横向波形腹板H型钢材、制造工艺及横向波形腹板成形装置 【技术领域】
本发明涉钢结构工程用型材，具体地说是波形腹板H型钢材及其制造工艺。
背景技术
H型钢结构型材被广泛用于建筑、桥梁、展览馆、吊车轧轨道等方面。H型钢型材有热轧成形的，也有焊接成型的，热轧成形和焊接成型各有优点，但目前工程中使用的大多为焊接成型的H型钢材，这种焊接成型的H型钢材的中部有一块腹板，腹板长期以来一直均采用平板型结构，这种平板型腹板的H型钢材虽然强度好，但其耗材多、成本高，给使用者增加了经济负担，增大了工程造价。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种在满足承载力学性能的前提下，耗材少、重量轻、成本低的新型横向波形腹板H型钢材、制造工艺以及一种一次性连续冷弯轧制横向波形腹板成形装置。
本发明的技术方案是：
一种横向波形腹板H型钢材，由腹板及二侧翼板焊接而成，腹板位于二侧翼板之中，其特征是所述的腹板为带横向波纹的波形腹板。
本发明的横向波形腹板可以是焊接成形的，也可以是一次性连续冷弯轧制成形，但以一次性连续冷弯轧制成形的带横向波纹的波形腹板为最佳。
波形腹板的波纹断面可以为圆弧形、渐开线形或梯形；波形腹板与每侧翼板焊接时的连接起始点和终点应分别位于该侧翼板的对角点上，以保证本发明的H型钢材的承载均匀性。
本发明的横向波形腹板H型钢材制造工艺特征是：
(1)首先制造横向波形腹板，可采用下述三种方法之一制取：
A、将单张钢板采用连续辊式冷弯成形机加工出纵向波形腹板，将纵向波形腹板切割后焊接形成所需规格地横向波形腹板；
B、将带钢采用步进式冲压机，冲压出横向波形腹板，切断后成所需规格的横向波形腹板；
C、将带钢采用一次性连续冷弯轧制成型装置制成带横向波纹的波形腹板并切断形成所需规格的一次性连续冷弯轧制成型横向波形腹板；
(2)其次采用焊接的方法制取成品：将前述A、B或C方法制造所得的横向波形腹板与相同规格的二侧翼板焊接，即得到横向波形腹板H型钢材。
本发明的H型钢材焊接成形后还应继续进行常规工艺下的校正和表面处理以提高产品质量和美观性。校正可采用机械校正，也可采用热处理的办法进行校正；表面处理包括焊点清理、表面除锈、油漆等常规方法。
为保证本发明的焊接质量，可在焊接前将二侧翼板和波形腹板在工装上组对后进行焊接，工装的目的主要是起定位和夹紧作用，结构简单，可自行设计制造。焊接可采用人工焊、自动焊等常规金属焊接方法及设备进行。
为提高生产效率和提高产品质量，克服焊接型横向腹板可能存在的部分缺陷，本发明提供一种横向波形腹板一次性连续冷弯轧制成型装置，它包括开卷装置、校平装置、滚压成型装置、定长切断装置、接收装置，其特征是滚压成型装置包括二个齿形轧辊，二个齿形轧辊上、下安装并相啮；带钢安装在开卷装置上，穿过校平装置校平后变成平板带钢，进入二个齿形轧辊之间，二个齿形轧辊啮合将平板带钢压制成横向波形腹板，并从二个齿形轧辊的另一侧穿出，进入定长切断装置按设定的长度切断后形成所需的横向波形腹板，进入接收装置。
本发明的齿形轧辊的齿形可设计成圆弧形、渐开线形或梯形。
本发明的有益效果：
1、本发明的带一次性连续成形波形腹板的H型钢材的承载能力、刚性和抗扭转性优于传统的热轧工字钢或H型钢材，这主要是由于传统的热轧型型材其腹板和翼板之间是直线连接，而本发明的腹板是呈均匀分而的圆弧状或梯形状，腹板与翼板的接触面增大、支撑点增加，故无论从直观角度或理论角度来分析，波纹状腹板均比平板刚度及可承载能力要高的多，同时通过材质和厚度的合理搭配，可以使本发明的型材的力学性能达到最优化。
2、本发明的H型钢材在满足相同的承载力学性能的前提下，能最大限度地减轻结构重量，降低结构造价，节约成本及资源。本发明的型材与热轧型工字钢、H型钢在同等承载能力条件下，每米可减少重量45～65％，与普通焊接型H型钢材相比，每米可减轻重量32％，节材效果非常明显，从而可大大节约工程用材成本。
3、本发明的H型钢材与现有技术相比，其规格范围得到进一步拓宽，可制成超长型型材，这是现有的型材所无法实现的，故其规格范围进一步扩大，本以明的H型钢材的腹板的高度H、翼板的宽度B、长度L的尺寸范围分别可达：H＝300～6000mm、B＝100～800mm、L＝3000～25000mm；同时，本发明的型材制造时其规格变化更加灵活，只要在波型腹板挤压成型装置上控制好切断尺寸，即可随时制造出不同尺寸规格的型材，克服了现有的H型钢材制造中规格尺寸变化困难、周期长的缺陷。
4、本发明提供的一次性连续冷弯轧制成形横向波形腹板成形装置结构简单、效率高，适合于大规模工业化生产，其中的开卷装置、校平装置、定长切断装置、接收装置均为制造业常用设备，可从市场直接购买或自制，其中的滚压成型装置结构也相当简单，主要由上、下齿形轧辊组成，其设计和制造也相当简便，上、下齿形轧辊的驱动可采用电机直接驱动，也可通过其它动力装置驱动，各装置均为独立装置，它们通过加工过程中的钢带连成一个整体。引外，本发明的成形装置中除滚压成型装置外，大部分焊接型H型钢材制造企业均有相关设备。
5、本发明的一次性连续成形波形腹板成型装置理论上可加工出无限长的波形腹板，配以切断装置即可加工出任意长度的波形腹板，且可连续生产，效率高，同时质量稳定可靠，加工制造成本低、自动化程度高。
6、本发明提供的一种直接利用一次连接成形的波型腹板直接与两侧翼板焊接，工艺简单、质量好、工效高、易于焊接，焊接工艺与常规工艺相同，对焊接准备、焊接设备无特殊要求，既可人工焊，也可采用自动焊接设备进行焊接，可广泛推广运用，具有投资少、见效快，产品具有很强的市场竞争力。
7、产品的应用范围广，可广泛运用于建筑、桥梁、地基、道路、低层住宅、活动房、承载导轨等场合，具有重量轻、承载力高、成本低的优点，既可当H型钢使用，也可当工字钢使用，既可垂直使用，也可水使用。
8、本发明既可用于新办企业，也可用于对现有相关制造企业进行技术改造，具有改造成本低、投资少、周期短、见效快的特点，对提高企业产品档次和竞争力十分有利，具有很好的推广价值。
【附图说明】
图1是本发明的H型钢材产品结构示意图。
图2是图1的分解结构示意图。
图3是本发明的成型装置结构示意图。
图4是图3的俯视图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
一种横向波形腹板H型钢材，由腹板1及二侧翼板2、3焊接而成，腹板1位于二侧翼板2、3之中，其特征是所述的腹板1为带横向波纹的波形腹板。如图1所示，图中的H、B、L分别为本发明的H型钢材的腹板高度、翼板的宽度及长度，其尺寸范围分别为：H＝300～6000mm、B＝100～800mm、L＝3000～25000mm。
本发明的横向波形腹板1可以是焊接成形的，也可以是一次性连续冷弯轧制成形，但以一次性连续冷弯轧制成形的带横向波纹的波形腹板为最佳。
波形腹板1的波纹断面可以为圆弧形、渐开线形或梯形；波形腹板1与每侧翼板2或3焊接时的连接起始点C和终点D应分别位于该侧翼板的对角点上，以保证本发明的H型钢材的承载均匀性。
本发明的横向波形腹板H型钢材制造工艺特征是：
(1)首先制造横向波形腹板，可采用下述三种方法之一制取：
A、将单张钢板采用连续辊式冷弯成形机加工出纵向波形腹板，将纵向波形腹板切割后，先沿原钢板宽度方向拼接，然后将拼缝焊接形成所需规格的横向波形腹板；
B、将带钢采用步进式冲压机，冲压出横向波形腹板，切断后成所需规格的横向波形腹板；采用步进式冲压机加工时是利用模具一段、一段地冲压出横向波形腹板，故较适宜于波形为梯形的腹板制造。
C、将带钢采用一次性连续冷弯轧制成型装置制成带横向波纹的波形腹板并切断形成所需规格的一次性连续冷弯轧制成型横向波形腹板；利用本方法制造的波形腹板的波形可以是圆弧形、渐开线形或梯形，其形状取决于轧制压辊的形状。
(2)其次采用焊接的方法制取成品：将前述A、B或C方法制造所得的横向波形腹板与相同规格的二侧翼板焊接，即得到横向波形腹板H型钢材。
本发明的H型钢材焊接成形后还应继续进行常规工艺下的校正和表面处理以提高产品质量和美观性。校正可采用机械校正，也可采用热处理的办法进行校正；表面处理包括焊点清理、表面除锈、油漆等常规方法。
为保证本发明的焊接质量，可在焊接前将二侧翼板和波形腹板在工装上组对后进行焊接，组对是指将待焊接的腹板、二侧翼板安装在工装上供人工或机器自动焊接，工装的目的主要是起定位和夹紧作用，结构简单，可自行设计制造。焊接可采用人工焊、自动焊等常规金属焊接方法及设备进行。可采用电焊、气焊、氩弧焊、CO2焊等等方法中的一种。
总之，本发明的H型钢材的制造工艺除波形腹板的制造成形工艺与传统的工艺有所区别外，其余与常规工艺相同，对焊接准备、焊接设备也无特殊要求。
为提高生产效率和提高产品质量，克服焊接型横向腹板可能存在的部分缺陷，本发明提供一种横向波形腹板一次性连续冷弯轧制成型装置，它包括开卷装置4、校平装置5、滚压成型装置7、定长切断装置8、接收装置9，其特征是滚压成型装置7包括二个齿形轧辊10、11，二个齿形轧辊10、11上、下安装并相啮；卷状带钢12安装在开卷装置4上，穿过校平装置5校平后变成平板带钢12，经过对中装置6对中后，进入二个齿形轧辊10、11之间，二个齿形轧辊10、11啮合将平板带钢12压制成横向波形腹板，并从二个齿形轧辊10、11的另一侧穿出，进入定长切断装置8按设定的长度切断后形成所需的横向波形腹板1，进入接收装置9。上述的开卷装置4、校平装置5、对中装置6、滚压成型装置7、定长切断装置8、接收装置9均为独立装置，它们通过加工过程中的钢带12连成一个整体。带钢12的厚度可在5～10mm之间选取。卷状带钢12可自制，也可从市场上直接购置。自制时也是利用常规的开卷机组，首先将从钢厂购得的钢卷利用开卷机开卷后，切边、分切，然后经卷取装置卷制成定宽的钢卷。
滚压成型装置7上安装的二个齿形轧辊10、11的齿形可为渐开线形、圆弧形或梯形，本实施例的二个齿形轧辊均为圆弧形码齿轮轧辊，如图2、3所示。
其中的开卷装置4、校平装置5、对中装置6、定长切断装置8、接收装置9均为制造业常用设备，可从市场直接购买或自制，其中的滚压成型装置7结构也相当简单，主要由上、下齿形轧辊10、11组成，其设计和制造也相当简便，上、下齿形轧滚10、11的驱动可采用电机通过传动装置驱动。上述各装置均为独立装置，它们通过加工过程中的钢带12连成一个整体。此外，本发明的成形装置中除滚压成型装置7外，大部分型材制造企业均有相关设备，只要稍加改进即可投入使用。
本发明的横向波形腹板是指用与翼板平行的面与腹板相交所得的截面形状为波形状(圆弧形、渐开线形或梯形)。
本发明的H型钢材与热轧型工字钢、热轧型H型钢材及普通焊接型H型钢材的节材效果如附表所示。表中RSP代表本发明的采用一次性连续冷弯轧制成形横向波形腹板的H型钢材。
附表：RSP与相近热轧工字钢、H型钢和普通焊接H型钢相对比 RSP 热轧工字钢 号 数 惯性矩(Ix) cm4 单重 kg/m 型 号惯性矩(Ix) cm4 单重 kg/m 每米节省 料重，％ 3 9115 24.50 28b 7480 47.89 48.84 4 11586 25.83 32b 11600 57.74 55.26 6 17486 30.12 36c 17300 71.34 57.78 11 22854 37.56 40b 22800 73.88 49.16 13 33182 42.75 45a 32200 80.42 46.84 16 52278 49.41 50c 50600 109.35 54.81 18 67409 55.98 55a 65600 106.32 47.35 26 92428 71.04 63a 93900 121.41 41.49 RSP H型钢 号 数 惯性矩(Ix) cm4 单重 kg/m 型 号 惯性矩(Ix) cm4 单重 kg/m 每米节省 料重，％ 3 9115 24.50 HP250*250 8790 64.4 61.96 4 11586 25.83 HW250*250 11500 82.2 68.58 6 17486 30.12 HW300*300 17000 85 64.56 11 22854 37.56 HW300*300 21600 106 64.57 13 33182 42.75 HW350*350 33300 115 62.83 16 52278 49.41 HW400*400 56400 147 66.39 18 67409 55.98 66900 172 67.45 26 92428 71.04 93000 233 69.51 4 11586 25.83 HN350*175 11200 41.8 38.21 6 17486 30.12 HN400*150 18800 55.8 46.02 11 22854 37.56 HN400*200 23700 66 43.09 13 33182 42.75 HN450*200 33700 78.5 45.54 16 52278 49.41 HN500*200 56500 103 52.03 18 67409 55.98 HN650*200 69300 95.1 41.14 26 92428 71.04 91000 120 40.80 RSP 普通焊接H型钢 号 数 惯性矩(Ix) cm4 单重 kg/m 型 号 惯性矩(Ix) cm4 单重 kg/m 每米节省 料重，％ 3 9115 24.50 350*150 8882011 34.57 29.13 4 11586 25.83 350*200 11221.81 40.85 36.77 6 17486 30.12 400*200 Tw＝6.0，Tf＝8.0 15125.98 43.21 30.29 400*200 Tw＝4.5，Tf＝9.0 15852.98 41.75 27.86
注：表中H型钢的数据表示宽缘H型钢，HN表示窄翼缘H型钢。