hst2

Płaskowniki stalowe a otwory i wycięcia – jak obróbka wpływa na nośność i trwałość elementu?

Spis treści

Płaskowniki stalowe są wykorzystywane jako łączniki, wzmocnienia, przewiązki, wsporniki, elementy ram oraz części maszyn. Ich regularny, prostokątny przekrój ułatwia projektowanie i obróbkę, jednak sytuacja zmienia się po wykonaniu otworów, szczelin lub podcięć.

Każde usunięcie fragmentu materiału zmniejsza powierzchnię zdolną do przenoszenia obciążenia. Otwór potrzebny do zamocowania śruby może jednocześnie stać się miejscem koncentracji naprężeń, odkształcenia albo rozpoczęcia pęknięcia.

Nie oznacza to, że płaskowniki z otworami są rozwiązaniem nietrwałym. O ich bezpieczeństwie decydują przede wszystkim prawidłowy projekt, odpowiednie rozmieszczenie wycięć, dobrana technologia obróbki oraz staranne wykończenie krawędzi.

Gdzie stosuje się płaskowniki stalowe z otworami?

Płaskowniki stalowe z otworami spotyka się w konstrukcjach budowlanych, maszynach, urządzeniach przemysłowych, systemach magazynowych i zabudowach transportowych. Mogą pełnić funkcję łączników, stężeń, uchwytów, prowadnic lub elementów regulacyjnych.

Okrągłe otwory najczęściej służą do wykonywania połączeń śrubowych. Otwory podłużne umożliwiają natomiast przesuwanie części, regulację położenia podzespołu albo kompensowanie niewielkich różnic montażowych.

Znaczenie obróbki zależy od funkcji elementu. Niewielki otwór w uchwycie osłonowym nie będzie pracował w taki sam sposób jak otwór wykonany w płaskowniku przenoszącym siły rozciągające. Dlatego identyczna geometria może być wystarczająca w jednej konstrukcji, a zbyt słaba w innej.

W jaki sposób otwór zmniejsza nośność płaskownika?

Płaskownik bez otworów przenosi obciążenie przez całą powierzchnię przekroju. Po usunięciu części materiału powstaje przekrój netto, czyli rzeczywista powierzchnia stali pozostająca w miejscu otworu.

Jeżeli otwór jest duży w stosunku do szerokości elementu, po jego obu stronach pozostają wąskie pasma materiału. To one muszą przejąć całe obciążenie. W konsekwencji może dojść do wydłużenia płaskownika, deformacji otworu albo rozerwania elementu w jego najsłabszym miejscu.

Przy ocenie płaskownika należy uwzględnić między innymi:

  • szerokość i grubość materiału,
  • średnicę oraz liczbę otworów,
  • pozostały przekrój netto,
  • kierunek działania obciążenia,
  • rozstaw otworów,
  • odległość od końca i bocznych krawędzi.

Kilka niewielkich otworów znajdujących się w jednej linii może osłabić element bardziej niż jeden większy otwór umieszczony w korzystniejszym miejscu. Kluczowe znaczenie ma więc nie tylko ilość usuniętego materiału, lecz także jego rozmieszczenie.

Dlaczego wokół otworów powstają większe naprężenia?

Obciążenie działające na pełny płaskownik może rozkładać się stosunkowo równomiernie. Otwór zakłóca ten przebieg, ponieważ siły muszą zostać przeniesione przez materiał pozostający po jego bokach.

W pobliżu krawędzi otworu naprężenia stają się więc większe niż w pozostałej części elementu. Zjawisko to nazywa się koncentracją naprężeń. Jego znaczenie rośnie przy obciążeniach zmiennych, drganiach i uderzeniach.

Szczególnie niebezpieczne są zadziory, głębokie ślady obróbki, nadtopienia i ostre narożniki. Mogą działać jak niewielkie karby, w których rozpocznie się pęknięcie zmęczeniowe. Początkowo uszkodzenie bywa niemal niewidoczne, ale z każdym cyklem obciążenia może stopniowo się powiększać.

Otwór okrągły, fasolka czy wycięcie prostokątne?

Otwór okrągły jest zazwyczaj najkorzystniejszy pod względem rozkładu naprężeń. Nie ma ostrych narożników, a obciążenie może rozchodzić się wokół niego w bardziej płynny sposób.

Podłużne fasolki stosuje się tam, gdzie potrzebna jest regulacja. Ich końce powinny być zaokrąglone. Ostre zakończenie szczeliny tworzyłoby bardzo niekorzystny punkt koncentracji naprężeń.

Wycięcia prostokątne również mogą być potrzebne, na przykład jako miejsca przejścia innych elementów. W ich wewnętrznych narożnikach warto jednak stosować promienie. Im bardziej gwałtowna zmiana geometrii, tym większe ryzyko miejscowego przeciążenia.

Problemem mogą być także podcięcia wykonane tylko po jednej stronie. Taki płaskownik traci symetrię, przez co poza rozciąganiem lub ściskaniem może zostać dodatkowo poddany zginaniu.

Jak blisko krawędzi można wykonać otwór?

Zbyt mała odległość pomiędzy otworem a końcem płaskownika może doprowadzić do wyrwania fragmentu materiału. Śruba przekazuje wtedy siłę na bardzo małą powierzchnię stali, która może zostać ścięta lub zdeformowana.

Podobne ryzyko występuje przy niewielkiej odległości od krawędzi bocznej. Pozostawiony pas materiału może nie mieć wystarczającej szerokości, aby bezpiecznie przenieść obciążenie.

Nie można wskazać jednej odległości właściwej dla wszystkich elementów. Powinna ona wynikać z:

  • średnicy otworu,
  • grubości płaskownika,
  • gatunku stali,
  • kierunku działania siły,
  • rodzaju połączenia,
  • charakteru obciążenia,
  • wymagań dokumentacji technicznej.

Ważny jest również rozstaw kilku otworów. Jeżeli znajdują się zbyt blisko siebie, pomiędzy nimi powstają wąskie mostki materiału, które mogą zostać rozerwane albo trwale odkształcone.

Jak technologia wykonania wpływa na jakość otworu?

Otwory w płaskownikach mogą być wiercone, wycinane laserowo, wykonywane plazmą albo obrabiane na maszynach CNC. Każda metoda ma inne możliwości i pozostawia nieco inną jakość krawędzi.

Wiercenie pozwala uzyskać dokładne i regularne otwory. Po spodniej stronie materiału mogą jednak pozostać zadziory, dlatego często konieczne jest gratowanie lub fazowanie.

Cięcie laserowe dobrze sprawdza się przy wykonywaniu większej liczby elementów o powtarzalnej geometrii. Umożliwia jednoczesne wycinanie otworów, konturu i bardziej skomplikowanych kształtów. Parametry procesu muszą jednak zostać dopasowane do rodzaju oraz grubości stali.

Plazma może być wykorzystywana przy grubszych materiałach i mniej rygorystycznych tolerancjach. Krawędź może wymagać dodatkowego oczyszczenia z żużla, wyrównania albo rozwiercenia.

W przypadku otworów pod sworznie, śruby pasowane lub elementy wymagające dużej precyzji samo wycięcie termiczne może być niewystarczające. Konieczna może być dalsza obróbka mechaniczna.

Jak uniknąć osłabienia płaskownika podczas obróbki?

Najważniejsze jest uwzględnienie otworów już na etapie projektowania. Nie powinny być przypadkowo przesuwane ani powiększane podczas montażu bez sprawdzenia wpływu tej zmiany na nośność elementu.

Należy też dopasować kształt wycięcia do rzeczywistej funkcji. Jeżeli potrzebna jest regulacja, warto zastosować fasolkę z zaokrąglonymi końcami. Gdy wystarcza zwykłe połączenie śrubowe, nie ma potrzeby wykonywania większego otworu podłużnego.

Duże znaczenie ma wykończenie powierzchni. Usunięcie zadziorów, żużla, ostrych krawędzi i śladów po cięciu ogranicza liczbę miejsc, w których mogą koncentrować się naprężenia.

Przy produkcji seryjnej trzeba również kontrolować powtarzalność położenia otworów. Niedokładności mogą utrudnić montaż, wymusić rozwiercanie elementów albo powodować powstawanie naprężeń już podczas składania konstrukcji.

Kontrola gotowego elementu

Gotowe płaskowniki stalowe powinny zostać sprawdzone pod względem wymiarów oraz jakości wykonania. Kontrola nie może ograniczać się wyłącznie do pomiaru długości i szerokości.

Należy zweryfikować średnicę otworów, ich rozstaw, odległość od krawędzi, zgodność z rysunkiem oraz stan powierzchni po obróbce. Widoczne pęknięcia, nierówności, ostre zadziory lub głębokie wżery powinny zostać usunięte albo poddane dalszej ocenie.

W konstrukcjach odpowiedzialnych za bezpieczeństwo zakres odbioru powinien wynikać z projektu i wymagań technologicznych. Nawet niewielki błąd wykonania może mieć duże znaczenie, jeżeli znajduje się w najbardziej obciążonej części elementu.

Najczęściej zadawane pytania

Każdy otwór zmniejsza ilość materiału w przekroju. Nie oznacza to jednak, że element automatycznie staje się zbyt słaby. O wpływie otworu decydują jego rozmiar, położenie, kształt oraz obciążenie działające na płaskownik. Prawidłowo zaprojektowany otwór może bezpiecznie spełniać swoją funkcję przez cały okres eksploatacji.

Zazwyczaj tak, ponieważ nie ma ostrych narożników powodujących silną koncentrację naprężeń. Prostokątne wycięcia również mogą być stosowane, ale ich narożniki powinny mieć odpowiednie promienie. Znaczenie ma także położenie wycięcia i wielkość pozostającego przekroju. Każdy przypadek należy oceniać w odniesieniu do rzeczywistych obciążeń.

Gratowanie usuwa ostre zadziory i nierówności pozostające po wierceniu lub cięciu. Poprawia przyleganie podkładek, śrub i innych elementów połączenia. Ogranicza również ryzyko powstania karbu, od którego mogłoby rozpocząć się pęknięcie. Jest to szczególnie ważne w częściach poddawanych drganiom.

Można to zrobić tylko wtedy, gdy zmiana jest zgodna z dokumentacją albo została zaakceptowana przez projektanta. Powiększenie otworu zmniejsza przekrój netto i odległość od krawędzi. Może także zwiększyć luz w połączeniu. Samowolne rozwiercanie elementu nośnego może więc obniżyć bezpieczeństwo konstrukcji.

Należy przygotować dokładny rysunek określający wymiary płaskownika, średnice otworów, rozstawy, tolerancje i wymagania dotyczące krawędzi. Warto również wskazać przeznaczenie elementu oraz oczekiwaną technologię wykonania. Pozwala to dobrać właściwy proces produkcyjny i ograniczyć ryzyko poprawek podczas montażu. 

Podsumowanie

Płaskowniki stalowe z otworami i wycięciami mogą zachować wysoką nośność, jeżeli ich geometria zostanie odpowiednio zaprojektowana. Największe znaczenie mają przekrój netto, położenie otworów, odległość od krawędzi oraz sposób wykończenia powierzchni.

Niebezpieczne są przede wszystkim duże otwory w wąskich elementach, ostre narożniki, zbyt małe rozstawy oraz niedokładnie oczyszczone krawędzie. W miejscach narażonych na drgania i obciążenia zmienne nawet niewielki karb może przyspieszyć rozwój pęknięcia.

Prawidłowo dobrana technologia obróbki i dokładna kontrola pozwalają wykonać funkcjonalny element bez niepotrzebnego obniżania jego trwałości.

Sprawdź ofertę Hurtostal

Ostatnie wpisy