DE4242150A1 - Stahlfaser und Vorrichtung zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stahlfaser aus kaltgezogenem Stahldraht gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Außer­ dem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Stahlfasern dieser Art dienen zur Verstärkung von Zement- und/oder Kunstharzgebundenen Werkstoffen im Bauwesen, wo sie die Zähigkeit und Rißfestigkeit der Baukörper verstärken sollen. Voraussetzung hierfür ist eine ausrei­ chender Haftverbund zwischen der Stahloberfläche und der Matrix. Deswegen sind die erfindungsgemäßen Stahlfaser mit einer Reihe von Profilierungen versehen, welche die glatte Stahldrahtoberfläche Unterbrechen und aufrauhen. Andererseits müssen die aus einem glatten Stahldraht gewonnenen Stahlfasern in großen Mengen zur Verfügung gestellt werden, was nur möglich ist, wenn sie sich kostengünstig herstellen lassen.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Stahlfasern erfolgt deswegen großen Menge aus dem Ausgangsstahldraht auf einem Walzwerk, dessen Walzen bei ihrem Umlauf den Strahldraht durch Prägen Profilieren und die Stahlfasern abtrennen. In aller Regel wird dabei für jede Stahlfaser nur ein Bruchteil des Walzenumfanges benötigt, so daß für die Herstellung einer Stahlfaser schon eine Teildrehung der Walzen ausreicht. Für diese Art der Fertigung sind möglichst kurze Stahlfasern günstig. Lange Stahlfasern, also Stahlfasern mit einem größeren Verhältnis von Länge zu Durchmesser, erfordern für die Herstellung komplexere Anlagen oder zusätzliche Maßnahmen, sind jedoch für den angestrebten guten Verbund in der Matrix günstiger.

Die Erfindung geht dabei von vorbekannten Stahlfasern und ihrer Herstellung aus (DE-GM 91 03 713.1). Danach sind die Stahlfasern verhältnismäßig kurz und ihr Haftvermögen beruht ausschließlich auf den Profilierungen, welche mit den Prägewerkzeugen auf einer Walze hergestellt werden, während die andere gegenläufige Walze einen glatten Man­ tel aufweist. Da im Abstand der Stahlfasern die profi­ lierte Walze mit Messern zum Abtrennen der profilierten Stahlfaser von dem Ausgangsstahldraht versehen ist und diese Messer sich beim Umlauf der Walze auf einen größe­ ren Teilkreis als die Prägewerkzeuge bewegen, ergeben sich Störungen, wenn das Abtrennen des Drahtes von der Stahlfaser erfolgt, bevor das Drahtende von den Walzen erfaßt ist.

Die Erfindung geht demgegenüber einen anderen Weg, dessen Grundgedanke im Anspruch 1 wiedergegeben ist. Die weite­ ren Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Der Haftverbund der erfindungsgemäßen Stahlfaser wird durch das Zusammenwirken der durch die Prägung erzielten Profilierungen auf einer im wesentlichen geraden Teil­ länge zwischen den mit den Kröpfungen versehenen Faseren­ den erzielt, wie bei der Ausbildung von Haarrissen in der Matrix an den Profilierungen, was normalerweise das Glei­ ten der Stahloberfläche in der Matrix einleitet, die umgeformten Drahtenden einen zusätzlichen Widerstand ent­ wickeln, so daß erst nach dessen Überwindung der Haft­ verbund endgültig aufgehoben ist. Da man erfindungsgemäß das Prägen und Umformen, also die Herstellung der Profi­ lierungen zwischen den Stahlfaserenden und deren Abkröp­ fungen an den Enden nicht nacheinander, sondern beginnend von einem Stahlfaserende bis zum anderen Ende in der Rei­ henfolge der unterschiedlichen Formgebungen, wie sie auf der fertigen Stahlfaser erscheinen, durchführt, kann die Herstellung der neuen Stahlfaser auf einem Walzwerk in einem Verarbeitungsschritt auf einer Maschine hergestellt werden. Dieses Verarbeitungsverfahren kennzeichnet die erfindungsgemäßen Stahlfasern insofern, als die neuen Stahlfasern trotz ihrer umgeformten Enden verhältnismäßig kurz ausfallen. Unabhängig von der Länge der Stahlfasern führt das Abscheren an den Drahtenden im Gegensatz zu den bekannten Schneidflächen zu charakteristischen plasti­ schen Verformungen des Stahldrahtes, die insbesondere an den Stirnflächen der Stahlfaserenden auszumachen sind.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie einerseits kurze Stahlfasern ermöglicht, die durch ihre abgekröpften Enden einen erhöhten Haftverbund durch Steigerung des Auszieh­ widerstandes der Stahlfasern in der Matrix gewährleisten. Andererseits werden diese Stahlfasern auf einfache Weise hergestellt, weil trotz der Umformung der Stahlfaser enden bei der Herstellung der Abkröpfungen nur ein auf einer Bearbeitungsmaschine durchführbarer Arbeitsgang benötigt wird.

Vorzugsweise bildet man die neuen Stahlfasern mit den Merkmalen des Anspruches 2 weiter. Hierdurch wird nämlich durch Ausnützung der Prägetiefe die Abkröpfung des Drahtes verlängert und dadurch der Ausziehwiderstand der Stahlfasern aus der Matrix weiter gesteigert.

Die Verwirklichung der Merkmale des Anspruches 3 schafft durch die Symmetrie der Stahlfasern einen Haftverbund, der grundsätzlich von der Orientierung der betreffenden Stahlfaser in der Matrix unabhängig ist. Außerdem wird dadurch eine Vereinheitlichung der Werkzeuge erreicht, da für die Herstellung aller Abkröpfungen gleiche Werkzeuge benutzt werden.

Mit den Merkmalen der Ansprüche 4 und 5 wird die Festig­ keit der neuen Stahlfaser verbessert und nicht, wie bei scharfen Übergängen in die Abkröpfungen eine Kerbwirkung herbeigeführt, welche zu Gewaltbrüchen Anlaß gibt. Dadurch lassen sich Stahlfaserbrüche in der Matrix aus­ schließen bzw. hinausschieben, was den Ausziehwiderstand weiter steigert.

Die Form der Abkröpfungen läßt sich nach unterschied­ lichen Gesichtspunkten wählen, was Gegenstand der Ansprüche 6 und 7 ist. Hauptsächlich wird man die Wahl nach dem von der jeweiligen Formgebung zu erwartenden Auszieh­ widerstand der Stahlfasern wählen, wobei man davon auszu­ gehen hat, daß zum Ausziehen der Stahlfasern aus der Matrix die Abkröpfungen je nach Belastung im einzelnen ganz oder teilweise durch Überschreiten der Elastizitäts­ grenze des Stahldrahtes rückgängig gemacht werden.

Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielsweisen Vorrichtung zur Her­ stellung der neuen Stahlfasern anhand der Figuren in der Zeichnung; es zeigt

Fig. 1 eine Stahlfaser in Seitenansicht,

Fig. 2 den Gegenstand der Fig. 1 in Draufsicht,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 1,

Fig. 5 schematisch ein Walzwerk zur Herstellung des Gegenstandes der Fig. 1 bis 4,

Fig. 6 eine schematische Gesamtdarstellung der Vor­ richtung für die Herstellung des Gegenstandes nach den Fig. 1 bis 4,

Fig. 7 eine beispielsweise Bemessung der Stahlfasern nach Fig. 1 und

Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung des Gegenstandes der Fig. 5.

Die Wiedergabe der Stahlfaser 1 in den Fig. 1 bis 4 ist schematisch, d. h. sie weicht von der genaueren Darstel­ lung nach Fig. 7 in Einzelheiten ab. Die Stahlfaser besteht aus einem kaltgezogenen Draht 2 (Fig. 6), die durch Prägewerkzeuge 3 (Fig. 5), die auf einer Walze 4 angebracht sind, mit Aufeinanderfolgenden Profilierungen 5 bis 8 nach Fig. 1 versehen ist. Das Prägen mit den Werkzeugen 3 erfolgt gegen den glatten Mantelsektor 9 einer gegensinnig umlaufenden Walze 10. Wie sich aus der Darstellung der Fig. 5 ergibt, sind die Walzen 4 und 10 abwechselnd mit Prägewerkzeugen 3 und Glattmantelsektoren 9 versehen. Bei den Prägewerkzeugen 3 handelt es sich um Prägestempel, welche nach Fig. 7 bogenförmige Stempel­ köpfe 11′ aufweisen. Zwischen den Stempelköpfen ist der Mantel der betreffenden Walze, wie beispielsweise in Fig. 7 bei 12 dargestellt, glatt, so daß auf diesen Drahtlän­ gen im Gegensatz zu den von den Prägestempeln hervorgeru­ fenen Profilierungen 5 bis 8 unverformte Bereiche 14 bis 16 bestehen bleiben. Es ergibt sich dann, daß in Stahlfaserlängsrichtung gesehen die einseitigen Profilierungen 5 bis 8 des Drahtes im Abstand voneinander ange­ ordnet sind, wobei die Abstände gemäß der dargestellten Ausführungsform regelmäßig, d. h. gleich lang sind. Die Prägetiefe kann bei praktischer Ausführung etwa 0,5 des Ausgangsdurchmessers des Stahldrahtes ausmachen. Die Prä­ gebreite b (Fig. 2) nimmt unter diesen Umständen unter praktischen Bedingungen etwa das Doppelte das Ausgangs­ durchmessers ein.

Wie sich aus der Darstellung der Fig. 5 und den Glattman­ telbereichen 9 ergibt, ist die Unterseite 17 der Stahlfa­ sern 1 eben.

Die Faserenden 18, 19 werden mit kämmenden Werkzeugen 20, 21 abgeschert, welche auf den Walzen 4, 10 jeweils an den Enden der mit den prägenden Werkzeugen 3 besetzten Sekto­ ren angebracht sind.

An den profilierten Draht 1 schließt sich beiderseits je ein glattes Drahtende 18, 19 an. Diese Drahtenden sind mit Hilfe der kämmenden Werkzeuge 20, 21 auf den Walzen 4, 10 abgekröpft. An einer solchen Abkröpfung läßt sind ein innerer Schenkel 22 von einem das freie Ende der Stahlfaser 1 bildenden äußeren Schenkel 23 unterscheiden. Die Abkröpfungen sind in Fig. 2 allgemein mit 24 und 25 bezeichnet. Wie die Darstellung der Fig. 4 erkennen läßt, sind diese Drahtbereiche ebenso wie die mit 14 bis 16 bezeichneten Bereiche mit ihrem ursprünglich runden Quer­ schnitt 26 unverändert belassen. Aus der Darstellung der Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Profilierungen 5 bis 8 demgegenüber einen flachen Querschnitt 27 aufweisen.

Aus der Darstellung der Fig. 5 in Verbindung mit den Fig. 7 und 8 ergibt sich das Zusammenwirken der prägenden und der kämmenden Werkzeuge. Nach Fig. 7 dient zum Aufbiegen der Kröpfungen jeweils ein Biegelstempel 28, der sich an jedem Ende eines mit dem Biegewerkzeugen besetzten Sek­ tors einer Walze 4, 10 befindet, wobei ein solcher Sektor allgemein bei 29 dargestellt ist. Dieser Biegestempel 28 hat einen flachen Kopf, mit dem der freie Schenkel 23 erfaßt wird und der in ein Biegegesenk 30 gedrückt wird. Nach innen, d. h. in Richtung auf die Prägestempel 11 schließt sich an den Kopf 29′ eine schräggeneigte Flanke 31 an, welche bis in das Tiefste der Profilierung 5 bzw. 8 abfällt, welche an den beiden Enden des jeweiligen Sek­ tors angeordnet sind. Dieser Schräge des Biegestempels 28 entspricht die ansteigende Schräge 32 des Biegegesenks 30, welches einen dem ebenen Kopf 29′ entsprechenden Boden 33 aufweist. In den Wendepunkten der Abkröpfungen 18, 19 tragen die Biegewerkzeuge Abrundungen, deren Radius mit 0,5 mm angegeben ist.

Die äußere Kante 34 des Biegestempels 28 dient als Scher­ kante, welche die gerade hergestellte Stahlfaser 1 von dem in den Walzenspalt 35 eindringenden Drahtende 36 in einem Zug abschert (Fig. 5). Der ebene Kopf 29′ der Biegestempel und damit die Schrägkanten 34 laufen auf einem äußeren Teilkreis um den Achsmittelpunkt mit den Walzen um, während die Biegestempel 11 auf einem demgegenüber kleineren Teilkreis drehen. Dadurch ist es möglich, gegenüber den flacheren Prägungen 5 bis 8 längere Schenkel 28 und damit in Biegerichtung tiefere Abkröpfungen 18, 19 herzustellen. Dadurch, daß auf den Walzen 4, 10 Glattmantelsektoren 9 mit Biege- und Prägesektoren 29 abwechseln und zusammenwirken, stellt jeweils ein Biegestempel 28 im Zusammenwirken mit seinem Prägegesenk 30 gleichzeitig benachbarte Kröpfungen 18 und 19 aufeinanderfolgender Stahlfasern her.

Wie aus der Darstellung der Fig. 8 hervorgeht, wird durch diese Werkzeuganordnung die Einleitung von tangentiellen Zugkräften aus der Rotationsbewegung der Arbeitswalzen 4, 10 im Berührungspunkt und im Augenblick des Abscherens unterbrochen. Da die tangentiale Zugkomponente in der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den zuvor abgescherten oder in Scherung befindlichen Draht eingeleitet wird, wird die Drahtversorgung des Arbeitswalzenpaars durch eine synchron laufende Drahtversorgungseinheit herge­ stellt.

Der Drahtabschnitt, der sich im Bereich des Winkels β zwischen der Verbindungslinie der Walzenachsen und der Schnittfläche befindet, wird mit Rotationsgeschwindigkeit der Arbeitswalzen weitergezogen. Das freie Ende des geschnittenen Drahtes, der bis zum Wiedereintritt in den Prägebereich durch die Arbeitswalzen gezogen wird, wird deshalb mit einer mindestens der Rotationsgeschwindigkeit der Arbeitswalzen entsprechenden Vorschubgeschwindigkeit nachgeführt.

Da die Präge- und Formgebungswerkzeuge unterschiedliche Umlaufbahnen durchlaufen, wird die Vorschubgeschwindig­ keit der Drahtzuführeinrichtung so gewählt, daß der Vor­ schubweg der Summe der einzelnen Umlaufabschnitte ent­ spricht, so daß keine zusätzliche Stahldehnung im Formge­ bungsabschnitt direkt vor dem Schneiden in den Draht ein­ geleitet werden. Hierdurch wird einerseits verhindert, daß bei zu geringer Vorschubgeschwindigkeit eine schlag­ artige Zugbeanspruchung des Drahtes bei der Formgebung auftritt, die auf einer elastischen Längenänderung beruht, welche beim Schnitt zum Zurückschnellen des Drahtes und damit nur zur verkürzten Ausbildung der End­ verankerungsbereiche 18, 19 führt. Außerdem wird die unzureichende Vorschubgeschwindigkeit verhindert, die ein "Streckziehen" im Moment des einhubigen Scherschnittes herbeiführen würde.

Hieraus ergibt sich die Gesamtanordnung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung, welche in Fig. 6 schematisch wieder­ gegeben ist.

Wenn man davon ausgehen kann, daß auf den Walzen 4, 10 entsprechend der Walzenbreite mehrere Stahldrähte 2 parallel und gleichzeitig bearbeitet werden können, lädt sich die Drahtzuführung mit einer oder mehrerer Stahl­ drahtspulen 38 bewirken. Sind denn mehrere parallele Drähte vorgesehen, so können die Spulen mit Flyer und/oder Haspeln mit oder ohne synchronisierten Antrieb versehen werden. Für jeden Stahldraht 2 ist eine Drahtzu­ führungseinrichtung 39 vorgesehen, welche bei mehreren Drähten das Verdrillen der Drähte durch unregelmäßigen Ablauf bei nicht synchronisierten Ablauf verhindert. Aus der Zuführungseinrichtung läuft der Ausgangsstahldraht 2 um eine Umlenk- oder Führungseinrichtung 40 in ein Draht­ einzugwalzenpaar 41, 42, wobei der Stahldraht 2 so gelenkt wird, daß er lagesicher in den Walzenspalt 43 einlaufen kann. Die beiden Walzen 41, 42 sind synchroni­ siert und ihr gegenseitiger Abstand im Walzenspalt 43, der mit 44 bezeichnet ist, läßt sich wählen und einstel­ len. Eine Führungseinrichtung 45 besteht im wesentlichen aus einem Drahtzuführungskanal. Die Einzugsvorrichtung führt den Draht mit der gewünschten Geschwindigkeit im wesentlichen ohne Schlupfverluste der weiteren Bearbei­ tung zu. Dazu sind die Walzenmäntel vorzugsweise mit einer Profilierung 46 versehen. Diese kann zusätzlich zu den Prägungen und Umformungen der Stahlfasern zur Ver­ größerung der Oberflächenrauhigkeit verwendet werden.

Der veränderbare Abstand der Walzen 41, 42 im Walzenspalt 43 läßt unterschiedliche Drahtdurchmesser zu. Dem ent­ spricht ein variabler Abstand 46 der Walzen 4, 10 im Wal­ zenspalt 35. Durch Einstellung des Abstandes 46 wird dem eingestellten Drahtdurchmesser bei 44 entsprochen. Außer­ dem kann durch unabhängige Verstellung des Abstandes 46 die Prägetiefe der Prägungen 5 bis 8 eingestellt werden.

Die Abstimmung der Umlaufgeschwindigkeiten der Walzen 41, 42 auf die Umlaufgeschwindigkeiten der Walzen 4, 10 erfolgt durch einen Keilriementrieb, welcher vom Abtrieb 48 des Hauptantriebes 49 abgeleitet ist, der die Walzen 4, 10 antreibt. Dieser Hauptantrieb läßt sich mit einem Vario-Motor bestücken. Die Synchronisation der Umlauf­ geschwindigkeit der Walze 10 mit der Umlaufgeschwindig­ keit der Walze 4 erfolgt durch ein Zahnräderpaar 50, 51, welches drehfest auf der Welle der Walzen 4, 10 angeord­ net ist.

Mit der Vorrichtung nach Fig. 6 werden die Stahlfasern in einem Arbeitsgang während der Drehung der Walzen über einen Sektor hergestellt. Hierbei werden maßgerechte Stahlfasern mit erheblicher Geschwindigkeit und damit in großen Mengen wirtschaftlich gewonnen.

Claims (16)

1. Stahlfaser (1), die aus einem kaltgezogenen Draht (2) durch Prägewerkzeuge (3) auf einer Walze (4) gegen eine gegensinnig umlaufende Walze (10) in Faserlängs­ richtung mit aufeinanderfolgenden Profilierungen (5 bis 8) versehen und am Faserende mit kämmenden Werk­ zeugen (20, 21) der Walzen (4) abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an dem profilierten Draht (1) beiderseits glatte Drahtenden (18, 19) anschließen, von denen das eine nach dem Abtrennen durch Abscheren der fertigen Stahlfaser und das andere Drahtende nach dem Prägen durch Umformung der Drahten­ den (18, 19) mit kämmenden Werkzeugen (20, 21) der Walzen (9, 10) abgekröpft ist.

2. Stahlfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kröpfungen (18, 19) im Tiefsten einer Prägung (5) ansetzen.

3. Stahlfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die: Profilierungen (5 bis 8) und die Abkröpfungen (18, 19) spiegelsymmetrisch angeord­ net sind.

4. Stahlfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wendepunkten der Kröpfungen Biegeradien vorgesehen sind.

5. Stahlfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeradien ca. 0,5 mm betra­ gen.

6. Stahlfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Schenkel (22) der Abkröpfungen gekrümmt sind.

7. Stahlfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schenkel (22) der Abkröpfun­ gen (18, 19) gerade verlaufen.

8. Stahlfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsdraht (8) vorgeformt, insbesondere geriffelt ist.

9. Vorrichtung zur Herstellung von Stahlfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Wal­ zenpaar (4, 10), bei dem auf jeder Walze (4, 10) Glattmantelsektoren (9) mit Präge- und Biegewerk­ zeugsektoren (29) in gradzahligem Verhältnis miteinan­ der abwechseln, wobei jeder Glattmantelsektor (9) mit einem Präge- und Biegewerkzeugsektor (29) zusammen­ wirkt und durch eine Drahtvorschubeinrichtung (41, 42) welche dem Walzenpaar (4, 10) vorgeschaltet ist und diesem den Ausgangsdraht mit einer Vorschubgeschwin­ digkeit zuführt, die gleich der Umfangsgeschwindigkeit der Walzen (4, 10) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Präge- und Biegesektoren (29) die prägenden Werkzeuge (11, 12) zwischen den kämmenden Werkzeugen (28, 30) angeordnet sind, welche aus je einem Biege­ stempel (28) und einem Biegegesenk (30) bestehen, wobei die Biegestempel (28) mit Scherkanten (34) zum Abtrennen der Stahlfasern (1) versehen sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnete daß die Biegekanten der Biege­ stempel (28) und/oder der Biegegesenke (30) zur Aus­ bildung von Übergangsradien an den Kröpfungen (18, 19) der Stahlfasern (1) abgerundet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtvorschubeinrichtung aus mehreren Walzen (41, 42) besteht und ihr Antrieb vom Antrieb (49) der Walzen (4, 10) abgeleitet und syn­ chronisiert ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzenspalt (44) zwischen den Walzen (41, 42) der Drahtvorschubeinrichtung zur Ver­ arbeitung von Ausgangsdrähten (2) mit unterschiedli­ chem Drahtdurchmesser veränderbar und einstellbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung (46′) der Walzen (41, 42) der Drahtvorschubeinrichtung zur Profilierung des Ausgangsdrahtes (2) dient.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Walzenspaltes (35) der Walzen (4, 10) auf den Durchmesser des Ausgangs­ drahtes (2) einstellbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf ihr mehrere Ausgangsdrähte (2) parallel verarbeitet und mit Hilfe von Drahtführungs­ einrichtungen (39, 45) verdrillungsfrei gehalten sind.