Patrones de agujeros en barra y qué especifica realmente DIN 43673-1

Busque DIN 43673 y todos los resultados de la primera página querrán venderle el documento. Nadie lo explica. La norma son cuatro páginas en alemán de febrero de 1982, y el número aparece constantemente en los planos de los clientes, normalmente como referencia escueta y sin ninguna cota adjunta.

Qué cubre la norma

DIN 43673-1

, Stromschienen-Bohrungen und -Verschraubungen; Stromschienen mit Rechteck-Querschnitt, publicada en traducción inglesa como «Drilled holes and screw connections for busbars; rectangular cross-section busbars», es decir, agujeros taladrados y conexiones atornilladas para barras colectoras de sección rectangular. Cuatro páginas. Especifica la posición y el tamaño de los agujeros taladrados y da los datos base para el diseño y la construcción de las conexiones atornilladas. Se aplica a corriente continua y a corriente alterna hasta 60 Hz.

Su alcance está ligado a otros dos documentos DIN: se aplica a las barras rectangulares cuyas corrientes permanentes asignadas se dan en DIN 43670 (aluminio, 1975-12, diez páginas) y DIN 43671 (cobre, 1975-12, nueve páginas). La familia se reparte con claridad. DIN 43671 le dice cuánta corriente llevará una sección de barra dada; DIN 43673-1 le dice dónde poner los agujeros. Ambas siguen listadas como vigentes por DIN Media, cosa inusual en documentos de esa época.

Dos cosas se siguen de cómo está redactado el alcance. La norma trata de la conexión, no solo del taladrado, y los «datos base para el diseño de las conexiones atornilladas» son la mitad que la gente olvida. Y el techo de 60 Hz es real: por encima de él, los efectos pelicular y de proximidad en la zona de unión redistribuyen la corriente alrededor de los agujeros lo suficiente como para que el patrón deje de ser el adecuado.

DIN 46433 no es una norma de agujeros para barra colectora

Esta corrección lleva su propio encabezado porque la cita errónea está por todas partes, incluso en pliegos de licitación y en planos de proveedor que se copian hacia delante durante años.

DIN 46433

se titula Flachdrähte und Flachstangen, gezogen, mit gerundeten Kanten — Maße: alambres planos y pletinas planas, estirados, con cantos redondeados; dimensiones. Ocho páginas. Es una norma dimensional para alambre y barra rectangular estirados: ancho, espesor, radio de canto, tolerancias. No dice nada sobre posiciones de agujero, diámetros de agujero ni conexiones atornilladas. Además está anulada, y ha sido sustituida por DIN EN 13601.

Si un plano que usted recibe dice «agujeros según DIN 46433», el plano está mal. Las citas que esa persona quería hacer son DIN 43673-1 para el patrón de agujeros y DIN 43671 para la corriente asignada y, si lo que buscaba era la especificación de material, esa es EN 13601, el mismo documento que sustituyó a DIN 46433. Plantéelo antes de cortar metal, porque un plano que cita mal una norma suele citar mal también el temple.

Dónde se encuentra el patrón de agujeros con la verificación del conjunto

Los patrones de agujeros parecen un detalle de fabricación. No lo son, porque la unión que producen queda dentro del alcance de la norma de conjuntos contra la que se verifica el cuadro acabado.

IEC 61439-1 es explícita. En el ensayo de calentamiento, el apartado 10.10.2.3.3 exige que «se preste especial atención a las uniones en conductores y bornes dentro de los circuitos principales». Las uniones son puntos de medida nombrados. El apartado 10.10.2.3.7 a) exige que, cuando las barras principales se ensayen por separado, la longitud ensayada sea de al menos 2 m e incluya una unión cuando las barras sean prolongables, y el apartado de cortocircuito 10.11.5.3.3 fija esa longitud en (2 ± 0,4) m en la misma condición.

Y después el criterio de aceptación. Tras el ensayo de cortocircuito, el apartado 10.11.5.5 establece que «no debe haber aflojamiento de las piezas empleadas para la conexión de conductores». Una unión que sobrevive térmicamente pero que se afloja bajo esfuerzo electrodinámico hace fallar al conjunto, y la distancia al canto y el dimensionado de los tornillos son lo que decide eso.

Distancia al canto

La norma fija los centros de agujero respecto al canto de la barra. Se están equilibrando dos cosas independientes.

Mecánicamente, el ligamento entre el agujero y el canto de la barra soporta la carga de aplastamiento del tornillo durante un defecto. La corriente de cresta admisible empuja las barras contiguas a separarse o a juntarse con fuerzas que acaban reaccionándose a través del grupo de tornillos. Con poco material de canto, el ligamento plastifica, el agujero se alarga, el apriete previo cae y la unión se afloja. El desgarro franco es raro en cobre de espesor sensato; el fallo real es el alargamiento progresivo seguido de pérdida de presión de contacto, que es peor porque permanece invisible hasta que la termografía lo detecta.

Eléctricamente, el ligamento es un cuello. La corriente tiene que rodear el agujero, así que el material entre el agujero y el canto lleva una densidad mayor que el grueso de la barra. Ponga el agujero demasiado cerca del canto y habrá construido un punto caliente local en la parte más solicitada de la unión.

La fabricación añade una tercera restricción. Cuando se punzona en lugar de taladrar, la matriz necesita material alrededor contra el que reaccionar. Punzone con poca distancia al canto en cobre de temple duro y el canto se abombará hacia fuera, el ligamento endurecerá por deformación y la barra dejará de apoyar plana contra su pareja. Como práctica de taller y no como cifra normativa, mantenga la distancia libre entre el canto del agujero y el canto de la barra al menos igual al espesor de la barra, y 1.5 veces ese valor en temple duro. Nuestra página del proceso de punzonado cubre el lado de utillaje de esa misma restricción.

El paso y la concentración de corriente alrededor de los agujeros

Copper for Busbars (publicación 22) de la Copper Development Association da el tratamiento publicado más claro de lo que los agujeros le hacen a una unión. La resistencia de la unión tiene dos partes: la resistencia de dispersión o de líneas de corriente, causada por que la corriente tiene que desviarse a través del solape, y la resistencia de contacto en la propia interfaz. Los agujeros de tornillo empeoran la primera, y la estimación que da la CDA depende del diámetro del agujero y de n, el número de agujeros medido a lo ancho de la barra.

Esa única variable zanja una cuestión que los fabricantes discuten. Los agujeros deben colocarse alineados a lo largo de la unión. Ponerlos al tresbolillo a lo ancho aumenta la resistencia, porque cada agujero adicional a lo ancho es otra obstrucción en el mismo camino de corriente. Dos agujeros alineados en una barra de 60 mm son una unión mejor que dos agujeros desplazados en diagonal, aunque la segunda disposición parezca repartir la carga de apriete de forma más uniforme.

La longitud de solape la gobierna el mismo efecto. La penalización por líneas de corriente cae con mucha fuerza a medida que la relación entre solape y espesor sube hasta 2 aproximadamente, y después mejora solo lentamente hasta una relación de 10. Más allá de eso ya no queda nada que ganar. La conclusión de la CDA: el solape solo tiene que ser lo bastante largo para alojar los tornillos suficientes para alcanzar la presión de contacto requerida. Los solapes largos desperdician cobre y añaden peso sin comprar conductividad.

De la misma fuente salen dos refinamientos baratos de implantar y rara vez usados. Practicar una ranura longitudinal a través de ambas barras en el solape reduce la resistencia de contacto entre un 30 y un 40 %, porque uniformiza la presión de contacto en cada rama de la unión. Achaflanar los extremos de la barra a menos de 45° reduce la resistencia inicial de la unión en torno a un 15 % y frena el ritmo al que sube la resistencia de la unión bajo ciclado de carga en un factor de 1.3 a 1.5.

Diámetro de agujero

El diámetro de agujero cambia holgura para el tornillo por acumulación de tolerancias y por el área de contacto que usted está retirando.

La holgura es más generosa de lo que la gente espera. La orientación de siempre de la CDA empareja un tornillo M10 con un agujero de 11.5 mm y un M12 con 14 mm, subiendo a 15 mm en barras más anchas. Eso son de 1.5 a 3 mm de juego, y es deliberado: absorbe el error de paso acumulado en un patrón de cinco o seis tornillos en dos barras producidas en días distintos, posiblemente en máquinas distintas. Ajuste la holgura y lo que se compra son uniones que no se dejan montar.

El coste es área de contacto. Cada agujero retira cobre del solape y, en concreto, de la región donde la presión de apriete es máxima. Un agujero de 14 mm en una barra de 100 mm quita el 14 % del ancho de la sección en ese punto. Por eso la respuesta a una unión ajustada es más tornillos de tamaño moderado y no menos tornillos grandes. El número de tornillos compra uniformidad de presión; el diámetro del tornillo compra pérdida de sección.

El diámetro de agujero interactúa además con la herramienta. Punzonar un agujero menor que el espesor del material es duro para la herramienta en cobre y la calidad del agujero se resiente. Rara vez muerde con M10 o más en barra de 5 a 12 mm, pero sí lo hace en barra fina de mando con agujeros de fijación pequeños. La calculadora de fuerza de punzonado le dirá lo que cuesta en tonelaje un diámetro dado antes de que comprometa el patrón.

Tamaño de tornillo, par y conjunto de arandelas

La tabla 22 de la CDA lleva décadas siendo la referencia de trabajo. El patrón va aproximadamente así: la barra de 25 a 30 mm lleva dos M8 a 17 N·m; la de 40 mm lleva dos M10 a 28 N·m; de 50 a 80 mm se pasa a M12 a 45 N·m, dos tornillos a 50 mm y cuatro a 80 mm; la barra de 100 y 120 mm lleva cinco M12; la de 160 y 200 mm lleva de seis a ocho M16 a 91 N·m. Los tamaños en servicio van de M6 a M20, siendo lo habitual cuatro o seis tornillos.

El par es un indicador, y malo. La presión de contacto no se puede medir en obra, así que se deduce mediante T = K·F·D, donde K es el coeficiente de apriete. La CDA da K entre 0.20 y 0.22 en seco, entre 0.19 y 0.21 con compuesto de contacto y entre 0.15 y 0.16 con lubricante de contorno de disulfuro de molibdeno. Léalo así: el mismo ajuste de llave sobre una rosca lubricada produce en torno a un 30 % más de apriete previo que sobre una seca. Si su valor de par salió de una tabla y su instrucción de montaje dice engrasar las roscas, esas dos cosas no van juntas.

A lo que usted apunta es a la presión de contacto en el solape. Las cifras de la CDA: por debajo de unos 7 N/mm² no es aconsejable, por encima de 10 N/mm² es lo preferido, y por encima de unos 30 N/mm² apenas hay ganancia adicional. Solo en torno al 1 % del área aparente de solape conduce realmente, y la carga pasa por contactos discretos entre rugosidades, y por eso el estado de la superficie importa tanto como el número de tornillos y por eso las barras deben estar planas y recién abrasionadas en el montaje.

El conjunto de arandelas hace un trabajo real. Las arandelas grandes y gruesas reparten la carga del tornillo alejándola del agujero y ensanchan la región de presión útil; la CDA empareja M10 con una arandela de 24 mm y 2.2 mm de espesor, y M12 con una de 28 mm y 2.7 mm. Cuando se usan tornillos de acero de alta resistencia, la dilatación diferencial pasa a ser el problema. El acero dilata a unos 11.1 × 10⁻⁶/°C frente a los 16.5 × 10⁻⁶/°C del cobre, de modo que la tensión del tornillo sube al calentarse la unión y puede llevarse más allá del 95 % de la tensión de prueba que la CDA fija como techo. Las arandelas de muelle de disco (Belleville) absorben ese incremento; los tornillos de bronce al aluminio CW307G, con 16.2 × 10⁻⁶/°C, lo evitan al igualar casi al cobre.

Un punto contraintuitivo. La CDA no recomienda recubrir las caras de unión cobre-cobre salvo que el entorno lo exija, porque un recubrimiento blando puede fluir a temperatura elevada y relajar la presión de contacto que a usted le costó establecer.

Cuando el plano dice «según DIN 43673» y nada más

Este es el caso habitual, y es un problema comercial antes que técnico.

Pregunte a qué barra pertenece el patrón. La norma indexa la posición y el tamaño de agujero a las secciones de barra rectangular con corriente asignada en DIN 43670 y DIN 43671. Si el ancho y el espesor especificados no son una de esas secciones, la referencia no resuelve y el cliente tiene que darle cotas.

Pregunte si se refieren al patrón o a la unión. Muchos planos que citan DIN 43673-1 quieren solo el patrón de tornillos normalizado, para ser intercambiables con aparamenta existente. Algunos quieren también los datos de la conexión atornillada, lo que mete la clase del tornillo, la disposición de arandelas y el par dentro de su alcance de suministro. Esas son ofertas distintas.

Consiga una referencia física. Una barra de muestra, un croquis acotado o una fotografía del equipo con el que empareja zanjan más ambigüedad en cinco minutos que una semana de correos. Los agujeros de interfaz de la propia aparamenta del cliente son la especificación real, diga lo que diga el plano.

Ponga su interpretación en el plano que devuelve y hágalo firmar. Declare el diámetro de agujero, el paso y la distancia al canto que piensa producir. Si el cliente tiene la norma y usted no, podrá contrastarlo con la fuente en un minuto.

Compre las cuatro páginas si el patrón se repite. El documento cuesta menos que un lote desechado de barra de 200 mm. Pídalo a DIN Media o a su organismo nacional de normalización y no a un revendedor agregador.

Llevar el patrón a la máquina

Una vez resuelto, el patrón pasa a ser una cuestión de utillaje. Un patrón DIN recurrente en varios anchos de barra significa varios diámetros de agujero, y la restricción es cuántos conviven en la torreta a la vez. Una línea de punzonado y cizallado como la EMAC-BP-60 maneja bien un juego de herramientas fijo. Donde la mezcla es amplia, un centro de procesamiento como el IMAC-CENTER 60, con 24 estaciones de herramienta ampliables a 36, saca el cambio de serie de la ecuación y mantiene ±0.05 mm de posicionamiento, que es lo que deja la acumulación de paso dentro de la holgura que usted previó.

El lado de la corriente asignada de ese mismo trabajo corresponde a DIN 43671, cuyas tablas están referidas a 35 °C de ambiente y 65 °C de temperatura de barra con factores de corrección para otras condiciones. Una unión térmicamente ajustada porque la barra se calculó sin esas correcciones no la va a rescatar un buen patrón de agujeros. Nuestra calculadora de capacidad de corriente los aplica en lugar de esconderlos, y el artículo sobre uniones atornilladas entra en la preparación superficial más de lo que aquí cabe.