Schemi di foratura delle sbarre e che cosa prescrive davvero la DIN 43673-1

La norma DIN 43673 compare costantemente sui disegni dei clienti, solitamente come riferimento isolato senza quote allegate. I risultati di ricerca relativi alla norma concernono prevalentemente il suo acquisto. Il documento è una norma in lingua tedesca di quattro pagine, pubblicata nel febbraio 1982.

Ambito di applicazione della norma

DIN 43673-1

, Stromschienen-Bohrungen und -Verschraubungen; Stromschienen mit Rechteck-Querschnitt, pubblicata in traduzione inglese come "Drilled holes and screw connections for busbars; rectangular cross-section busbars", consta di quattro pagine. Specifica la posizione e la dimensione dei fori fresati e fornisce i dati di base per la progettazione e la realizzazione delle connessioni a vite. Si applica alla corrente continua e alla corrente alternata fino a 60 Hz.

L'ambito di applicazione è legato ad altri due documenti DIN: si applica alle barre rettangolari i cui valori di corrente continua sono indicati nella DIN 43670 (alluminio, 1975-12, dieci pagine) e nella DIN 43671 (rame, 1975-12, nove pagine). La famiglia di norme si distingue nettamente. La DIN 43671 definisce la corrente che una determinata sezione di barra può condurre; la DIN 43673-1 definisce dove praticare i fori. Entrambe risultano ancora attuali presso DIN Media, circostanza insolita per documenti di tale epoca.

La formulazione dello scope specifica che la norma tratta la connessione, non solo la foratura, e i "dati di base per la progettazione delle connessioni a vite" sono un aspetto spesso trascurato. Il limite di 60 Hz è una soglia definita: al di sopra di essa, gli effetti di pelle e prossimità nella zona della giunzione ridistribuiscono la corrente attorno ai fori in misura sufficiente a rendere il schema standard non più corretto.

DIN 46433 non è una norma per i fori nelle barre in rame

Questa distinzione è necessaria perché l'errato riferimento è diffuso, compresi capitolati e disegni di fornitura che vengono riprodotti per anni.

DIN 46433

ha titolo Flachdrähte und Flachstangen, gezogen, mit gerundeten Kanten — Maße: "Rectangular wires and rectangular bars, drawn, with radiused edges; dimensions". È di otto pagine ed è una norma dimensionale per fili e barre rettangolari trafilati: larghezza, spessore, raggio del bordo, tolleranze. Non contiene informazioni su posizione dei fori, diametri dei fori o connessioni bullonate. È stata ritirata e sostituita dalla DIN EN 13601.

Un disegno che riporta "fori secondo DIN 46433" è errato. I riferimenti corretti sono DIN 43673-1 per lo schema dei fori e DIN 43671 per il valore di corrente. Se l'intenzione era specificare il materiale, il documento appropriato è EN 13601, la stessa norma che ha sostituito la DIN 46433. È necessaria una verifica prima del taglio del metallo, poiché un disegno con un riferimento normativo errato spesso erra anche nella lega.

Dove lo schema dei fori incontra la verifica dell'assemblaggio

Gli schemi dei fori compaiono come dettaglio di fabbricazione. La giunzione che producono, tuttavia, rientra nell'ambito della norma di assemblaggio contro la quale viene verificato il pannello finito.

IEC 61439-1 è esplicita. Nella prova di innalzamento di temperatura, la clausola 10.10.2.3.3 richiede che "sia prestata particolare attenzione alle giunzioni nei conduttori e nei morsetti all'interno dei circuiti principali". Le giunzioni sono designate come punti di misura. La clausola 10.10.2.3.7 a) richiede che, quando le barre principali vengono testate separatamente, la lunghezza testata sia almeno 2 m e includa una giunzione nel caso le barre siano estendibili, e la clausola sul cortocircuito 10.11.5.3.3 fissa tale lunghezza in (2 ± 0,4) m nella stessa condizione.

Il criterio di accettazione è il seguente. Dopo la prova di cortocircuito, la clausola 10.11.5.5 stabilisce che "non deve verificarsi allentamento delle parti utilizzate per la connessione dei conduttori". Un giunto che sopravvive termicamente ma cede sotto la forza elettromagnetica non supera la verifica dell'assemblaggio; il bordo libero e la dimensione del bullone determinano l'esito.

Bordo libero

La norma definisce la posizione dei centri dei fori rispetto al bordo della barra. Vengono bilanciati due fattori indipendenti.

Meccanicamente, la sezione resistente tra il foro e il bordo della barra assorbe il carico di-appoggio del bullone durante un guasto. La corrente di picco di tenuta allontana o avvicina le barre adiacenti con forze reagite attraverso il gruppo bulloni. Un bordo libero insufficiente provoca la plasticizzazione della sezione, l'allungamento del foro, la riduzione della precarica e l'allentamento del giunto. Lo strappo diretto è raro nel rame di spessori adeguati; la modalità di guasto primaria è l'allungamento progressivo con conseguente perdita di pressione di contatto, problematica perché rimane indetta fino al rilievo termico.

Elettricamente, la sezione resistente è una strozzatura. La corrente deve deviare attorno al foro, quindi il materiale tra il foro e il bordo è soggetto a una densità di corrente più elevata rispetto alla massa della barra. Posizionare il foro troppo vicino al bordo crea un punto caldo locale nella parte più sollecitata del giunto.

La produzione introduce un terzo vincolo. Nella punzonatura, a differenza della foratura, il punzone necessita di materiale circostante come reazione. Una punzonatura con bordo libero insufficiente nel rame a tempra dura causa l'inflessione del bordo verso l'esterno, l'incrudimento della sezione resistente e la conseguente perdita di planarità della barra rispetto all'accoppiata. Come pratica operativa e non come valore normativo, la distanza libera dal bordo del foro al bordo della barra è mantenuta almeno uguale allo spessore della barra, e 1,5 volte lo spessore per la tempra dura. La pagina sul processo di punzonatura tratta l'aspetto utensilistico di questo vincolo.

Passo e concentratione di corrente attorno ai fori

La Copper Development Association, in Copper for Busbars (Pubblicazione 22), fornisce la trattazione più chiara disponibile sull'effetto dei fori su un giunto. La resistenza del giunto comprende due parti: la resistenza di streamline o di diffusione, causata dalla deviazione della corrente attraverso la sovrapposizione, e la resistenza di contatto all'interfaccia stessa. I fori aumentano la prima, e la stima della CDA dipende dal diametro del foro e da n, numero di fori misurati attraverso la larghezza della barra.

Questa singola variabile risolve un comune dibattito in officina. I fori devono essere allineati lungo la lunghezza del giunto. Staggerarli nella direzione della larghezza aumenta la resistenza perché ogni foro aggiuntivo attraverso la larghezza è un ulteriore ostacolo nello stesso percorso di corrente. Due fori in linea lungo una barra di 60 mm producono un giunto migliore rispetto a due fori sfalsati diagonalmente, anche se la seconda disposizione sembra distribuire il carico di serraggio in modo più uniforme.

La lunghezza di sovrapposizione è governed dallo stesso effetto. La penalità di streamline diminuisce bruscamente con l'aumento del rapporto sovrapposizione/spessore fino a circa 2, per poi migliorare solo lentamente fino a un rapporto di 10. Oltre tale valore non vi è alcun ulteriore guadagno. La conclusione della CDA è che la sovrapposizione deve essere solo sufficientemente lunga da ospitare il numero di bulloni necessario per raggiungere la pressione di contatto richiesta. Sovrapposizioni eccessivamente lunghe sprecano rame e aggiungono peso senza migliorare la conducibilità.

Due raffinamenti dalla stessa fonte sono semplici da implementare e raramente applicati. L'esecuzione di una fessura longitudinale attraverso entrambe le barre nella zona di sovrapposizione riduce la resistenza di contatto del 30 al 40 % uniformando la pressione di contatto in ciascuna estremità del giunto. L'angolazione delle estremità della barra a un angolo inferiore a 45° riduce la resistenza iniziale del giunto di circa il 15 % e riduce la velocità di aumento della resistenza del giunto sotto cicli di carico di un fattore compreso tra 1,3 e 1,5.

Diametro del foro

Il diametro del foro comporta un compromesso tra libero passaggio della vite, accumulo di tolleranze e zona di contatto rimossa.

Il libero passaggio è maggiore di quanto comunemente si supponga. Le linee guida di lunga data del CDA associano una vite M10 con un foro da 11,5 mm e una M12 con uno da 14 mm, aumentando a 15 mm su barre più larghe. Questo corrisponde a uno slop di 1,5 a 3 mm, ed è intenzionale: assorbe l'errore di passo accumolato su uno schema di cinque o sei viti in due barre prodotte in giorni diversi, possibilmente su macchine diverse. Ridurre il libero passaggio crea giunti che non possono essere assemblati.

Il costo è la zona di contatto. Ogni foro rimuove rame dalla sovrapposizione, specificamente dalla regione dove la pressione di serraggio è più alta. Un foro da 14 mm in una barra da 100 mm rimuove il 14% della larghezza dalla sezione in quel punto. Per questo la soluzione per un giunto marginale è un numero maggiore di viti di dimensione moderata piuttosto che meno viti grandi. Il numero di viti fornisce uniformità di pressione; il diametro della vite comporta la perdita di sezione.

Il diametro del foro interagisce anche con l'attrezzatura. Punzonare un foro di diametro inferiore allo spessore del materiale è difficile con utensili per il rame e degrada la qualità del foro. Questo è raramente un problema per M10 e superiori in barre da 5 a 12 mm, ma si verifica su barre di controllo sottili con piccoli fori di fissaggio. Il calcolatore di forza di punzonatura indica la tonnellata richiesta per un dato diametro prima di impegnare lo schema.

Dimensione della vite, coppia e sistema di rondelle

La Tabella 22 del CDA è il riferimento standard da decenni. Lo schema è approssimativamente: barre da 25 a 30 mm prendono due M8 a 17 N·m; 40 mm prende due M10 a 28 N·m; da 50 a 80 mm usano M12 a 45 N·m, con due viti a 50 mm e quattro a 80 mm; barre da 100 e 120 mm prendono cinque M12; barre da 160 e 200 mm prendono da sei a otto M16 a 91 N·m. Le dimensioni in servizio vanno da M6 a M20, con quattro o sei viti comuni.

La coppia è una misura indiretta, e imprecisa. La pressione di contatto non può essere misurata sul campo, quindi viene dedotta attraverso T = K·F·D, dove K è il fattore dado. Il CDA indica K come da 0,20 a 0,22 a secco, da 0,19 a 0,21 con un composto promuovi-contatto, e da 0,15 a 0,16 con un lubrificante al molibdeno disolfuro. Questo significa: la stessa impostazione della chiave su una filettatura lubrificata produce circa il 30% di precarico in più rispetto a una a secco. Una cifra di coppia da una tabella e un'istruzione di assemblaggio di ungere le filettature sono incompatibili.

L'obiettivo è la pressione di contatto sulla sovrapposizione. I valori del CDA sono: inferiore a circa 7 N/mm² è sconsigliato, superiore a 10 N/mm² è preferito, e superiori a circa 30 N/mm² c'è poca ulteriore utilità. Solo circa l'1% della superficie apparente di sovrapposizione conduce, il carico passando attraverso contatti asperitici discreti, per cui la condizione della superficie è critica quanto il numero di viti e le barre dovrebbero essere piane e appena abrasa all'assemblaggio.

Il sistema di rondelle ha una funzione specifica. Rondelle grandi e spesse distribuiscono il carico della vite lontano dal foro ed allargano la zona di pressione utile; il CDA associa M10 con una rondella da 24 mm e 2,2 mm di spessore e M12 con una rondella da 28 mm e 2,7 mm di spessore. Quando vengono usate viti in acciaio ad alta resistenza, la dilatazione differenziale diventa il problema. L'acciaio si espande di circa 11,1 × 10⁻⁶/°C rispetto ai 16,5 × 10⁻⁶/°C del rame, quindi la tensione della vite aumenta quando il giunto si scalda e può essere spinta oltre il 95% dello sforzo di snervamento che il CDA fissa come limite. Le rondelle a disco (Belleville) assorbono quell'aumento; le viti in bronzo all'alluminio CW307G a 16,2 × 10⁻⁶/°C lo evitano abbinandosi quasi al rame.

Esiste un punto controintuitivo: il CDA non raccomanda di rivestire le superfici di contatto di giunti rame-rame a meno che l'ambiente lo richieda, perché un rivestimento morbido può fluire ad elevate temperature e rilassare la pressione di contatto stabilita durante l'assemblaggio.

Quando il disegno dice "secondo DIN 43673" e nient'altro

Questo è il caso comune, ed è un problema commerciale prima che tecnico.

La barra a cui appartiene il disegno deve essere identificata. Lo standard indica la posizione e la dimensione dei fori rispetto alle sezioni rettangolari delle barre classificate in DIN 43670 e DIN 43671. Se la larghezza e lo spessore specificati non corrispondono a una di queste sezioni, il riferimento non risolve e il cliente deve fornire le dimensioni.

L'intento deve essere chiarito: disegno pattern o giunzione? Molti disegni che citano DIN 43673-1 richiedono solo il modello standard di bulloni per l'intercambiabilità con gli apparati esistenti. Alcuni richiedono anche i dati della connessione a vite, il che include classe del bullone, disposizione delle rondelle e momento di serraggio nel campo di fornitura. Queste sono offerte diverse.

Un riferimento fisico univoco è essenziale. Un campione di barra, uno schizzo contrassegnato o una fotografia dell'apparato di accoppiamento risolve più ambiguità in cinque minuti di quanto una settimana di corrispondenza. I fori di interfaccia sull'apparato elettrico del cliente sono la vera specifica, indipendentemente dal disegno.

L'interpretazione riportata sul disegno deve essere dichiarata e approvata. Il diametro del foro, il passo e la distanza dal bordo previsti per la produzione devono essere dichiarati. Se il cliente possiede lo standard e il fornitore no, la verifica rispetto alla fonte è un controllo di un minuto.

Lo standard deve essere acquistato se il disegno pattern si ripete. Il costo delle quattro pagine è inferiore a quello di un lotto di 200 mm di barra rovinato. L'ordine deve essere effettuato tramite DIN Media o l'organismo nazionale di standardizzazione competente, piuttosto che tramite un aggregatore rivenditore.

Trasferire il disegno pattern sulla macchina

Una volta risolto, il disegno pattern diventa una questione di attrezzatura. Un pattern DIN ricorrente su diverse larghezze di barra richiede diversi diametri di foratura, e il vincolo è il numero di utensili attivi nel torretta. Una linea di punzonatura e cesoiatura come l'EMAC-BP-60 gestisce bene un set di utensili fisso. Quando la combinazione è ampia, un centro di lavorazione come l'IMAC-CENTER 60 con 24 postazioni utensili, estendibili a 36, elimina il problema del cambio utensile e mantiene un posizionamento di ±0,05 mm, che preserva l'accumulo dei tolleranze di passo entro la gioco consentito.

L'aspetto della classificazione dello stesso lavoro è definito dalla DIN 43671, le cui tabelle sono riferite a una temperatura ambiente di 35 °C e una temperatura della barra di 65 °C con fattori di correzione per altre condizioni. Una giunzione che è termicamente marginale a causa della classificazione della barra senza queste correzioni non potrà essere salvata da un buon disegno pattern di fori. Il calcolatore di portata in ampere applica queste correzioni anziché ometterle, e l'articolo sulle giunzioni bullonate fornisce ulteriori dettagli sulla preparazione della superficie rispetto a quanto possa essere contenuto qui.