DE1013250B - Verfahren und Vorrichtung zum absatzweisen Reduzieren von Rohren ueber einen konischen Dorn - Google Patents

Description

Die Gleichmäßigkeit der Wanddicke nahtloser Rohre ist weitgehend von der Mittigkeit der Lochung des Ausgangsblocks abhängig. Ein Verlaufen des Lochs bzw. des Dorns beim Lochen im Schrägwalzwerk oder in der Ehrhardtschen Lochpresse ist außer durch Werkzeugmängel und -abnutzung auch durch Inhomogenitäten und Temperaturunterschiede im Block möglich. Die bekannten Zieh- oder Walzmaßnahmen bieten keine Möglichkeit, dem Dorn zur Korrektur einer eventuellen Exzentrizität der Bohrung eine starre Führung zu geben; er nimmt vielmehr diejenige Gleichgewichtslage ein, die die von der Rohrinnenwand auf ihn wirkenden Radialdrücke bestimmen. Dies trifft grundsätzlich auch für nachgezogene geschweißte Rohre zu, wenn die Naht nicht beidseitig abgehobelt wird.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Vergleichmäßigung der Rohrwand dadurch erreicht, daß die Rohrwand zunächst durch gleichmäßig verteilte, äußere, vor allem auf die Oberfläche ausschließlich senkrecht wirkende Druckkräfte tangential gestaucht und dann abgestreckt wird. Dabei wird das Material zuerst an der Stelle der geringsten Wanddicke fließen. Eine der allgemeinen Reduktion vorauseilende örtliche Stauchung verdickt die Rohrwand örtlich, bis sich über den Rohrumfang gleich hohe Tangentialspannungen als Folge gleicher Rohrwanddicke einstellen und die Fließgrenze ringsum erreicht wird. Jeder Rohrquerschnitt wird in einem Arbeitsgang mehrfach gestaucht, während er die von der Rohrlänge unabhängige Verformungszone passiert.

Gleichmäßige Druckkräfte wirken auch bei den üblichen Matrizenziehverfahren während der Reduktion des Rohres im Einlaufkegel der Ziehmatrize, doch ist die zur Vergleichmäßigung der Wanddicke nötige tangentiale Materialverschiebung durch die sehr beträchtliche Reibung zwischen Rohrwand und Werkzeug behindert. Daran beteiligt sich auch die Stützwirkung der benachbarten, nicht fließenden Rohrquerschnitte vor und nach der relativ kurzen Reduktionszone. Schließlich ist es die Längszugspannung, die sich von der ersten Berührung der Rohroberfläche mit der Matrize in Ziehrichtung aufbaut, die die zunächst tangentiale Stauchung eines den Einlaufkegel der Ziehmatritze passierenden, betrachteten Materialteilchens vorwiegend in eine axiale Streckung überleitet, wie die Beziehung zwischen Spannung und plastischer Formänderung aussagt.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet die geschilderte Reibungsbehinderung dadurch, daß es unter Druck gebrachte Gase oder ■— in beim Abstrecken von Draht mittels Hindurchführens durch eine Druckkammer bekannter Art — Flüssigkeiten innerhalb einer druckfesten Kammer zur Ausübung Verfahren und Vorrichtung
zum absatzweisen Reduzieren von
Rohren über einen konischen Dorn

Anmelder:

Dipl.-Ing. Anton Müller,
Werther bei Bielefeld, Engerstr. 17

Dipl.-Ing. Anton Müller, Werther bei Bielefeld,
ist als Erfinder genannt worden

der auf die Rohroberfläche einwirkenden Verformungskräfte verwendet. Deren Reibung ist vernachlässigbar, die Verformung folgt ausschließlich den äußeren Normalkräften, und die Reduktionszone läßt sich ohne Nachteile zur Ausschaltung der Stützwirkung beliebig verlängern.

Das bekannte Verformen von Draht mittels einer hydraulischen Druckkammer erbringt zwar auch gegenüber dem üblichen Ziehvorgang den Vorteil einer beträchtlichen Reibungsminderung. Die im bekannten Fall für den Erfolg wesentlichen Voraussetzungen sind aber beimVerformen von Rohren andere.

Die bekannte Arbeitsmethode kann daher zur Lösung der hier vorliegenden Aufgabe nichts beitragen.

Es wurden allerdings schon Rohre unter hydraulischem Außendruck reduziert und gestreckt, wobei sich das ganze Rohr einschließlich eines in ihm angeordneten Dorns in einer entsprechend langen Druckkammer befand und eine auf dem Rohr befestigte, in der Druckkammer längs verschiebliche Dichtung diese abschloß. Die sich an den Stirnflächen der Dichtungen ergebenden Axialkräfte wurden dabei mit zur Verformung herangezogen. Hierbei sind aber wegen der Gefahr des Einbeulens der Rohrwand nur geringe Verformungsgrade möglich. Es muß daher der Arbeitsvorgang unter Auswechseln des Dorns gegen einen etwas dünneren oftmals wiederholt werden, um eine große Gesamtverformung zu erreichen. Auch läßt sich höchstens im Rohrinnern eine Glättung und Kalibrierung erzielen, deren Güte noch von der zum Lösen des Rohres vom Dorn verwendeten Maßnahme abhängt. Bis zum Anlegen der Rohrwand an den Dorn findet eine Hohlreduktion statt, die gefährliche Eigenspannungen mit sich bringt und zum Aufplatzen der fertigen Rohre führen kann.

Zur Abstellung dieses Übelstandes ist es bereits bekannt, dem üblichen Hohlreduktionszug durch Ma-

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trizen eine Aufweitung über einen Dorn naclizuschalten und dadurch die Eigenspannungen abzubauen. Untersuchungen über die Wirkung von Matrizenzügen mit und ohne Dorn haben gezeigt, daß die nach dem Kaltziehen im- Rohr verbleibenden Eigenspannungen um so höher werden, je geringer die Querschnittsabnahme ist, also je ungleichmäßiger hinsichtlich Größe und Richtung die plastischen Gitterdeformatiorten radial verlaufen. Nützliche Hinweise gibt die Betrachtung der Spannungsverteilung sowohl im elastischen Bereich als auch nach dessen Überschreiten. Sind p_t, p_r und p_a die mittleren Druckspannungen in der Rohrwand in tangentialer, radialer und axialer Richtung, f_t, f_T und f_a die entsprechenden Formänderungskomponenten, so ist das plastische Verformungsvermögen nach G. Sieb el vom mittleren spezifischen Druck

p_m =

Pt + Pt + Pa

abhängig. Formänderungskamponenten und Spannungen stehen sich in folgender Beziehung gegenüber:

ft-fr-fa=

■ (Pr~Pm) ■ (ia~Pm)·

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Axiale Zugspannungen, also ein negatives p_a, vermindern folglich die tangentiale Stauchung der Rohrwand zugunsten ihrer Längsstreckung und verminderndas Gesamtverformungsvermögen. Bei einer Betrachtung der Rohrw'änd als Summe von konzenirischen Verformungszonen ist von der innersten Zone das geringste Verformungsvermögen zu erwarten, da dort p_r = 0 ist. Andererseits führt bei dickwandigen Rohren die Tangentialspaiinungsspitze dort zum voreilenden Fließbeginn, ihr Verformungsvermögen wird zuerst erschöpft. Dies erklärt, warum Spannungsrisse innen ansetzen. Dazu ändern sich die räumlichen Hauptspannungs- und Verformungsrichtungen von der innersten zur äußersten Zone, wodurch der nach der Verformung verbleibende Eigenspannungszustand bestimmt wird. Diese Spannungsund Verformungsverhältnisse treffen auf Hohlzüge zu, aber auch auf Dorn- und Stangenzüge im kurzen Bereich von der Berührung des Rohres mit dem Einlaufkegel der Matrize bis zur Anlage der Rohrinnen-•wand an den Dorn oder die Stange.

Das erfindungsgemäße Verfahren beseitigt die geschilderten Nachteile der in radialer Richtung ungleichen Verformungsbedingungen weitgehend dadurch, daß die Reduktion erfindungsgemäß gegen einen nachgiebigen, durch ein gasförmiges oder flüssiges Medium ausgeübten Innendruck erfolgt, so daß p_r von außen zur Bohrung- hin, also nicht nach Null abfällt. Wegen des Verzichts auf jegliche Längszugspannung folgt die Längsstreckung des Rohres beim Reduzieren aus der Querdehnung beim Stauchvorgang. Dieser wirkt zwangläufig eine geringe Längsdruckspannung entgegen, die aus der Reibung zwischen Rohr und den die Druckräume abdichtenden Ziehmatrizen und Dornansätzen resultiert. Es wirken also in jeder Richtung senkrechte Druckkomponenten auf die Gleitebenen der Kristalle, wodurch Trennbrüche auch bei hohen Verformungsgraden vermieden werden.

Das erfindungsgemäße- Verfahren bietet außer der bedeutenden Qualitätsverbesserung, die eine gleichmäßige Wanddicke für jedes Rohr unbestritten darstellt, einen für eine rationelle Fertigung wichtigen, hohen Veirformungsgrad, insbesondere bei der Kaltverformung. Andererseits gestattet der heutige technische Stand der warmfesten Werkstoffe die Anwendung von Arbeitstemperaturen über der kristallisationsgrenze des Rohrwerkstoffs, was begrenzte Verformung erlaubt und gleichzeitig diel anzuwendenden Drücke stark reduziert. Daß rnaW¹ dabei Oxydationsvermeidende Druckmedien verwenden kann, ist selbstverständlich und stellt keinen Teilt der Erfindung dar.

Zur Ermöglichung eines kontinuierlichen Arbeitsablaufs werden die Vorrohre an den Enden für eine Steckverbindung vorbereitet, die sich beim Eintritt in die Druckkammer abdichtet.

Zur Vermeidung unhandlich langer Druckkammern wie sie zur hydraulischen Reduktion von Rohren gekannt sind, soll die Verformung des Rohres in der bei Rohrstreckpressen einerseits und beim Pilger* andererseits bekannten Art absatzweise erfolgen, wobei das Rohr eine Druckkammer schrittweise passiert. Die Ausnutzung der hohen Gesamtveritypmungsmöglichkeit setzt einen Dorn voraus, der sic;h — wie beim Pilgern — in der Fortschrittsrichtung des Rohres verjüngt. Das Rohr wird vor der Druck"¹ kammer beispielsweise mit Klemmbacken gehalten und absatzweise vorgeschoben. Der Vorschub und dift dabei erfolgende Kalibrierung wird durch axiales Verschieben des Dorns unterstützt.

Als Beispiel einer bekannten Vorrichtung zum Abstrecken und zum Verfeinern von Rohren sei dem Pilger-, insbesondere dem Kaltpilgerwalzwer] Rohrstreckpresse angeführt. Sie ist sozusagen vorgeschlagenen Arbeitseinrichtung reziprok wie sich auch ihre Rohrverformung zu der hieir ι fiten absichtigten reziprok verhält. Sie arbeitet nämlich Wt einer oder mehreren hin- und hergehenden, als "&%&*- trizen oder Schleppwalzen ausgebildeten Werkzeugen, Sie streckt die Rohrwand durch Aufschieben efciep Rohrstücks über einen feststehenden Dorn und durch Überschieben des Ziehwerkzeuges über das geweitete Rohrstück ab. Dagegen führt bei der Erfindung ι der Dorn Arbeitshübe aus, und das Rohr wird durch Stauchen des Rohrumfangs zunächst reduziert und dann durch weitere Einwirkung des Außendrucks ίιΐ der Wandstärke abgestreckt. Beide Vorrichtungen verwenden Dorne mit einer im Sinne der Rohrverformung gehenden — also einander entgegengesetzten — Konizität. Bei Rohrstreckpressen erscheint eine Vergleichmäßigung der Rohrwand in dem Ausmaß, wie sie im vorliegenden Fall erreicht wird, nicht möglich. Die Tangentialspannungen überschreiten zwar auch hier zuerst an der dünnsten Stelle der Rohrwand die Fließgrenze, doch sind es in Verbindung mit Reibungskräften an der Dornoberfläc/h« einhergehende Zugspannungen, die jene weitere örtliche Verringerung der Wanddicke bewirken.

Dagegen liegt dasselbe absatzweise Bearbeiten über einen konischen Dorn und dieselbe grundsätzliche, Dornanordnung und -ausbildung beim Pilgern, z. Bi Kaltpilgern, von Rohren vor, bei dem das Rohr ebenfalls zunächst tangential gestaucht und dann die Rohrwand mit dem Dorn als festem Widerlager abgestreckt wird. Auch das Nachschalten eines die" Rohroberfläche glättenden und das Rohr kalibrierenden Ziehwerkzeugs ist in Verbindung mit Pilger" Walzwerken bereits bekannt. Allerdings erfolgt auqh beim Pilgern die Druckeinwirkung wegen des Rei^ bungseinflusses nicht, wie bei der Erfindung geriaiU senkrecht zur Werkstückoberfläche.

Abb. 1 zeigt beispielsweise eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung , im ti Längsschnitt. Die für den schrittweisen Durcbsiatndlli

beliebig langer Rohre geeignete Druckkammer 1 be · sitzt am Ein- und Austritt des Rohres 4 erfindungsgemäß je eine Matrize 2 und 3. Diese Matrizen haben an sich bekannte, federnde Hälse 2 a und 3 a, die vom Außendruck beaufschlagt werden und die Matrizen bei der Abdichtung des äußeren Druckraumes unterstützen. Ein Dorn 5, der in bekannter Weise an einer Dornstange so gehalten ist, daß sein Endansatz 5 b mit der Austrittsmatrize 3 korrespondiert und mit dieser Abmessung und Querschnittsform des Fertigrohres be- ίο stimmt, besitzt erfindungsgemäß noch einen weiteren, sich an die Rohrinnenwand anpressenden Ansatz 5 a, der mit der Eintrittsmatrize 2 korrespondiert und so zwischen seinen beiden Ansätzen 5 a und Sb einen weiteren druckdichten Raum im Rohrinnern schafft. Zwischen den beiden Ansätzen ist der Dorn durch eine in Vorschubrichtung des Rohres verlaufende Verjüngung gekennzeichnet, die konisch oder in leicht konischen Stufen 5e mit den Abrundungen 5 c? ausgebildet ist. Weiterhin besitzt er Bohrungen 5 c, die _ao von der Bohrung 5/ des Dorns und der Dornstange in den inneren Druckraum führen und über die an sich übliche hohle Dornstange die Steuerung des Drucks in dem Raum zwischen Rohr und Dorn, begrenzt durch die Dornansätze 5 α und 5 b, ermöglicht. Vorteilhaft münden die Bohrungen 5 c an den Stufenabsätzen des Dorns aus. Die Steuerung des Drucks in dem äußeren Druckraum ·— zwischen Druckkammer 1 und Rohraußenwand — erfolgt über die Druckleitung 6. - ■: ■

Bei der erfindunnsgemäßen Vorrichtung können die Ein- und Austrittsmatrizen 2 und 3 nicht nur verschiedene Querschnittsgrößen, sondern auch verschiedene Ouerschnittsforrnen aufweisen. Dabei kann der Dorn 5 zwischen seinen Ansätzen 5a und 5b, also im Arbeitsbereich der Druckkammer, die Form seines Querschnitts stetig von der des Ausgangsrohres zu der gewünschten Endform des Rohrinnern ändern. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die zu störender Oxydation der Werkstückoberfläche führen würden, kann der Druckkammer je eine Schutzzone vor- bzw. nachgeschaltet werden.

Zur Arbeitsvorrichtung gehört noch eine bekannte und deshalb keinen Teil der Erfindung bildende Vorschubmechanik, die beispielsweise das Rohr vor der Druckkammer mit ihren Greifbacken festhält, während der in derselben befindliche Rohrabschnitt verformt wird und das Rohr, wie bei der Rohrstreckpresse, nach jedem Arbeitsspiel vorschiebt. Eine ähnliche und nicht zur Erfindung gehörige Mechanik g₀ greift am Ende der Dornstange an, die sich über den Rohrrohling hinaus erstreckt. Diese Mechanik zieht den Dorn nach jedem Verformungsschritt gegenüber dem Rohr um den Vorschubhub zurück und bringt den Dorn und das Rohr gemeinsam wieder in die Arbeitslage.

Das Lösen des Rohres vom Dorn und Zurückziehen des letzteren kann durch einen kurzzeitigen Druckanstieg im inneren Druckraum unterstützt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Vorbereitung der Rohrenden für die zu einem kontinuierlichen Arbeitsprozeß notwendige Steckverbindung zeigt Abb. 2 im teilweisen Längsschnitt. Die Ringschneide am leicht gebördelten Ende 7 des voreilenden Rohres drückt sich beim Passieren des Spalts zwischen der ersten Matrize 2 und dem Dornansatz 5 a in den Anfang 8 des folgenden Rohres ein und dichtet dabei die Steckverbindung.

Der mit dem ernndungsgemäßen Verfahren erzielbare technische Fortschritt liegt im wesentlichen in der Vergleichmäßigung der Wanddicke im Zuge der Rohrabstreckung, was besonders bei nahtlosen Rohren sehr wertvoll ist. Die starke Reduktionsmöglichkeit in einem Durchgang erlaubt eine Innenkalibrierung solch kleiner Bohrungen, die bisher nur im Hohlzug bei größerer Rohrlänge erreichbar waren. Auch bei starker Reduktion des Rohres läßt sich Faltenbildung wegen der beliebigen Unterteilbarkeit der Gesamtverformung vermeiden. Weiterhin ist das Fertigrohr in seiner Länge unabhängig von der Arbeitsvorrichtung, und der sonst durch das übliche Angeln der Rohre anfallende Materialabfall wird durch die Steckverbindung stark verkleinert.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Verfahren zum absatzweisen Reduzieren von Rohren über einen konischen Dorn, bei dem in absatzweise aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen unter jedesmaligem Vorschieben bzw. Lösen des Werkstücks vom Dorn gleiche Werkstückteile in verschiedenen Querschnittsebenen wiederholt zunächst durch tangentiales Stauchen eine Verkleinerung ihres Durchmessers und damit eine Vergleichmäßigung der Wandstärke und sodann eine Abstreckung ihrer Wandstärke erfahren und das fertige Rohr schließlich zwischen dem Dorn und einer Ziehmatrize kalibriert und geglättet wird, dadurch gekennzeichnet, daß unter an sich bekannter Ausübung des Verformungsdrucks durch > ein. gasförmiges oder flüssiges Medium die Verformungskräfte senkrecht zur Rohroberfläche zur Einwirkung gebracht werden und daß der von dem Verformungsmedium ausgeübte Druck entsprechend dem absatzweisen Arbeitsvorgang stoßweise, d. h. pulsierend ausgeübt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr jeweils während des tangentialen Stauchvorgangs auf seiner Innenseite durch die Gegenkraft eines auf die Rohrinnenfläche senkrecht einwirkenden gasförmigen oder flüssigen Mediums nachgiebig beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, bei dem nach jedem Arbeitsspiel Dorn und Werkstück durch axiales, gegenseitiges Verschieben voneinander gelöst werden, dadurch gekennzeichnet, daß nach jedem Arbeitsspiel der auf das Rohr wirkende Innendruck so weit erhöht wird, daß das Rohr eine leichte Aufweitung erfährt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei dem die zu bearbeitenden Rohre jeweils vor dem Eintritt in die Bearbeitungseinrichtung ineinandergesteckt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Rohrende außen konisch vorgearbeitet wird und das andere einen Innenkonus mit einem gegen das Rohrende hin schneidenartig ausgebildeten Bund mit einer leichten Aufbördelung erhält, wobei beim Durchlaufen der ineinandergesteckten Rohrenden durch die Verformungseinrichtung diese druckfest miteinander verbunden werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung des Werkstücks bei einer oberhalb der Rekristallisationsgrenze des Werkstoffs liegenden Temperatur erfolgt.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 mit einer vom Werkstück zu durchlaufenden, druckfesten sowie auf der Ein- und Austrittsseite des Werkstücks abgedichteten Kammer, in der das Werk-

stück dem Druck eines auf seine Oberfläche einwirkenden gasförmigen oder hydraulischen Mediums, z. B¹. Öl, ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der einerseits sich verjüngende, andererseits während des Verformungs-Vorgangs axial festgehaltene Dorn (5) auf der Ein- und Austrittsseite des Werkstücks (4) aus der Druckkammer, und zwar gegenüber den als Ziehmatrizen mit je einem elastischen Hals ausgebildeten äußeren Druckraumdichtungen (2, 2 α, ίο 3, 3a), je einen an der Innenwand des Werkstücks dicht anliegenden Bereich (5a, 5b) aufweist und daß der dadurch im Rohrinnern gebildete druckdichte Raum unter die Einwirkung eines durch Bohrungen (5 c, 5/) des Dorns (5) zuführbaren Druckmittels versetzbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedesmal beim Stauchen des Werkstücks (4) ein im Werkstückinnern wirkender, gegenüber dem Außendruck kleinerer Druck und nach Beendigung des Verformungsvorgangs ein zum Aufweiten, d. h. Ablösen des Rohres vom Dorn ausreichender Druck aufbaubar ist.

8. In Arbeitsrichtung konisch abnehmender Dorn in einer Einrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung des Dorns (5) zwischen den beiden An-

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

sätzen (5 a, 5b) in mit stirnseitig abgerundeten?; Übergängen (5d) versehenen Stufen (5e) ver-*;. läuft. j

9. Dorn nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch! gekennzeichnet, daß die beiden Ansätze (5 α, 5b)$ eine unterschiedliche Querschnittsform und
sich verjüngende Übergang eine von der einen in* die andere Querschnittsform überleitende^s
staltung aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften "Nr. 914 576, 897

788, 841896, 552 344, 528 488, 440 435, 101 Ef |,

375; ^:;;B|_;j '■

schweizerische Patentschrift Nr. 131 862; , , ;·

französische Patentschriften Nr. 472 169, 319 ;2M|:; britische Patentschriften Nr. 556 471, 348 833; : _; « USA.-Patentschriften Nr. 2 650 509, 2 63&|ö7f { 568 303, 2 393 131, 2 247 863, 2 153 839, 2 060Ä7,r:'

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deutsche Patentanmeldungen K8871 Ib/7b, ,1,1

p5512Ib/7a; :j ;.ΐΐ

Zeitschrift »Werkstatt und Betrieb«, 1951, S. 84*

bis 90; ·,; ;■■ ί-ί'ίϊ

Zeitschrift »Zeitschrift für Metallkunde«, 1931$·

S. 178 bis 184; ■ t.i^}U

Zeitschrift »Stahl und Eisen«, 1951, S. 1260. ''■ ι;

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