DE102006004358A1

DE102006004358A1 - Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Trennen eines Rohres mittels eines Brennerkopfes

Info

Publication number: DE102006004358A1
Application number: DE102006004358A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. Gade
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-01-30
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2007-08-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Trennen eines Rohres mittels eines Brennerkopfes, wobei der Brennerkopf und ein Punkt auf einer Linie, entlang welcher das Rohr getrennt wird, relativ zueinander positioniert werden und das Rohr in Richtung von seiner Innenfläche zu seiner Außenfläche getrennt wird. Weiterhin gibt die Erfindung eine zum vorstehenden Verfahren korrespondierende Vorrichtung an.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Trennen eines Rohres mittels eines Brennerkopfes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum thermischen Trennen eines Rohres mittels eines Brennerkopfes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Das Schneiden von Rohren und rohrförmiger Bauteile erfolgt im Allgemeinen durch eine Trennverfahren, durch dass das Rohr oder das rohrförmige Bauteil von der Außenfläche hin zur Innenfläche getrennt wird. In der industriellen Praxis sind diesbezüglich unterschiedliche mechanische oder thermische Trennverfahren bekannt.

Bei den in der industriellen Praxis weit verbreiteten mechanischen Trennverfahren von Rohren, insbesondere durch Sägeverfahren, treten vermehrt Späne im Rohr und Grate an der Schnittkante auf, die vor einer weiteren Verarbeitung des Rohres entfernt werden müssen. Diese weiteren Prozessschritte sind kosten- und zeitintensiv.

Aus der DE 34 39 431 C1 ist eine Rohrbrennschneidmaschine bekannt, die Rohre mittels eines Schneidbrenners in der Richtung von der Außenfläche zur Innenfläche thermisch schneidet. Problematisch ist hierbei aber ebenfalls, dass auf der Innenfläche des geschnittenen Rohres Verunreinigungen durch z. B. Abbrand des thermischen Trennverfahrens auftreten, die eine Reinigung des Rohres erforderlich machen, sofern sich z. B. eine weitere Verarbeitung der Innenfläche als Bezugsfläche bedient. Weiterhin ist durch den offenbarten Aufbau der Rohrbrennschneidmaschine die Verstellbewegung von Schneidbrenner und zu schneidendem Rohr nur durch eine aufwendige und mechanisch komplexe Vorrichtung zu erreichen.

Die Aufgabe, die sich somit aus den zuvor genannten Problemen ableitet, ist, ein Verfahren zum Trennen von Rohren anzugeben, dass eine anschließende Reinigung bzw. Nachbearbeitung der Innenfläche und der Schnittkante wesentlich reduziert und somit die Kosten und den Zeitbedarf senkt, und eine dazu korrespondierende, vereinfachte Vorrichtung anzugeben.

Die Erfindung ist in Bezug auf das zu anzugebende Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche 2 bis 7 enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Bezug auf die anzugebende Vorrichtung ist die Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 8 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche 9 bis 12 enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Gelöst wird die Aufgabe hinsichtlich des anzugebenden Verfahrens erfindungsgemäß dadurch, dass ein Rohr mittels eines Brennerkopfes thermisch getrennt wird, wobei der Brennerkopf und ein Punkt auf einer Linie, entlang welcher das Rohr getrennt wird, relativ zueinander positioniert werden und das Rohr in Richtung von seiner Innenfläche zu seiner Außenfläche getrennt wird.

Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass durch das thermische Trennen keine Späne im Verfahren entstehen und dass sich keine Verschmutzung, z. B Abbrand, die einer Reinigung oder weiteren Bearbeitung bedarf, auf der Innenfläche des Rohres bildet. Durch diese Verfahrensführung wird ebenso sichergestellt, dass an der inneren Schnittkante, also in dem Bereich zur Innenfläche, keine Gratbildung stattfindet. Für eine anschließende Anwendung des Rohres, die die Innenfläche als Bezugsfläche hat, ist also keine Reinigung und/oder Nachbearbeitung erforderlich. Für eine anschließende Anwendung, die die Außenfläche als Bezugsfläche hat, ist die Nachbearbeitung, insbesondere zerspanende Nachbearbeitung, reduziert, da lediglich die äußere Schnittkante nachbearbeitet werden muss. Diese Nachbearbeitung ist wesentlich einfacher zu realisieren, da die äußere Schnittkante einfacher zugänglich ist als die innere Schnittkante. Vorteilhafterweise kann durch geeignete Abstimmung der Verfahrensparameter mit dem zu trennenden Rohr das Verfahren sogar so ausgelegt werden, das auch auf der äußeren Schnittkante die Nachbearbeitung noch weiter minimiert wird oder sogar entfällt.

Als weiteren Vorteil bieten thermische Trennverfahren einen wirtschaftlichen Vorteil, im Vergleich zu mechanischen Trennverfahren, da sie mit weitaus geringeren Investitions- und Handhabungskosten realisiert werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Brennerkopf rotiert und/oder verstellt. Der Brennerkopf wird dabei alternativ oder additiv um die Längsachse des Rohres rotiert, in der Richtung entlang der Längsachse des Rohres verstellt und in der Richtung horizontal und/oder vertikal quer zur Längsrichtung des Rohres verstellt.

Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass durch die Bewegung lediglich des Brennerkopfes die ganze Bandbereite an zu erzeugenden Schnittgeometrien auf einfache Art und Weise erreicht wird und der optimale Abstand zwischen Brennerkopf und zu trennendem Rohr lediglich über die Bewegung des Brennerkopfes eingehalten wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn keine kreisrunden Rohrquerschnitte getrennt werden und lediglich die Verstellung des Brennerkopfes an diesen unrunden Querschnitt angepasst wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Plasmabrennerkopf verwendet.

Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass durch die Verwendung eines Plasmabrennerkopfes und somit der Plasmatechnik als Trennverfahren ein sehr kostengünstiges Trennverfahren eingesetzt wird. Das Verfahren ist dadurch auf relativ einfache und kostengünstige Art und Weise zu realisieren.

Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Wahl des Plasmagases und der dem Plasmaprozess zugeführten weiteren Energie- und Stoffströme der Plasmaprozess auf das zu trennende Rohrmaterial in einfacher Art und Weise abstimmt werden kann. So kann z. B. die Schnittqualität durch die Plasmagas zusammensetzung beeinflusst werden und optimal auf den Rohrwerkstoff abgestimmt werden. Vorteilhaft ist weiterhin, dass durch die extrem hohe Temperatur des Plasmastrahls, von beispielsweise 20000K bis 30000K, das Trennen von Schichtdicken bis zu 150mm verzugfrei ermöglicht wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird außerhalb des zu trennenden Rohres eine Außenelektrode angelegt.

Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein Rohr aus elektrisch nicht leitendem Material, z. B. ein Kunststoffrohr, mittels der Plasmatechnik getrennt wird. In diesem Fall ist es erforderlich eine Außenelektrode um das Kunststoffrohr zu legen, die durch ihr elektrisches Potential den für die Plasmatechnik erforderlichen, hoch aufgeheizten Elektronenstrom ermöglicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Brennerkopf mit einem Roboter verbunden. Der Brennerkopf wird durch den Roboter positioniert und/oder durch diesen verstellt.

Durch diese Ausgestaltung steigt in vorteilhafter Weise die Automatisierbarkeit und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, da handelsübliche Robotersysteme aus der Automatisierungs- und Anlagentechnik, insbesondere zur thermischen Bearbeitungstechnik, eingesetzt werden. Gleichzeitig ist der steuerungstechnische Aufwand zur Programmierung des Verstellweges des Brennerkopfes für den Roboter minimiert, da handelsübliche Programmierungssysteme aus der Automatisierungs- und Anlagentechnik verwendet werden, die bereits vorhandene CAD-Datensätze der Schnittgeometrie zur Programmierung des Verstellweges nutzen. Alternativ oder additiv kann der Verstellweg über ein so genanntes „Teachverfahren" einprogrammiert werden. Dazu wird der Verstellweg des Brennerkopfes manuell mit dem Robotersystem abgetastet und/oder abgefahren und so in das Programmiersystem einprogrammiert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Rohr rotiert. Alternativ oder additiv wird das Rohr in der Richtung entlang seiner Längsachse und in der Richtung horizontal und/oder vertikal quer zu seiner Längsrichtung bewegt.

Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass so beim einem feststehenden Brennerkopf ebenfalls die ganze Bandbereite an zu erzeugenden Schnittgeometrien auf einfache Art und Weise erreicht wird und der optimale Abstand zwischen Brennerkopf und zu trennendem Rohr lediglich über die Bewegung des Rohres eingehalten wird.

Bei einem verstellbaren Brennerkopf liegt der Vorteil dieser Ausgestaltung darin, dass die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich gesteigert wird, da die Taktzeit eines Schnittes reduziert werden kann. Diese Ausgestaltung ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Brennkopfes, aufgrund einer großen zu bewegenden Masse, limitiert ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Rohrdurchmesser kleiner als 100mm getrennt. Dies ist insofern vorteilhaft, da mit marktüblichen Brennerköpfen, bedingt durch deren Bauart, lediglich Rohrquerschnitte größer als 100mm getrennt werden können.

Die Aufgabe hinsichtlich der anzugebenden Vorrichtung zum thermischen Trennen eines Rohres mittels eines Brennerkopfes wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zur relativen Positionierung des Brennerkopfes und des Rohres aufweist, wobei der Brennerkopf in das Rohr einfahrbar ist.

Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass der Brennerkopf so das Rohr von dessen Innenseite in Richtung zu dessen Außenseite trennt und so keine Späne auftreten und keine Verschmutzung, z. B durch Abbrand, auf der Innenfläche des Rohres entsteht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Einrichtung zur relativen Positionierung des Brennerkopfes und des Rohres derart ausgebildet, dass der Brennerkopf rotierbar ist und alternativ oder additiv in der Richtung entlang der Längsachse des Rohres, in der Richtung horizontal quer zur Längsrichtung des Rohres und in der Richtung vertikal quer zur Längsrichtung des Rohres verstellbar ist.

Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass durch die Rotation und Verstellbarkeit des Brennerkopfes jede Schnittgeometrie mit der Vorrichtung auf einfache Art und Weise herstellbar ist und der optimale Abstand zwischen Brennerkopf und zu trennendem Rohr vorhanden ist. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn mit der Vorrichtung kein kreisrunder Rohrquerschnitt zu trennen ist und dann lediglich die Rotation und die Verstellung des Brennerkopfes an diesen unrunden Querschnitt anzupassen sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Brennerkopf mit einem Roboter verbunden und alternativ oder additiv durch diesen verstellbar.

Durch diese Ausgestaltung steigt in vorteilhafter Weise die Automatisierbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung, da der Brennerkopf mit einem handelsüblichen Roboter aus der Automatisierungs- und Anlagentechnik, insbesondere der thermischen Bearbeitungstechnik, verbunden ist. Dadurch ist der steuerungstechnische Aufwand zur Programmierung der Vorrichtung und insbesondere des Verstellweges des Brennerkopfes minimiert, da handelsübliche Programmierungssysteme aus der Automatisierungs- und Anlagentechnik, bereits vorhandene CAD-Datensätze der Schnittgeometrie zur Programmierung des Verstellweges nutzen. Die Verstellwege des Brennerkopfes erfolgen dann zeitoptimiert und positionsgenau durch den Roboter. Alternativ oder additiv erfolgt die Programmierung des Verstellweges des Brennerkopfes über ein so genanntes „Teachverfahren".

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Brennerkopf ein Plasmabrenner.

Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung der Vorrichtung ist, dass somit eine relativ einfache Vorrichtung realisiert ist, die die kostengünstige und robuste Plasmatechnik zum Trennen von Rohren nutzt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein Plasmabrennerkopf durch seinen relativ einfachen Aufbau auch relativ einfach modifizierbar ist. Dies kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn z. B. der Rohrquerschnitt eine Änderung der Düsengeometrie des Plasmabrennerkopfes erfordert oder aber die Schnittgeometrie eine zur besseren Wärmeabfuhr im Plasmabrennerkopf eine geänderte Wasserkühlung und Zuführung der Stoffströme erfordert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Einrichtung zur relativen Positionierung des Brennerkopfes und des Rohres derart ausgebildet, dass das Rohr rotierbar ist und alternativ oder additiv in der Richtung entlang der Längsachse des Rohres, in der Richtung horizontal quer zur Längsrichtung und in der Richtung vertikal quer zur Längsrichtung des Rohres verstellbar ist Der Vorteil dieser Ausgestaltung der Vorrichtung ist, dass so auch bei einem Brennerkopf, der nach dem Einfahren in das Rohr feststehend ist, ebenfalls jede Schnittgeometrie mit der Vorrichtung auf einfache Art und Weise herstellbar ist und der optimale Abstand zwischen Brennerkopf und zu trennendem Rohr vorhanden ist.

Bei einem verstellbaren Brennerkopf liegt der Vorteil dieser Ausgestaltung der Vorrichtung darin, dass die Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung erheblich gesteigert ist, da die Vorrichtung eine geringere Taktzeit für einen Schnitt ermöglicht. Diese Ausgestaltung der Vorrichtung ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Einrichtung zur relativen Positionierung des Brennerkopfes und des Rohres, aufgrund einer großen zu bewegenden Masse, in Bezug auf die Bewegungs geschwindigkeit des Brennerkopfes limitiert ist.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Eine Konsole im Bereich eines Seitenschwellers eines Kraftfahrzeuges, die einen rohrförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 85mm besitzt und eine Wandstärke von 1,5mm aufweist, besteht aus einem niedrig legierten Stahlwerkstoff.
Die Konsole wird dabei durch Plasmaschneiden aus einem 1m langen Stahlrohr mit einem Durchmesser von 85mm und einer Wandstärke von 1,5mm abgetrennt. Dabei werden aus einem Stahlrohr nacheinander 6 Konsolen abgetrennt. Die Herstellung einer Konsole erfolgt in industriellem Maßstab mit einer Taktzeit von 10sec.
Bei der Herstellung einer Konsole wird das Stahlrohr in ein Dreibackenfutter einer Vorrichtung zum thermischen Trennen eines Rohres mittels eines Brennerkopfes eingespannt. Das Dreibackenfutter ist dabei rotierbar, so dass das Stahlrohr um seine Längsachse rotieren kann. Eine Prozesssteuerungs einrichtung regelt dabei die genaue Rotationsgeschwindigkeit des Stahlrohres.
Das Abtrennen der Konsole erfolgt mittels Plasmaschneiden. Dazu ist ein Plasmabrennerkopf mit einer wassergekühlten Kupferdüse mit einem zur Vorrichtung gehörenden Roboter verbunden. Der Roboter dient dabei zur Positionierung und Bewegung des Plasmabrennerkopfes. Damit der Plasmabrennerkopf die Konsole von der Innenseite des Rohres in Richtung der Außenseite schneiden kann, wird hier ein modifizierter und in seinen Abmessungen für den Anwendungsfall optimierter Plasmabrennerkopf verwendet, der in das Rohr einfahrbar ist. Die Bewegung des Plasmabrennerkopfes wird in der Robotersteuerung definiert. Dazu werden vorhandene CAD-Daten der Konsole verwendet. Die Robotersteuerung ist dabei ebenfalls mit der Prozesssteuerungseinrichtung verbunden. Als Plasmagas wird ein Luft-Stickstoff-Gemisch verwendet, so dass ein damit erzeugter Lichtbogen eine Temperatur von ungefähr 20000K erreicht. Als Sekundärgas zum weiteren Kühlen des Lichtbogens und zum Ausblasen des aufgeschmolzenen Werkstoffs wird Luft verwendet. Somit wird eine Schnittqualität erreicht, die keine Nacharbeit der Konsole erfordert.
Für den Vorgang des Plasmaschneidens wird der Plasmabrennerkopf durch den Roboter 15cm tief in das Stahlrohr an einen definierten Punkt eingefahren und der Lichtbogen wird gezündet. Anschließend wird der Plasmabrennerkopf durch den Roboter entlang seiner definierten Bahn bewegt und dazu korrespondierend das Stahlrohr rotiert. Der ganze Vorgang wird durch die Prozesssteuerungseinrichtung überwacht.
Nach Beendigung des Vorgangs wird die abgetrennte Konsole aus der Vorrichtung entnommen und als Rohbaukomponente weiterverarbeitet. Der Plasmabrennerkopf wird nach Entnahme der abgetrennten Konsole erneut in das Stahlrohr eingefahren und der Vorgang des Plasmaschneidens beginnt von neuem.

Claims

Verfahren zum thermischen Trennen eines Rohres mittels eines Brennerkopfes, wobei der Brennerkopf und ein Punkt auf einer Linie, entlang welcher das Rohr getrennt wird, relativ zueinander positioniert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr in Richtung von seiner Innenfläche zu seiner Außenfläche getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf rotiert wird und/oder in den Richtungen entlang der Längsachse des Rohres und/oder horizontal und/oder vertikal quer zur Längsrichtung des Rohres verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plasmabrennerkopf verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des zu trennenden Rohres eine Außenelektrode angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf mit einem Roboter verbunden wird und/oder durch den Roboter positioniert und/oder verstellt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr rotiert und/oder in den Richtungen entlang seiner Längsachse und/oder horizontal und/oder vertikal quer zu seiner Längsrichtung bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohre mit einem Rohrdurchmesser kleiner als 100mm getrennt wird.
Vorrichtung zum thermischen Trennen eines Rohres mittels eines Brennerkopfes, aufweisend eine Einrichtung zur relativen Positionierung des Brennerkopfes und des Rohres, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf in das Rohr einfahrbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur relativen Positionierung derart ausgebildet ist, dass der Brennerkopf rotierbar ist und/oder in der Richtung entlang der Längsachse des Rohres und/oder horizontal und/oder vertikal quer zur Längsrichtung des Rohres verstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf mit einem Roboter verbunden ist und/oder durch den Roboter verstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf ein Plasmabrennerkopf ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur relativen Positionierung derart ausgebildet ist, dass das Rohr rotierbar ist und/oder in der Richtung entlang der Längsachse des Rohres und/oder horizontal und/oder vertikal quer zur Längsrichtung des Rohres verstellbar ist.