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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von Rohren.
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Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zum Herstellen einer Matrize und eines Dorns.
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Metallische Rund- oder Profilrohre werden herkömmlich mittels Rohrziehbänken bzw. Rohrziehwerkzeugen hergestellt. Hierfür werden zunächst Vorrohre gefertigt, welche eine vergleichsweise grobe Oberflächenbeschaffenheit sowie freie Querschnitte und Wandstärken aufweisen, die sich von jenen der zu fertigenden Rohren unterscheiden. Das Vorrohr wird durch eine Matrize geführt, und der überstehende Angel des Rohres wird durch eine Ziehvorrichtung festgeklemmt. Indem das Rohr nun mittels der Ziehvorrichtung durch die Matrize gezogen wird, stellt sich dessen Außendurchmesser in Abhängigkeit des Innendurchmessers der Matrize ein. Dabei findet eine Umformung des Rohres statt - das Metall, aus welchem das Rohr gefertigt ist, fließt gegen die Zugrichtung der Ziehbank. Um auch den Innendurchmesser des Rohres festzulegen beziehungsweise zu verändern, kann nach dem Positionieren des Vorrohres in der Matrize ein Dorn in das Rohr eingeführt werden. Dieser bringt eine Gegenkraft zu der von außen durch die Matrize auf das Rohr wirkende Kraft auf, so dass insgesamt sowohl außen als auch innen am Rohr die für die Umformarbeit verursachenden Kräfte anliegen.
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Die Vorrohre sind häufig verschweißt. Um ein solches Vorrohr einer Ziehbank zuführen zu können, ist es erforderlich, die Schweißnaht vorher zu entfernen. Im Anschluss daran müssen die Vorrohre einen aufwändigen Prozess durchlaufen, um Verunreinigungen, die beim Entfernen der Schweißnaht entstehen, zu entfernen. Ebenfalls sind durch Transport und Lagerung bewirkte Verunreinigungen zu beseitigen. Weiteren Problemen begegnet man aufgrund langer Liegezeiten der Vorrohre sowie durch ungeeignete Lagerung. Werden die Rohre nicht in geeigneter Weise vorbehandelt, so entstehen beim Ziehen sogenannte Rattermarken, also Bereiche, die starke Veränderungen der Reibungswerte des Rohres an Matrize und/oder Dorn bewirken. Solche Rattermarken und Maßfehler können dazu führen, dass das Ziehen der Rohre gänzlich unmöglich wird. Im besten Fall ist es möglich, der Veränderung der Reibungswerte dadurch zu begegnen, dass beim Ziehen die Ziehgeschwindigkeit reduziert wird. Dies treibt die Herstellkosten aufgrund verringerten Durchsatzes in die Höhe.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Notwendigkeit einer aufwändigen Vorbehandlung beispielsweise einer chemischen Vorbehandlung, zu eliminieren.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung besteht in einer Vorrichtung zum Herstellen von Rohren, mit einer Matrize, wobei die Matrize Kühl- und/oder Heizbereiche zum Bereitstellen einer Kühlung und/oder Erwärmung und Führungsbereiche zum Führen von Schmiermittel aufweist. Hierdurch gelingt es, den Ziehprozess in kontrollierter Weise ablaufen zu lassen. Bei der Umformung der Rohre entsteht durch die Umformarbeit Wärme, die den gesamten Umformvorgang rückkoppelnd beeinflusst. Wirkt man der durch die Wärmeentstehung verursachten Temperaturerhöhung gezielt entgegen, nämlich durch die genannten Kühlbereiche, so können hierdurch definierte Verhältnisse eingestellt werden. Erhöhte beziehungsweise schwankende Reibungswerte können durch den gezielten Einsatz von Schmiermittel ausgeglichen werden. Ebenfalls ist es denkbar, Abschnitte der Matrize durch Heizbereiche zu erwärmen, wenn dies die Prozessführung im Einzelfall günstig gestaltet.
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Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die Kühl- und/oder Heizbereiche zumindest teilweise Führungsbereiche zum Führen eines Wärmeträgermediums sind. Das Kühlen und das Erwärmen erfolgen also dadurch, dass von außen ein Wärmeträger in das System eingebracht wird.
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Ebenfalls ist es möglich, dass die Kühl- und/oder Heizbereiche zumindest teilweise eine elektrische Kühlung und/oder Erwärmung zur Verfügung stellen. In diesem Fall sind Heizdrähte und/oder elektrische Kühlelemente, beispielsweise Peltier-Elemente, in der Matrize vorgesehen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Matrize Führungsbereiche zum Führen weiterer Substanzen aufweist. Solche weiteren Substanzen können Chemikalien sein, die der Reinigung oder der Oberflächenveränderung der Rohre vor und/oder bei dem Umformen der Rohre dienen.
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Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein Dorn vorgesehen ist, wobei der Dorn Kühl- und/oder Heizbereiche zum Bereitstellen einer Kühlung und/oder Erwärmung und/oder Führungsbereiche zum Führen von Schmiermittel aufweist. Somit können im Innenbereich des Rohres durch den Dorn dieselben Vorteile bewirkt werden, wie im Außenbereich durch die Matrize.
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Dies gilt auch in dem Zusammenhang, dass der Dorn Führungsbereiche zum Führen weiterer Substanzen aufweist.
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Die Erfindung ist in vorteilhafter Weise so ausgebildet, dass die Führungsbereiche zumindest teilweise durch Kanäle gebildet sind. Diese Kanäle zum Führen des Wärmeträgers, des Schmiermittels und/oder sonstiger Substanzen beziehungsweise Chemikalien sind im bevorzugten Fall einfach durch fehlendes Material in der Matrize und/oder dem Dorn gebildet. Ebenfalls ist es aber auch denkbar, Leitungen aus zusätzlichem Material innerhalb der Matrize und des Dorns auszubilden.
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Ebenfalls ist es möglich, dass die Führungsbereiche zumindest teilweise durch poröse Strukturen gebildet sind. Die in die Matrize und/oder den Dorn eingebrachten Fluide können die porösen Strukturen durchdringen, insbesondere unter Druck, so dass die Fluide auf diese Weise ihre gewünschten Zielorte erreichen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Führungsbereiche zum Führen des Wärmeträgermediums zumindest teilweise in ein geschlossenes Kühl- und/oder Heizsystem eingebunden sind. Der Wärmeträger durchläuft also einen geschlossenen Kreislauf, welcher zumindest ein Wärmeträgerreservoir und eine Fördervorrichtung für den Wärmeträger enthält.
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Ebenfalls kann aber vorgesehen sein, dass die Führungsbereiche zum Führen des Wärmeträgermediums zumindest teilweise in ein offenes Kühl- und/oder Heizsystem eingebunden sind. Der Wärmeträger kann also im Bereich der Matrize und/oder des Dorns austreten und die Oberflächen des Rohres umspülen. Hierdurch erlangt der Wärmeträger eine Doppelfunktion: Er sorgt für das Kühlen oder Erwärmen und gleichzeitig reinigt er die Oberflächen des Rohres. Eine solche reinigende Wirkung kann auch durch das Schmiermittel erzielt werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Sensorik zum Erfassen von Temperatur und/oder Druck und/oder Strömungsgeschwindigkeit und/oder Ziehkraft und/oder Ziehgeschwindigkeit vorgesehen ist. Kennt man die genannten von der Sensorik erfassten Größen, so ist auf dieser Grundlage eine Reaktion zur Beeinflussung des Ziehprozesses möglich. Alle genannten Größen können dann beeinflusst werden, beispielsweise durch die bereitgestellte Wärme des Wärmeträgers und/oder des Schmiermittels, den Druck dieser Medien und/oder deren Strömungsgeschwindigkeit. Die Sensorik für die Ziehkraft bei bekannter Ziehgeschwindigkeit beziehungsweise für die Ziehgeschwindigkeit bei bekannter Ziehkraft kann genutzt werden, um die Ziehkraft zu verändern beziehungsweise zur Veränderung der pro Zeiteinheit zur Verfügung gestellten Schmiermittelmenge. Ebenfalls können in Abhängigkeit von Ziehkraft beziehungsweise Ziehgeschwindigkeit Temperatur oder Druck der Medien verändert werden.
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Nützlicherweise geschieht dies dadurch, dass mindestens eine Regelung vorgesehen ist, die auf der Grundlage der Sensorik arbeitet. In einer solchen Regelung können also viele Daten der Sensorik sowie sonstige Daten zusammenlaufen, um auf diese Weise den Ziehprozess zu optimieren. Ein weiterer wichtiger Parameter, welcher Grundlage für die Regelung sein kann, ist die Viskosität des Schmiermittels, diese kann ebenfalls durch Sensorik erfasst werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass Viskositätsdaten des Schmiermittels beziehungsweise Parameter, die die Viskosität des Schmiermittels kennzeichnen, der Regelung auf andere Weise zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise durch manuelle Eingabe oder durch digitales Einlesen von Produktinformationen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Matrize für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die Matrize zumindest teilweise additiv gefertigt ist. Herkömmlicherweise werden Matrizen für Ziehbänke gegossen und durch subtraktive Verfahren, etwa Fräsen, gefertigt. Die additive Fertigungstechnik ermöglicht nun, wesentlich diffizilere Strukturen in die Matrize einzubringen, als dies bei subtraktiven Verfahren möglich wäre. Dies betrifft insbesondere die Kanäle und die porösen Strukturen, die vorteilhafter vorgesehen sein können. Als besonders vorteilhaft ist zu vermerken, dass äußere Teile der Matrize nach wie vor in herkömmlicher Fertigungstechnik hergestellt werden können.
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Es reicht mitunter aus, die inneren Bereiche der Matrize, also die Bereiche der Matrize, die in unmittelbarer Nähe des Rohres liegen, additiv zu fertigen, um eben diese Bereiche mit den genannten diffizilen Strukturen zu versehen. Bei Erreichen der Werkzeugstandzeit reicht es dann aus, nur den additiv gefertigten Teil der Matrize auszutauschen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass für verschiedene Aufgaben unterschiedliche additiv gefertigte Einsätze lagernd gehalten werden oder speziell gefertigt werden können.
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Gleiches gilt für das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Dorns für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei der Dorn zumindest teilweise additiv gefertigt ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde im Zusammenhang mit metallischen Rohren beschrieben, wobei der Fokus tatsächlich auf Stahlrohren liegt. Allerdings ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Die Erfindung kann auch im Zusammenhang mit dem Ziehen sonstiger Metallrohre, beispielsweise von Aluminiumrohren eingesetzt werden. Es ist sogar möglich, Kunststoffrohre auf der erfindungsgemäßen Grundlage zu fertigen. Es wurde auch erwähnt, dass die Vorrohre häufig geschweißt sind. Ebenfalls ist es aber möglich, die Vorteile der Erfindung im Zusammenhang mit gezogenen Vorrohren zum Einsatz zu bringen.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben.
- 1 zeigt ein Systemdiagramm zur Erläuterung der Erfindung.
- 2 zeigt Verfahrensdiagramme.
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1 zeigt ein Systemdiagramm zur Erläuterung der Erfindung. Als Komponenten einer Ziehbank sind eine Matrize 12, eine Ziehvorrichtung 24 und ein Dorn 18 dargestellt. Ein Rohr 10 ist in die Matrize 12 eingeführt, und der überstehende Angel 26 des Rohres 10 ist von der Ziehvorrichtung 24 festgeklemmt. Der Dorn 18 ist in das Rohr 10 eingeführt. Beim Ziehprozess wird das Rohr 10 nach links durch die Matrize 12 hindurchgezogen, wobei die Umformarbeit durch die Kräfte bewirkt wird, die von der Matrize 12 und dem Dorn 18 auf das Rohr aufgebracht werden. Die Matrize 12 wirkt von außen auf das Rohr 10. Der Dorn 18 wirkt von innen auf das Rohr 10.
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Die unterbrochenen Linien symbolisieren eine Sensorik 20, wobei Messsignale dieser Sensorik einer Regelung 22 zugeführt werden, welche Bestandteil einer Steuer-RegelEinheit sein kann.
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Die Matrize 12 steht über einer Fördereinrichtung 28 mit einem Reservoir in Verbindung, das ein Wärmeträgermedium 16, beispielsweise Wasser, enthält. Durch Betrieb der Fördereinrichtung 28 kann der Matrize 12 auf diese Weise Wärmeträgermedium 16 zugeführt werden. Dieses Wärmeträgermedium 16 gelangt dann in Führungsbereiche innerhalb der Matrize 12, welche das Wärmeträgermedium 16 gezielt an vorgegebene Orte transportieren, insbesondere dorthin, wo aufgrund der Umformarbeit starke Temperaturerhöhungen zu verzeichnen sind. Ebenso steht die Matrize 12 über eine weitere Fördereinrichtung 30 mit einem Reservoir in Verbindung, das ein Schmiermittel 14 enthält. Durch Betrieb der Fördereinrichtung 30 kann das Schmiermittel 14 zur Matrize 12 gefördert werden. Auch das Schmiermittel 14 gelangt in Führungsbereiche der Matrize, um dann gezielt dort auszutreten, wo Reibung zwischen dem Rohr 10 und der Matrize 12 auftritt. Hierdurch wird die Reibung herabgesetzt. Ebenso wie das Schmiermittel 14 kann auch das Wärmeträgermedium 16 an den zu kühlenden - oder eventuell auch zu erwärmenden - Orten austreten. Jedoch ist es auch möglich, dass das Kühl- und/oder Heizsystem ein geschlossenes System ist. In diesem Fall wird das Wärmeträgermedium 16 in sein Reservoir zurückgeführt.
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Mittels der Sensorik 20 können Messgrößen im Bereich der Matrize 12 erfasst werden, etwa Temperatur, Druck des Wärmeträgermediums, Druck des Schmiermittels, Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums, Strömungsgeschwindigkeit des Schmiermittels, Viskosität des Schmiermittels etc. In Abhängigkeit der so erfassten Messwerte, die der Regelung 22 übergeben werden, kann diese über Steuerleitungen 32, 34 die Förderleistung der Fördereinrichtungen 28, 30 beeinflussen. Je nach Bedarf können eine oder mehrere der genannten Messgrößen als Führungsgröße eingesetzt werden. Im Zusammenhang mit dem Dorn 18 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel dieselbe Anordnung im Hinblick auf Kühlung/Erwärmung und Schmierung gewählt. Es sind getrennte Reservoirs für Wärmeträgermedium 16, 16' und Schmiermittel 14, 14' dargestellt. Matrize 12 und Dorn 18 können die Substanzen aber auch aus dem jeweils selben Reservoir beziehen. Die Komponenten sind mit entsprechend gestrichenen Bezugszeichen gekennzeichnet. Auf die Kühlung oder Schmierung des Dorns 18 kann aber auch unter Umständen ganz oder teilweise verzichtet werden, insbesondere bei der Fertigung dünner Rohre, wobei es sogar unmöglich sein kann, den Dorn 18 mit entsprechenden Führungsbereichen für Wärmeträger und Schmiermittel auszustatten. Ein weiterer Bestandteil der Sensorik 20 ist im Bereich der Ziehvorrichtung 24 vorgesehen. Hier wird die Ziehkraft und/oder die Ziehgeschwindigkeit erfasst. Auch dieser oder diese Messwerte werden der Regelung 22 zugeführt. Über die Steuerleitung 36 können dann Ziehkraft und/oder Ziehgeschwindigkeit beeinflusst werden.
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Die Regelvorgänge können sehr einfach oder auch nahezu beliebig kompliziert aufgesetzt werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass die im Bereich der Matrize 12 erfasste Temperatur lediglich Einfluss auf die Förderleistung der Fördereinrichtung 28 für das Wärmeträgermedium 16 nimmt. Im komplexen Fall können auf der Grundlage der Temperaturerfassung aber auch sämtliche andere Parameter des Systems beeinflusst werden etwa die Förderleistung der Fördereinrichtung 30 für das Schmiermittel 14 oder auch die Ziehkraft beziehungsweise die Ziehgeschwindigkeit.
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Die nicht dargestellten Sensoren können an zahlreichen Orten im System ihren Dienst erfüllen. Beispielsweise ist es möglich, den Druck des Wärmeträgermediums 16 oder des Schmiermittels 14 nicht in der Matrize 12 oder im Dorn 18 selber zu messen, sondern an anderer Stelle im System. Will man genaue Auskunft über die Temperatur im Bereich der Matrize 12 oder im Bereich des Dorns 18 haben, sollte diese jedoch möglichst nah an den interessierten Orten erfasst werden. Jedoch ist es im geschlossenen Kühl- und/oder Heizsystem auch möglich, die Temperatur des Wärmeträgermediums 16 vor dem Eintritt in die Matrize 12 und nach dessen Austritt zu erfassen. Diese Information, möglicherweise kombiniert mit der Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums 16 kann ausreichen, um den Ziehprozess zuverlässig zu regeln. Man kann in diesem Fall von einer Temperaturgradientenregelung sprechen.
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Die Steuer-Regel-Einrichtung weist ferner eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle 38 auf. Hierbei kann es sich zum Beispiel um eine Nutzerschnittstelle handeln, so dass eine Bedienperson den Ziehprozess direkt überwachen und beeinflussen kann. Ebenfalls kann es sich um eine elektronische Schnittstelle handeln, um weitere datenverarbeitende Mittel in das System einzubinden.
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2 zeigt Verfahrensdiagramme. Der herkömmliche Prozess zum Fertigen von Rohren geht in einem Schritt S01 von Vorprozessen aus. Hier werden Rohre vorgefertigt, etwa durch vorhergehende Ziehprozesse oder durch Hämmern und Schweißen. Diese vorgefertigten Rohre müssen in einem Schritt S02 transportiert und gelagert werden, nämlich insbesondere im Vorlauf zu einer Vorbehandlung in Schritt S03. Diese Vorbehandlung schließt das Beizen der Rohre ein, also deren Behandlung mit Chemikalien und ein Waschen der Rohre. Von der Beizerei müssen die Rohre in einem Schritt S04 dann wiederum transportiert und mitunter gelagert werden, bis sie dann dem eigentlichen Ziehen der fertigen Rohre in Schritt S05 zugeführt werden. Gemäß dem erfindungsgemäßen Ablauf, der auf der rechten Seite der 2 dargestellt ist, können die Schritte S03 und S04 entfallen. Nach der Vorbereitung der Rohre in S01 müssen diese lediglich zur Ziehbank transportiert werden, mit eventueller Zwischenlagerung (Schritt S02), um dann sogleich den Ziehvorgang in Schritt S05 einzuleiten.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rohr
- 12
- Matrize
- 14
- Schmiermittel
- 16
- Wärmeträgermedium
- 18
- Dorn
- 20
- Sensorik
- 22
- Regelung
- 24
- Ziehvorrichtung
- 26
- Angel
- 28
- Fördereinrichtung
- 30
- Fördereinrichtung
- 32
- Steuerleitung
- 34
- Steuerleitung
- 36
- Steuerleitung
- 38
- Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle
