EP0504219B1 - Stahldraht zur verstärkung des einbettungsmaterials, insbesondere beton, sowie das verfahren zur herstellung des stahldrahts - Google Patents
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- EP0504219B1 EP0504219B1 EP91900314A EP91900314A EP0504219B1 EP 0504219 B1 EP0504219 B1 EP 0504219B1 EP 91900314 A EP91900314 A EP 91900314A EP 91900314 A EP91900314 A EP 91900314A EP 0504219 B1 EP0504219 B1 EP 0504219B1
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- steel wire
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B21C37/00—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
- B21C37/04—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of bars or wire
- B21C37/045—Manufacture of wire or bars with particular section or properties
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- E04—BUILDING
- E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
- E04C5/00—Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
- E04C5/01—Reinforcing elements of metal, e.g. with non-structural coatings
- E04C5/02—Reinforcing elements of metal, e.g. with non-structural coatings of low bending resistance
- E04C5/03—Reinforcing elements of metal, e.g. with non-structural coatings of low bending resistance with indentations, projections, ribs, or the like, for augmenting the adherence to the concrete
Definitions
- the invention relates to a steel wire for reinforcing an embedding material, in particular for reinforcing concrete, and to the method for producing the steel wire.
- the steel wire according to the invention is not only used for reinforcing the concrete or for prestressing, but it is also possible to use the steel wire in other areas. So z. B. the use of steel wire is also widespread in the rubber industry, with some products being reinforced with steel wire, e.g. B. in conveyor belts and rubber tires of vehicles. In view of the fact that the largest amount of steel wire is used in reinforced concrete structures, we will describe the application of the solution according to the invention in connection with concrete, the principle of the invention - analogously - can also be used in other areas.
- the steel wires commonly used to reinforce concrete structures are obtained directly by rolling or by further processing rolled wires.
- the steel wire prestressing the concrete has the task that the concrete structure embedding the steel wire can also be loaded with a force which causes a corresponding tensile stress in the steel wire.
- the interaction between steel wire and concrete is guaranteed by the anchoring, which is largely promoted by ribs on the steel wire. Accordingly, this rib structure has the task of transferring the force between the concrete and steel wire.
- the rib structure of the known steel wires used in the prestressing or reinforcement of the concrete either has a discontinuous or periodic shape, or it has a spiral shape.
- the cross section of the steel wire with a periodic rib structure is by no means constant, since the ribs are formed - repetitively - between different impressions formed on the outer circumference of the steel wire, from which it follows that the wire cross section is obviously smaller in the impressions.
- the steel wire with a spiral rib structure tends to twist under load in the concrete. This twist is such. B. prevented by distortion of the circular cross section of the steel wire, z. B. by flattening on both sides, or the ribs are torn, or rib strips are used with opposite thread pitch.
- Both the periodic rib structure and the spiral rib structure have abrupt transitions or corners. It is known that these are stress-collecting points where cracks can arise as a result of stress peaks.
- the disadvantages described here occur in the course of use, the periodic rib structure occurring in known steel wires or the distortion of the circular cross section also being considered disadvantageous from the point of view of production.
- the periodic rib structure is created or the cross section deformed in separate operations after the wire has been drawn. During these later operations, the fiber texture or the secondary fibrousness previously formed during the drawing process is destroyed in the steel wire material, as a result of which the mechanical parameters of the steel wire (bending number, elongation) are impaired.
- the Hungarian patent HU-PS 158 074 proposes a solution for the production of high-strength steel wires.
- two cylinders lying opposite one another - as a pair of cylinders - flatten the wire with the circular cross-section, after which the spiral-shaped rib structure with a constant thread pitch is produced on the profiled wire thus produced, with a free-running drawing tool that has a drawing hole with distorted has a spiral surface.
- the flattening of this solution is necessary because the spiral ribs - due to the twisting, the "twisting" - do not guarantee a more satisfactory adhesion in the concrete than a smooth cylinder surface.
- the object of the invention is to eliminate the errors, deficiencies and other disadvantages of the known solutions which serve the same purposes. More precisely, a cold-drawn steel wire is to be created which has an equivalent rib structure in all cross-sections, the ribs not having sharp corners at their base, and which has a characteristic fibrous texture and secondary fibrousness.
- the aim of the process according to the invention was that it should not essentially deviate from the usual cold drawing method.
- the method is to be implemented using simple and inexpensive means, and no ancillary operations and means are to be claimed.
- the production should be made possible in a single operation, and the usual fibrous texture and secondary fibrousness of the cold drawn wires should in no way be destroyed.
- the set goal is achieved in that the wire cross-section is delimited by a three-armed epitrochoid contour line and in that the wire has a spiral-like rib structure with ribs which gradually emerge along the three arms of the epitrochoid and merge into the contour line.
- the method according to the invention essentially ensures that the set goal is achieved in that the wire, which originally has a circular cross section, is designed with the cross section with the epitrochoid contour line by means of a pulling tool in the course of a cold drawing process, which is followed by a cold pulling operation using a rotating tool, in the course of which a special drawing hole determines and designs the spiral-like ribs of the wire and the final cross-section of the wire.
- the method according to the invention expediently represents a plurality of work steps forming a process. It may happen that the wire serving as the starting piece has to be subjected to a preforming so that a steel wire with a corresponding surface quality and favorable dimensions can be obtained for the work steps according to the invention. A material in such a state is called a preformed steel wire. At least within the course of the method according to the invention in the narrower sense, this designation also applies if the preforming is unnecessary in the course of implementing the method according to the invention.
- the preformed steel wire which is cylindrical or has a circular cross section
- a stationary drawing tool the drawing hole of which determines a cross section with a three-armed epitrochoid contour line.
- the circle circumscribing the cross section has the diameter d k (the radius r k ).
- the cross section of the semi-finished steel wire resulting from the aforementioned shaping is 16 to 30% smaller than that of the preformed steel wire. This means that the cross section is reduced by 16 to 30% in the course of pulling through the stationary drawing tool.
- the semi-finished steel wire with the cross section with the epitrochoid contour line is drawn through a rotating drawing tool - also in the cold state.
- the drawing hole of the rotating drawing tool has a hexagonal cross section with rounded corners and has a distorted spiral surface with constant thread pitch that brings about the rib structure.
- This rotating, known pulling tool is free-running and supported in the usual way.
- the product that leaves the rotating drawing tool is considered in the sense of the invention as a finished steel wire.
- the finished steel wire can be wound onto a drum.
- ribs are brought about on the steel wire by pulling through the rotating drawing tool, said ribs being inclined with respect to the longitudinal axis of the steel wire with six cuts of the three arms of the epitrochoid gradually come into being and merge into the contour line, the height of the ribs corresponding to the difference r k - r b between the radius r k of the circumscribing circle and the radius r b of the inscribed circle.
- the maximum height of the ribs is 4 to 7% of the mean diameter d thus defined.
- the resulting rib structure is produced without any further technological step only by pulling it through the drawing tools.
- the tools required for a possible preforming, the rollers deflecting and moving the steel wire and the stationary drawing tool and the rotating drawing tool are expediently arranged in such a way that the steel wire can be designed in a single production process.
- the system must be provided with other necessary, known means, for. B. for lubrication and cooling, furthermore you have to take care of the storage of the rotating tool and the elements that absorb the axial and radial loads.
- the area of the cross section of the enveloping surface of the steel wire according to the invention which is delimited by epitrochiodic curves can be replaced in practice by the area of a circle with the central radius r.
- the value of the parameter ⁇ is ⁇ ⁇ 0.28, but it seems advisable to choose the value 0.18 to 0.19.
- the essential characteristic of the steel wire according to the invention shows that the contour line of the cross section of the envelope surface is a three-armed epitrochoid, the maximum depth of the ribs Difference of the radius of the circumscribing circle of the cross section and the radius of the inscribed circle corresponds and the ribs thus gradually come about along the three arms of the epitrochoid and merge into the contour line and are designed with a constant thread pitch.
- the quotient of the radius of the circumscribing circle of the cross section and the radius of the inscribed circle is at most 1.15, the thread pitch of the ribs being 10 to 15 times the mean diameter of the cross section.
- the essential characteristic of the method according to the invention shows that the steel wire serving as the starting product with a circular cross section or a possibly preformed steel wire is pulled through a stationary drawing tool, whereby the cross section is reduced by 16 to 30% and a semi-finished steel wire with a cross section with three arms Epitrochoidal contour line arises, whereupon the semi-finished steel wire is pulled through a free-running, but supported drawing tool, which has a distorted spiral surface with constant thread pitch and a drawing hole with a sexagonal cross section with rounded corners, in which the area of the hexagon corresponds to the diameter of the inscribed one Circle of the contour line of the cross section corresponds to the enveloping surface of the finished steel wire, while the corner width of the hexagon corresponds to the diameter of the circumscribing circle - which tangi the contour of the finished steel wire ert - corresponds and in which the diameter of the latter circumscribing circle corresponds to the diameter of the concentric circle rounding off the corners of the hexagon.
- the rib structure 5 and the epitrochoid contour line 4 can be clearly seen.
- the circle circumscribing the contour line 4 is shown with a thin line.
- the diameter d k of the circumscribing circle and the diameter d b of the inscribed circle are shown.
- the geometrical relationships are expediently chosen such that the maximum height h of the rib structure 5 is approximately 4 to 7% of the mean diameter.
- the sketch in FIG. 2 shows a possible embodiment of the plant used to produce the steel wire according to the invention.
- the method according to the invention is described in detail in connection with FIG. 2.
- the starting steel wire 1 represents the material entered in the method used as an example. According to the respective requirement, the material must be subjected to heat treatment or surface preparation is required. It is possible to change the cross section with the preparatory tools 11.
- the rollers 10 secure the movement, guidance and deflection of the steel wire 1.
- the operations previously mentioned are known per se; they do not belong to the scope of the invention.
- the cross section of the material gradually decreases and the strength increases.
- the steel wire is formed, the shaping of which takes place using the method according to the invention in the narrower sense. This means that the individual preforming operations can take place in separate processes.
- the preformed steel wire which is in the cold state, is pulled through the stationary drawing tool 2.
- the drawing hole has a cross section with a three-armed epitrochoid contour line.
- the steel wire 6 entering the stationary drawing tool has a circular cross-section, while the emerging semi-finished steel wire 8, as can be seen in FIG. 3, is profiled.
- the cross section of the steel wire depending on the material quality, decreases by approximately 16 to 30%. From Fig. 3 it can be seen that the preformed steel wire 6 still has a circular cross section through the diameter D 'can be characterized after preforming.
- the semi-finished steel wire 8 which is present after the stationary drawing tool 2, has a cross section with three-armed epitrochoid contour line 4. The method is explained further with the aid of FIG. 4.
- the semi-finished steel wire 8 is transformed into the finished steel wire 9 with the aid of the rotating drawing tool 3.
- the rotating drawing tool 3 has a drawing hole, the cross section of which forms a hexagon with rounded corners with a contour line 7.
- the drawing hole has a distorted spiral surface with a uniform thread pitch in the axial direction.
- the rotating drawing tool is supported in a manner known per se; it is free running.
- the corner width l k corresponds to the diameter d k of the circumscribing circle of the contour line 4 of the cross section of the semi-finished steel wire 8, at the same time the area width l b corresponds to the diameter d b of the inscribed circle.
- the rotating drawing tool 3 is also designed using the spark erosion method.
- the finished steel wire 9 can be wound on the drum 12 (Fig. 2).
- the force required to pull can be partially exerted by the drum 12.
- the steel wire according to the invention which is produced in the course of the method according to the invention, can have a high strength.
- the strength R m 1600-2000 MPa.
- An advantage of the invention is shown in that the rib structure is designed simply by pulling through the drawing tools without any separate technological phases.
- Another advantageous characteristic consists in that the steel wire retains the fiber texture and the secondary fiber structure that is created during cold drawing. This has the consequence that the mechanical properties such. B. the number of bends and the elongation will be favorable.
- Another advantage of the steel wire according to the invention is that slipping out of the embedding material, such as. As concrete, and torsion can be prevented by the rib structure and the epitrochoid shape. With such a geometric design, there are no sharp corners, as a result of which stress-collecting parts in the finished steel wire are avoided.
- the steel wire according to the invention can be used as an independent strand or twisted in strands.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Stahldraht zur Verstärkung eines Einbettungsmaterials, insbesondere zur Verstärkung von Beton, sowie das Verfahren zur Herstellung des Stahldrahts.
- Der erfindungsgemäße Stahldraht dient nicht nur zur Verstärkung des Betons bzw. zur Vorspannung, sondern es besteht die Möglichkeit, den Stahldraht auch auf sonstigen Gebieten zu verwenden. So hat sich z. B. die Verwendung des Stahldrahts auch in der Gummiindustrie verbreitet, wobei einige Produkte mit Stahldraht verstärkt werden, z. B. bei Transportbändern und bei Gummireifen von Fahrzeugen. Mit Hinsicht darauf, daß die größte Menge an Stahldrähten in Eisenbetonkonstruktionen verwendet wird, werden wir die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung im Zusammenhang mit Beton beschreiben, wobei das Erfindungsprinzip - sinngemäß - auch auf anderen Gebieten eingesetzt werden kann.
- Die zur Verstärkung der Betonkonstruktionen üblichen Stahldrähte werden unmittelbar durch Walzen oder durch die Weiterverarbeitung von gewalzten Drähten gewonnen. Die zur Vorspannung des Betons dienenden Stahldrähte mit einer hohen Reißfestigkeit (Rm = 1600-2000 MPa) sind kaltgezogene Produkte.
- Der den Beton vorspannende Stahldraht hat die Aufgabe, daß die den Stahldraht einbettende Betonkonstruktion auch mit einer im Stahldraht eine entsprechende Zugspannung hervorrufenden Kraft belastet werden kann. Das Zusammenwirken zwischen Stahldraht und Beton wird durch die Verankerung gewährleistet, die durch Rippen auf dem Stahldraht weitgehend gefördert wird. Demnach hat diese Rippenstruktur die Aufgabe, die Kraft zwischen Beton und Stahldraht zu übertragen.
- Die bei der Vorspannung bzw. Verstärkung des Betons eingesetzte Rippenstruktur der bekannten Stahldrähte weist entweder eine diskontinuierliche oder periodische Form auf, oder sie ist spiralförmig ausgestaltet. Der Querschnitt des Stahldrahts mit periodischer Rippenstruktur ist keinesfalls konstant, da zwischen auf dem Außenumf ang des Stahldrahts entstandenen verschiedenen Eindrücken - sich wiederholend - die Rippen gebildet sind, woraus folgt, daß bei den Eindrücken der Drahtquerschnitt offensichtlich geringer ist. Der mit spiralförmiger Rippenstruktur versehene Stahldraht neigt dazu, sich unter Belastung im Beton zu verdrehen. Diese Verdrehung wird z. B. durch Verzerrung des Kreisquerschnittes des Stahldrahts verhindert, z. B. durch Abflachung an beiden Seiten, oder die Rippen werden zerrissen, oder es werden Rippenstreifen mit entgegengesetzter Gewindesteigung eingesetzt. Sowohl bei der periodischen Rippenstruktur als auch bei spiralförmiger Rippenstruktur sind abrupte Übergänge bzw. Ecken vorhanden. Es ist bekannt, daß dies spannungssammelnde Stellen sind, wo infolge von Spannungsspitzen Risse entstehen können. Die hier geschilderten Nachteile treten im Laufe des Gebrauchs auf, wobei die bei bekannten Stahldrähten vorkommende periodische Rippenstruktur bzw. die Verzerrung des Kreisquerschnittes auch vom Standpunkt der Fertigung aus als nachteilig betrachtet wird. Im Laufe der Herstellung des Stahldrahts wird nämlich nach dem Ziehen des Drahts in separaten Arbeitsgängen die periodische Rippenstruktur erzeugt bzw. der Querschnitt deformiert. Während dieser späteren Arbeitsgänge wird hierdurch in dem Werkstoff des Stahldrahts die vorher, während des Ziehvorgangs, entstandene Fasertextur bzw. die sekundäre Faserigkeit zerstört, wodurch die mechanischen Parameter des Stahldrahts (Biegezahl, Dehnung) beeinträchtigt werden. Als Beispiel für die bekannten Lösungen möchten wir die ungarische Patentschrift HU-PS 159 837 erwähnen, in der Stahldraht und das Verfahren zu seiner Herstellung geschildert sind. Die dort vorgeschlagene Lösung dient zur Herstellung von Stahldrähten mit niedriger Festigkeit (Rm = 1200 MPa). Im Sinne dieser Lösung wird der Walzdraht kalt gezogen, woraufhin die allmählich zustande kommenden und verschwindenden schrägen Rippen mit einer Zylindergruppe zur Abflachung und Rippengestaltung erzeugt werden. Einer der Nachteile des erwähnten Verfahrens zeigt sich darin, daß die Bearbeitung der profilierten Zylinder der die Rippenstruktur erzeugenden Zylindergruppe äußerst kostenaufwendig ist.
- Ein anderer Nachteil zeigt sich darin, daß die Lebensdauer der Zylinder infolge der hohen Inanspruchnahme gering ist. Bei der Herstellung der Spannstahldrähte mit hoher Festigkeit (Rm = 1600-2000 MPa) ist die Lebensdauer der Zylinder infolge der erhöhten Inanspruchnahme so kurz, daß die Anwendung unsinnig scheint. Die ungarische Patentschrift HU-PS 158 074 schlägt eine Lösung zur Herstellung von hochfesten Stahldrähten vor. Im Sinne der Patentschrift flachen zwei einander gegenüberliegende Zylinder - als ein Zylinderpaar - den Draht mit dem Kreisquerschnitt ab, wonach auf dem derart erzeugten profilierten Draht die spiralförmige Rippenstruktur mit konstanter Gewindesteigung erzeugt wird, und zwar mit einem freilaufenden Ziehwerkzeug, das ein Ziehloch mit verzerrter-spiralförmiger Fläche aufweist. Die Abflachung ist bei dieser Lösung deshalb notwendig, da die spiralförmigen Rippen - infolge der Verdrehung, der "Drillung" - an sich keine befriedigendere Haftung im Beton gewährleisten als eine glatte Zylinderfläche.
- Auch bei diesem Stahldraht ist beim Zusammentreffen des abgeflachten Teils und des zylindrischen Mantelteils eine Kante vorhanden; an dieser Stelle neigt das Produkt zu Rissen. Ein weiterer Nachteil zeigt sich darin, daß wegen der hohen Drahtfestigkeit die glatten Zylinder nur mit Schwierigkeit in den Ziehprozeß eingepaßt werden können. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei kleinen Dimensionen die Lagerung keinesfalls mit voller Sicherheit realisiert werden kann. Der guten Ordnung halber soll noch angemerkt werden, daß mit glatten Drähten oder mit Drähten, die ausschließlich eine spiralförmige Rippenstruktur aufweisen, erst dann eine befriedigende Verankerung erreicht werden kann, wenn diese in Litzen verdrallt werden. Die Litze kann sich weder verdrehen noch auseinander gedrallt werden. Wenn in den Litzen mehrere Stahldrähte verwendet werden, entstehen allerdings Mehrkosten, die auch durch das Verdrallen erhöht werden, da es einen separaten Arbeitsgang darstellt.
- Der Erfindung wird das Ziel gesetzt, die Fehler, Mangelhaftigkeiten und sonstigen Nachteile der bekannten, zu den selben Zwecken dienenden Lösungen zu eliminieren. Noch genauer soll ein kalt ziehbarer Stahldraht geschaffen werden, der in allen Querschnitten eine gleichwertige Rippenstruktur aufweist, wobei die Rippen an ihrem Fuß keine einen scharfen Übergang ergebende Ecken aufweisen, und der eine charakteristische faserige Textur und sekundäre Faserigkeit aufweist.
- Dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde das Ziel gesetzt, daß es im wesentlichen nicht von der üblichen Methode des Kaltziehens abweicht. Das Verfahren soll mit einfachen und billigen Mitteln realisiert werden, und es sollen keine akzessorischen Arbeitsgänge und Mittel beansprucht werden. Zusammengefaßt soll die Herstellung in einem einzigen Arbeitsgang ermöglicht werden, und es sollen weiterhin keinesfalls die übliche faserige Textur und sekundäre Faserigkeit der kaltgezogenen Drähte zerstört werden. Bei dem erfindungsgemäßen Stahldraht wird das gesetzte Ziel dadurch erreicht, daß der Drahtquerschnitt von einer dreiarmigen epitrochoiden Konturlinie begrenzt ist und daß der Draht eine spiralartige Rippenstruktur mit entlang der drei Armen der Epitrochoide allmählich zustande kommenden und in die Konturlinie aufgehenden Rippen aufweist.
- Im wesentlichen sichert das erfindungsgemäße Verfahren das Erreichen des gesetzten Ziels dadurch, daß der Draht, der ursprünglich einen Kreisquerschnitt aufweist, mittels eines Zugwerkzeugs im Laufe eines Kaltziehprozesses mit dem Querschnitt mit der epitrochoiden Konturlinie ausgestaltet wird, worauf ein Kaltzugarbeitsgang mittels eines sich drehenden Werkzeugs folgt, im Laufe dessen ein spezielles Ziehloch die spiralartigen Rippen des Drahts und den endgültigen Querschnitt des Drahts bestimmt und ausgestaltet.
- Auf Grundlage unserer Untersuchungen ergibt sich, daß zwischen den Radien des umschreibenden Kreises der den Querschnitt des Stahldrahts bestimmenden epitrochoiden Konturlinie und des eingeschriebenen Kreises der Konturlinie ein Verhältnis von höchstens 1,15 bestehen soll. Gleichfalls wird die Gestaltung als vorteilhaft betrachtet, bei der die Gewindesteigung der Rippen das 10 bis 15fache des Durchmessers des Mittelkreises zwischen den vorher erwähnten Kreisen beträgt und bei der sich innerhalb der Gewindesteigung sechs Rippen befinden. Diese Rippenstruktur ist im übrigen spiralartig und periodisch.
- Zweckmäßigerweise stellt das erfindungsgemäße Verfahren mehrere einen Prozeß bildende Arbeitsgänge dar. Es kann vorkommen, daß der als Ausgangsstück dienende Draht einer Vorformung ausgesetzt werden muß, damit man für die erfindungsgemäßen Arbeitsgänge im engeren Sinne einen Stahldraht mit entsprechender Flächenqualität und mit günstigen Abmessungen erhält. Ein Werkstoff in solchem Zustand wird als vorgeformter Stahldraht bezeichnet. Wenigstens innerhalb des Verlaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens im engeren Sinne gilt diese Bezeichnung auch dann, wenn sich im Laufe der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Vorformung erübrigt.
- Der vorgeformte Stahldraht, der zylinderförmig ist bzw. einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, wird im kalten Zustand durch ein stationäres Ziehwerkzeug hindurchgezogen, dessen Ziehloch einen Querschnitt mit dreiarmiger epitrochoider Konturlinie bestimmt. Der den Querschnitt umschreibende Kreis weist den Durchmesser dk (den Radius rk) auf. Der nach der vorerwähnten Formung sich ergebende Querschnitt des halbfertigen Stahldrahts ist um 16 bis 30 % kleiner als jener des vorgeformten Stahldrahts. Das bedeutet, daß der Querschnitt sich im Laufe des Hindurchziehens durch das stationäre Ziehwerkzeug um 16 bis 30 % verringert.
- Danach wird der halbfertige Stahldraht mit dem Querschnitt mit der epitrochoiden Konturlinie durch ein sich drehendes Ziehwerkzeug - gleichfalls in kaltem Zustand - hindurchgezogen. Das Ziehloch des sich drehenden Ziehwerkzeugs weist einen hexagonalen Querschnitt mit abgerundeten Ecken auf und hat eine die Rippenstruktur zustande bringende verzerrte-spiralförmige Fläche mit konstanter Gewindesteigung. Dieses sich drehende, an sich bekannte Ziehwerkzeug ist freilaufend und auf die übliche Weise unterstützt. Das Produkt, das das sich drehende Ziehwerkzeug verläßt, wird im Sinne der Erfindung als fertiggestellter Stahldraht betrachtet. Am Ende des Fertigungsprozesses kann der fertiggestellte Stahldraht auf eine Trommel aufgewickelt werden.
- Die Eckenweite lk des von dem Querschnitt des rotierenden Ziehwerkzeugs festgelegten Sechsecks mit abgerundeten Ecken stimmt mit dem Durchmesser des umschreibenden Kreises dk der epitrochoiden Konturlinie (lk= dk) überein, gleichzeitig entspricht die Flächenweite lb des Sechsecks dem Durchmesser db des eingeschriebenen Kreises der epitrochoiden Konturlinie (lb = db). Auf diese Weise werden auf dem Stahldraht durch Hindurchziehen durch das rotierende Ziehwerkzeug Rippen zustandegebracht, die bezogen auf die Längsachse des Stahldrahtes schräg mit sechs Anschnitten entlang der drei Arme der Epitrochoide allmählich zustande kommen und in die Konturlinie aufgehen, wobei die Höhe der Rippen der Differenz rk - rb zwischen dem Radius rk des umschreibenden Kreises und dem Radius rb des eingeschriebenen Kreises entspricht. Der gegenseitige Abstand l zwischen den Rippen entlang der Längsachse des Stahldrahtes beträgt das 1,6 bis 2,5fache des Mitteldurchmessers d der Konturlinie des Querschnittes einer durchgehend glatten, den Draht umschreibenden und für einen geraden Draht die Umfangsfläche eines verallgemeinerten Zylinders bildenden Hüllfläche des Stahldrahts, d. h.
wobei - Die maximale Höhe der Rippen beträgt 4 bis 7 % des so definierten Mitteldurchmessers d. Die derart entstehende Rippenstruktur wird ohne jeglichen weiteren technologischen Schritt nur durch Hindurchziehen durch die Ziehwerkzeuge erzeugt.
- Bei der Anlage zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die für eine eventuelle Vorformung erforderlichen Werkzeuge, die den Stahldraht ablenkenden und bewegenden Rollen sowie das stationäre Ziehwerkzeug und das rotierende Ziehwerkzeug zweckmäßigerweise so angeordnet, daß der Stahldraht in einem einzigen Fertigungsprozeß ausgestaltet werden kann. Selbstverständlich muß die Anlage mit sonstigen erforderlichen, an sich bekannten Mitteln versehen werden, z. B. zur Schmierung und Kühlung, desweiteren muß man für die Lagerung des rotierenden Werkzeugs und für die die axialen und radialen Belastungen aufnehmenden Elemente sorgen.
- Die Gestaltung der speziellen Ziehlöcher der Ziehwerkzeuge kann zweckmäßigerweise unter Anwendung des Funkenerosivverfahrens erfolgen. Die zu dem Funkenerosivverfahren erforderliche Elektrode kann mit der Anlage nach der ungarischen Patentschrift 156 607 erzeugt werden. Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung ist die in Frage kommende Epitrochoidbestimmung nach den folgenden Gleichungen möglich:
wobei - re
- der Radius des die Trochoide ableitenden abrollen den Kreises und
- φ
- der Parameter ist.
-
- Der Mittelradius r beträgt r = 4 re .
- Die Fläche des mit epitrochioden Kurven begrenzten Querschnitts der Hüllfläche des erfindungsgemäßen Stahldrahts kann für die Praxis mit der Fläche eines Kreises mit dem Mittelradius r ersetzt werden.
- Der Wert des Parameters λ beträgt λ ≦ 0,28, es erscheint aber zweckmäßig, den Wert 0,18 bis 0,19 zu wählen.
- Die wesentliche Charakteristik des erfindungsgemäßen Stahldrahts zeigt sich darin, daß die Konturlinie des Querschnitts der Hüllfläche eine dreiarmige Epitrochoide ist, wobei die maximale Tiefe der Rippen der Differenz des Radius des umschreibenden Kreises des Querschnitts und des Radius des eingeschriebenen Kreises entspricht und die Rippen somit entlang den drei Armen der Epitrochoide allmählich zustande kommen und in die Konturlinie aufgehen und mit konstanter Gewindesteigung ausgestaltet sind. Bei einer vorteilhaften Ausführung des vorgeschlagenen Stahldrahts beträgt der Quotient des Radius des umschreibenden Kreises des Querschnitts und des Radius des eingeschriebenen Kreises höchstens 1,15, wobei die Gewindesteigung der Rippen das 10 bis 15fache des Mitteldruchmessers des Querschnitts beträgt.
- Die wesentliche Charakteristik des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt sind darin, daß der als Ausgangsprodukt dienende Stahldraht mit einem Kreisquerschnitt oder ein eventuell vorgeformter Stahldraht durch ein stationäres Ziehwerkzeug hindurchgezogen wird, wodurch sich der Querschnitt um 16 bis 30 % verringert und ein halbfertiger Stahldraht mit einem Querschnitt mit dreiarmiger epitrochoider Konturlinie entsteht, woraufhin der halbfertige Stahldraht durch ein freilaufendes, aber unterstütztes Ziehwerkzeug hindurchgezogen wird, das eine verzerrte-spiralförmige Fläche mit konstanter Gewindesteigung aufweist und ein Ziehloch mit einem sexagonalen Querschnitt mit abgerundeten Ecken hat, bei dem die Flächenweite des Sechsecks dem Durchmesser des eingeschriebenen Kreises der Konturlinie des Querschnitts der Hüllfläche des fertigen Stahldrahts entspricht, während die Eckenweite des Sechsecks dem Durchmesser des umschreibenden Kreises - der die Kontur des fertigen Stahldrahts tangiert - entspricht und bei dem der Durchmesser des letzterwähnten umschreibenden Kreises dem Durchmesser des konzentrischen, die Ecken des Sechsecks abrundenden Kreises entspricht.
- Der erfindungsgemäße Stahldraht und das zur Herstellung dienende Verfahren werden auf Grundlage der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- den Querschnitt einer Ausführung des erfindungsgemäßen Stahldrahts,
- Fig. 2
- die wichtigeren Bestandteile der Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- Fig. 3
- aufeinander gezeichnet den Querschnitt des Stahldrahts nach der Vorformung und den Querschnitt des halbfertigen Stahldrahts,
- Fig. 4
- aufeinander gezeichnet den Querschnitt des Ziehlochs des rotierenden Ziehwerkzeugs und den Querschnitt des halbfertigen Stahldrahts.
- Bei dem in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Stahldraht 9 mit dem veranschaulichten Querschnitt der Hüllfläche sind die Rippenstruktur 5 und die epitrochoide Konturlinie 4 deutlich zu erkennen. Der rundum die Konturlinie 4 umschreibende Kreis ist mit einer dünnen Linie dargestellt. Der Durchmesser dk des umschreibenden Kreises und der Durchmesser db des eingeschriebenen Kreises sind eingezeichnet. Unter Verwendung dieser Bezeichnungen ist der Mitteldurchmesser d gegeben durch:
wobei der Mittelradius r dem Wert r = d/2 entspricht. -
- Zweckmäßigerweise werden die geometrischen Verhältnisse so gewählt, daß die maximale Höhe h der Rippenstruktur 5 ungefähr 4 bis 7 % des Mitteldurchmessers beträgt.
- Die Skizze der Fig. 2 stellt eine mögliche Ausführung der zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stahldrahts dienenden Anlage dar. Im Zusammenhang mit Fig. 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren detailliert beschrieben. Der Ausgangsstahldraht 1 stellt den in das als Beispiel dienende Verfahren eingegebenen Werkstoff dar. Dem jeweiligen Bedarf entsprechend muß das Material einer Wärmebehandlung unterzogen werden bzw. ist eine Oberflächenvorbereitung erforderlich. Eventuell kann man mit den vorbereitenden Werkzeugen 11 den Querschnitt verändern. Im Laufe der Arbeitsgänge sichern die Rollen 10 die Bewegung, Führung und Ablenkung des Stahldrahts 1. Die bisher erwähnten Arbeitsgänge sind an sich bekannt; sie gehören nicht zum Gegenstandskreis der Erfindung. Im Laufe dieser Umformung nimmt der Querschnitt des Materials allmählich ab und die Festigkeit nimmt zu. Nach einer eventuellen Vorformung entsteht der Stahldraht, dessen Umformung unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im engeren Sinne vor sich geht. Das bedeutet, daß die einzelnen Arbeitsgänge der Vorformung in separaten Prozessen stattfinden können.
- Der vorgeformte Stahldraht, der sich in kaltem Zustand befindet, wird durch das stationäre Ziehwerkzeug 2 hindurchgezogen. Das Ziehloch weist einen Querschnitt mit dreiarmiger epitrochoider Konturlinie auf. Der in das stationäre Ziehwerkzeug eintretende Stahldraht 6 weist einen Kreisquerschnitt auf, während der austretende halbfertige Stahldraht 8, wie in Fig. 3 ersichtlich, profiliert ist. Im Laufe des Hindurchziehens durch das stationäre Ziehwerkzeug 2 nimmt der Querschnitt des Stahldrahts, in Abhängigkeit von der Materialqualität, um etwa 16 bis 30 % ab. Aus der Fig. 3 geht hervor, daß der vorgeformte Stahldraht 6 noch einen Kreisquerschnitt aufweist, der durch den Durchmesser D′ nach der Vorformung charakterisiert werden kann. (Der Durchmesser D′ nach den eventuellen vorformenden Arbeitsgängen ist kleiner als der Ausgangsdurchmesser D.) Der halbfertige Stahldraht 8, der nach dem stationären Ziehwerkzeug 2 vorliegt, weist einen Querschnitt mit dreiarmiger epitrochoider Konturlinie 4 auf. Unter Zuhilfenahme der Fig. 4 wird das Verfahren weiter erläutert. Der halbfertige Stahldraht 8 wird unter Zuhilfenahme des rotierenden Ziehwerkzeugs 3 in den fertigen Stahldraht 9 umgestaltet. Das rotierende Ziehwerkzeug 3 weist ein Ziehloch auf, dessen Querschnitt ein Sechseck mit abgerundeten Ecken bildet mit einer Konturlinie 7. Das Ziehloch hat eine verzerrte-spiralförmige Fläche mit einer gleichmäßigen Gewindesteigung in axialer Richtung. Das rotierende Ziehwerkzeug ist auf an sich bekannte Weise unterstützt; dabei ist es freilaufend. In bezug auf das Sechseck mit abgerundeten Ecken mit der Konturlinie 7 entspricht die Eckenweite lk dem Durchmesser dk des umschreibenden Kreises der Konturlinie 4 des Querschnitts des halbfertigen Stahldrahts 8, gleichzeitig entspricht die Flächenweite lb dem Durchmesser db des eingeschriebenen Kreises. Die Gestaltung des rotierenden Ziehwerkzeugs 3 erfolgt ebenfalls durch Anwendung des Funkenerosivverfahrens.
- Zuletzt kann der fertiggestellte Stahldraht 9 auf die Trommel 12 aufgewickelt werden (Fig. 2). Die zum Ziehen erforderliche Kraft kann teilweise durch die Trommel 12 ausgeübt werden.
- Der erfindungsgemäße Stahldraht, der im Laufe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird, kann eine hohe Festigkeit aufweisen. Z. B. beträgt bei einem Stahldraht mit einem Durchmesser von 5 mm die Festigkeit Rm= 1600-2000 MPa. Ein Vorteil der Erfindung zeigt sich darin, daß die Rippenstruktur ohne etwaige gesonderte technologische Phasen bloß durch Hindurchziehen durch die Ziehwerkzeuge ausgestaltet wird. Eine weitere vorteilhafte Charakteristik besteht darin, daß der Stahldraht die während des Kaltziehens entstehende Fasertextur und die sekundäre Faserigkeit behält. Dies hat zur Folge, daß die mechanischen Eigenschaften, wie z. B. die Biegezahl und die Dehnung, günstig sein werden.
- Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Stahldrahts besteht darin, daß Herausrutschen aus dem Einbettungsmaterial, wie z. B. Beton, sowie Torsion durch die Rippenstruktur und die epitrochoide Form verhindert werden. Bei einer derartigen geometrischen Gestaltung sind keine scharfen Ecken vorhanden, wodurch spannungssammelnde Teile bei dem fertigen Stahldraht vermieden werden.
- Der erfindungsgemäße Stahldraht kann als selbständiger Strang oder in Litzen gedrallt verwendet werden.
Claims (5)
- Stahldraht zur Verstärkung von Einbettungsmaterialien, insbesondere Beton,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Konturlinie (4) des Querschnitts einer zylindrischen Hüllfläche des Drahtes (9) eine dreiarmige Epitrochoide ist, und daß der Stahldraht (9) Rippen (5) mit konstanter Gewindesteigung aufweist, die bis zur Hüllfläche reichen und deren Fuß von einer vom eingeschriebenen Kreis der Konturlinie (4) festgelegten Kreiszylinderfläche ausgeht. - Stahldraht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß er sechs-gängig ausgebildet ist. - Stahldraht nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Quotient (rk/rb) des Radius (rk) des umschreibenden Kreises der Konturlinie (4) des Querschnitts und des Radius (rb) des eingeschriebenen Kreises dieser Konturlinie (4) höchstens 1,15 ist, wobei die Gewindesteigung der Rippen (5) das 10 bis 15fache des Mitteldurchmessers (d) der Konturlinie (4) beträgt. - Verfahren zur Herstellung des Stahldrahts nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ausgangsstahldraht (1) mit einem Kreisquerschnitt oder ein vorgeformter Stahldraht (8) durch ein stationäres Ziehwerkzeug (2) hindurchgezogen wird, wodurch ein halbfertiger Stahldraht (8) mit dreiarmiger epitrochoider Konturlinie (4) des Querschnitts und mit einem um 16 bis 30 % verringerten Querschnitt entsteht, woraufhin der halbfertige Stahldraht (8) durch ein unterstütztes, aber freilaufendes Ziehhwerkzeug (3) hindurchgezogen wird, das mit einem Ziehloch mit einem sechseckigen und in den Ecken längs eines Rundungskreises verlaufenden abgerundeten Querschnitt, mit konstanter Gewindesteigung und verzerrter-spiralförmiger Fläche versehen ist, bei dem die Flächenweite (lb) des Sechsecks dem Durchmesser des eingeschriebenen Kreises der Konturlinie (4) des Querschnitts der Hüllfläche des fertigen Stahldrahts (9) entspricht, während die Eckenweite (lk) dem Durchmesser des umschreibenden Kreises dieser Konturlinie (4) entspricht, wobei der Durchmesser (dk) dieses umschreibenden Kreises mit dem Durchmesser des mit diesem konzentrischen Rundungskreises übereinstimmt. - Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fertigung des halbfertigen Stahldrahts (8) und die Fertigung des fertiggestellten Stahldrahts (9) zusammen mit einer eventuellen Vorformung in einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt wird.
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