PL223519B1

PL223519B1 - Sposób wytwarzania cienkościennych kształtowników z powierzchniowym odkształceniem

Info

Publication number: PL223519B1
Application number: PL398449A
Authority: PL
Inventors: Przemysław Świątek; Robert Stelmach
Original assignee: Dp Stal Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2016-10-31
Also published as: EP2638983A1; PL398449A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania cienkościennych kształtowników z powierzchniowym odkształceniem o zwiększonej wytrzymałości i zmniejszonej przewodności cieplnej stosowanych jako elementy konstrukcji w budownictwie, zwłaszcza jako elementy nośne i mocujące płyt kartonowo-gipsowych.

Z polskiego patentu PL 183 213 znany jest sposób wytwarzania cienkościennych kształtowników z powierzchniowym odkształceniem, w którym kształtownik profiluje się w sposób ciągły między rotacyjnymi narzędziami kształtującymi, charakteryzujący się tym, że cienką taśmę metalową, stan owiącą materiał wyjściowy, poddaje się obróbce wstępnej tak, że w czasie jej przemieszczania prowadzi się gęste, napowierzchniowe, naprzemienne wgniatanie punktowe na obu płaszczyznach górnej i dolnej, przy czym jednocześnie przetłacza się ją miejscowo, korzystnie na całej powierzchni bez zmiany grubości wyjściowej, po czym tak przygotowaną taśmę poddaje się znanemu profilowaniu na kształtownik o wymaganym przekroju w procesie plastycznego odkształcania. Kształtownik wytworzony według sposobu, mimo wielu zalet, takich jak mała waga, charakteryzuje się ograniczoną wytrzymałością uzależnioną od grubości blachy oraz wysoką przewodnością cieplną. Co więcej profilowanie blach o grubości około 1 mm jest energochłonne i głośne, powodujące nagrzanie rolek profilujących oraz kształtowanego materiału. Z polskiego patentu PL 198 735 znany jest sposób wytwarzania cienkościennego kształtownika, według którego ostateczny zarys wyrobu uzyskuje się w procesie przeró bki plastycznej między rotacyjnymi narzędziami kształtującymi, charakteryzujący się tym, że z dwóch niezależnych bębnów podaje się jednostajnym ruchem ciągłym równoległe taśmy materiału dla utworzenia półek kształtownika, które w dzielącej je przestrzeni łączy się trwale poprzecznymi mostkami, oddalonymi od siebie o wyznaczony dystans, i tak ukształtowany półwyrób wprowadza się między rolki maszyny profilującej oraz nadaje mu się ostateczny kształt wyrobu, a jednocześnie na powierzchniach półek formuje się fakturę usztywniającą w postaci punktowych zagłębień. Kształtownik posiada duże otwarte przestrzenie obniżające jego właściwości izolacyjne. Co więcej jego specyficzna budowa obniża też wytrzymałość. Łączenie mostków z półkami w wielu wypadkach może okazać się zbyt słabe do przenoszenia dużych naprężeń. Podobne niedoskonałości posiada kształtownik wytworzony według sposobu ujawnionego w polskim patencie PL 206 869, przy czym sposób wytwarzania kształtownika cienkościennego charakteryzuje się tym, że dla uzyskania trwałego połączenia półek (1a) z mostkami w postaci ukośnych żeber (2) zagina się razem i jednocześnie zaciska przylegające do siebie fragmenty półek (1a) i mostków, tworząc z nich nierozłączne zaniki (5), natomiast blaszane taśmy (1) naciąga się tak, aby były jednakowo naprężone co najmniej w czasie zespalania półek (1a) z mostkami, przy czym każdej z taśm przyporządkowuje się odrębne zespoły narzędzi profilujących (B1 i C1). Nadal więc istnieje potrzeba dostarczenia sposobu wytwarzania kształtowników, które charakteryzować się będą wysoką wytrzymałością przy niskiej wadze oraz niską przewodnością cieplną, przy czym sposób będzie charakteryzował się mniejszą energochłonnością i hałasem. Nieoczekiwanie przedstawione problemy rozwiązał prezentowany wynalazek.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania cienkościennych kształtowników z powierzchniowym odkształceniem, w którym kształtownik profiluje się w sposób ciągły między rotacyjnymi narzędziami kształtującymi, przy czym blacha jest poddawana obróbce wstępnej, charakteryzujący się tym, że obejmuje następujące etapy:

a) odwija się blachę profilu zewnętrznego o grubości mniejszej od grubości blachy profilu wewnętrznego, korzystnie o grubości 0,5 mm, z rozwijaka zewnętrznego i przekazuje na profilarkę sferoidalną do wykonania sferoidalnych przetłoczeń blachy,

b) odwija się blachę profilu wewnętrznego, korzystnie o grubości 0,7 mm z rozwijaka wewnętrznego i przekazuje na profilarkę wzdłużną za pośrednictwem zespołu napinającego do wykonania wzdłużnych przetłoczeń blachy,

c) odwija się taśmę z tworzywa z rozwijaka i umieszcza się ją pomiędzy blachą opuszczającą profilarkę wzdłużną z etapu b) i blachą opuszczającą profilarkę sferoidalną z etapu a),

d) kształtuje się kształtownik w zespole walców z materiału opuszczającego etap c), składającego się z blachy profilu zewnętrznego i blachy profilu wewnętrznego oraz umieszczonej pomiędzy nimi taśmy z rozwijaka,

e) tnie się nadążnie kształtownik opuszczający zespół walców z etapu d).

Sposób według wynalazku pozwala na wytworzenie kształtowników o zmniejszonej przenikalności cieplnej dzięki zastosowaniu profilu z komorami powietrznymi oraz izolacyjnej taśmy umieszczonej między

PL 223 519 B1 ścianami profilu. Specyficzna budowa pozwala na przenoszenie większych obciążeń zginających. Co więcej, możliwość wykorzystania blach cienkich o różnych grubościach pozwala na uzyskanie wyższych parametrów wytrzymałościowych i sztywnościowych. Prezentowany wynalazek pozwala na dobór, w sposób określony, gatunków blach, zgodnie z wymaganiami odbiorcy, w celu uzyskania wymaganych własności wytrzymałościowych i sztywnościowych profilu. W trakcie wytwarzania kształtowników wg wynalazku, ze względu na zastosowanie cieńszych blach na kształtownik, wyelimin owano wykorzystanie roztworu wody i emulgatora, spełniającego funkcje smarowania i chłodzenia, który wymaga utylizacji po określonym czasie eksploatacji. Zastosowanie blach o grubościach 0,5 mm i 0,7 mm na ulepszony kształtownik wpływa w sposób istotny na obniżenie energochłonności linii technologicznej; jest to związane z potrzebną siłą do wykonania procesu gięcia blachy za pomocą rolek profilujących. Gięcie cieńszych blach oraz zastosowanie wewnętrznej taśmy wiąże się również z obniżeniem poziomu hałasu w hali produkcyjnej, co korzystnie wpływa na środowisko pracy.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia kształtowniki znane ze stanu techniki badane w przykładzie 2, fig. 2 przedstawia kształtowniki ze stanu techniki wykorzystane w przykładzie 3 do porównania wytrzymałości kształtowników, fig. 3 przedstawia model bryłowy kształtownika ze stanu techniki podzielony na elementy skończone przy zastosowaniu cztero-węzłowych elementów typu TET oraz ośmio-węzłowych elementów typu HEX, fig. 4 przedstawia mapę rozkładu a) naprężeń w belce oraz b) odkształceń belki dla kształtownika ze stanu techniki, fig. 5 przedstawia schematycznie linię technologiczną wg wynalazku, fig. 6 przedstawia przekrój poprzeczny przez kształtownik wykonany według niniejszego wynalazku, fig. 7 przedstawia kształtownik według wynalazku wykorzystany w przykładzie 3, fig. 8 przedstawia schemat obciążenia kształtowników w przykładzie 3, fig. 9 przedstawia model bryłowy kształtownika wytworzonego sposobem według niniejszego wynalazku podzielony na elementy skończone przy zastosowaniu cztero-węzłowych elementów typu TET oraz ośmio-węzłowych elementów typu HEX, fig. 10 przedstawia mapę rozkładu a) naprężeń w belce oraz b) odkształceń belki dla kształtownika wytworzonego sposobem według niniejszego wynalazku.

P r z y k ł a d 1

Ogólny schemat budowy linii technologicznej został przedstawiony na fig. 5. Linia zawiera następujące elementy: rozwijak wewnętrzny 1, na którym montowany jest krąg blachy przeznaczony na profil wewnętrzny z wytłoczeniami wzdłużnymi, rozwijak zewnętrzny 2, na którym montowany jest krąg blachy przeznaczony na profil zewnętrzny z wytłoczeniami sferoidalnymi, profilarkę wzdłużną 6, profilarkę sferoidalną 5, zespół naciągający 4, zespół walców 7 kształtujący kształtownik oraz zespół tnący 8. Linia technologiczna pracuje w trybie ciągłym, za co odpowiada układ sterowania 9. Przebieg procesu technologicznego walcowania profilu o określonym przekroju poprzecznym rozpoczyna się od założenia kręgu blachy o wymaganych parametrach geometrycznych (grubości i szerokości) na rozwijak zewnętrzny 2 oraz rozwijak wewnętrzny 1. Na rozwijak 3 nawija się taśmę z tworzywa. Odwijana blacha z rozwijaka zewnętrznego 2 poprzez profilarkę sferoidalną 5 trafia do zespołu walców 7. W tym samym czasie odwijana blacha z rozwijaka wewnętrznego 2 za pośrednictwem zespołu naciągającego 4 i następnie profilarkę wzdłużną 6 trafia do zespołu walców 7. Pomiędzy wyprofilowane blachy umieszczana jest taśma z rozwijaka 3. Następnie w zespole walców 7 kształtuje się kształtownik. Następnie kształtownik trafia do zespołu tnącego 8. Automatyczna praca linii technologicznej wymaga stosowania zespołu tnącego 8 pracującego w trybie nadążnym. Oznacza to, że linia technologiczna pracuje ze stalą prędkością (przesuw kształtownika odbywa się ze stałą prędkością liniową i nie ma przestoju na cięcie), a cięcie odbywa się na przesuwającym kształtowniku. Takie rozwiązanie zwiększa w sposób istotny wydajność produkcji. Linia technologiczna posiada układ sterowania 9 pozwalający na pracę w trybie automatycznym i ręcznym. Pracując w trybie automatycznym jest on odpowiedzialny przede wszystkim za cięcie kształtownika na wymaganą długość, a także za sprawdzanie występowania blachy oraz wiele innych szczegółowych czynności istotnych ze względu na bezpieczeństwo obsługi i zabezpieczenie linii przed uszkodzeniem.

P r z y k ł a d 2

Badania przeprowadzono dla trzech rozwiązań konstrukcyjnych profili przedstawionych na fig. 1, w warunkach trzypunktowego zginania i obciążenia momentem skręcającym. Przyjęte do badań przekroje poprzeczne trzech rozwiązań konstrukcyjnych kątownika U35 wykonanego z:

a) jednej blachy ocynkowanej ze stali DX51D (oznaczenie U35 - 1)

b) dwóch blach ocynkowanych ze stali DX51D (oznaczenie U35 - 2, blacha: zewnętrzna g_z = 0,5 mm, wewnętrzna g_w = 1,2 mm),

PL 223 519 B1

c) dwóch blach ocynkowanych ze stali DX51D (oznaczenie U35 - 3. blacha: zewnętrzna g_z = 0,7 mm, wewnętrzna g_w = 0,5 mm).

Przeprowadzane badania wytrzymałościowe w warunkach obciążeń zginających i skręcających dostarczyły wyniki, które przedstawiono w Tabeli 1 poniżej.

T a b e l a 1

Lp.	Kształtownik	Obciążenie przy zginaniu dla f = 10/300	Obciążenie niszczące przy zginaniu	Sztywność giętna E-Jx	Sztywność skrętna G-Jo
N	N	N-m²	N-m²
1	U35 - 1 (g = 1,5 mm)	189,2	1530,4	296,7	23,4
2	U35 - 2 (gz = 0,5 mm, gw = 1,2 mm)	106.7	1203,3	167,4	19,3
3	U35 - 3 (gz = 0,7 mm, gw = 0,5 mm)	80,3	80,3	125,9	12,7

Istotnymi parametrami, ze względu na zastosowania praktyczne kształtowników, są wartości sztywności giętnej i skrętnej. Analiza wyników badań wskazuje, że najwyższą sztywnością charakteryzuje się kształtownik U35 - 1 wykonany z jednej blachy (tabela 1, kolumna 5 i 6). Posiada on istotnie większą wartość sztywności giętnej oraz zbliżoną wartość sztywności skrętnej do kształtownika ozn aczonego U35 - 2. Najniższe wartości parametrów sztywności uzyskano dla kształtownika U35 - 3, co przedstawiono w tabeli 1. Podsumowując wykonane badania można stwierdzić, że wykonanie kształtowników U35 - 2 i U35 - 3 z blachy gładkiej nie przyniosło poprawy sztywności giętnej i skrętnej w stosunku do wartości uzyskanych dla kształtownika U35 - 1.

P rz yk ł a d 3

Wytrzymałość kształtownika

W celu oceny wytrzymałości kształtownika wg wynalazku przeprowadzono obliczenia z zastosowaniem metody elementów skończonych. Obliczeniom poddano dwa typy kształtowników: U35 - 1 (fig. 2) i kształtownik wytworzony sposobem według niniejszego wynalazku (fig. 7), którego przekrój poprzeczny znajduje się na fig. 6.

W obliczeniach numerycznych wykorzystano dwa parametry opisujące materiał tj. moduł Younga E = 210 000 MPa oraz współ. Poissona v = 0,3. Zarówno jeden, jak i drugi koniec kształtownika, utwierdzono. Do podpartej belki przyłożono obciążenie w postaci siły skupionej F charakteryzującej się stałym kierunkiem działania i zwrotem. Wartość przyłożonego obciążenia była jednakowa dla an alizowanych kształtowników. Schemat obciążenia przedstawiono na rysunku na fig. 8. Badania przeprowadzono dla dwóch kształtowników. Ich modele bryłowe przedstawiono na fig. 3 (dla kształtownika U35 - 1) oraz fig. 9 (dla kształtownika wytworzonego sposobem według niniejszego wynalazku). Modele bryłowe podzielono na elementy skończone stosując cztero-węzłowe elementy typu TET oraz ośmio-węzłowe elementy typu HEX (fig. 3 i 9). Przeprowadzone obliczenia pozwoliły na wyznaczenie maksymalnych wartości naprężeń oraz przemieszczeń belek wykonanych z badanych kształtowników. Szczegółowe wyniki zamieszczono w tabeli 2, a mapy naprężeń i przemieszczeń na fig. 4 dla kształtownika ze stanu techniki oraz fig. 10 dla kształtownika wytworzonego sposobem według niniejszego wynalazku.

T a b e l a 2

	Kształtownik U35-1	Kształtownik wytworzony sposobem według niniejszego wynalazku
Naprężenia w MPa	32,6	34,2
Przemieszczenia w mm	9,5	4,8

W przypadku obciążeń siłą skupioną, jaką zastosowano podczas obliczeń numerycznych, większe lokalne wartości naprężeń uzyskano dla kształtownika wytworzonego sposobem według niniejszego wynalazku, co jest skutkiem zmniejszania przekroju poprzecznego kształtownika (grubości blach).

PL 223 519 B1

Porównując wyniki maksymalnych wartości przemieszczeń oraz mapy rozkładu wymienionego parametru (fig. 4 i 10) należy stwierdzić, że kształtownik wytworzony sposobem według niniejszego wynalazku posiada korzystniejsze cechy użytkowe mające decydujący wpływ na sztywność profili okiennych. Zastosowanie kształtownika wytworzonego sposobem według niniejszego wynalazku pozwoliło na zmniejszenie przemieszczenia o około 50%. Należy zaznaczyć, że podczas obliczeń numeryc znych nie uwzględniono zjawiska umacniania się materiału, co ma miejsce podczas obróbki walcowania na zimno. Uwzględnienie wymienionego zjawiska zapewne wpłynęłoby na uzyskanie bardziej korzystnych wyników.

Przykład 4

Przenikalność cieplna kształtownika według wynalazku.

T a b e l a 3

Wyniki badań przenikalności cieplnej dla okien z zastosowaniem profilu trzy komorowego, wzmocnień okiennych standardowych i wzmocnień okiennych z zastosowaniem kształtownika wytworzonego sposobem według niniejszego wynalazku

	Kształtownik U35-1 standard	Kształtownik wytworzony sposobem według wynalazku
Przenikalność cieplna [W/(m-kj]	195	119

Zastrzeżenie patentowe

Claims

Sposób wytwarzania cienkościennych kształtowników z powierzchniowym odkształceniem, w którym kształtownik profiluje się w sposób ciągły między rotacyjnymi narzędziami kształtującymi, przy czym blacha jest poddawana obróbce wstępnej, znamienny tym, że obejmuje następujące etapy:

a) odwija się blachę profilu zewnętrznego o grubości mniejszej od grubości blachy profilu wewnętrznego, korzystnie o grubości 0,5 mm, z rozwijaka zewnętrznego (2) i przekazuje na profilarkę sferoidalną (5) do wykonania sferoidalnych przetłoczeń blachy,

b) odwija się blachę profilu wewnętrznego, korzystnie o grubości 0,7 mm, z rozwijaka wewnętrznego (1) i przekazuje na profilarkę wzdłużną (6) za pośrednictwem zespołu napinającego (4) do wykonania wzdłużnych przetłoczeń blachy,

c) odwija się taśmy z tworzywa z rozwijaka (3) i umieszcza się ją pomiędzy blachą opuszczającą profilarkę wzdłużną (6) z etapu b) i blachę opuszczającą profilarkę sferoidalną (5) z etapu a),

d) kształtuje się kształtownik w zespole walców (7) z materiału opuszczającego etap c), składającego się z blachy profilu zewnętrznego i blachy profilu wewnętrznego oraz umieszczonej pomiędzy nimi taśmy z rozwijaka (3),

e) tnie się nadążnie kształtownik opuszczający zespół walców (7) z etapu d).