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

Procure por DIN 43673 e todo resultado da primeira página quer lhe vender o documento. Ninguém o explica. A norma são quatro páginas em alemão de fevereiro de 1982, e o número aparece em desenhos de cliente o tempo todo, normalmente como referência solta, sem nenhuma cota anexada.

O que a norma cobre

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". Quatro páginas. Especifica a posição e o tamanho dos furos e dá os dados básicos para o projeto e a construção das conexões aparafusadas. Aplica-se a corrente contínua e a corrente alternada até 60 Hz.

O seu escopo está atrelado a outros dois documentos DIN: aplica-se às barras retangulares cujas correntes contínuas admissíveis são dadas na DIN 43670 (alumínio, 1975-12, dez páginas) e na DIN 43671 (cobre, 1975-12, nove páginas). A família se divide com clareza. A DIN 43671 diz quanta corrente uma dada seção de barra conduz; a DIN 43673-1 diz onde colocar os furos nela. As duas continuam listadas como vigentes pela DIN Media, o que é incomum para documentos dessa idade.

Duas coisas decorrem da redação do escopo. A norma trata da conexão, e não só da furação, e os "dados básicos para o projeto das conexões aparafusadas" são a metade que as pessoas esquecem. E o teto de 60 Hz é real: acima dele, os efeitos pelicular e de proximidade na zona da junta redistribuem a corrente em torno dos furos o bastante para que o padrão deixe de ser o correto.

A DIN 46433 não é uma norma de furação de barramento

Esta correção ganha um título próprio porque a citação errada está em toda parte, inclusive em documentos de edital e em desenhos de fornecedor que seguem sendo copiados por anos.

A DIN 46433

se intitula Flachdrähte und Flachstangen, gezogen, mit gerundeten Kanten — Maße: "Fios e barras retangulares, trefilados, com arestas arredondadas; dimensões". Oito páginas. É uma norma dimensional para fio e barra retangulares trefilados: largura, espessura, raio de aresta, tolerâncias. Não diz nada sobre posições de furo, diâmetros de furo ou conexões aparafusadas. Ela também foi cancelada, e está substituída pela DIN EN 13601.

Se um desenho que você recebe diz "furos conforme DIN 46433", o desenho está errado. As citações que a pessoa quis fazer são DIN 43673-1 para o padrão de furos e DIN 43671 para a corrente admissível e, se ela estava buscando a especificação de material, essa é a EN 13601, o mesmo documento que substituiu a DIN 46433. Levante isso antes de cortar metal, porque um desenho que cita errado uma norma normalmente cita errado a têmpera também.

Onde o padrão de furos encontra a verificação do conjunto

Padrões de furos parecem detalhe de fabricação. Não são, porque a junta que produzem fica dentro do escopo da norma de conjuntos contra a qual o painel acabado é verificado.

A IEC 61439-1 é explícita. No ensaio de elevação de temperatura, a seção 10.10.2.3.3 exige que "atenção especial seja dada às juntas em condutores e terminais dentro dos circuitos principais". As juntas são pontos de medição nomeados. A seção 10.10.2.3.7 a) exige que, quando os barramentos principais forem ensaiados separadamente, o comprimento ensaiado seja de pelo menos 2 m e inclua uma junta onde as barras forem extensíveis, e a seção de curto-circuito 10.11.5.3.3 fixa esse comprimento em (2 ± 0,4) m na mesma condição.

E então o critério de aceitação. Após o ensaio de curto-circuito, a seção 10.11.5.5 estabelece que "não deve haver afrouxamento de partes usadas para a conexão de condutores". Uma junta que sobrevive termicamente mas se afrouxa sob força eletromagnética reprova o conjunto, e são a distância de borda e o dimensionamento do parafuso que decidem isso.

Distância de borda

A norma fixa os centros dos furos em relação à borda da barra. Duas coisas independentes estão sendo equilibradas.

Mecanicamente, o ligamento entre o furo e a borda da barra suporta a carga de esmagamento do parafuso durante um defeito. A corrente de crista suportável afasta ou aproxima barras adjacentes com forças que acabam reagidas pelo grupo de parafusos. Material de borda de menos e o ligamento escoa, o furo alonga, a pré-carga cai e a junta afrouxa. O arrancamento completo é raro em cobre de espessura sensata; a falha real é o alongamento progressivo seguido de perda de pressão de contato, o que é pior porque permanece invisível até a inspeção termográfica pegá-lo.

Eletricamente, o ligamento é um estreitamento. A corrente tem de desviar em torno do furo, então o material entre o furo e a borda carrega densidade maior do que o grosso da barra. Ponha o furo perto demais da borda e você construiu um ponto quente local na parte mais solicitada da junta.

A fabricação acrescenta uma terceira restrição. Quando você punciona em vez de furar com broca, a matriz precisa de material ao redor para reagir. Puncione com distância de borda pequena demais em cobre de têmpera dura e a borda se abaúla para fora, o ligamento encrua, e a barra deixa de assentar plana contra a sua par. Como prática de oficina, e não como valor normativo, mantenha a distância livre entre a borda do furo e a borda da barra pelo menos igual à espessura da barra, e 1.5 vez isso em têmpera dura. A nossa página do processo de furo cobre o lado do ferramental da mesma restrição.

Passo, e o adensamento de corrente em torno dos furos

O Copper for Busbars (Publicação 22) da Copper Development Association dá o tratamento publicado mais claro do que os furos fazem com uma junta. A resistência da junta tem duas partes: a resistência de desvio das linhas de corrente, causada pela necessidade de a corrente se desviar pela sobreposição, e a resistência de contato na própria interface. Os furos de parafuso pioram a primeira, e a estimativa que a CDA dá depende do diâmetro do furo e de n, o número de furos medidos ao longo da largura da barra.

Essa variável isolada resolve uma questão que os fabricantes discutem. Os furos devem ser colocados alinhados ao longo do comprimento da junta. Escaloná-los ao longo da largura aumenta a resistência, porque cada furo adicional na largura é mais uma obstrução no mesmo caminho de corrente. Dois furos alinhados em uma barra de 60 mm formam uma junta melhor do que dois furos deslocados em diagonal, ainda que o segundo arranjo pareça distribuir melhor a carga de aperto.

O comprimento da sobreposição é governado pelo mesmo efeito. A penalidade das linhas de corrente cai muito acentuadamente à medida que a razão entre sobreposição e espessura sobe até cerca de 2, e depois melhora só lentamente até uma razão de 10. Passado isso, não há mais nada a ganhar. A conclusão da CDA: a sobreposição só precisa ser longa o bastante para acomodar parafusos suficientes para alcançar a pressão de contato exigida. Sobreposições longas desperdiçam cobre e acrescentam peso sem comprar condutividade.

Dois refinamentos da mesma fonte são baratos de implementar e raramente usados. Cortar um rasgo longitudinal atravessando as duas barras na sobreposição reduz a resistência de contato em 30 a 40 %, porque uniformiza a pressão de contato em cada perna da junta. Chanfrar as pontas da barra em menos de 45° reduz a resistência inicial da junta em cerca de 15 % e retarda a taxa com que a resistência da junta sobe sob ciclagem de carga por um fator de 1.3 a 1.5.

Diâmetro do furo

O diâmetro do furo troca folga para o parafuso por empilhamento de tolerância e pela área de contato que você está removendo.

A folga é mais generosa do que se espera. A orientação de longa data da CDA emparelha um parafuso M10 com um furo de 11.5 mm e um M12 com 14 mm, subindo para 15 mm em barras mais largas. São 1.5 a 3 mm de folga, e é deliberado: absorve o erro de passo acumulado em um padrão de cinco ou seis parafusos em duas barras produzidas em dias diferentes, possivelmente em máquinas diferentes. Aperte a folga e você compra juntas que não montam.

O custo é área de contato. Todo furo remove cobre da sobreposição e, especificamente, da região em que a pressão de aperto é maior. Um furo de 14 mm em uma barra de 100 mm retira 14 % da largura da seção naquele ponto. É por isso que a resposta a uma junta no limite é mais parafusos de tamanho moderado, e não menos parafusos grandes. O número de parafusos compra uniformidade de pressão; o diâmetro do parafuso compra perda de seção.

O diâmetro do furo também interage com a ferramenta. Puncionar um furo menor que a espessura do material castiga o ferramental em cobre e a qualidade do furo sofre. Isso raramente morde em M10 e acima, em barra de 5 a 12 mm, mas morde em barra fina de comando com furos pequenos de fixação. A calculadora de força de furo dirá quanto um dado diâmetro custa em tonelagem antes de você comprometer o padrão.

Tamanho do parafuso, torque e a pilha de arruelas

A Tabela 22 da CDA é a referência de trabalho há décadas. O padrão corre aproximadamente assim: barra de 25 a 30 mm leva dois M8 a 17 N·m; 40 mm leva dois M10 a 28 N·m; de 50 a 80 mm passa a M12 a 45 N·m, dois parafusos em 50 mm e quatro em 80 mm; barra de 100 e 120 mm leva cinco M12; barra de 160 e 200 mm leva seis a oito M16 a 91 N·m. Os tamanhos em serviço vão de M6 a M20, sendo quatro ou seis parafusos o caso comum.

O torque é um substituto, e ruim. A pressão de contato não pode ser medida em campo, então é inferida por T = K·F·D, em que K é o fator de aperto. A CDA dá K como 0.20 a 0.22 a seco, 0.19 a 0.21 com composto auxiliar de contato e 0.15 a 0.16 com lubrificante de contorno de dissulfeto de molibdênio. Leia isso assim: o mesmo ajuste de torquímetro em uma rosca lubrificada produz aproximadamente 30 % mais pré-carga do que em uma rosca seca. Se o seu valor de torque veio de uma tabela e a sua instrução de montagem manda passar graxa na rosca, os dois não combinam.

O alvo é a pressão de contato ao longo da sobreposição. Os números da CDA: abaixo de aproximadamente 7 N/mm² não é aconselhável, acima de 10 N/mm² é preferível, e acima de aproximadamente 30 N/mm² há pouco ganho adicional. Apenas em torno de 1 % da área aparente de sobreposição de fato conduz, com a carga passando por contatos discretos de aspereza, e é por isso que a condição da superfície importa tanto quanto o número de parafusos e por que as barras devem estar planas e recém-abrasadas na montagem.

A pilha de arruelas faz trabalho de verdade. Arruelas grandes e grossas espalham a carga do parafuso para longe do furo e alargam a região de pressão útil; a CDA emparelha M10 com arruela de 24 mm e 2.2 mm de espessura e M12 com arruela de 28 mm e 2.7 mm. Onde se usam parafusos de aço de alta resistência, a dilatação diferencial passa a ser o problema. O aço dilata a cerca de 11.1 × 10⁻⁶/°C contra os 16.5 × 10⁻⁶/°C do cobre, então a tração no parafuso sobe conforme a junta aquece e pode ser levada além dos 95 % da tensão de prova que a CDA fixa como teto. Arruelas de mola-prato (Belleville) absorvem esse aumento; parafusos de bronze-alumínio CW307G, a 16.2 × 10⁻⁶/°C, evitam o problema por quase igualar o cobre.

Um ponto contraintuitivo. A CDA não recomenda revestir faces de junta cobre-cobre a menos que o ambiente exija, porque um revestimento mole pode escoar em temperatura elevada e relaxar a pressão de contato que você trabalhou para estabelecer.

Quando o desenho diz "conforme DIN 43673" e mais nada

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

Pergunte a que barra o padrão pertence. A norma indexa posição e tamanho de furo às seções de barra retangular cujas correntes são dadas na DIN 43670 e na DIN 43671. Se a largura e a espessura especificadas não forem uma dessas seções, a referência não resolve e o cliente tem de lhe dar cotas.

Pergunte se ele quer dizer o padrão ou a junta. Muitos desenhos que citam a DIN 43673-1 querem apenas o padrão padronizado de parafusos, para intercambialidade com conjuntos de manobra existentes. Alguns querem também os dados de conexão aparafusada, o que puxa classe de parafuso, arranjo de arruelas e torque para o seu escopo de fornecimento. São cotações diferentes.

Consiga uma referência física. Uma barra-amostra, um croqui cotado à mão ou uma fotografia do equipamento de contato resolvem mais ambiguidade em cinco minutos do que uma semana de correspondência. Os furos de interface no próprio conjunto de manobra do cliente são a especificação real, diga o desenho o que disser.

Coloque a sua interpretação no desenho que você devolve, e obtenha assinatura. Declare o diâmetro do furo, o passo e a distância de borda que pretende produzir. Se o cliente tem a norma e você não, ele consegue conferir contra a fonte em um minuto.

Compre as quatro páginas se o padrão se repetir. O documento custa menos do que um lote sucateado de barra de 200 mm. Peça-o à DIN Media ou ao seu organismo nacional de normalização, e não a um agregador revendedor.

Levar o padrão para a máquina

Uma vez resolvido, o padrão vira uma questão de ferramental. Um padrão DIN recorrente em várias larguras de barra significa vários diâmetros de furo, e a restrição é quantos vivem na torre ao mesmo tempo. Uma linha de furo e corte como a EMAC-BP-60 lida bem com um jogo fixo de ferramentas. Onde o mix é amplo, um centro de processamento como o IMAC-CENTER 60, com 24 estações de ferramenta, ampliáveis para 36, tira a troca da equação e mantém ±0.05 mm de posicionamento, que é o que mantém o empilhamento de passo dentro da folga que você previu.

O lado da corrente admissível do mesmo serviço pertence à DIN 43671, cujas tabelas são referenciadas a 35 °C de ambiente e 65 °C de temperatura da barra, com fatores de correção para outras condições. Uma junta termicamente no limite porque a barra foi dimensionada sem esses fatores não será salva por um bom padrão de furos. A nossa calculadora de capacidade de corrente os aplica em vez de escondê-los, e o artigo sobre juntas parafusadas avança na preparação de superfície mais do que caberia aqui.