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

Cerchi DIN 43673 e ogni risultato della prima pagina vuole venderle il documento. Nessuno lo spiega. La norma è quattro pagine in tedesco del febbraio 1982, e il numero compare di continuo sui disegni dei clienti, di solito come riferimento nudo senza alcuna quota allegata.

Che cosa copre la norma

DIN 43673-1

, Stromschienen-Bohrungen und -Verschraubungen; Stromschienen mit Rechteck-Querschnitt, cioè «Fori e collegamenti a vite per sbarre; sbarre a sezione rettangolare». Quattro pagine. Specifica posizione e dimensione dei fori e fornisce i dati di base per la progettazione e la realizzazione dei collegamenti a vite. Si applica alla corrente continua e alla corrente alternata fino a 60 Hz.

Il suo campo di applicazione è legato ad altri due documenti DIN: si applica alle barre rettangolari le cui portate di corrente permanente sono date nella DIN 43670 (alluminio, 1975-12, dieci pagine) e nella DIN 43671 (rame, 1975-12, nove pagine). La famiglia si divide con nettezza. La DIN 43671 le dice quanta corrente porterà una data sezione di barra; la DIN 43673-1 le dice dove metterle i fori. Entrambe risultano ancora in vigore presso DIN Media, cosa insolita per documenti di quell'epoca.

Dal testo del campo di applicazione discendono due cose. La norma riguarda il collegamento, non solo la foratura, e i «dati di base per la progettazione dei collegamenti a vite» sono la metà che si dimentica. E il tetto dei 60 Hz è reale: al di sopra, effetto pelle ed effetto di prossimità nella zona di giunzione ridistribuiscono la corrente attorno ai fori abbastanza da far sì che lo schema smetta di essere quello giusto.

La DIN 46433 non è una norma di foratura delle sbarre

Questa correzione ha un titolo tutto suo perché la citazione sbagliata è ovunque, anche in documenti di gara e in disegni di fornitori che vengono ricopiati in avanti per anni.

La DIN 46433

è intitolata Flachdrähte und Flachstangen, gezogen, mit gerundeten Kanten — Maße, cioè «Fili e barre piatti, trafilati, con spigoli arrotondati; dimensioni». Otto pagine. È una norma dimensionale per filo e barra piatti trafilati: larghezza, spessore, raggio di spigolo, tolleranze. Non dice nulla su posizioni dei fori, diametri o collegamenti bullonati. Ed è anche ritirata, sostituita dalla DIN EN 13601.

Se un disegno che riceve dice «fori secondo DIN 46433», il disegno è sbagliato. Le citazioni che quella persona intendeva sono la DIN 43673-1 per lo schema di foratura e la DIN 43671 per la portata di corrente e, se stava cercando la specifica di materiale, quella è la EN 13601, lo stesso documento che ha sostituito la DIN 46433. Lo sollevi prima di tagliare metallo, perché un disegno che cita male una norma di solito sbaglia anche lo stato del materiale.

Dove lo schema di foratura incontra la verifica del quadro

Gli schemi di foratura sembrano un dettaglio di fabbricazione. Non lo sono, perché la giunzione che producono sta dentro il campo di applicazione della norma di quadro rispetto alla quale il pannello finito viene verificato.

La IEC 61439-1 è esplicita. Nella prova di sovratemperatura, il punto 10.10.2.3.3 richiede che si presti «particolare attenzione alle giunzioni nei conduttori e ai morsetti all'interno dei circuiti principali». Le giunzioni sono punti di misura nominati. Il punto 10.10.2.3.7 a) richiede che, dove le sbarre principali vengono provate separatamente, la lunghezza provata sia almeno 2 m e comprenda una giunzione se le barre sono prolungabili, e il punto sul cortocircuito 10.11.5.3.3 fissa quella lunghezza a (2 ± 0,4) m alla stessa condizione.

Poi il criterio di accettazione. Dopo la prova di cortocircuito, il punto 10.11.5.5 stabilisce che «non deve esserci allentamento delle parti usate per il collegamento dei conduttori». Una giunzione che sopravvive dal punto di vista termico ma si allenta sotto forza elettrodinamica fa fallire il quadro, e sono la distanza dal bordo e il dimensionamento dei bulloni a deciderlo.

Distanza dal bordo

La norma fissa i centri dei fori rispetto al bordo della barra. Si stanno bilanciando due cose indipendenti.

Sul piano meccanico, il ponte di materiale fra foro e bordo della barra porta il carico di rifollamento del bullone durante un guasto. La corrente di picco di tenuta spinge le barre adiacenti a separarsi o ad avvicinarsi con forze che finiscono per scaricarsi sul gruppo di bulloni. Con troppo poco materiale di bordo il ponte snerva, il foro si allunga, il precarico cala e la giunzione si allenta. Lo strappo netto è raro nel rame di spessore sensato; il guasto reale è un allungamento progressivo seguito dalla perdita di pressione di contatto, che è peggio perché resta invisibile finché non lo coglie la termografia.

Sul piano elettrico, il ponte è una strozzatura. La corrente deve deviare attorno al foro, quindi il materiale fra foro e bordo porta una densità più alta del resto della barra. Metta il foro troppo vicino al bordo e avrà costruito un punto caldo locale nella parte più sollecitata della giunzione.

La fabbricazione aggiunge un terzo vincolo. Quando si punzona invece di forare, la matrice ha bisogno di materiale attorno su cui reagire. Punzoni con distanza dal bordo insufficiente in rame allo stato crudo e il bordo si gonfia verso l'esterno, il ponte si incrudisce e la barra non appoggia più piana sulla propria controparte. Come prassi di officina e non come valore normativo, tenga la distanza libera fra bordo del foro e bordo della barra almeno pari allo spessore della barra, e 1,5 volte tanto allo stato crudo. La nostra pagina sulla punzonatura tratta il lato utensili dello stesso vincolo.

Passo, e addensamento della corrente attorno ai fori

Copper for Busbars (Pubblicazione 22) della Copper Development Association dà la trattazione pubblicata più chiara di che cosa i fori facciano a una giunzione. La resistenza di giunzione ha due parti: la resistenza di deviazione delle linee di corrente, dovuta al fatto che la corrente deve deviare attraverso la sovrapposizione, e la resistenza di contatto all'interfaccia stessa. I fori dei bulloni peggiorano la prima, e la stima che la CDA fornisce dipende dal diametro del foro e da n, il numero di fori misurato attraverso la larghezza della barra.

Quella singola variabile risolve una questione su cui i costruttori discutono. I fori vanno collocati in linea lungo la lunghezza della giunzione. Sfalsarli attraverso la larghezza aumenta la resistenza, perché ogni foro in più attraverso la larghezza è un altro ostacolo nello stesso percorso di corrente. Due fori in linea su una barra da 60 mm sono una giunzione migliore di due fori sfalsati in diagonale, anche se la seconda disposizione sembra distribuire il carico di serraggio in modo più uniforme.

La lunghezza di sovrapposizione è governata dallo stesso effetto. La penalità di deviazione cala molto ripidamente al crescere del rapporto fra sovrapposizione e spessore fino a circa 2, poi migliora solo lentamente fino a un rapporto di 10. Oltre non c'è più nulla da guadagnare. La conclusione della CDA: la sovrapposizione deve essere lunga solo quanto basta a ospitare abbastanza bulloni da raggiungere la pressione di contatto richiesta. Le sovrapposizioni lunghe sprecano rame e aggiungono peso senza comprare conducibilità.

Due affinamenti dalla stessa fonte costano poco e vengono usati di rado. Ricavare un'asola longitudinale attraverso entrambe le barre nella sovrapposizione riduce la resistenza di contatto dal 30 al 40 %, perché uniforma la pressione di contatto in ciascun tratto della giunzione. Smussare le estremità della barra con un angolo inferiore a 45° riduce la resistenza iniziale di giunzione di circa il 15 % e rallenta la velocità con cui la resistenza di giunzione sale sotto ciclaggio di carico di un fattore da 1,3 a 1,5.

Diametro del foro

Il diametro del foro scambia gioco per il bullone contro accumulo di tolleranze e contro l'area di contatto che sta togliendo.

Il gioco è più generoso di quanto ci si aspetti. L'indicazione consolidata della CDA accoppia un bullone M10 a un foro da 11,5 mm e un M12 a uno da 14 mm, che sale a 15 mm su barre più larghe. Sono da 1,5 a 3 mm di gioco, ed è voluto: assorbe l'errore di passo accumulato su uno schema a cinque o sei bulloni in due barre prodotte in giorni diversi, magari su macchine diverse. Stringa il gioco e si comprerà giunzioni che non si montano.

Il costo è l'area di contatto. Ogni foro toglie rame dalla sovrapposizione, e in particolare dalla zona in cui la pressione di serraggio è massima. Un foro da 14 mm in una barra da 100 mm toglie il 14 % della larghezza della sezione in quel punto. È per questo che la risposta a una giunzione al limite sono più bulloni di misura moderata anziché meno bulloni grandi. Il numero di bulloni compra uniformità di pressione; il diametro dei bulloni compra perdita di sezione.

Il diametro del foro interagisce anche con l'utensile. Punzonare un foro più piccolo dello spessore del materiale è duro per gli utensili nel rame e la qualità del foro ne risente. Raramente morde da M10 in su su barra da 5-12 mm, ma morde sulle barrette di comando sottili con piccoli fori di fissaggio. Il calcolatore della forza di punzonatura le dirà quanto costa in tonnellaggio un dato diametro prima che impegni lo schema.

Misura dei bulloni, coppia e pacco di rondelle

La Tabella 22 della CDA è il riferimento di lavoro da decenni. Lo schema corre all'incirca così: barra da 25-30 mm prende due M8 a 17 N·m; 40 mm prende due M10 a 28 N·m; da 50 a 80 mm si passa a M12 a 45 N·m, due bulloni a 50 mm e quattro a 80 mm; barra da 100 e 120 mm prende cinque M12; barra da 160 e 200 mm prende da sei a otto M16 a 91 N·m. Le misure in servizio vanno da M6 a M20, con quattro o sei bulloni come caso comune.

La coppia è una stima indiretta, e cattiva. La pressione di contatto non si può misurare in campo, quindi si deduce attraverso T = K·F·D, dove K è il fattore di serraggio. La CDA dà K da 0,20 a 0,22 a secco, da 0,19 a 0,21 con un composto per contatti e da 0,15 a 0,16 con un lubrificante a film limite al bisolfuro di molibdeno. Lo legga così: la stessa impostazione di chiave su un filetto lubrificato produce all'incirca il 30 % di precarico in più che su uno a secco. Se il suo valore di coppia viene da una tabella e la sua istruzione di montaggio dice di ingrassare i filetti, i due non stanno insieme.

L'obiettivo è la pressione di contatto sulla sovrapposizione. I numeri della CDA: sotto i 7 N/mm² circa è sconsigliabile, sopra i 10 N/mm² è preferibile e sopra i 30 N/mm² circa non c'è molto altro da guadagnare. Solo l'1 % circa dell'area apparente di sovrapposizione conduce davvero, con il carico che passa attraverso contatti discreti fra asperità: è per questo che la condizione superficiale conta quanto il numero di bulloni e per questo che le barre devono essere piane e abrase di fresco al montaggio.

Il pacco di rondelle fa un lavoro vero. Rondelle grandi e spesse distribuiscono il carico del bullone lontano dal foro e allargano la zona di pressione utile; la CDA accoppia M10 a una rondella da 24 mm spessa 2,2 mm e M12 a una da 28 mm spessa 2,7 mm. Dove si usano bulloni in acciaio ad alta resistenza, il problema diventa la dilatazione differenziale. L'acciaio si dilata a circa 11,1 × 10⁻⁶/°C contro i 16,5 × 10⁻⁶/°C del rame, quindi la tensione del bullone sale quando la giunzione si scalda e può essere portata oltre il 95 % del carico di prova che la CDA fissa come tetto. Le rondelle a molla a tazza (Belleville) assorbono quell'aumento; i bulloni in bronzo all'alluminio CW307G a 16,2 × 10⁻⁶/°C lo evitano avvicinandosi molto al rame.

Un punto controintuitivo. La CDA non raccomanda di rivestire le facce di giunzione rame-rame se non quando l'ambiente lo impone, perché un rivestimento tenero può fluire a temperatura elevata e rilassare la pressione di contatto che si è faticato a stabilire.

Quando il disegno dice «secondo DIN 43673» e nient'altro

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

Chieda a quale barra appartenga lo schema. La norma indicizza posizione e dimensione dei fori alle sezioni di barra rettangolare classificate nella DIN 43670 e nella DIN 43671. Se la larghezza e lo spessore specificati non sono una di quelle sezioni, il riferimento non si risolve e il cliente deve darle le quote.

Chieda se intendano lo schema o la giunzione. Molti disegni che citano la DIN 43673-1 vogliono solo lo schema di bullonatura standard, per l'intercambiabilità con quadri esistenti. Alcuni vogliono anche i dati del collegamento a vite, cosa che tira classe dei bulloni, disposizione delle rondelle e coppia dentro la sua fornitura. Sono due offerte diverse.

Ottenga un riferimento fisico. Una barra campione, uno schizzo quotato a mano o una fotografia dell'apparecchiatura di accoppiamento risolvono più ambiguità in cinque minuti che una settimana di corrispondenza. I fori di interfaccia sul quadro del cliente sono la vera specifica, qualunque cosa dica il disegno.

Metta la sua interpretazione sul disegno che restituisce, e lo faccia firmare. Dichiari diametro dei fori, passo e distanza dal bordo che intende produrre. Se il cliente possiede la norma e lei no, in un minuto può verificarla sulla fonte.

Compri quelle quattro pagine se lo schema ricorre. Il documento costa meno di un lotto di barra da 200 mm mandato a rottame. Lo ordini da DIN Media o dall'ente normatore nazionale, non da un rivenditore aggregatore.

Portare lo schema sulla macchina

Una volta risolto, lo schema diventa una questione di utensili. Uno schema DIN ricorrente su più larghezze di barra significa più diametri di foro, e il vincolo è quanti ne stanno in torretta contemporaneamente. Una linea di punzonatura e cesoiatura come la EMAC-BP-60 gestisce bene un set utensili fisso. Dove il mix è ampio, un centro di lavoro come l'IMAC-CENTER 60 con 24 stazioni utensile, estendibili a 36, toglie il cambio produzione dall'equazione e tiene un posizionamento a ±0,05 mm, che è ciò che mantiene l'accumulo di passo dentro il gioco che lei ha previsto.

Il lato portata dello stesso lavoro appartiene alla DIN 43671, le cui tabelle sono riferite a 35 °C di temperatura ambiente e 65 °C di temperatura della barra, con fattori di correzione per altre condizioni. Una giunzione termicamente al limite perché la barra è stata dimensionata senza quelle correzioni non verrà salvata da un buon schema di foratura. Il nostro calcolatore di portata li applica invece di nasconderli, e l'articolo sulle giunzioni bullonate entra nella preparazione superficiale più a fondo di quanto ci sia spazio qui.