Motifs de perçage des jeux de barres et ce que DIN 43673-1 spécifie réellement

Cherchez DIN 43673 et tous les résultats de la première page veulent vous vendre le document. Personne ne l'explique. La norme fait quatre pages en allemand, datées de février 1982, et son numéro apparaît constamment sur les plans clients, généralement comme une référence nue, sans la moindre cote.

Ce que couvre la norme

DIN 43673-1

, Stromschienen-Bohrungen und -Verschraubungen; Stromschienen mit Rechteck-Querschnitt, publiée en traduction anglaise sous le titre « Drilled holes and screw connections for busbars; rectangular cross-section busbars », soit « Perçages et raccordements vissés des jeux de barres ; barres de section rectangulaire ». Quatre pages. Elle spécifie l'implantation et la dimension des trous percés et donne les données de base pour la conception et la réalisation des raccordements vissés. Elle s'applique au courant continu et au courant alternatif jusqu'à 60 Hz.

Son domaine d'application est lié à deux autres documents DIN : elle s'applique aux barres rectangulaires dont les courants permanents assignés sont donnés dans DIN 43670 (aluminium, 1975-12, dix pages) et DIN 43671 (cuivre, 1975-12, neuf pages). La famille se répartit nettement. DIN 43671 vous dit quel courant une section de barre donnée transportera ; DIN 43673-1 vous dit où y placer les trous. Les deux sont toujours listées comme en vigueur par DIN Media, ce qui est inhabituel pour des documents de cette époque.

Deux conséquences découlent de la formulation du domaine d'application. La norme porte sur le raccordement, et pas seulement sur le perçage, et les « données de base pour la conception des raccordements vissés » sont la moitié que l'on oublie. Et le plafond de 60 Hz est réel : au-delà, les effets de peau et de proximité dans la zone de raccordement redistribuent suffisamment le courant autour des trous pour que le motif cesse d'être le bon.

DIN 46433 n'est pas une norme de perçage de jeux de barres

Cette correction mérite son propre titre, car l'erreur de citation est partout, y compris dans des dossiers d'appel d'offres et dans des plans de fournisseurs recopiés pendant des années.

DIN 46433

s'intitule Flachdrähte und Flachstangen, gezogen, mit gerundeten Kanten — Maße : « fils et barres plats, étirés, à arêtes arrondies ; dimensions ». Huit pages. C'est une norme dimensionnelle pour fils et barres plats étirés : largeur, épaisseur, rayon d'arête, tolérances. Elle ne dit rien des positions de trous, des diamètres de trous ni des raccordements boulonnés. Elle a en outre été retirée, et elle est remplacée par DIN EN 13601.

Si un plan que vous recevez indique « perçages selon DIN 46433 », le plan est faux. Les références visées sont DIN 43673-1 pour le motif de perçage et DIN 43671 pour le courant assigné ; et si l'auteur cherchait la spécification matière, c'est EN 13601, le document même qui a remplacé DIN 46433. Soulevez le point avant de couper du métal, car un plan qui cite une norme de travers cite généralement aussi l'état métallurgique de travers.

Là où le motif de perçage rencontre la vérification de l'ensemble

Les motifs de perçage ressemblent à un détail de fabrication. Ils n'en sont pas un, car le raccordement qu'ils produisent tombe dans le domaine d'application de la norme d'ensembles au regard de laquelle le tableau fini est vérifié.

IEC 61439-1 est explicite. Pour l'essai d'échauffement, l'article 10.10.2.3.3 exige qu'« une attention particulière soit accordée aux raccordements des conducteurs et aux bornes dans les circuits principaux ». Les raccordements sont des points de mesure nommés. L'article 10.10.2.3.7 a) exige que, lorsque les jeux de barres principaux sont essayés séparément, la longueur essayée soit d'au moins 2 m et comporte un raccordement lorsque les barres sont prolongeables, et l'article de court-circuit 10.11.5.3.3 fixe cette longueur à (2 ± 0,4) m dans la même condition.

Puis le critère d'acceptation. Après l'essai de court-circuit, l'article 10.11.5.5 énonce qu'« il ne doit y avoir aucun desserrage des pièces utilisées pour le raccordement des conducteurs ». Un raccordement qui survit thermiquement mais se desserre sous l'effort électromagnétique fait échouer l'ensemble, et ce sont la distance au bord et le dimensionnement des boulons qui en décident.

La distance au bord

La norme fixe les centres de trous par rapport au bord de la barre. Deux exigences indépendantes s'équilibrent.

Mécaniquement, le ligament entre le trou et le bord de la barre reprend la charge de matage du boulon pendant un défaut. Le courant de crête admissible écarte ou rapproche les barres voisines avec des efforts finalement repris par le groupe de boulons. Trop peu de matière au bord et le ligament plastifie, le trou s'allonge, la précharge chute et le raccordement se desserre. L'arrachement franc est rare dans du cuivre d'épaisseur raisonnable ; la vraie défaillance est un allongement progressif suivi d'une perte de pression de contact, ce qui est pire parce que cela reste invisible jusqu'au relevé thermique.

Électriquement, le ligament est un étranglement. Le courant doit contourner le trou : la matière entre le trou et le bord porte donc une densité plus élevée que le reste de la barre. Placez le trou trop près du bord et vous avez intégré un point chaud local à la partie la plus sollicitée du raccordement.

La fabrication ajoute une troisième contrainte. Quand vous poinçonnez au lieu de percer, la matrice a besoin de matière autour d'elle pour prendre appui. Poinçonnez avec une distance au bord trop faible dans du cuivre à l'état dur et le bord se bombe vers l'extérieur, le ligament s'écrouit, et la barre ne repose plus à plat contre celle qui lui fait face. En pratique d'atelier, et non comme valeur normative, gardez la distance libre entre le bord du trou et le bord de la barre au moins égale à l'épaisseur de la barre, et à 1,5 fois celle-ci à l'état dur. Notre page sur le procédé de poinçonnage traite le versant outillage de la même contrainte.

Le pas, et la concentration de courant autour des trous

Copper for Busbars (publication 22) de la Copper Development Association donne l'exposé publié le plus clair de ce que les trous font à un raccordement. La résistance d'un raccordement comporte deux parts : la résistance d'épanouissement, due à la déviation du courant à travers le recouvrement, et la résistance de contact à l'interface elle-même. Les trous de boulons aggravent la première, et l'estimation que donne la CDA dépend du diamètre de trou et de n, le nombre de trous comptés en travers de la largeur de la barre.

Cette seule variable tranche une question dont les fabricants débattent. Les trous doivent être alignés le long du raccordement. Les décaler en travers de la largeur augmente la résistance, car chaque trou supplémentaire dans la largeur est un obstacle de plus dans le même trajet de courant. Deux trous alignés sur une barre de 60 mm donnent un meilleur raccordement que deux trous décalés en diagonale, même si la seconde disposition semble répartir la charge de serrage plus uniformément.

La longueur de recouvrement est gouvernée par le même effet. La pénalité d'épanouissement chute très fortement lorsque le rapport recouvrement/épaisseur monte vers 2 environ, puis ne s'améliore plus que lentement jusqu'à un rapport de 10. Au-delà, il n'y a plus rien à gagner. Conclusion de la CDA : le recouvrement n'a besoin d'être que suffisamment long pour loger assez de boulons pour atteindre la pression de contact requise. Les longs recouvrements gaspillent du cuivre et ajoutent du poids sans acheter de conductivité.

Deux raffinements de la même source coûtent peu et sont rarement employés. Usiner une lumière longitudinale traversant les deux barres dans le recouvrement réduit la résistance de contact de 30 à 40 %, en uniformisant la pression de contact dans chaque branche du raccordement. Chanfreiner les extrémités de barre à moins de 45° réduit la résistance initiale du raccordement d'environ 15 % et ralentit d'un facteur 1,3 à 1,5 la vitesse à laquelle cette résistance monte sous cyclage de charge.

Le diamètre des trous

Le diamètre de trou arbitre entre le jeu offert au boulon, le cumul des tolérances et l'aire de contact que vous retirez.

Le jeu est plus généreux qu'on ne l'imagine. La recommandation de longue date de la CDA associe un boulon M10 à un trou de 11,5 mm et un M12 à 14 mm, montant à 15 mm sur les barres plus larges. Cela fait 1,5 à 3 mm de jeu, et c'est délibéré : cela absorbe l'erreur de pas accumulée sur un motif de cinq ou six boulons, dans deux barres produites des jours différents, éventuellement sur des machines différentes. Resserrez le jeu et vous vous achetez des raccordements qui ne s'assembleront pas.

Le prix se paie en aire de contact. Chaque trou retire du cuivre au recouvrement, et précisément à l'endroit où la pression de serrage est la plus forte. Un trou de 14 mm dans une barre de 100 mm retire 14 % de la largeur de la section à cet endroit. C'est pourquoi la réponse à un raccordement limite est d'augmenter le nombre de boulons de taille modérée plutôt que de réduire le nombre de gros boulons. Le nombre de boulons achète de l'uniformité de pression ; le diamètre de boulon achète de la perte de section.

Le diamètre de trou interagit aussi avec l'outil. Poinçonner un trou plus petit que l'épaisseur du matériau est dur pour l'outillage dans du cuivre et la qualité du trou s'en ressent. Cela mord rarement à partir du M10 dans de la barre de 5 à 12 mm, mais bien sur de la barre fine de commande avec de petits trous de fixation. Le calculateur d'effort de poinçonnage vous dira ce qu'un diamètre donné coûte en tonnage avant que vous n'engagiez le motif.

Taille de boulon, couple et empilage de rondelles

Le tableau 22 de la CDA est la référence de travail depuis des décennies. Le schéma est à peu près celui-ci : la barre de 25 à 30 mm reçoit deux M8 à 17 N·m ; le 40 mm, deux M10 à 28 N·m ; de 50 à 80 mm on passe au M12 à 45 N·m, deux boulons à 50 mm et quatre à 80 mm ; les barres de 100 et 120 mm reçoivent cinq M12 ; celles de 160 et 200 mm, six à huit M16 à 91 N·m. Les tailles rencontrées en service vont du M6 au M20, quatre ou six boulons étant le cas courant.

Le couple est un indicateur indirect, et un mauvais. La pression de contact ne se mesure pas sur site : on la déduit par T = K·F·D, où K est le coefficient de couple. La CDA donne K entre 0,20 et 0,22 à sec, 0,19 à 0,21 avec une pâte de contact, et 0,15 à 0,16 avec un lubrifiant limite au bisulfure de molybdène. Lisez cela ainsi : le même réglage de clé sur un filet lubrifié produit environ 30 % de précharge de plus que sur un filet sec. Si votre valeur de couple vient d'un tableau et que votre instruction de montage prescrit de graisser les filets, les deux ne vont pas ensemble.

Ce que vous visez, c'est une pression de contact sur le recouvrement. Les valeurs de la CDA : en dessous d'environ 7 N/mm², ce n'est pas conseillé ; au-dessus de 10 N/mm², c'est préférable ; et au-delà d'environ 30 N/mm², le gain supplémentaire est faible. Seulement 1 % environ de l'aire de recouvrement apparente conduit réellement, la charge passant par des contacts d'aspérités discrets — c'est pourquoi l'état de surface compte autant que le nombre de boulons, et pourquoi les barres doivent être planes et fraîchement abrasées au montage.

L'empilage de rondelles travaille réellement. De grandes rondelles épaisses répartissent la charge du boulon à l'écart du trou et élargissent la zone de pression utile ; la CDA associe le M10 à une rondelle de 24 mm et 2,2 mm d'épaisseur, et le M12 à une rondelle de 28 mm et 2,7 mm. Là où l'on emploie des boulons en acier à haute résistance, la dilatation différentielle devient le problème. L'acier se dilate à environ 11,1 × 10⁻⁶/°C contre 16,5 × 10⁻⁶/°C pour le cuivre : la tension du boulon monte donc quand le raccordement chauffe et peut dépasser les 95 % de la contrainte d'épreuve que la CDA fixe comme plafond. Les rondelles-ressorts coniques (Belleville) absorbent cette hausse ; des boulons en bronze d'aluminium CW307G à 16,2 × 10⁻⁶/°C l'évitent en s'accordant presque au cuivre.

Un point contre-intuitif. La CDA ne recommande pas de revêtir les faces de raccordement cuivre-cuivre à moins que l'environnement ne l'exige, car un revêtement tendre peut fluer à température élevée et relâcher la pression de contact que vous avez pris la peine d'établir.

Quand le plan indique « selon DIN 43673 » et rien d'autre

C'est le cas courant, et c'est un problème commercial avant d'être technique.

Demandez à quelle barre le motif se rapporte. La norme indexe l'implantation et la dimension des trous sur les sections de barres rectangulaires dont le courant est donné dans DIN 43670 et DIN 43671. Si la largeur et l'épaisseur spécifiées ne figurent pas parmi ces sections, la référence ne résout rien et le client doit vous fournir des cotes.

Demandez s'ils visent le motif ou le raccordement. Beaucoup de plans citant DIN 43673-1 ne veulent que le motif de boulonnage normalisé, pour l'interchangeabilité avec de l'appareillage existant. Certains veulent aussi les données de raccordement vissé, ce qui fait entrer la classe de boulon, la disposition des rondelles et le couple dans votre périmètre de fourniture. Ce sont deux offres différentes.

Obtenez une référence physique. Une barre échantillon, un croquis annoté ou une photographie du matériel en vis-à-vis lèvent plus d'ambiguïtés en cinq minutes qu'une semaine de correspondance. Les trous d'interface de l'appareillage du client sont la vraie spécification, quoi que dise le plan.

Portez votre interprétation sur le plan que vous renvoyez, et faites-le signer. Indiquez le diamètre de trou, le pas et la distance au bord que vous comptez produire. Si le client détient la norme et pas vous, il peut la confronter à la source en une minute.

Achetez les quatre pages si le motif revient souvent. Le document coûte moins cher qu'un lot de barre de 200 mm au rebut. Commandez-le auprès de DIN Media ou de votre organisme national de normalisation plutôt qu'auprès d'un agrégateur revendeur.

Faire passer le motif sur la machine

Une fois la question résolue, le motif devient une affaire d'outillage. Un motif DIN récurrent sur plusieurs largeurs de barre implique plusieurs diamètres de trous, et la contrainte est le nombre d'outils pouvant cohabiter dans la tourelle. Une ligne de poinçonnage et de cisaillage comme l'EMAC-BP-60 gère bien un jeu d'outils fixe. Là où le mix est large, un centre d'usinage tel que l'IMAC-CENTER 60 avec 24 postes d'outils, extensibles à 36, retire le changement d'outillage de l'équation et tient ±0,05 mm de positionnement, ce qui maintient le cumul de pas à l'intérieur du jeu que vous aviez prévu.

Le volet « courant assigné » du même travail relève de DIN 43671, dont les tableaux sont établis pour 35 °C d'ambiante et 65 °C de température de barre, avec des facteurs de correction pour d'autres conditions. Un raccordement thermiquement limite parce que la barre a été calculée sans ces corrections ne sera pas sauvé par un bon motif de perçage. Notre calculateur d'intensité admissible les applique au lieu de les masquer, et l'article sur les raccordements boulonnés va plus loin sur la préparation de surface qu'il n'y a de place ici.