АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СТЕРЖНЕВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

ANALYSIS OF EXISTING METAL PROCESSING TECHNOLOGIES USED IN MANUFACTURING SPATIAL ROD METAL STRUCTURES

Пространственные металлические конструкции в основном применяются в промышленных и общественных зданиях [1-5]. Это связано с необходимостью перекрытия больших пролетов, а также для придания зданиям и сооружениям архитектурной выразительности или выполнения каркасов сложных форм. Пространственные конструкции чаще используются в качестве покрытий зданий и сооружений, но не только [6-8]. Известно множество примеров реализации зданий и сооружений с единым пространственным каркасом, в котором и колонны, и стены, и покрытие являются пространственными металлическими конструкциями. Ярким примером таких сооружений, выполненных с легкими решетчатыми металлическими каркасами, являются мобильные сборно-разборные сооружения сцен, трибун, рамп, трамплинов, стартовых арок, каркасов аттракционов и прочее, используемых при проведении массовых зрелищных мероприятий [9-13].

Изготовление пространственных металлических конструкций требует повышенной точности выполнения технологических операций. Это связано с тем, что, как правило, в пространственных каркасах необходимо выполнять взаимную увязку и стыковку в соединениях множества элементов друг с другом. Даже малые отклонения геометрических параметров отдельных элементов могут привести к накоплению погрешности и, как следствие, невозможности соединения отдельных элементов в единую конструкцию [14]. При изготовлении пространственных металлических конструкций (далее ПМК) предъявляются повышенные требования к точности изготовления, качеству обработки, прочности узловых соединений, качеству сварки и прочее. Удовлетворить высоким требованиям ПМК изготовления могут заводы металлических конструкций, обладающие современными технологиями обработки металлов. Известно, что качество технологии обработки металла напрямую зависит от возможностей технологического оборудования [15, 16].

Современные заводы металлических конструкций используют различные альтернативные технологии обработки металла при изготовлении ПМК. Например, для резки металла могут быть использованы гильотинные ножницы или плазменный резак, или кислородный резак, или лазерная установка, или различного рода пилы. Каждая из перечисленных технологий резки может быть описана через качественные и количественные показатели, характеризующие ее эффективность. Анализируя особенности каждой технологической операции, применяемой при изготовлении ПМК, можно выделить наиболее эффективную их совокупность и предложить технологию изготовления ПМК наиболее выгодную по какому-либо критерию, например, стоимости, трудоемкости или скорости изготовления и т.д. Поэтому изучение и обобщение информации о существующих технологиях обработки металла при изготовлении металлических конструкций является актуальной задачей. Далее в статье представлены результаты литературного обзора относительно технологий обработки металла и проведены качественные сравнения известных альтернативных технологий.

В пространственных стержневых металлических конструкциях можно выделить «основные элементы» – стержни и «вспомогательные элементы» – узловые коннекторы. Строго говоря, в пространственно-стержневых конструкциях узловой коннектор в виде отдельного элемента может отсутствовать, например, принадлежать одному из стрежневых элементов. Однако и в этом случае мы можем говорить об узловом коннекторе как об условно отдельном элементе в силу необходимости выполнения технологических операций по его изготовлению. Учитывая сказанное, дальнейшие наши рассуждения мы будим строить на примере конструкции состоящей из отдельных стержней и отдельных коннекторов, например система МАРХИ. Конструкция с коннекторами, принадлежащими каким-либо стержням будет лишь частным случаями для выбранного объекта исследования, поскольку будет повторять все требуемые технологические операции при конструкции в целом.

При изготовлении стержневых металлических конструкций вообще и пространственных в том числе требуется выполнить множество операций по обработке фасонного и листового металла. Рассматривая заводское механизированное изготовление, можно утверждать, что при изготовлении металлоконструкций выполняются подготовительные, основные и вспомогательные технологические операции.

Последовательность операций изготовления стрежневых металлических конструкций в общем виде можно представить следующим образом:

  1. Процесс подготовки исходного материала включает в себя следующие операции: правку, очистку и консервацию.

1.1. Правка – процесс, позволяющий устранить недостатки и дефекты металлической заготовки. В промышленных масштабах используют механический способ на правильных машинах (вальцах и прессах) различной мощности и конфигурации. Правку металла производят различными способами в зависимости от характера сечения, его размеров, вида и марки металла. Наиболее широко применяют три способа правки: правку изгибом в холодном состоянии, правку растяжением (также в холодном состоянии) и нагрев отдельных участков металла пламенем газовых горелок. Сравнение технологий правки представлено в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение способов правки металла на станках

Сравниваемый показатель

Способ обработки

Правка изгибов
в холодном состоянии (валки и пресс)

Правка растяжением
в холодном состоянии (растяжная машина)

Правка нагреванием (газовая горелка)

Разница
технологий

В волокнах выпрямляемого сечения сначала возникают упругие деформации, затем возникают необратимые пластические напряжения, знак которых в ходе движения листа многократно меняется.

В сечении выправляемого профиля, подверженного центральному растяжению, создаются пластические необратимые деформации.

В волокнах сечения выпрямляемого профиля возникают местные пластические деформации, вызванные локализованным нагревом металл.

Преимущества

1. Вид правки не влияет на структуру металла и не изменяет механических свойств;
2. Возможность правки различного вида проката.

1. Вид правки не влияет на структуру металла и не изменяет механических свойств;
2. Высокая эффективность правки тонкого листового проката.

1. Возможность правки конструкций сложной формы;
2. Возможность правки конструкций из др. видов металла.

Недостатки

1. Снижение усталостной прочности и несущей способности детали;
2. Ограниченность применения по min/max толщине проката;
3. Высокая трудоемкость.

1. Правка только листового проката;
2. Возможны повреждения металла зажимами машины;
3. Недостаточная выпрямляемость листа в районах зажима.

1. Малопроизводитель-ный способ;
2. Требуется высококвалифициро-ванный исполнитель.

 

1.2. Очистка – процесс удаления окалины, коррозии и создания шероховатой поверхности, необходимой для улучшения адгезии. В качестве очистки исходного материала рассмотрим два наиболее технологичных способа обработки: дробеметный и дробеструйный. Качественное сравнение способов представлено в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение способов очистки металла

Сравниваемый показатель

Способ обработки

Дробеметный

Дробеструйный

Разница
технологий

Пневматический способ подачи дроби – поток абразивных частиц подается под действие высокого давления (сжатого воздуха).

Механический способ подачи
дроби – поток абразивных частиц подается под действием центробежной силы, развивающейся
  в быстровращающемся массивном роторе.

Преимущества

1. Низкий расход энергии;
2. Высокая степень автоматизации;
3. Высокое качество обработки изделий;
4. Отсутствует необходимость в присутствии оператора в рабочей камере;
5. Простота и легкость в обслуживании;
6. Высокий КПД.

1. Позволяет производить очистку в труднодоступных и глубоких полостях обрабатываемого материала, а также крупногабаритных металлоконструкций;
2.  Стоимость на оборудование значительно ниже дробеметной установки.

Недостатки

1. Не позволяет произвести очистку в труднодоступных глубоких полостях изделия;
2.  Имеет более высокую стоимость, чем дробеструйное оборудование.

1. Низкая автоматизация очистительных процессов;
2. Необходимость вмешательства оператора.

 

  1. Процесс основного изготовления металлических деталей включает в себя следующие операции: разметка, наметка, резка, строгание, фрезерование, образование отверстий, стыковка проката, сварка.

2.1 Разметка и наметка. Разметка является трудоемкой и ответственной операцией. Размету выполняют рабочие высокой квалификации. Наметка выполняется по изготовленным образцам и шаблонам. Трудоемкость операции наметка гораздо ниже чем у разметки. Требования к квалификации работника, выполняющего наметку не высоки. Сегодня все чаще благодаря использованию современного модернизированного оборудования с числовым программным управлением (далее-ЧПУ), появляется возможность отказаться от трудоемкой операции разметки, выполняя ее совместно с резкой металла по заданной программе. Качественное сравнение способов представлено в таблице 3.

 

Таблица 3. Сравнение способов разметки и наметки

Сравниваемый показатель

Способ обработки

Разметка

Наметка

Разница
технологий

Разметка листового проката – процесс вычерчивания на металле контура детали в натуральную величину с указанием мест гибов, центров отверстий и других элементов чертежа. 

Наметка листового проката – процесс вычерчивания на металле контура детали в натуральную величину с указанием мест гибов, центров отверстий и других элементов чертежа, выполняемый по шаблону.

Преимущества

1. Применение в единичном и мелкосерийном производстве.

1. Применение в серийном производстве и при повторяющемся изготовлении изделий.

Недостатки

1. Требуется высокая точность при вычерчивании контура детали;
2. Высокая трудоемкость.

1. Требуется изготовление шаблона.

 

2.2. Резка металла – технологический процесс, в результате которого происходит разделение сортового или листового металла на части и заготовки. Существует два основных метода резки металла: механический и термический. Сравнение способов представлено в табл. 4, 5.

 

Таблица 4. Сравнение механических методов резки металла

Сравниваемый показатель

Способ обработки

Гильотинная

Дисковые пилы

Ленточные пилы

Разница
технологий

Резка прямолинейных листовых деталей
с маркой стали С235, С245, С255

Резка фасонного проката, труб, гнутых профилей с толщиной стенок более 6 мм

Резки профилей и труб со стенкой толщиной менее 6 мм

Преимущества

1. Высокая производительность;
2. Ровная кромка,
не требует дополнительной обработки;

1. Качество, чистота поверхности и плоскостность торца при распиле соответствуют фрезерованию;

1. Средняя производительность;
2. Рез может проводиться под углом;

Недостатки

1. Имеются ограничения
по толщине и прочности стали, форме реза, сечению проката;
2. Ножницы и рабочая зона вокруг них занимают большую площадь, сложно механизировать процесс резки.

1. Низкая производительность;
2. Высокая стоимость пильных дисков.

1. Малый срок службы ленты.

 

 

Таблица 5. Сравнение термических методов резки металла

Сравниваемый показатель

Способ обработки

Кислородная резка

Лазерная резка

Плазменная резка

Разница
технологий

Кислородная резка – это термическая резка металла, выполняемая за счет сжигания металла в струе кислорода и выдувания продуктов горения (окислов-шлаков) из полости реза.

Лазерная резка – это термическая резка металла, выполняемая при помощи сфокусирован-ного лазерного луча, который нагревает материал до температуры плавления, одновременно струей газа убирая его.

Плазменная резка - это термическая резка метала электрической дугой, столб которой сжат с помощью сопла горелки, потока газа или внешним электромагнитным полем.

Преимущества

1. Низкая себестоимость;
2. Резка конструкций любой толщины и формы;
3. Наиболее популярный метод резки;
4. Возможность использования многорезаковых схем.

1. Высокая точность и скорость резки;
2. Отсутствие или минимальные отходы;
3. Возможность изготовления деталей любой сложности;
4. Отсутствие механических воздействий;
5. Высокое качество поверхности резаного края.

1. Высокая производительность;
2. Резка всех видов металла и их сплавов;
3. Отсутствие необходимости обработки кромок;
4. Низкая шероховатость поверхности реза;
5. Минимальный нагрев металла в области реза.

Недостатки

1. Низкое качество исполнения;
2.  Требуется дополнительная обработка (образование наплывов).

1. Высокая себестоимость;
2. Низкий КПД;
3. Ограниченный диапазон толщины листов.

1. Ограниченный диапазон толщины листов;
2. Средняя себестоимость;
3. Прорезь шире, чем при лазерной.

 

2.3. Строгание и фрезерование. Эти процессы взаимозаменяемы и направлены на удаление шероховатостей и неровностей с кромок, торцов и других поверхностей изделий. Строгание более трудоёмко, чем фрезерование, но стоимость резцов для строгания несколько ниже фрез. Еще одним преимуществом фрезерования является возможность выполнения сверления деталей по программе фрезерных станков с ЧПУ. Сравнение см. таблицу 6.

 

Таблица 6. Сравнение острожки и фрезерования металла

Сравниваемый показатель

Способ обработки

Острожка

Фрезерование

Разница
технологий

Процесс строгания основан на снятии стружки с помощью резца.

Процесс фрезерования основан на снятии стружки резцами фрезы.

Преимущества

1. Универсальность метода.

1. Высокая производительность;
2. Высокая точность.

Недостатки

1. Низкая производительность;
2. Малая точность.

1. Низкая скорость движения головки;
2. Необходимость в надежной фиксации заготовки;
3. Высокий радиус скругления углов.

 

2.4. Образование отверстий. Наибольшее распространение получили следующие способы образования отверстий: продавливание (пробивка), сверление и кислородная резка. Определение способа зависит от марки стали, толщины изделия, диаметра и расположения отверстия. Таким образом, продавливание - применяется для изделий из малоуглеродистых сталей толщиной до 25 мм, для низколегированных – до 20 мм, для высокопрочных – до 10 мм включительно; сверление - для изделий толщиной свыше 20-25 мм и диаметром отверстий до 30 мм, в деталях меньшей толщины сверление применяется при сложном расположении отверстий и при диаметрах отверстий, меньших толщины детали; кислородная резка - применяется для изделий с отверстиями диаметром более30 мм. Сравнение см. таблицу 7.

Таблица 7. Сравнение способов образования отверстий

Сравниваемый показатель

Способ обработки

Продавливание

Сверление

Кислородная резка

Разница
технологий

Продавливание – это образование отверстий за счет скалывания металла по периметру отверстия, производимого
при давления на деталь.

Сверление - образование снятием стружки отверстий в сплошном материале с помощью режущего инструмента – сверла, совершающего вращательное и поступательное движения относительно своей оси

Кислородная резка – это термическая резка металла, выполняемая за счет сжигания металла в струе кислорода и выдувания продуктов горения (окислов-шлаков) из полости реза.

Преимущества

1. Высокая технологичность;
2. Высокая скорость работы.

1. Высокий уровень качества готовых отверстий.

1. Низкая себестоимость;
2. Резка конструкций любой толщины и формы;
3. Наиболее популярный метод резки;
4. Возможность использования многорезаковых схем.

Недостатки

1. Поверхность стенок отверстий получается не цилиндрической, а конической, негладкой;
2. Обрабатываемый металл, прилегающий к стенке отверстия, получает значительный наклеп, а иногда здесь возникают и микроскопические трещины;
3. Отсутствие возможности использования для высокопрочных сталей.

1. Высокая трудоемкость операций;
2. Высокая стоимость сверл.

1. Низкое качество исполнения;
2.  Требуется дополнительная обработка (образование наплывов).

 

2.5. Сварка. При изготовлении современных металлических конструкций в строительстве объем сварных соединений оценивается порядка 85% от всех видов соединений [17]. Она обеспечивает надежное неразъемное соединение, точную подгонку и минимизирует отходы. Сварка листовых материалов проводится автоматической электродуговой сваркой, а профилей – полуавтоматической, реже ручной. Сравнение см. таблицу 8.

 

 

Таблица 8. Сравнение способов сварки металла

Сравниваемый показатель

Способ обработки

Автоматическая

полуавтоматическая

Ручная

Разница
технологий

Соединение металла происходит в полностью автоматизированном процессе. Автоматы самостоятельно зажигают сварочную дугу, регулируют ее параметры и гасят при необходимости, обеспечивают подачу флюса и проволоки, а также перемещают горелку вдоль шва.

Соединение металла происходит благодаря автоматически подающейся в зону сварки электродной проволоки с одновременной подачей в ту же зону защитного газа. Задача газа - это защита расплавленного и нагретого металлов от вредного воздействия окружающей среды.

Соединение металла производится за счет расплавления основного металла и электрода под воздействием высокой температуры электрической дуги, возникающей при создании потенциала между основным металлом и металлом электрода.

Преимущества

1. Минимальные потери металла
на разбрызгивание, испарение и окисление;
2. Высокая производительность;
3. Низкая трудоемкость;
4. Минимум дефектов;
5. Безопасность для рабочего;
6. Снижение энергозатратности.

1. Относительно небольшие деформации изделия
в результате высокой степени концентрации дуги;
2. Возможность сварки
во всех пространственных положениях;
3. Возможность сварки тонкого металла;
4. Возможность работы сварщика с более низкой квалификацией;
5. Высокое качество сварного шва;
6. Высокая оперативность работы.

1. Возможность сварки в любых пространственных положениях;
2. Возможность сварки в местах
с ограниченным доступом;
3. Простота, дешевизна и транспортабельность сварочного оборудования.

Недостатки

1. Низкая маневренность; 2. Отсутствие возможности визуального контроля и корректировки процесса сварки;
3. Высокая себестоимость.

1. Низкая мобильность;
2. Высокая себестоимость.

1. Низкий КПД;
2. Качество соединения зависит от квалификации сварщика;
3. Вредные условия процесса сварки.

 

  1. Вспомогательные процессы при изготовлении металлических деталей это: строповка, погрузка-разгрузка, маркировка, настройка оборудования и др.

Выводы:

  1. Использование пространственных металлических конструкций позволяет значительно экономить на материалах, снизить массу перекрытий, дает возможность охватывать большое пространство без применения промежуточных опор, значительно снижает затраты при изготовлении, упрощает процессы транспортировки и монтажа.
  2. Анализ современных способов обработки металла позволяет определить наиболее выгодную технологию изготовления пространственных металлических конструкций.

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.      Алпатов В.Ю. Анализ реакции распора двухскатного пространственного блока при изменении условий его опирания. // Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды. Тезисы докладов областной 58-й научно-технической конференции. Самара: СамГАСА. 2001. С. 307-308.

2.      Алпатов В.Ю., Вещин В.Ю. Изготовление и возведение пространственного покрытия типа структуры склада продукции ОАО "РЕСАЛ". // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика Материалы региональной 59-й научно-технической конференции. Самара: СамГАСА. 2002. С. 69-71.

3.      Алпатов В.Ю., Холопов И.С. Определение рациональной геометрии структурного покрытия зерносклада, выполненного в виде двухсетчатой оболочки. // Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте. Сборник научных трудов международной научно-технической конференции. Самара: СамГАСА. 2002. С. 193-198.

4.      Алпатов В.Ю., Холопов И.С., Соловьев А.В. Оптимальное проектирование структурного покрытия над бассейном в г.Самара // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Самара: СамГАСА. 2003. С. 197-198.

5.      Алпатов В.Ю., Холопов И.С., Соловьев А.В. Особенности проектирования пространственного покрытия здания часовни // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Самара: СамГАСА. 2003. С. 195-196.

6.      Алпатов В.Ю. Особенности оптимального проектирования структур из профилей ЛРСКТ // Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды. Тезисы докладов областной 57-й научно-технической конференции. Самара: СамГАСА. 2000. С. 318-319.

7.      Алпатов В.Ю., Холопов И.С., Соловьев А.В. Стальная надстройка здания с пространственным структурным покрытием // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Самара: СамГАСА. 2004. С. 278-279.

8.      Алпатов В.Ю., Петров С.М., Холопов И.С., Соловьев А.В Структурная конструкция покрытия из плоских ферм с неразрезными поясами и решеткой из гнуто-сварных профилей // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Самара: СамГАСА. 2005. С. 406-408.

9.      Холопов И.С., Зубков В.А., Шабанин В.В. и др. Легкие стальные конструкции системы "Тольятти". // Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды. Тезисы докладов областной 57-й научно-технической конференции. Самара: СамГАСА. 2005. 2000. С. 336-337.

10.  Алпатов В.Ю., Холопов И.С., Соловьев А.В. Стальная пирамида под светопрозрачное покрытие // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Самара: СамГАСА. 2004. С. 284-285.

11.  Алпатов В.Ю., Соловьев А.В., Холопов И.С., Мосесов М.Д. Исследования напряженно-деформированного состояния структурной конструкции рынка ("Пирамида") в г.Тольятти // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Самара: СамГАСА 2007. С. 475.

12.  Копытов М.М. Металлические конструкции каркасных зданий: учебное пособие  - М.: Издательство АСВ, Издательство ТГАСУ, 2016. - 400 с.

13.  Акимова М.И., Гусаров Г.А. Типология временных сооружений в современном городе (на примере города Новосибирска) // Вестник Евразийской науки, 2018 №2.

14.  Белый Г.И. Причины снижения надежности и приближенная оценка ресурса стальных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2.

15.  Кондратьева Н.М., Кондратюк А.А. Обработка металлов резанием на металлорежущих станках: учеб. пособие– Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та.- 2011. – 77 с.

16.  Килов А.С. Обработка материалов давлением в промышленности: учебное пособие. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003. – 266 с.

17.  Горев В.В. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций: Учеб. для строит. вузов/В.В. Горев, Б.Ю. Уваров, В.В. Филиппов и др.; Под ред. В.В. Горева. – 3-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2004. – 551 с.