Padrões de furação de barramento e o que a DIN 43673-1 realmente especifica

A norma DIN 43673 aparece constantemente nos desenhos dos clientes, geralmente como uma referência direta, sem as dimensões associadas. Os resultados de busca para a norma dizem respeito principalmente à sua compra. O próprio documento é uma norma de quatro páginas em alemão, datada de fevereiro de 1982.

O que a norma aborda

A DIN 43673-1

, Stromschienen-Bohrungen und -Verschraubungen; Stromschienen mit Rechteck-Querschnitt, publicada em tradução inglesa como "Drilled holes and screw connections for busbars; rectangular cross-section busbars", consiste em quatro páginas. Ela especifica a localização e o tamanho dos furos perfurados e fornece os dados base para o projeto e a construção das conexões por parafuso. Aplica-se a corrente contínua e a corrente alternada até 60 Hz.

O âmbito de aplicação está vinculado a outros dois documentos DIN: aplica-se às barras retangulares cujas correntes contínuas nominais são fornecidas na DIN 43670 (alumínio, 1975-12, dez páginas) e na DIN 43671 (cobre, 1975-12, nove páginas). A família se separa de forma clara. A DIN 43671 define a corrente que uma determinada seção de barra suportará; a DIN 43673-1 define onde colocar os furos nela. Ambas ainda estão listadas como vigentes pela DIN Media, o que é incomum para documentos dessa época.

A redação do âmbito de aplicação especifica que a norma aborda a conexão, não apenas a perfuração, e os "dados base para o projeto das conexões por parafuso" são um componente frequentemente negligenciado. O limite de 60 Hz é definido: acima dele, os efeitos de pele e proximidade na zona da junção redistribuem a corrente ao redor dos furos de forma suficiente para que o padrão padrão deixe de ser o correto.

DIN 46433 não é uma norma para furos em barramento

Essa distinção é necessária porque a citação incorreta é difundida, incluindo em documentos de licitação e em desenhos de fornecedores que são replicados por anos.

A DIN 46433

intitula-se Flachdrähte und Flachstangen, gezogen, mit gerundeten Kanten — Maße: "Fios retangulares e barras retangulares, estiradas, com bordas arredondadas; dimensões". São oito páginas e é uma norma dimensional para fio e barra retangular estirados: largura, espessura, raio de borda, tolerâncias. Não contém informações sobre posições de furos, diâmetros de furos ou conexões apertadas por parafusos. Foi retirada e substituída pela DIN EN 13601.

Um desenho declarando "furos conforme a DIN 46433" está incorreto. As citações pretendidas são a DIN 43673-1 para o padrão de furos e a DIN 43671 para a corrente nominal. Se a especificação do material era a intenção, esse documento é EN 13601, o mesmo documento que substituiu a DIN 46433. A verificação é necessária antes do corte do metal, pois um desenho que cita incorretamente uma norma muitas vezes também cita incorretamente o temper.

Onde o padrão de furos encontra a verificação da montagem

Os padrões de furos aparecem como um detalhe de fabricação. A junção que eles produzem, no entanto, está dentro do âmbito de aplicação da norma de montagem contra a qual o painel finalizado é verificado.

A IEC 61439-1 é explícita. No teste de elevação de temperatura, a cláusula 10.10.2.3.3 exige que "atenção particular deve ser dada às junções em condutores e terminais dentro dos circuitos principais". As junções são designadas como pontos de medição. A cláusula 10.10.2.3.7 a) exige que, quando os barramentos principais são testados separadamente, o comprimento testado deve ser de pelo menos 2 m e incluir uma junção quando as barras são extensíveis, e a cláusula de curto-circuito 10.11.5.3.3 fixa esse comprimento em (2 ± 0,4) m sob a mesma condição.

O critério de aceitação é o seguinte. Após o teste de curto-circuito, a cláusula 10.11.5.5 afirma que "não deve haver afrouxamento de partes utilizadas para a conexão dos condutores". Uma junta que sobrevive termicamente, mas cede sob força eletromagnética, falha no conjunto; a distância da borda e o dimensionamento do parafuso determinam esse resultado.

Distância da borda

A norma fixa os centros dos furos em relação à borda da barra. Dois fatores independentes são equilibrados.

Mecanicamente, o ligamento entre o furo e a borda da barra suporta a carga de esmagamento do parafuso durante uma falha. A corrente de pico de suportabilidade afasta ou aproxima as barras adjacentes com forças que são reagidas pelo grupo de parafusos. Material insuficiente na borda faz o ligamento ceder, o furo se alongar, a pré-carga cair e a junta se afrouxar. O rasgamento direto é raro em cobre de espessura adequada; o modo de falha primário é o alongamento progressivo seguido da perda de pressão de contato, o que é mais problemático porque permanece indetetado até a verificação térmica.

Eletricamente, o ligamento é uma restrição. A corrente deve desviar ao redor do furo, portanto, o material entre o furo e a borda carrega uma densidade de corrente maior do que o restante da barra. Colocar o furo muito perto da borda cria um ponto quente local na parte mais solicitada da junta.

A fabricação introduz uma terceira restrição. Ao puncionar em vez de perfurar, a matriz necessita de material circundante para reagir. Puncionar com distância insuficiente da borda em cobre de tempera dura faz a borda bulgar para fora, o ligamento sofrer trabalho em frio e a barra não mais assentar plana contra sua parceira. Como prática de oficina e não valor normativo, a distância livre da borda do furo para a borda da barra é mantida igual ou superior à espessura da barra, e 1,5 vezes para tempera dura. A página do processo de puncionamento aborda o aspecto de ferramentas dessa restrição.

Passo e aglomeração de corrente ao redor dos furos

A Copper Development Association, em Copper for Busbars (Publicação 22), apresenta o tratamento mais claro publicado sobre o efeito dos furos em uma junta. A resistência da junta compreende duas partes: a resistência de escoamento ou espalhamento causada pela desvio da corrente através da sobreposição e a resistência de contato na própria interface. Os furos aumentam a primeira, e a estimativa da CDA depende do diâmetro do furo e de n, o número de furos medidos ao longo da largura da barra.

Esta única variável resolve uma discussão comum de fabricação. Os furos devem ser posicionados em linha ao longo do comprimento da junta. Deslocá-los na largura aumenta a resistência, pois cada furo adicional na largura é outra obstrução no mesmo caminho de corrente. Dois furos em linha ao longo de uma barra de 60 mm produzem uma junta melhor do que dois furos deslocados diagonalmente, mesmo que a segunda disposição pareça distribuir a carga de aperto de forma mais uniforme.

O comprimento da sobreposição é regido pelo mesmo efeito. A penalidade de escoamento diminui acentuadamente à medida que a razão sobrep/espesura sobe para cerca de 2, depois melhora lentamente até uma razão de 10. Acima disso, não há ganho adicional. A conclusão da CDA é que a sobreposição só precisa ser longa o suficiente para acomodar parafusos suficientes para atingir a pressão de contato requerida. Sobreposições longas desperdiçam cobre e adicionam peso sem melhorar a condutividade.

Duas refinamentos da mesma fonte são simples de implementar e raramente aplicados. O corte de uma ranhura longitudinal através de ambas as barras na sobreposição reduz a resistência de contato em 30 a 40 % ao uniformizar a pressão de contato em cada perna da junta. Inclinar as extremidades das barras em menos de 45° reduz a resistência inicial da junta em cerca de 15 % e desacelera a taxa de aumento da resistência da junta sob ciclagem de carga em um fator de 1,3 a 1,5.

Diâmetro do furo

O diâmetro do furo envolve uma compensação entre a folga para o parafuso, o empilhamento de tolerâncias e a área de contato removida.

A folga é maior do que comumente se supõe. O guia de longa data da CDA associa um parafuso M10 a um furo de 11,5 mm e um M12 a 14 mm, aumentando para 15 mm em barras mais largas. Isto representa 1,5 a 3 mm de jogo, e é intencional: ele absorve o erro de passo acumulado em um padrão de cinco ou seis parafusos em duas barras que foram produzidas em dias diferentes, possivelmente em máquinas diferentes. Reduzir a folga cria juntas que não podem ser montadas.

O custo é a área de contato. Cada furo remove cobre da sobreposição, especificamente da região onde a pressão de aperto é maior. Um furo de 14 mm em uma barra de 100 mm remove 14 % da largura na seção naquele ponto. É por isso que a solução para uma junta marginal é mais parafusos de tamanho moderado em vez de menos e maiores. O número de parafusos proporciona uniformidade de pressão; o diâmetro do parafuso resulta em perda de seção.

O diâmetro do furo também interage com a ferramenta. Furar um furo menor que a espessura do material é difícil em ferramentas de corte de cobre e degrada a qualidade do furo. Isto raramente é um problema em M10 e acima em barras de 5 a 12 mm, mas ocorre em barras de controle finas com furos de fixação pequenos. A calculadora de força de furação indica a tonelagem necessária para um diâmetro específico antes de comprometer o padrão.

Tamanho do parafuso, torque e arruelas

A Tabela 22 da CDA tem sido a referência padrão há décadas. O padrão é aproximadamente: barras de 25 a 30 mm usam dois M8 a 17 N·m; 40 mm usa dois M10 a 28 N·m; 50 a 80 mm usa M12 a 45 N·m, com dois parafusos em 50 mm e quatro em 80 mm; barras de 100 e 120 mm usam cinco M12; barras de 160 e 200 mm usam seis a oito M16 a 91 N·m. Os tamanhos em uso variam de M6 a M20, sendo comuns quatro ou seis parafusos.

O torque é uma medida indireta e imprecisa. A pressão de contato não pode ser medida no campo, sendo inferida por T = K·F·D, onde K é o fator de porca. A CDA indica K como 0,20 a 0,22 seco, 0,19 a 0,21 com um composto auxiliar de contato, e 0,15 a 0,16 com um lubrificante de fronteira de molibdênio-dissulfeto. Isto significa: a mesma configuração de chave em uma rosca lubrificada produz aproximadamente 30 % mais pré-carga do que em uma seca. Um valor de torque de uma tabela e uma instrução de montagem para untar as roscas são incompatíveis.

O objetivo é a pressão de contato na sobreposição. Os valores da CDA são: abaixo de cerca de 7 N/mm² não é aconselhável, acima de 10 N/mm² é preferível, e acima de cerca de 30 N/mm² há pouco ganho adicional. Apenas cerca de 1 % da área aparente da sobreposição conduz, a carga passando por contatos pontuais de aspereza, o que é por que o estado da superfície é tão crítico quanto o número de parafusos e por que as barras devem ser planas e recém-abradas na montagem.

As arruelas desempenham uma função específica. Arruelas grandes e grossas distribuem a carga do parafuso para longe do furo e ampliam a região de pressão útil; a CDA associa M10 com uma arruela de 24 mm com 2,2 mm de espessura e M12 com uma arruela de 28 mm com 2,7 mm de espessura. Quando se utilizam parafusos de aço de alta resistência, a expansão diferencial torna-se o problema. O aço expande-se cerca de 11,1 × 10⁻⁶/°C contra 16,5 × 10⁻⁶/°C do cobre, de modo que a tensão do parafuso aumenta à medida que a junta aquece e pode ser ultrapassar os 95 % da carga de prova que a CDA estabelece como limite. Arruelas de disco (Belleville) absorvem esse aumento; parafusos de alumínio-bronze CW307G a 16,2 × 10⁻⁶/°C evitam-o ao quase corresponder ao cobre.

Um ponto contra-intuitivo existe: a CDA não recomenda o revestimento das superfícies de junta de cobre com cobre, a menos que o ambiente exija, porque o revestimento mole pode fluir a temperaturas elevadas e aliviar a pressão de contato estabelecida durante a montagem.

Quando o desenho diz 'segundo DIN 43673' e nada mais

Este é o caso comum e é um problema comercial antes de ser técnico.

A barra à qual o padrão pertence deve ser identificada. O padrão indexa a posição e o furo às seções de barra retangular classificadas na DIN 43670 e DIN 43671. Se a largura e a espessura especificadas não corresponderem a uma dessas seções, a referência não se resolve e o cliente deve fornecer as dimensões.

A intenção deve ser esclarecida: padrão ou junta? Muitos desenhos que citam a DIN 43673-1 requerem apenas o padrão padrão de parafusos para intercambiabilidade com quadros de comutação existentes. Alguns também exigem os dados da conexão por parafuso, o que traz a classe do parafuso, o arranjo de arruelas e o torque para o escopo de fornecimento. São orçamentos diferentes.

Uma referência física única é essencial. Uma amostra de barra, um croqui anotado ou uma fotografia do equipamento de acoplamento resolve mais ambiguidades em cinco minutos do que uma semana de correspondência. Os furos de interface no próprio quadro de comutação do cliente são a especificação real, independentemente do desenho.

A interpretação retornada no desenho deve ser declarada e aprovada. O diâmetro do furo, o passo e a distância de borda pretendidos para a produção devem ser declarados. Se o cliente possui a norma e o fornecedor não, a verificação contra a fonte é uma checagem de um minuto.

O documento deve ser adquirido se o padrão se repetir. O custo das quatro páginas é menor do que o de um lote de 200 mm de barra desperdiçado. O pedido deve ser feito à DIN Media ou ao órgão nacional de normalização relevante, e não a um agregador revendedor.

Transposição do padrão para a máquina

Uma vez resolvido, o padrão se torna uma questão de ferramental. Um padrão DIN recorrente em várias larguras de barra requer vários diâmetros de furos, e a restrição é o número de ferramentas ativas no turret. Uma linha de corte e puncionamento como a EMAC-BP-60 lida bem com um conjunto de ferramentas fixo. Onde a mistura é ampla, um centro de processamento como o IMAC-CENTER 60 com 24 posições de ferramentas, extensível a 36, elimina o problema de troca e mantém o posicionamento de ±0,05 mm, o que mantém o acúmulo de passo dentro da folga permitida.

O aspecto de classificação do mesmo trabalho é definido pela DIN 43671, cujas tabelas são referenciadas a 35 °C de temperatura ambiente e 65 °C de temperatura da barra com fatores de correção para outras condições. Uma junta que é termicamente marginal devido à classificação da barra sem essas correções não será salva por um bom padrão de furos. A calculadora de capacidade de corrente aplica essas correções em vez de omiti-las, e o artigo sobre juntas grampeadas fornece mais detalhes sobre preparação de superfície do que pode ser acomodado aqui.