Проектирование модульных металлических опалубок: Полное руководство

Введение в проектирование металлических опалубок

Проектирование металлических опалубок — это ключевой этап в промышленных и строительных проектах, требующий точности, опыта и глубоких технических знаний. Этот процесс представляет собой стратегическое принятие решений, основанное на требованиях заказчика, а окончательное решение передается через различные методы, такие как чертежи, прототипирование или создание макетов. Сегодня использование бетонных модульных металлических опалубок стало одним из самых популярных решений благодаря их гибкости, долговечности и возможности многократного использования в проектировании и строительстве. Такие опалубки не только снижают затраты, но и обеспечивают высокую точность при реализации сложных конструкций. В этой статье рассматриваются принципы проектирования металлических опалубок, этапы процесса и ключевые аспекты успеха.

Проектирование как процесс принятия решений

Проектирование — это форма принятия решений, основанная на требованиях, сформулированных заказчиком, а окончательное решение передается различными способами. Существует несколько методов объяснения проекта заказчику, включая прототипирование, создание чертежей с пояснениями, устное описание, изготовление макетов и другие.

Сегодня самый короткий, экономичный и точный способ передачи принятых решений в промышленности — это создание чертежей, которые служат международным языком в промышленных кругах. На чертежах можно легко обсудить и рассчитать предварительные данные для строительства. Этот подход минимизирует затраты и время, необходимые для создания устройства. Таким образом, очевидно, что успешный промышленный дизайнер должен обладать глубокими знаниями и навыками в области промышленного черчения.

Всем, кто работает в сфере проектирования бетонных модульных металлических опалубок или только начинает карьеру в этой области, рекомендуется сначала тщательно изучить промышленное черчение. Овладение этим навыком позволяет дизайнерам легко переносить свои идеи на бумагу в процессе проектирования.

Еще одно важное умение, которым должен обладать дизайнер, — это способность принимать обоснованные решения и выбирать подходящие механизмы и компоненты для различных ситуаций в проекте. Это возможно только благодаря исследованиям и изучению темы, опираясь на опыт и выводы соответствующих специалистов.

При проектировании режущих форм дизайнер должен полностью разбираться во всех компонентах, деталях, механизмах, методах изготовления, материалах и связанных с ними расчетах. Первым шагом в проектировании режущих форм является разработка раскроя ленты.

Этапы проектирования режущих форм

В современных методах проектирования бетонных модульных металлических опалубок этапы четко классифицированы для повышения качества и снижения затрат. Эти этапы основаны на точных расчетах и обширном опыте в изготовлении форм, что гарантирует идеальную инженерную конструкцию при их соблюдении. Этапы следующие:

Проектирование ленты

Первый шаг в проектировании режущей формы — это разработка ленты, которая отображает все операции, выполняемые от первой до последней станции. Этот раскрой ленты четко показывает процесс резки на разных станциях. Из этого пояснения следует, что наиболее важный этап проектирования формы — это разработка ленты. После завершения этого этапа можно точно предсказать время и затраты на изготовление формы. Учитывая, что 50–70% конечной стоимости деталей, произведенных режущими формами, приходится на сырье, а остальное — на производственные расходы (труд, отходы и т.д.), минимизация отходов при проектировании ленты крайне важна.

Допустимое перемещение отходов

Это значение напрямую связано с конечной формой и внешним контуром изготовленной детали. В общем, изготовленные детали можно разделить на четыре основные категории по их внешней форме, чтобы определить допустимый уровень отходов для разных лент:

• Категория первая: К этой категории относятся детали с изогнутым внешним контуром, где изгибы расходятся при рассмотрении с двух последовательных станций. В этом случае величина отходов (A) принимается равной 70% толщины листа.
  A = 7% × T
  Формы с расходящимися изгибами (Рисунок 7)
• Категория вторая: К этой категории относятся детали с параллельными и прямыми режущими кромками относительно друг друга и краев ленты. Здесь величина отходов (B) зависит от прямой длины (L) кромки детали и определяется по таблице 5. (Рисунок 8, Таблица 5)
  Формы с параллельными кромками (Рисунок 8)
  (Таблица 5) Отходы в зависимости от толщины листа

  Отходы	Прямая длина детали (L мм)
  T	0-60
  1¼ T	60-200
  1½ T	Более 200

• Категория третья: К этой категории относятся детали с параллельными кривыми при рассмотрении с двух последовательных станций. Величина отходов (C) напрямую зависит от длины кривой (L). (Рисунок 9, Таблица 6)
  (Таблица 6) Определение отходов в зависимости от толщины листа

  Длина кривой (L)	Отходы в зависимости от толщины листа
  0-60	T
  60-200	1¼ T
  Более 200	1⅓ T

• Категория четвертая: К этой категории относятся детали с острыми углами при рассмотрении с двух последовательных станций. В этом случае величина отходов принимается равной или больше 1¼ T. (Рисунок 10)
  C = 1¼ × T

Определение отходов для многорядных лент

Указанные значения в четырех категориях применимы только к однорядным лентам. Для многорядных лент допустимая величина отходов во всех формах и условиях принимается равной 1⅓ T.

Определение отходов для неметаллических материалов

Если материал неметаллический, величина отходов зависит от типа материала и определяется по таблице ниже. (Таблица 7)
(Таблица 7) Определение отходов для неметаллических материалов

Простаивающие станции

Когда количество режущих станций на ленте увеличивается, возрастает и число пуансонов и других компонентов формы. Иногда из-за близости станций резки установка пуансонов и других деталей становится невозможной. Чтобы избежать этой проблемы, повысить прочность ленты и обеспечить ее быстрое и плавное движение, обычно в подходящих местах предусматривается простаивающая станция. На таких станциях не выполняются операции с листом, что создает свободное пространство для установки пуансонов или других компонентов формы. (Рисунок 11)

Расположение деталей на ленте

В большинстве случаев для изготовления режущих деталей используются металлические ленты стандартной ширины. На этом этапе дизайнер должен умело расположить деталь внутри ленты так, чтобы минимизировать отходы. Как показано на рисунках ниже, детали могут взаимно переплетаться или располагаться в один или несколько рядов на ленте. Рисунок 12 иллюстрирует несколько примеров таких расположений. (Рисунок 12)

Этапы проектирования режущих форм

Пуансон

Пуансон — это одна из режущих кромок в форме, обычно применяющая необходимое давление для резки ленты. В зависимости от сечения реза он может иметь определенную геометрическую форму. Как правило, пуансоны являются частью верхних компонентов режущей формы, прикрепленных к верхнему башмаку. Для упрощения изготовления и повышения долговечности пуансонов следует учитывать следующие моменты при их проектировании:

Общая форма пуансонов

Ниже приведен пример режущего пуансона с пояснением его компонентов: (Рисунок 13)

• H: Этот уступ предназначен для контроля продольного движения пуансона и всегда проектируется с положительным допуском. Когда пуансон устанавливается в держатель, эта часть либо выступает, либо находится на одном уровне с основанием держателя.
• D: Этот диаметр предназначен для установки пуансона в держатель и должен быть запрессован (H7/n6).
• R: Известный как радиус скругления, этот размер уменьшает напряжение в острых углах.
• d: Этот диаметр определяет размер отверстия на ленте, а его точность зависит от зазора и точности размеров изготовленной детали.

Материал и твердость пуансонов

Материал пуансона должен быть твердой сталью, устойчивой к износу и ударам, чтобы минимизировать износ при интенсивном использовании. Рекомендуется сталь, которая после термообработки равномерно твердеет от поверхности до сердцевины и сохраняет свою исходную форму и размер. Сталь SPK — пример материала с такими характеристиками. Пуансоны после изготовления закаливаются до 55 по Роквеллу.

Длина пуансонов

По возможности длина пуансонов должна быть короткой, чтобы повысить их устойчивость к поломке.

Диаметр пуансонов

Если диаметр режущего сечения пуансона составляет 4 мм или меньше, пуансон обычно проектируется с двумя уступами (больший диаметр в 1,5 раза больше меньшего).

Стандартные пуансоны

Эти пуансоны изготавливаются инструментальными компаниями и предлагаются на рынке. Изготовленные из высококачественных материалов, они позволяют дизайнерам дополнительно снизить затраты и время на производство формы.

Сборка из частей (сухая сборка)

Пуансоны с сложными режущими сечениями требуют значительных навыков и техники для изготовления. Однако их можно собрать из нескольких частей, которые вместе образуют окончательную форму пуансона. Рисунок 14 показывает примеры таких пуансонов. (Рисунок 14)

Установка и замена пуансонов

Для надежной установки обычно используется плита-держатель пуансонов, в которую пуансоны размещаются в соответствии с их положением. Эта конструкция позволяет легко заменять отдельные пуансоны. Чтобы предотвратить вращение, пуансоны часто фиксируются в держателе штифтом. Для этой цели также могут использоваться винты или подпружиненные шарики. (Рисунок 15)

Угловое оформление головки пуансона

В большинстве режущих форм пуансон проектируется так, чтобы при резке его периметр равномерно контактировал с листом, прижимая его к матрице и отделяя заготовку. Сила, необходимая для этого реза, обеспечивается прессом. Если имеющийся пресс недостаточен, угловое оформление головки пуансона может снизить требуемую силу, изменяя контакт с полной поверхности на линейный. (Рисунок 16)
Величина среза (h) на пуансоне или матрице определяется на основе необходимой силы резки и тоннажа пресса, обычно не превышая толщину листа. Увеличение среза (h) уменьшает силу, необходимую для резки.

Как составлять чертежи формы

Чертежи формы, как и другие промышленные чертежи, создаются на основе международных стандартов черчения (DIN ISO). Процесс разработки следующий:

1. На основе внешней формы детали создается первоначальный эскиз на бумаге. После анализа и доработки механизмов получается полный сборочный чертеж формы, охватывающий все компоненты и аспекты.
2. На этом этапе всем частям формы — стандартным или нестандартным — присваиваются уникальные номера, что упрощает доступ к ним на последующих этапах проектирования и изготовления. Кроме того, материал каждой части определяется и указывается в таблице сборочного чертежа формы. Если стандартная деталь приобретается на рынке для интеграции в форму, ее стандартный номер (DIN или код компании) и общие размеры должны быть указаны в таблице сборочного чертежа.
3. Для изготовления или закупки частей формы необходимо подготовить отдельные чертежи — так называемые рабочие чертежи — для каждого компонента. Эти чертежи выполняются на стандартных листах A4 или других стандартных форматах и должны четко отображать все операции, необходимые для превращения сырья в окончательную часть формы.

Подготовка детализированных рабочих чертежей — один из важнейших этапов проектирования бетонных модульных металлических опалубок, поскольку они определяют границы, размеры и точность деталей. Эти чертежи должны включать полные измерения, а также данные о чистоте поверхности, материале, твердости, номере детали, общем размере, допусках формы и положения, посадках и других необходимых характеристиках. Допуски формы и положения, часто встречающиеся в рабочих чертежах, обеспечивают точность размеров в различных сечениях детали. Общее объяснение этих допусков приводится в следующем разделе.

Аннотация

Одним из значительных дефектов в процессе гибки является упругий возврат, возникающий после снятия силы гибки с листа. Оценка упругого возврата для его компенсации и производства точных деталей — важная задача в гибке. В этой статье рассматривается явление кромочной гибки стальных листов, включая изгибы с разрезами на линии сгиба, и анализируется влияние размеров отверстий (процент реза), радиуса пуансона и радиуса матрицы на упругий возврат стальных листов при кромочной гибке. Результаты показывают, что все указанные параметры влияют на упругий возврат, причем радиус матрицы оказывает наибольшее воздействие.

Ключевые слова: Упругий возврат – Перфорированный лист – Кромочная гибка – Радиус пуансона – Радиус матрицы

1- Введение

Наиболее простая и основная операция, выполняемая с металлическими листами, — это гибка. Этот процесс имеет дефекты, такие как разрывы, смятие, деформация сечения изгиба и упругий возврат, причем данное исследование сосредоточено на упругом возврате. Поскольку упругий возврат влияет на окончательную форму целевой детали, необходимо найти способ его компенсации. Один из подходов — это оценка упругого возврата и его учет при проектировании бетонных модульных металлических опалубок. В промышленности упругий возврат оценивается с использованием таблиц и формул из справочников, но эти данные имеют два основных недостатка: отсутствие формул или таблиц для перфорированных листов и неучет всех факторов, влияющих на упругий возврат в процессе гибки [1].

При кромочной гибке множество переменных влияет на упругий возврат. Влияние размеров матрицы изучали Kampus и Tekiner, которые анализировали факторы, влияющие на упругий возврат, и предложили зависимости и решения для его предсказания и уменьшения в формах для кромочной гибки [2]. Livatyali провел эксперименты по гибке, изучая влияние радиуса матрицы, зазора между пуансоном и матрицей, радиуса пуансона, силы прижима листа и типа материала на упругий возврат при кромочной гибке [3]. Bahloul и коллеги с использованием проектирования экспериментов и 3D-методов конечных элементов исследовали упругий возврат, выделяя радиус матрицы и зазор между пуансоном и матрицей как ключевые параметры, влияющие на окончательную форму детали после гибки, причем увеличение этих параметров приводило к росту упругого возврата и конечного угла [4]. Cho и коллеги численно изучали влияние радиуса пуансона, радиуса матрицы, зазора формы, трения, толщины листа и скорости на упругий возврат [5]. Kazan и коллеги с использованием методов конечных элементов (FEM) и нейронных сетей разработали зависимости для предсказания упругого возврата в формах для кромочной гибки [6].

Исследования показывают, что, хотя в области гибки листов проведено множество работ, кромочная гибка изучена недостаточно. Кроме того, в исследованных деталях для гибки обычно отсутствовали разрезы или отверстия на линии изгиба, хотя в промышленности встречаются детали с разрезами или перфорацией в месте изгиба, как показано на рисунке 1. Предыдущие исследования авторов на V-образных формах показали, что упругий возврат таких деталей отличается от деталей того же материала и размеров без разрезов или отверстий. Упругий возврат перфорированных или разрезанных листов отличается от значений в справочниках или стандартных формул, что требует отдельного анализа [7]. В этом исследовании с помощью проектирования и создания устройства изучено влияние толщины, радиуса пуансона, радиуса матрицы и размеров отверстий (процент реза) на упругий возврат стальных листов при кромочной гибке.

Скользящие формы

Сегодня для строительства высоких и протяженных конструкций, таких как силосы, телекоммуникационные башни, ядра сдвига высотных зданий, градирни, дымоходы, основания лестниц, полы туннелей, водные каналы, дорожные основания и подобные сооружения, которые ранее требовали тяжелых лесов, используется метод, называемый скользящими формами. Применение скользящих форм устраняет большую часть окружающих лесов, увеличивая скорость строительства и улучшая внешний вид работ. Этот подход, дополненный бетонными модульными металлическими опалубками, обеспечивает большую эффективность.

Вертикальные скользящие формы

Основной принцип выполнения вертикальных скользящих форм заключается в том, что форма поднимается на 1–1,5 метра через определенные интервалы времени. Во время подъема формы продолжаются заливка бетона и армирование, причем бетонная смесь постоянно заливается сверху в форму. По мере движения формы вверх затвердевший бетон остается внизу. Скорость движения формы регулируется так, чтобы бетон при выходе из формы мог выдерживать собственный вес и сохранять форму с достаточной прочностью. Вертикальную скользящую опалубку можно выполнять с непрерывным движением или запрограммировать на остановку на определенной высоте с последующим возобновлением. Обычно форма движется с равномерной скоростью.

Если скользящая форма останавливается, образуются швы, не отличающиеся от швов между этапами заливки бетона при строительстве с фиксированной опалубкой.

Скользящая форма движется вертикально с постоянной скоростью, обеспечивая пребывание каждого участка бетона в форме в течение времени, необходимого для начального схватывания. Этот метод используется для оболочечных конструкций с постоянной или почти постоянной толщиной стенки. Вертикальные скользящие формы поднимаются домкратами, работающими на гладких стержнях или конструкционных трубах, встроенных в затвердевший бетон. Эти домкраты могут быть ручными, пневматическими, электрическими или гидравлическими. Рабочие платформы и леса для отделочников прикреплены к опалубке и движутся вместе с ней.

Основные компоненты скользящей формы

• Стенки формы: Стенки формы должны быть достаточно прочными и устойчивыми. Они могут быть деревянными или металлическими. Металлические формы значительно тяжелее деревянных, но обладают большей прочностью и допускают больше циклов повторного использования. Ремонт или модификация металлических форм сложнее, чем деревянных, но их легче чистить, а поверхность бетона после снятия формы получается более гладкой.
  Форма делится на три части: хомуты, горизонтальные связи (пояса) и тело формы.
  Хомуты выполняют две основные функции: предотвращают раскрытие формы под боковым давлением бетона и передают нагрузку и давление на домкраты. Горизонтальные связи усиливают сопротивление изгибу тела формы и передают его нагрузку на хомуты.
• Ошейники: Эти ошейники поддерживают рабочую платформу, передают ее нагрузку и выдерживают вес формы и тросов домкрата. Обычно они металлические и выполнены в виде профилей, подходящих для конструкции.
• Рабочая платформа: Обычно предусматривается три уровня работ: один выше ошейников, примерно в двух метрах над концом стены, для установки фиксирующих металлических креплений; другой на уровне верха формы, для размещения контейнеров с бетоном, хранения материалов, инструментов для выравнивания и управления домкратами; и третий, подвесные или сплошные деревянные леса с обеих сторон стены, для доступа к недавно обнаженной поверхности бетона и ее возможного ремонта.
• Гидравлические домкраты: Используемые гидравлические домкраты обычно обозначаются по их грузоподъемности, например, трехтонные или шеститонные домкраты.

Опалубка бетонных стен методом скольжения

Одно из преимуществ этого метода опалубки, используемого для относительно высоких стен, — это возможность многократного использования формы и более высокая скорость выполнения. При первом использовании две стенки формы размещаются в обратном положении, опираясь на бетонный стартер. После заливки и затвердевания бетона внутренние секции формы поднимаются до уровня окончательной заливки, закрепляются, и заливается вторая часть стены. После затвердевания бетона форма снимается, и процесс повторяется как в первый раз. Этот цикл опалубки и заливки продолжается до завершения бетонных работ стены.

Опалубка бетонных конструкций

Скользящие формы

Сегодня для строительства высоких и протяженных конструкций, таких как силосы, телекоммуникационные башни, ядра сдвига высотных зданий, градирни, дымоходы, основания лестниц, полы туннелей, водные каналы, дорожные основания и подобные сооружения, которые ранее требовали тяжелых лесов, используется метод, называемый скользящими формами. Применение скользящих форм устраняет большую часть окружающих лесов, увеличивая скорость строительства и улучшая внешний вид работ.

Вертикальные скользящие формы

Основной принцип выполнения вертикальных скользящих форм заключается в том, что форма поднимается на 1–1,5 метра через определенные интервалы времени. Во время подъема формы продолжаются заливка бетона и армирование, причем бетонная смесь постоянно заливается сверху в форму. По мере движения формы вверх затвердевший бетон остается внизу. Скорость движения формы регулируется так, чтобы бетон при выходе из формы мог выдерживать собственный вес и сохранять форму с достаточной прочностью. Вертикальную скользящую опалубку можно выполнять с непрерывным движением или запрограммировать на остановку на определенной высоте с последующим возобновлением. Обычно форма движется с равномерной скоростью.

Если скользящая форма останавливается, образуются швы, не отличающиеся от швов между этапами заливки бетона при строительстве с фиксированной опалубкой.

Скользящая форма движется вертикально с постоянной скоростью, обеспечивая пребывание каждого участка бетона в форме в течение времени, необходимого для начального схватывания. Этот метод используется для оболочечных конструкций с постоянной или почти постоянной толщиной стенки. Вертикальные скользящие формы поднимаются домкратами, работающими на гладких стержнях или конструкционных трубах, встроенных в затвердевший бетон. Эти домкраты могут быть ручными, пневматическими, электрическими или гидравлическими. Рабочие платформы и леса для отделочников прикреплены к опалубке и движутся вместе с ней.

Основные компоненты скользящей формы

• Стенки формы: Стенки формы должны быть достаточно прочными и устойчивыми. Они могут быть деревянными или металлическими. Металлические формы значительно тяжелее деревянных, но обладают большей прочностью и допускают больше циклов повторного использования. Ремонт или модификация металлических форм сложнее, чем деревянных, но их легче чистить, а поверхность бетона после снятия формы получается более гладкой.
  Хомуты выполняют две основные функции: предотвращают раскрытие формы под боковым давлением бетона и передают нагрузку и давление на домкраты. Горизонтальные связи усиливают сопротивление изгибу тела формы и передают его нагрузку на хомуты.