je Seite, mm)
Matrizenöffnung = Stempelmaß + 2c

wobei t die Werkstoffdicke und k das Schneidspaltverhältnis ist. Für Sammelschienen aus Kupfer liegt k je Seite in einem Band von 5–12 %. Unter 5 % geraten Sie in das sekundäre Scheren und in Wärmeschäden. Oberhalb von etwa 12 % beginnen an dicker Schiene der Kanteneinzug und die Butzenführung zu bestimmen. Rund 10 % je Seite ist der gebräuchliche Arbeitswert, und dort landen die meisten Werkzeuglieferanten für halbharte Schiene.

Das Band, ausgerechnet für die Dicken, die im Schaltanlagenbau vorkommen:

6 mm Kupfer verlangt also etwa 0,3–0,7 mm je Seite und 10 mm Kupfer etwa 0,8–1,2 mm je Seite, wenn man in der oberen Hälfte des Bandes arbeitet. Diese Matrizenöffnungen wirken neben dem Stempel beunruhigend groß, wenn Ihre Erfahrung aus der Dünnblechbearbeitung kommt. Sie sind richtig. Die Matrize für einen 13-mm-Stempel in 10 mm Kupfer beträgt bei 10 % je Seite 15 mm, und das entstehende Loch misst nahezu 13 mm, weil das Glattschnittband die Lochwand bestimmt und nicht die Matrize.

Veröffentlichte Tabellen weichen voneinander ab, und das hat einen Grund. Der Werkzeugleitfaden von Conic nennt für Kupfer an Servo- und Hydraulikpressen ein Schneidspaltverhältnis von 0,20–0,25 als Gesamtwert, also 10–12,5 % je Seite, mit dem Hinweis, oberhalb von 3,2 mm Dicke mit 1,4 zu multiplizieren. Wörtlich genommen bringt das dickes Kupfer auf 14–17 % je Seite. UniPunch führt Kupfer mit 20 % der Dicke für den halbharten und 25 % für den harten Zustand, ebenfalls als Gesamtwert. Die Arbeiten von Dayton zum ausgelegten Schneidspalt, die aus dem Dünnblechstanzen stammen, gehen noch höher. Die Streuung ist sachlich begründet und nicht nachlässig: Der günstigste Wert hängt davon ab, ob Sie Werkzeugstandzeit, geringen Grat oder Maßhaltigkeit kaufen, und diese drei erreichen ihr Bestes nicht beim selben Schneidspalt.

Zu wenig Schneidspalt

Der Riss vom Stempel und der Riss von der Matrize gehen jeweils von der eigenen Schneidkante aus und laufen aufeinander zu. Bei richtigem Schneidspalt liegen sie in derselben Ebene und treffen sich. Bei zu kleinem Schneidspalt laufen sie aneinander vorbei, und der Steg dazwischen muss in einem zweiten Vorgang durchgerissen werden. Daraus entstehen das sekundäre Scherband, eine raue und ungleichmäßige Lochwand und ein Loch, das gegenüber dem Stempel untermaßig ist.

Die Folgen am Werkzeug sind schwerwiegender als die am Teil. Kupfer federt nach dem Schnittschlag auf die Stempelflanke zurück; bei engem Schneidspalt schließt sich das Loch daher um den Stempel, und jeder Hub endet in einer Presspassung, die beim Rückhub herausgedrückt werden muss. Die Abstreifkraft steigt, die Flanke reibt sich ab, und an der Spitze staut sich Reibungswärme. Die Praxisbeispiele von Dayton zeigen Verfärbungen hinter der Spitze aus genau diesem Mechanismus, wobei die Wärmebehandlung des Stempels geschädigt und seine Standzeit beendet ist, lange bevor die Schneide selbst verschlissen ist. In schweren Fällen ermüdet die Spitze und reißt ab.

Ein großer Teil des Verschleißes entsteht beim Rückhub, nicht beim Schneidhub. Dayton beziffert ihn auf bis zu zwei Drittel des gesamten Stempelverschleißes, und er hängt vollständig davon ab, wie fest das Loch die Flanke umschließt. Das spricht dagegen, den Schneidspalt an Kupfer am unteren Rand des Bandes zu fahren. Kupfer ist weich, die Presse beschwert sich also nie. Das Werkzeugkonto schon.

Auch die Spitzenkraft steigt bei engem Schneidspalt, weil ein größerer Teil der Dicke geschert statt gebrochen wird. An einer Maschine mit wenig Reserve ist das ein plausibler Weg zu einem stehenbleibenden Stößel an der dicksten Schiene des Auftrags.

Zu viel Schneidspalt

Der Werkstoff biegt sich in die Matrize hinein, bevor er schneidet. Der Kanteneinzug wächst, das Glattschnittband wird kürzer, die Bruchzone übernimmt den größten Teil der Lochwand, und die Grathöhe steigt. Das Loch ist übermaßig und seine Kante nicht mehr rechtwinklig — das ist dort von Bedeutung, wo das Loch in der Verbindungsfläche einer Schraubverbindung liegt.

Die betriebliche Störung ist der mitgezogene Butzen. Mit wachsendem Schneidspalt sitzt der Butzen loser in der Matrize und kommt beim Rückhub mit dem Stempel hoch, statt zu fallen. Er landet auf der Schiene und wird in das nächste Loch getrieben oder klemmt im Abstreifer. An Kupfer sind die Mechanismen die Haftung des Ölfilms und das Vakuum zwischen dem durchgewölbten Butzen und der Stempelstirn. Magnetische Haftung, sonst der dritte Verursacher bei Stahlarbeit, entfällt hier.

Die Gegenmaßnahmen sind mechanisch: ein federbelasteter Auswerferstift in der Stempelstirn mit seitlicher Entlüftungsbohrung, eine Schneidschräge, die den Butzen wölbt, sodass ihn seine eigene Rückfederung löst, oder eine Matrize mit kurzem Schneidband und anschließend engerer Freistellung, die den Butzen festhält, sodass er nicht hochsteigen kann. Es hilft, den Eintritt des Stempels in die Matrize im unteren Totpunkt auf etwa 0,5–0,8 mm zu begrenzen, weil ein tiefer Eintritt beim Herausfahren mehr Vakuum erzeugt. Die vollständige Liste und was die einzelnen Maßnahmen bringen, steht in Werkzeugstandzeit und Kosten je Loch.

Kleine Löcher in dicker Schiene

Die Stromschiene hat ein geometrisches Problem, das das Dünnblechstanzen nicht hat. Ein Durchgangsloch für M12 misst 13 oder 13,5 mm. In 10 mm Schiene beträgt das Verhältnis von Lochdurchmesser zu Dicke etwa 1,3, in 12 mm Schiene etwa 1,1. Das ist ein gedrungenes, tiefes Loch, und es verhält sich nicht wie ein 25-mm-Loch in 3 mm Blech.

Unterhalb eines Verhältnisses von Durchmesser zu Dicke von etwa 1,5 lässt sich der Butzen nur noch schwer biegen und freibrechen. Die Stempelbelastung steigt, das Glattschnittband wird länger, der Grat wächst, und das Loch fällt untermaßig aus. Dayton empfiehlt, dem Nennschneidspalt 1 % je Seite zuzuschlagen, sobald das Loch auf das 1,5-Fache der Dicke sinkt, und rund 4 % je Seite zusätzlich, wenn der Lochdurchmesser der Dicke entspricht. Auf ein 13-mm-Loch in 12 mm Kupfer angewandt ist diese Korrektur nicht optional, und sie erklärt, warum ein Werkzeugsatz, der bei 6 mm einwandfrei arbeitet, bei 12 mm mit demselben Nennprozentsatz Ärger macht.

Die Standzeitdaten von PASS Stanztechnik bestätigen das von der anderen Seite: Ihre Abminderungsfaktoren betragen 0,6–0,8 für ein Schnittelement kleiner als das 1,5-Fache der Blechdicke und 0,3–0,5 für eines kleiner als das 1,0-Fache der Dicke. Ein kleines Loch in dicker Schiene kostet zwischen der Hälfte und zwei Dritteln der Standzeit, die Sie sonst erreichen würden.

Stanzkraft, und was die Stempelgeometrie mit ihr macht

Die erforderliche Kraft ist die gescherte Fläche mal der Scherfestigkeit des Werkstoffs, F = Umfang × t × τ, für ein Rundloch also F = π × d × t × τ. Rechenbeispiele und ein Referenzsatz von Scherfestigkeiten stehen im Begleitbeitrag zur Auslegung der Presskraft für das Stanzen von Stromschienen, und die Rechnung läuft direkt im Rechner für die Stanzkraft.

Der Schneidspalt wirkt darauf ein, und die Stempelgeometrie ebenfalls. Ein Stempel mit flacher Stirn schneidet den gesamten Umfang auf einmal; die volle Kraft trifft daher als Spitze auf, und die Entlastung durch den Schnittschlag ist heftig. Eine in die Stempelstirn geschliffene Schneidschräge staffelt den Schnitt, und die Spitzenkraft sinkt — an dicker Stromschiene aber weniger, als die Werbung nahelegt. Die Schrägungsfaktoren von H. Weiss geben für 1/4 in (6,35 mm) Material einen Faktor von 0,90 bei 1/16 in (1,6 mm) Schrägungstiefe, 0,85 bei 3/32 in (2,4 mm) und 0,65 bei 3/16 in (4,8 mm). Eine flache Schräge an dickem Kupfer bringt 10 %. Für 35 % braucht es eine Schrägungstiefe von nahezu drei Vierteln der Schienendicke, und das ist eine lange, empfindliche Spitze.

Die flache Stirn erzeugt die höchste Spitzenkraft, das rechtwinkligste Loch und den flachsten Butzen. Die einseitige Schräge, eine quer über den Stempel angeschliffene Fläche, senkt die Kraft am stärksten, drückt den Stempel aber seitlich weg; an einem gedrungenen Schienenstempel geht diese Querkraft in die Führung und in den Abstreifer. Der Dachschliff, symmetrisch zur Mittellinie, gleicht die Querkräfte aus und ist außer für die kleinsten Löcher die übliche Wahl. Beim Lochen gehört die Schräge auf den Stempel und nicht auf die Matrize: Welches Teil den Winkel trägt, verzerrt seine Seite des Schnitts, und beim gelochten Loch ist der Butzen Abfall, während die Schiene das Produkt ist.

Aluminium ist kein Kupfer, und 6101 ist kein 1350

Aluminium ändert zwei Dinge. Die Scherfestigkeit fällt deutlich ab, und sie fällt über die für Stromschienen verwendeten Sorten nicht gleichmäßig ab.

Weiche Leitersorten der 1xxx-Reihe liegen in der Scherfestigkeit bei 60–80 N/mm²; UniPunch führt 1100-O mit 62 N/mm² und 1100-H14 mit 76 N/mm², und das ist die richtige Größenordnung für Schiene aus 1350-H111. Legierte und wärmebehandelte Schiene ist ein anderer Werkstoff. Die veröffentlichte Scherfestigkeit für 6101-T6 liegt bei etwa 22 ksi, also rund 150 N/mm², und 6061-T6 wird mit 207 N/mm² angegeben. Wer eine Presse oder einen Werkzeugsatz für „Aluminium, 80 N/mm²“ auslegt und dann Schiene aus 6101-T6 bekommt, braucht nahezu die doppelte Kraft. Klären Sie Legierung und Werkstoffzustand vor der Kraftberechnung.

Der Schneidspalt für Aluminiumschienen liegt bei gleicher Dicke etwas unter dem für Kupfer, üblicherweise bei etwa 8–10 % je Seite, weil die geringere Scherfestigkeit den Riss bereitwillig fortschreiten lässt. Das Problem bei Aluminium ist die Adhäsion. Es verschweißt kalt auf dem Werkzeugstahl, baut sich auf der Stempelflanke auf und verkratzt dann die nächsten hundert Löcher. Eine Beschichtung hilft; PASS Stanztechnik nennt einen Standzeitfaktor von 2,0–4,0 für eine geeignete Beschichtung, gemeint ist eine aluminiumspezifische Sorte und nicht ein allgemeines TiN. Schmierung hilft mehr. Der Abminderungsfaktor von PASS für den Betrieb ohne Schmierung liegt bei 0,4–0,6; trockenes Stanzen von Aluminiumschienen ist also eine Scheinersparnis.

Der Werkstoffzustand des Kupfers wirkt auf dieselbe Weise. Nach EN 13601 wird Schiene aus Cu-ETP als R220 weichgeglüht mit 220–260 N/mm² Zugfestigkeit geliefert, als R240 halbhart mit 240–300 und als R290 hart mit 290–360. Das liegt weit genug auseinander, dass ein auf einen Werkstoffzustand abgestimmter Werkzeugsatz auf einem anderen nicht mehr passt.

Den Grat auf der Zeichnung angeben

Die meisten Schienenzeichnungen sagen nichts über den Grat, und dann weist die Prüfung Teile nach einem ungeschriebenen Maßstab zurück. Das Mittel, es sauber anzugeben, ist ISO 13715, Technische Produktdokumentation — Kanten mit unbestimmter Form — Angabe und Bemaßung, dritte Ausgabe 2017.

Die Norm stellt ein grafisches Symbol bereit, das an die Kante gesetzt wird und ein Vorzeichen sowie einen Wert enthält. Die Bedeutung steckt im Vorzeichen:

• + bezeichnet zulässigen Werkstoffüberstand, den die Norm Überstand nennt. Ein Grat ist ausdrücklich als Sonderfall eines äußeren Überstands definiert. Ein einzelner positiver Wert bedeutet, dass die andere Grenze null ist; ein Rücksprung ist damit nicht zulässig.
• − bezeichnet erforderlichen Werkstoffabtrag, einen Rücksprung. Ein einzelner negativer Wert bedeutet, dass kein Überstand zulässig ist; es ist also überhaupt kein Grat erlaubt, und die Kante muss gebrochen werden.
• ± bezeichnet, dass beides zulässig ist, und darf nur mit einem Größenwert verwendet werden.

Der Größenwert ist die höchstzulässige Abweichung und steht hinter dem Vorzeichen. Obere und untere Grenze können beide angegeben werden, übereinandergesetzt. ISO 13715 sieht außerdem vor, die Richtung anzugeben, in der Überstand oder Rücksprung zulässig ist; an der Sammelschiene ist das die entscheidende Festlegung, denn ein Grat auf der Verbindungsfläche einer Schraubverbindung ist ein anderes Problem als ein Grat auf der freien Fläche.

Was ISO 13715 nicht leistet: Sie sagt Ihnen nicht, welche Zahl Sie eintragen sollen. Die ergibt sich aus der Funktion der Kante:

• Verbindungsflächen von Schraubverbindungen: Der Grat sitzt zwischen zwei aufeinander liegenden Leitern und hält sie auseinander; das verringert die Kontaktfläche und erhöht den Übergangswiderstand. Da IEC 61439 an Anschlussstellen für den Anschluss äußerer Leiter eine Grenze der Erwärmung von 70 K festlegt, ist der Übergangswiderstand eine Frage der Konformität und keine der Optik. Geben Sie die Gratseite an, und geben Sie sie eng an.
• Lochwände, durch die ein Schraubenschaft läuft: Grat behindert hier die Montage und kann die Schraube verkratzen. Eine mäßige Begrenzung genügt.
• Kanten in der Nähe einer Isolierbarriere oder einer Luftstrecke: eine Frage der Luft- und Kriechstrecken nach IEC 60664-1, weil ein scharfer, aufstehender Grat die Feldstärke örtlich erhöht. Hier behauptet auch üblicherweise jemand, eine Norm schreibe das Anfasen vor. Keine tut das. Die Kantenbehandlung ist ein Mittel, die Festlegungen zur Isolation einzuhalten, und keine Anforderung für sich.

Bei Lochbildern nach DIN 43673-1, die Lage und Größe der Löcher sowie die Grunddaten für die Schraubverbindungen an rechteckigen Sammelschienen festlegt, gehört die Gratangabe auf dieselbe Zeichnung wie das Lochbild.

Wo die Grenze so eng ist, dass sie durch Stanzen allein nicht einzuhalten ist, liegt die Antwort in einem nachgelagerten Arbeitsgang und nicht in einem immer engeren Schneidspalt. Entgraten mit Bürste oder Band auf einer Maschine wie der BND800-2, die Schienen von 0,5 bis 50 mm Dicke und 100 bis 800 mm Breite bearbeitet, nimmt der Diskussion die Grundlage. Einen Grat von 0,05 mm über einen engeren Schneidspalt einholen zu wollen kostet Stempelstandzeit und Lochqualität zugleich.

Einstellen und Prüfen an der Maschine

Der Schneidspalt gehört zum Werkzeugsatz und nicht zur Presse; an einer Stanz- und Schneidmaschine wird er daher bei der Bestellung von Stempel und Matrize festgelegt und beim Einbau überprüft. Messen Sie Stempel und Matrize getrennt und rechnen Sie den Schneidspalt aus, statt der Beschriftung zu vertrauen; ein an der Flanke statt an der Stirn nachgeschliffener Stempel hat nicht mehr das Maß, das auf ihm steht. Prüfen Sie anschließend die Rundlaufabweichung, denn ein Wert je Seite muss rundum gelten. Ein Stempel, der bei 0,8 mm Nennschneidspalt um 0,1 mm außermittig steht, ergibt auf einer Seite 0,7 mm und auf der anderen 0,9 mm, und der Grat wird sichtbar unsymmetrisch. An einem Bearbeitungszentrum mit Mehrstationen-Werkzeugmagazin, das ±0,05 mm Positioniergenauigkeit hält, gehören die Ausrichtung der Stationen und die Sauberkeit des Magazins zur Schneidspaltkette.

Was dieser örtliche plastische Fluss mit der Geradheit der Schiene macht, behandelt Ebenheit, Geradheit und Verwindung nach der Bearbeitung; der Überblick zum Stanzen ordnet ein, wo das Loch im übrigen Ablauf sitzt.