Способ изготовления решётчатых конструкций и устройство для его реализации

005848 Область техники Изобретение относится к обработке металлов комбинированными способами, а именно к сварке с последующим пластическим деформированием, и может быть использовано для изготовления из пруткового материала или проволоки решеток различного назначения и ажурных решeтчатых столбов, которые могут быть использованы как в качестве арматуры для железобетона и других композиционных материалов (в том числе при изготовлении конструкций, применяемых в сейсмоопасных районах), так и в качестве самостоятельных несущих и декоративных элементов. Предшествующий уровень техники Известен способ изготовления декоративных решeток из металлических полос, заключающийся в нарезании и изгибе с заданным шагом полос, которые укладываются друг на друга с поочерeдным смещением в одну и другую стороны относительно предыдущей полосы, и соединении полос в местах контакта [см. заявку РФ 94012703, МПК В 23P 15/12]. Известен также способ изготовления проволочных сеток из низкоуглеродистого катаного проволочного материала, включающий операции подачи продольных и поперечных стержней и их сварку [см. патент РФ 664538, МПК B 21F 27/10]. Описанные выше способы низкотехнологичны и трудоемки. Полученная решетка занимает большие площади, что затрудняет складирование и транспортировку. Известен способ изготовления проволочных каркасов, применяемых в качестве арматуры для железобетонных столбов и труб, по которому спираль из проволоки (арматуры) навивается с заданным шагом вокруг продольных арматурных стержней [см. СНиП 2.03.01-84 Бетонные и железобетонные конструкции п.3.22, п.5.24]. Недостаток способа заключается в низкой технологичности, сильно затрудняющей его автоматизацию. Кроме того, данная конструкция решетчатого каркаса не позволяет использовать его в качестве самостоятельного конструктивного либо декоративного элемента. Способ не позволяет изготавливать плоские решетки и решетки с поверхностью двойной кривизны. Известен способ изготовления строительных элементов типа колонн, используемых при возведении каркасных зданий в сейсмически опасных районах, где продольная и поперечная спиральная арматура объединена в пространственный каркас, при этом продольная спиральная арматура укладывается на всю длину строительного элемента, а между ее витками укладывается поперечная спиральная арматура (см. патент РФ 2008411, МПК Е 04 С 3/34). Изготовленный по данному способу арматурный каркас предназначен для удержания осколков бетона в связанном состоянии при разрушении железобетонной конструкции в результате сейсмического или другого воздействия. Недостаток способа заключается в отсутствии упругой связи между спиральными элементами, что приводит к резкому снижению несущей способности конструкции при превышении допустимой деформации в результате сейсмического или иного воздействия, а также в низкой технологичности изготовления арматурного каркаса и невозможности применения проволочного каркаса такого типа в качестве самостоятельного конструктивного элемента. Известен способ изготовления арматурных каркасов для железобетонных колонн, включающий намотку арматурных спиралей с последующим их объединением поперечными связями - хомутами. При этом спирали навивают с заданным шагом с взаимно встречным направлением навивки, чтобы получить перекрещивание витков соседних спиралей. В результате получают решетчатую конструкцию с формой ячеек решетки, близкой к ромбической. Внутри спиралей располагают продольную арматуру, предназначенную для надежной фиксации спиралей в проектном положении (см. патент РФ 2059052, МПК Е 04 С 3/34). Недостаток способа заключается в низкой технологичности изготовления арматурного каркаса и невозможности применения проволочного каркаса такого типа в качестве самостоятельной конструкции. Каркасы такого типа, как правило, изготавливают непосредственно на стройплощадке для того, чтобы избежать складирования и транспортировки. Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления решетчатых конструкций, включающий параллельную укладку продольных прутков с небольшим шагом между ними, наложение в заданных местах поперечных прутков (проволок) и сварку всех точек пересечения с помощью контактной сварки с последующим разрезанием поперечных прутков в заданных точках. При этом такими разрезами соединенных элементов формируют соответствующий рисунок решетчатой конструкции. Полученная в результате конструкция облегчает задачи складирования и транспортировки, а на месте установки решетку растягивают до нужного размера. При этом ячейки принимают новую форму (патент US1358101, МПК В 23 Р 15/12). Недостатком способа является необходимость наложения, приваривания и разрезания в заданных точках поперечных прутков, что значительно усложняет технологию изготовления конструкции и затрудняет его автоматизацию. Контактная сварка перекрещивающихся прутков критична к качеству свариваемых поверхностей и приводит к ослаблению прутка в зоне сварки, к которому особенно чувствительны растяжимые конструкции из толстых прутков и конструкции, предполагающие высокий коэффициент растяжения. Кроме того, наличие поперечных соединительных элементов значительно снижает-1 005848 эстетичность сварной конструкции. Способ не позволяет изготавливать конструкции более сложной формы, например решетчатые столбы и конструкции с поверхностью двойной кривизны. Известна автоматическая линия для изготовления решеток, содержащая средство для подачи проволоки, устройство для изготовления каркаса решетки, состоящее из механизма для гибки проволоки,средство для ее сварки, устройство для снятия грата и средство для подачи каркаса решеток, устройство для раскладки поперечных проволок, механизм для подачи каркаса с поперечными проволоками, сварочное устройство, гибочное устройство с отрезным механизмом, устройство для укладки решеток и лоток для готовых решеток (патент RU 2062676 B 21F 27/10). Известно также устройство для изготовления сеток, которое содержит смонтированные на станине сварочный механизм с электродами и механизм шагового перемещения сеток. Последний выполнен в виде установленной на станине с возможностью возвратно-поступательного перемещения, перпендикулярно оси подачи поперечных стержней балки с зацепами и толкателями (патент RU 2020017 B 21F 27/10). Однако данные станки не предназначены для изготовления растягиваемых решетчатых конструкций, состоящих из плотно уложенных элементов без поперечных связующих элементов. Данные станки не позволяют регулировать размер сварных швов. Все станки для сварки решеток имеют, как правило,бункера-накопители прутков либо бобины с бунтами проволоки по количеству элементов основы готовой решетки и дополнительный накопитель поперечных прутков или бобину, а также правильноотрезное устройство поперечного элемента - утка. В результате чего требуются значительные производственные площади для размещения необходимого количества бобин или бункеров-накопителей; уменьшается производительность станка из-за увеличения вспомогательного времени на трудоемкую поочередную (не одновременную) замену бобин; повышается выход брака из-за большого хода каретки, равного шагу перемещения на ячейку решетки, так как при непроваре одного или нескольких пересекающихся элементов, а также задержке или окончании подачи каких-либо из элементов основы полотно решетки деформируется и выбраковывается. Устройства для производства столбчатых каркасов (в основном, для производства железобетонных изделий) содержат элементы формовки спиралей с заданным шагом, а также механизмы подачи, укладки и пошагового перемещения продольных несущих соединяющих (армирующих) элементов с последующей сваркой с отформованной спиралью в местах пересечения (см. патент РФ 2008411, МПК Е 04 С 3/34; патент РФ 2059052, МПК Е 04 С 3/34). Ввиду того, что производимые изделия имеют объемно-пространственную форму, станок занимает большой объем и имеет очень сложную конструкцию. Раскрытие изобретения В основу настоящего изобретения положена задача создания высокотехнологичного способа для изготовления решетчатых конструкций и устройства для его осуществления, обеспечивающих увеличение производительности при улучшении качества изготавливаемых конструкций за счет улучшения эстетических и повышения прочностных характеристик конструкции путем использования шовной сварки по оригинальной схеме. С помощью заявленного изобретения возможно изготовление как плоских, так и объемных решетчатых конструкций. Решение поставленной задачи решается за счет способа и устройства, исключающих применение поперечных связующих элементов. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления решетчатых конструкций, включающем формирование заготовки из элементов, их сварку и последующее растяжение с требуемым коэффициентом растяжения, согласно изобретению элементы укладывают вплотную друг к другу, осуществляют шовную сварку, например дуговую в защитной атмосфере, швами заданной протяженности локально в заданных точках, определяющих характер рисунка решетки и прочность соединения элементов. Целесообразно формировать плоскую заготовку из предварительно выправленных и нарезанных прутков путем их параллельной укладки. Возможно до растягивания сваренную заготовку изгибать в направлении, перпендикулярном уложенным пруткам, например вальцовкой, для получения поверхности двойной кривизны, а после растягивания плотно изгибать для придания заданной формы. Возможен вариант исполнения объемной заготовки из кольцеобразных элементов: витков спирали или набора замкнутых проволочных колец, при этом растяжение производить в осевом направлении. Для получения фасонных конструкций кольцеобразные элементы можно выполнять с переменным диаметром. Для расширения гаммы получаемой формы решетки возможно при растяжении сваренной заготовки использовать ограничители коэффициента растяжения на требуемых участках. В устройстве для изготовления решетчатых конструкций, включающем станину, механизмы подачи и перемещения элементов, блок сварки со сварочными головками, блок управления, согласно изобретению механизмы подачи и перемещения элементов выполнены с возможностью укладки заготовок вплотную параллельно друг к другу, а блок сварки содержит рампу подвода защитного газа. Механизм перемещения выполнен с возможностью одновременного перемещения сваренного полотна на шаг, равный диаметру элемента, сварочные головки блока сварки закреплены на траверсе с возможностью перемещения по ней, при этом блок сварки снабжен общим управляющим приводным валом,-2 005848 имеющим пазы для подачи сварочной проволоки, каждая сварочная головка снабжена прижимными роликами с электромагнитным управлением. Приводной вал выполнен со сменными втулками. Механизм подачи совмещен с механизмом перемещения в единый блок и выполнен в виде вальцующих роликов с возможностью их взаимного перемещения, определяющего радиус кривизны кольцевого элемента. Устройство дополнительно содержит ложемент-подложку из цветного металла. Краткое описание чертежей В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых фиг. 1 - одна из возможных схем сварки плоской заготовки; фиг. 2 - один из вариантов растягивания плоской заготовки в решетчатую конструкцию; фиг. 3 - пример плоской заготовки (сваренного полотна) после формовки на вальцах; фиг. 4 - пример решетки с поверхностью двойной кривизны после растяжения отформованной на вальцах заготовки; фиг. 5 - вид сбоку объемной заготовки из спиральных элементов для решетчатого ажурного столба; фиг. 6 - вид сверху сваренной объемной заготовки из спиральных элементов для решетчатого ажурного столба; фиг. 7 и 8 - фрагменты готовых решетчатых конструкций - столбов, получаемых при различных коэффициентах растяжения; фиг. 9 - зависимость усилия F, необходимого для растяжения цилиндрического столба от коэффициента растяжения k; фиг. 10 - пример заготовки из витков спирали с переменным диаметром для получения ажурного решетчатого столба конической формы; фиг. 11 - примеры ажурных сварных столбов с фигурной образующей; фиг. 12 - общий вид устройства для изготовления плоских заготовок решетчатых конструкций; фиг. 13 - схема рабочей части устройства для изготовления плоских заготовок; фиг. 14 - схема рабочей части устройства для изготовления объемных заготовок решетчатых конструкций; фиг. 15 - примеры готовых конструкций, где 1 - элементы заготовки (прутки); 2 - сварные швы; 3 - приспособления для растяжения решетки; 4 - схема приложения сил при растяжении конструкции; 5 - элементы заготовки (витки проволочной спирали); 6 - станина; 7 - механизм подачи (а также правки и резки) проволоки в исходную зону; 8 - механизм пошагового перемещения (например, грейферный); 9 - траверса; 10 - сварочные головки; 11 - управляемый приводной вал; 12 - прижимные ролики; 13 - рампа подвода защитного газа; 14 - источник сварочного тока; 15 - блок управления; 16 - исходная зона; 17 - рабочая зона; 18 - зона сварки в рабочей зоне; 19 - ложемент (подложка); 20 - зона сваренного полотна; 21 - бобина (бухта) со сварочной проволокой; 22 - вальцующие ролики; 23 - направляющие;D - поперечный размер (диаметр) проволочных элементов решетки; Н - шаг сварки вдоль длины прутка;L - ширина ячеек растянутой решетчатой конструкции;F - сила, необходимая для растяжения заготовки;k - коэффициент растяжения, равный L/2D. Лучший вариант осуществления изобретения Для изготовления решетчатых конструкций формируют заготовки из элементов, в качестве которых могут выступать прутки 1, предварительно нарезанные либо разматываемые из бухты, витки спирали 5 либо замкнутые кольца. Элементы укладывают параллельно вплотную друг к другу и сваривают между-3 005848 собой дуговой сваркой прерывистыми швами 2 заданной протяженности локально в заданных точках,например автоматической дуговой сваркой в защитной атмосфере (например, в среде углекислого газа),чтобы сформировать ячейки решетки требуемых формы и размера. Наиболее технологичное соединение элементов решетчатых конструкций достигается сваркой нижним швом в лодочку. Сварные швы имеют регулярный характер, в простейшем случае такой, как показано на фиг. 1, 5, причем H/D=10-50. На следующей операции, показанной на фиг. 2, 5, крайние элементы заготовки растягивают в противоположных направлениях с помощью приспособлений для растяжения решетки 3, в качестве которых можно использовать домкрат, лебедку и т.п. При этом прутки растягивают (фиг. 2) в поперечном по отношению к ним направлении, а спирали, кольца (фиг. 5) - в осевом направлении. Все входящие в решетчатую конструкцию элементы деформируются в равной степени, образуя ячейки, форма которых зависит как от отношения H/D, так и от отношения L/D, причем L/D=10-40. При изготовлении объемных решетчатых конструкций, например столбов, заготовку формируют из витков спирали, которые располагают вплотную друг к другу. При этом возможны как цилиндрическая форма заготовки (фиг. 5), так и коническая форма (фиг. 6), либо любая другая фигурная форма образующей заготовки, включая спираль Архимеда. Единственным ограничением на форму образующей заготовки, состоящей из витков переменного диаметра, является необходимость располагать соседние витки вплотную друг к другу. При сварке элементов следует уделять внимание согласованности размеров ячеек при переходе на следующий виток, особенно при изготовлении столбов с фигурной образующей. В результате получается заготовка, удобная для хранения и транспортировки. При растяжении столба с фигурной образующей (фиг. 10, 11) различные участки столба имеют различную жесткость, в связи с чем для получения требуемой геометрической формы столба и заданного рисунка составляющей его решетки необходимо ограничивать коэффициент растяжения участков с пониженной жесткостью. Для этого при растяжении в требуемых местах устанавливаются жесткие либо упругие вспомогательные элементы (например, крючки, захваты, тросовые связки), ограничивающие коэффициент растяжения требуемых участков фигурного столба. Указанные съемные вспомогательные элементы необходимы только для формирования геометрии столба во время его растяжения и не являются частью самого ажурного решетчатого столба. Устройство для изготовления плоских заготовок решетчатых конструкций на фиг. 12 содержит установленный на станине 6 механизм подачи проволоки 7 (для случая применения предварительно выправленных нарезанных прутков). Устройство может быть дополнительно снабжено механизмом правки и резки в случае подачи проволоки из бухты. На станине также размещен механизм пошагового перемещения 8 (например, грейферный), траверса 9, на которой закреплены сварочные головки 10, выполненные с возможностью перемещения по траверсе. Сварочные головки 10 имеют общий управляемый приводной вал 11. Для подачи сварочной проволоки на валу могут быть выполнены кольцевые проточки,либо вал может быть снабжен сменными втулками с направляющими пазами. Траверса 9 снабжена прижимными роликами 12 с электромагнитным управлением. Устройство имеет рампу 13 подвода защитного газа в рабочую зону сварки. Сварочные головки подключены к источнику сварочного тока 14. При этом все механизмы устройства соединены с блоком управления 15. Нарезанные прутки проволоки с помощью механизма подачи 7 подаются в исходную зону 16, после чего с помощью грейферного механизма 8 пруток подают в рабочую зону 17. В зависимости от желаемой формы ячеек решетки, прутки с помощью сварочных головок 10 сваривают шовной сваркой локально в заданных точках, определяющих характер рисунка и прочность соединения. Одновременно с процессом сварки осуществляют подачу следующего прутка в исходную зону 16. По окончании сварки механизмом 8 осуществляют перемещение поданного прутка в рабочую зону 17 и одновременное перемещение сваренного полотна на шаг, равный диаметру проволоки. Прижимные ролики 12 осуществляют прижим сварочной проволоки к приводному валу 11, обеспечивающему подачу сварочной проволоки в зону сварки 18. С помощью рампы 13 подают защитный газ в зону сварки. Блок управления 15 рассчитывает расположение сварных точек в полотне в соответствии с требуемым рисунком решетки и вычисляет рекомендуемый (номинальный) коэффициент растяжения конструкции; осуществляет управление всеми механизмами станка; осуществляет контроль качества сварки с возможностью исправления дефектов сварки. Изготовление решетчатых конструкций из продольных, сваренных между собой элементов упрощает технологию и повышает производительность автоматизированного изготовления конструкций. Сварка параллельно уложенных элементов в лодочку обеспечивает качественное соединение элементов конструкции. При изготовлении конструкций больших размеров возможность растяжения сваренных заготовок на месте монтажа конструкций позволяет облегчить их складирование и транспортировку. К преимуществам данного устройства следует отнести отсутствие отрезных ножей готового полотна, так как отделение полотен осуществляется на участке любой длины с шаговым перемещением механизма 8 без включения сварочных головок.-4 005848 Устройство для изготовления объемных заготовок решетчатых конструкций (фиг. 14) содержит станину 6, сварочную головку 10, вальцующие ролики 22, направляющие 23 для схода сваренной заготовки. Устройство для изготовления объемных заготовок решетчатых конструкций (фиг. 14) работает следующим образом. Проволока подается в вальцующие ролики 22, имеющие возможность взаимного перемещения, задающего необходимый радиус кривизны кольцевых элементов заготовки, формируется в кольцевую спираль. Одновременно с перемещением проволоки осуществляется локальная сварка соседних кольцевых элементов в заданных точках. При изготовлении объемных заготовок решетчатых конструкций из набора колец устройство дополнительно содержит механизм отрезки и формовки кольцевого элемента. Предлагаемые устройства позволяют получать продукцию в свернутом виде, что уменьшает требуемые производственные площади, облегчает их складирование, транспортировку и позволяет необратимо разворачивать конструкцию на месте без предварительной выверки размеров. Промышленная применимость Таким образом, изобретение позволяет с минимальными расходами материалов получать прочные и соответствующие требованиям эстетики конструкции широкого применения как из плоских заготовок решеток для ограждения, так и из объемных - столбов - для армирования железобетонных конструкций в сейсмически опасных районах, а также в качестве энергопоглощающего ограждения автострад, значительно повышающего безопасность движения. Высокая степень эстетичности получаемых объемных конструкций значительно расширяет область их применения и превращает их в самостоятельный конструктивный, несущий (и/или декоративный) элемент, который может быть использован при создании малых архитектурных форм. Устройство позволяет расширить ассортимент изготавливаемых изделий без переналадки и изменения его конструкции. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ изготовления решетчатых конструкций, включающий формирование заготовки из элементов, их сварку и последующее растяжение с требуемым коэффициентом растяжения, отличающийся тем, что элементы укладывают вплотную друг к другу, осуществляют дуговую сварку в защитной атмосфере швами заданной протяженности локально в заданных точках, определяющих характер рисунка решетки и прочность соединения элементов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют плоскую заготовку из предварительно выправленных прутков путем их параллельной укладки. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что до растягивания сваренную заготовку изгибают в направлении, перпендикулярном уложенным пруткам, например, вальцовкой для получения поверхности двойной кривизны, а после растягивания плотно изгибают для придания заданной формы. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют объемную заготовку из кольцеобразных элементов, а растяжение производят в осевом направлении. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что заготовку формируют из витков спирали. 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что заготовку формируют из набора замкнутых проволочных колец. 7. Способ по п.4, отличающийся тем, что кольцеобразные элементы выполнены с переменным диаметром. 8. Способ по пп.1-6, отличающийся тем, что при растяжении сваренной заготовки используют ограничители коэффициента растяжения на требуемых участках. 9. Устройство для изготовления решетчатых конструкций, включающее станину, механизмы подачи и перемещения элементов, блок сварки, включающий сварочные головки, блок управления, отличающееся тем, что механизмы подачи и перемещения элементов выполнены с возможностью укладки заготовок вплотную параллельно друг к другу, а блок сварки содержит рампу подвода защитного газа. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что механизм перемещения выполнен с возможностью одновременного перемещения сваренного полотна на шаг, равный диаметру элемента, сварочные головки блока сварки закреплены на траверсе с возможностью перемещения по ней, при этом блок сварки снабжен общим управляющим приводным валом для подачи сварочной проволоки, каждая сварочная головка снабжена прижимными роликами с электромагнитным управлением. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что приводной вал выполнен со сменными втулками. 12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что механизм подачи совмещен с механизмом перемещения в единый блок и выполнен в виде вальцующих роликов с возможностью их взаимного перемещения, определяющего радиус кривизны кольцевого элемента. 13. Устройство по пп.9-12, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит ложементподложку из цветного металла.