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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schrägwalzen eines zylindrischen Werkstücks, vorzugsweise einer nahtlosen Rohrluppe aus Stahl, wobei die Vorrichtung mehrere einen Walzspalt ausbildende Walzen aufweist, deren Rotationsachsen relativ zur Werkstückachse schräggestellt sind.
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Hintergrund der Erfindung
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Es ist bekannt, nahtlose Rohre aus massiven Stahlblöcken durch Lochen und Walzen in einem Schrägwalzwerk herzustellen. Dazu wird der Stahlblock zunächst auf die Walztemperatur gebracht und anschließend, nach einer etwaigen Entzunderung, in das Schrägwalzwerk eingebracht.
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Das Schrägwalzwerk weist zwei oder mehr, im Fall eines Asselwalzwerks drei, Walzen auf, deren Achsen zur Werkstückachse schräggestellt sind. Durch die Schrägstellung und eine gleichsinnige Drehung der Walzen vollzieht das Werkstück neben einer Drehung um die eigene Achse gleichzeitig eine translatorische Bewegung, wodurch es schraubenlinienförmig den Walzspalt durchläuft.
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Durch Einsetzen eines Innenwerkzeugs während des Walzens wird die Lochbildung realisiert oder zumindest unterstützt. Das stangenförmige Innenwerkzeug weist einen Dorn auf, der zwischen den Walzen entgegen der Vorschubrichtung des zu walzenden Werkstücks angeordnet ist. Das Werkstück wird während des Schrägwalzens axial gestreckt und gelocht, wodurch ein zylindrischer Hohlkörper, auch als „Rohrluppe“ bezeichnet, hergestellt wird.
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Ein Schrägwalzverfahren der vorstehend dargelegten Art geht beispielsweise aus der
DE 43 33 284 A1 hervor. Ein Schrägwalzverfahren, das einen veränderlichen Innendurchmesser der ausgewalzten Rohrluppen ermöglicht, ist in der
DE 36 22 678 A1 beschrieben.
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Um Rohre mit einer entlang der Axialrichtung variablen Wanddicke bei konstantem Innendurchmesser herzustellen, werden die Rohrluppen im Anschluss an das Schrägwalzen entweder spanend durch Drehen oder durch Radialschmieden bearbeitet.
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Beide Methoden ziehen jedoch einen zusätzlichen Prozessaufwand nach sich, der zeitintensiv ist und einer Verkürzung der Herstellungsdauer entgegensteht. Es kommt hinzu, dass das spanende Drehen einen hohen Rohmaterialeinsatz erfordert. Das Radialschmieden ist zudem hinsichtlich bearbeitbarer Werkstücklängen eingeschränkt.
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Darstellung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Schrägwalzen zu verbessern, insbesondere die Herstellung nahtloser Stahlrohre mit variabler Wanddicke bei konstantem Innendurchmesser zeitlich zu verkürzen und effizienter zu gestalten.
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Gelöst wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient dem Schrägwalzen eines zylindrischen Werkstücks, vorzugsweise einer nahtlosen Rohrluppe aus Stahl. Die Vorrichtung ist vorzugsweise ein Schrägwalzwerk oder Teil eines solchen. Das Werkstück kann im Ausgangszustand, d.h. vor dem Schrägwalzen, ein solider, länglicher Block, vorzugsweise Stahlblock, sein oder bereits eine hohlzylindrische Form aufweisen. Nach der Schrägwalzbearbeitung ist das Werkstück in eine hohlzylindrische Röhrenform, die eine sich entlang der Werkstückachse erstreckende Längsöffnung bzw. Innenöffnung aufweist, plastisch umgeformt. Das Werkstück wird während des Schrägwalzens axial gestreckt, d.h. es findet eine Längung desselben statt, und gelocht.
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Die Vorrichtung weist mehrere einen Walzspalt ausbildende Walzen auf, deren Rotationsachsen relativ zur Werkstückachse schräggestellt sind, so dass bei einer gleichsinnigen Drehung der Walzen das Werkstück im Walzspalt plastisch umgeformt und entlang einer Förderrichtung transportiert wird. Die hier genannte Schrägstellung betrifft somit zumindest eine Neigung aus der durch die Werkstückachse und einer hypothetischen dazu parallelen Walzen-Rotationsachse gebildeten Ebene hinaus. Durch eine solche Schrägstellung und eine gleichsinnige Drehung der Walzen vollzieht das Werkstück gewöhnlich neben einer Drehung um die eigene Achse gleichzeitig eine translatorische Bewegung entlang der Förderrichtung, wodurch das Werkstück schraubenlinienförmig den Walzspalt durchläuft. Vorzugsweise betrifft die Schrägstellung zusätzlich auch eine Anstellung der Walzen-Rotationsachse relativ zur Werkstückachse in der vorstehend definierten Ebene.
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Die Vorrichtung weist ferner ein Innenwerkzeug auf, das zur Ausbildung der Längsöffnung eingerichtet ist, indem dieses während des Walzens in das Werkstück einsetzbar ist. Die Bezeichnungen „gelocht“, „Ausbildung der Längsöffnung“ und dergleichen umfassen hierin sowohl die Herstellung einer vor dem Schrägwalzen nicht vorhandenen Längsöffnung als auch die Formgebung einer solchen ausgehend von einer vor dem Schrägwalzen bereits vorhandenen Längsöffnung. Im letzteren Fall dient das Innenwerkzeug somit in erster Linie der Definition des Innendurchmessers und der Innenkontur der Rohrluppe.
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Erfindungsgemäß ist zumindest eine der Walzen so gelagert, dass der Walzspalt unter Last verstellbar ist. „Unter Last“ bedeutet, dass der Walzspalt während des Walzvorgangs des Werkstücks veränderbar ist. Die Verstellbarkeit unter Last kann für eine, mehrere oder alle Walzen implementiert sein. Diese Funktionalität kann durch Änderung der Walzenanstellung(en) und/oder der Walzenposition(en), d.h. durch translatorische Verschiebung der Walze(n) in Richtung senkrecht zur Werkstückachse, realisiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Walzspalt während des Walzens zeitlich und geometrisch gezielt zu variieren.
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Die gezielte Änderung des Walzspalts unter Last ermöglicht die Herstellung von Rohren variabler Wanddicke bei vorzugsweise gleichem Innendurchmesser auf kostengünstige und prozessual effektive Weise, da auf eine nachträgliche Bearbeitung des Rohrs, etwa durch spanendes Drehen und/oder Radialschmieden, verzichtet werden kann oder eine etwaige Nachbearbeitung weniger aufwändig ist. Damit gehen eine Verringerung des Materialeinsatzes, eine Verkürzung der Herstellungsdauer sowie Kosteneinsparungen einher.
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Vorzugsweise ist, wie vorstehend erwähnt, die Anstellung zumindest einer der Walzen unter Last verstellbar eingerichtet, wodurch eine präzise und kraftsparende Änderung des Walzspalts realisierbar ist. Die Änderung der Anstellung erfolgt vorzugsweise durch Verstellen der entsprechenden abtriebsseitigen Walzenlagerung.
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Vorzugsweise ist zumindest eine der Walzen unter Last translatorisch in Richtung senkrecht zur Werkstückachse verschiebbar eingerichtet, wodurch eine Änderung des Walzspalts möglich ist, ohne dass sich Form und Ausrichtung des Kalibers relativ zum Werkstück ändern. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verschiebungsrichtung nicht genau senkrecht auf der Werkstückachse stehen muss. Vielmehr ist die Formulierung „translatorisch in Richtung senkrecht zur Werkstückachse“ so zu verstehen, dass die Verschiebungsrichtung eine nicht verschwindende Vektorkomponente senkrecht zur Werkstückachse hat.
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Vorzugsweise ist zur Verstellung des Walzspalts ein mechanisches und/oder elektromechanisches und/oder hydraulisches System installiert, das beispielsweise mit zumindest einer Exzenterbuchse gegebenfalls mit Stellring ausgestattet ist. Auf diese Weise lässt sich durch eine geeignete Exzentrizität der Exzenterbuchse(n) eine große Verstellkraft und präzise Positionierung der Walze(n) unter Last erzielen.
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Vorzugsweise weisen die Walzen jeweils eine Doppelkegelform auf, mit einem ersten konischen Abschnitt, einem zweiten konischen Abschnitt und einem die beiden konischen Abschnitte in Richtung der Rotationsachse verbindenden mittleren Abschnitt, wobei die mittleren Abschnitte der Walzen den engsten Durchlaufabschnitt des Walzspalts bilden. Auf diese Weise findet beim Schrägwalzen zunächst eine kontinuierliche Verengung des Walzspalts, somit eine schonende plastische Verformung, und anschließend eine allmähliche Entspannung statt.
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Die oben genannte Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Schrägwalzen eines zylindrischen Werkstücks, vorzugsweise einer nahtlosen Rohrluppe aus Stahl, gelöst, wobei das Werkstück im gewalzten Zustand eine sich entlang einer Werkstückachse erstreckende Längsöffnung aufweist. Das Verfahren umfasst: Einsetzen des Werkstücks in einen Walzspalt, ausgebildet durch mehrere Walzen, deren Rotationsachsen relativ zur Werkstückachse schräggestellt sind; Einsetzen eines Innenwerkzeugs in das Werkstück; Gleichsinniges Drehen der Walzen, so dass das Werkstück über dem Innenwerkzeug im Walzspalt plastisch umgeformt und entlang einer Förderrichtung transportiert wird; und Ändern des Walzspalts unter Last, um während des Walzens des Werkstücks Abschnitte unterschiedlicher Wanddicken herzustellen.
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Die Abschnitte unterschiedlicher Wanddicken weisen besonders bevorzugt den gleichen Innendurchmesser auf, so dass die so gewalzte Rohrluppe einen profilierten Außenumfang bei konstantem oder zumindest abschnittsweise konstantem Innendurchmesser hat. Auf eine diesbezügliche nachträgliche Bearbeitung des Rohrs, etwa durch spanendes Drehen und/oder Radialschmieden, kann in diesem Fall verzichtet werden, oder eine etwaige Nachbearbeitung ist zumindest weniger aufwändig.
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Vorzugsweise wird das Werkstück nach dem Schrägwalzen einem weiteren Bearbeitungsprozess unterzogen. Dieser weitere Bearbeitungsprozess ist vorzugsweise ein Walzprozess ohne Innenwerkzeug, um das Werkstück plastisch derart umzuformen, dass Abschnitte großer Außendurchmesser nach innen gewalzt werden. Dadurch können ausgehend von einem Halbzeug mit konstantem Innendurchmesser und unterschiedlicher Wanddicke die „Buckel“ am Außenumfang nach innen gewalzt werden, wodurch ein Rohr mit zumindest partiell konstantem Außendurchmesser und variablem Innendurchmesser herstellbar ist.
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Die technischen Wirkungen, Vorteile sowie Ausführungsformen, die vorstehend in Bezug auf die Vorrichtung beschrieben wurden, gelten analog für das Verfahren.
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So wird zur Änderung des Walzspalts unter Last vorzugsweise die Anstellung zumindest einer der Walzen verstellt. Eine solche Anstellungsänderung wird vorzugsweise durch Verstellen der entsprechenden abtriebsseitigen Walzenlagerung(en) durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich wird zur Änderung des Walzspalts unter Last zumindest eine der Walzen translatorisch in Richtung senkrecht zur Werkstückachse verschoben.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben erwähnten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung.
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Figurenliste
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- Die 1 zeigt einen Ausschnitt eines Schrägwalzwerks mit eingesetztem Werkstück in einer Längsschnittansicht.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figur beschrieben.
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Die 1 zeigt einen Ausschnitt eines Schrägwalzwerks 1 mit eingesetztem Werkstück W in einer Längsschnittansicht. Das Werkstück W ist ein zylindrischer Körper, vorzugsweise aus Stahl, der als Halbzeug zur Herstellung eines Rohrs fungiert. Das herzustellende Rohr ist beispielsweise für die Öl- und Gasförderung oder als Konstruktionsrohr ausgelegt. Das Werkstück W wird während der Schrägwalzbearbeitung entlang einer Förderrichtung F, die parallel zur Axialrichtung bzw. Achse A des Werkstücks W verläuft, durch das Schrägwalzwerk 1 transportiert.
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Das Schrägwalzwerk 1 weist mehrere Walzen 10 auf, die axialsymmetrisch um das Werkstück W herum angeordnet sind. In der 1 ist der Übersichtlichkeit halber nur eine Walze 10 gezeigt, allerdings sind zumindest zwei, vorzugsweise drei Walzen 10 vorgesehen. Im letzteren Fall ist das Schrägwalzwerk 1 vorzugsweise als Asselwalzwerk ausgeführt.
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Die Walzen 10 weisen jeweils eine Doppelkegelform auf, mit einem ersten konischen Abschnitt 11, einem zweiten konischen Abschnitt 12 und einem die beiden konischen Abschnitte 11, 12 verbindenden mittleren Abschnitt 13. Die mittleren Abschnitte 13 der Walzen 10 bilden den engsten Durchlaufabschnitt des Walzspalts.
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Durch Einsetzen eines Innenwerkzeugs 20 während des Walzens wird die Lochbildung realisiert oder zumindest unterstützt sowie die Innenabmessung des Werkstücks W bestimmt. Das Innenwerkzeug 20 ist stangenförmig und weist vorzugsweise einen Dorn (in der 1 nicht gezeigt) aus einem besonders verschleißfesten und temperaturbeständigen Material auf. Das Innenwerkzeug 20 ist vorzugsweise axial verschiebbar eingerichtet. Zu diesem Zweck wird das Innenwerkzeug 20 am freien Ende beispielsweise in einem axial verschiebbaren Widerlager gehalten.
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Das Werkstück W wird während des Schrägwalzens axial gestreckt und durch das Innenwerkzeug 20 gelocht, wodurch ein zylindrischer Hohlkörper, auch als „Rohrluppe“ bezeichnet, hergestellt wird.
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Die Rotationsachsen R der Walzen 10 sind relativ zur Werkstückachse A in zweierlei Hinsicht schräggestellt: Die Schrägstellung betrifft zum einen die herkömmliche Neigung, die in der Schnittansicht der 1 relativ zur Zeichnungsebene vorliegt und aus diesem Grund in der 1 nicht erkennbar ist. Durch diese Schrägstellung und eine gleichsinnige Drehung der Walzen 10 vollzieht das Werkstück W neben einer Drehung um die eigene Achse A gleichzeitig eine translatorische Bewegung entlang der Förderrichtung F, wodurch das Werkstück W schraubenlinienförmig den Walzspalt durchläuft. Die Schrägstellung betrifft zum anderen eine Anstellung der Rotationsachse R relativ zur Werkstückachse A in der Zeichnungsebene der 1. Diese zweite Schrägstellung wird hierin als „Anstellung“ bezeichnet.
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Eine oder mehrere der Walzen 10 sind so gelagert, dass der Walzspalt unter Last, d.h. während des Walzvorgangs des Werkstücks W, verstellbar ist. Diese Funktionalität kann durch Änderung der Anstellung und/oder der Walzenposition, d.h. durch translatorische Verschiebung der Walze 10 in Richtung senkrecht zur Werkstückachse A, realisiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Walzspalt zwischen dem Innenwerkzeug 20 und dem hohen Punkt der Walzen 10, d.h. dem Punkt maximalen Durchmessers, der im mittleren Abschnitt 23 liegt, während des Walzens zeitlich und geometrisch gezielt zu variieren.
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Zur Verstellung des Walzspalts können mechanische, elektromechanische oder hydraulische Systeme (in der 1 nicht gezeigt) verwendet werden. Die Verstellung des Walzspalts kann durch Anstellen der gesamten Walze 10 als Einbaustück oder beispielsweise durch Anstellung der abtriebsseitigen Walzenlagerung(en) implementiert werden. Zu diesem Zweck können beispielsweise Exzenterbuchsen mit Stellring installiert werden.
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Die gezielte Änderung des Walzspalts unter Last ermöglicht die Herstellung von Rohren variabler Wanddicke, insbesondere bei gleichem Innendurchmesser.
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Beispielhaft zeigt die 1 einen gewalzten Rohrabschnitt mit drei unterschiedlichen Wanddicken t1, t2 und t3, ausgehend von einer Ausgangswanddicke t0.
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Die variablen Wanddicken t1, t2, t3 bei gleichem Innendurchmesser werden auf kostengünstige und prozessual effektive Weise erzeugt, da auf eine nachträgliche Bearbeitung des Rohrs, etwa durch spanendes Drehen und/oder Radialschmieden, verzichtet werden kann oder eine etwaige Nachbearbeitung zumindest weniger aufwändig ist. Damit gehen eine Verringerung des Materialeinsatzes, eine Verkürzung der Herstellungsdauer sowie Kosteneinsparungen einher.
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Die so hergestellte Rohrluppe variabler Wanddicke kann in einer weiteren Ausführungsvariante als Halbzeug fungieren, das einem weiteren Bearbeitungsprozess, vorzugsweise einem zweiten Walzprozess ohne Innenwerkzeug, unterzogen wird. Dadurch können die „Buckel“ am Außenumfang, d.h. die Abschnitte großen Durchmessers, nach innen gewalzt werden, wodurch ein Rohr mit partiell konstantem Außendurchmesser und variablem Innendurchmesser herstellbar ist.
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Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schrägwalzwerk
- 10
- Walze
- 11, 12
- Konischer Abschnitt
- 13
- Mittlerer Abschnitt
- 20
- Innenwerkzeug
- W
- Werkstück
- A
- Werkstückachse
- F
- Förderrichtung
- R
- Rotationsachse der Walze
- t0
- Ausgangswanddicke
- t1, t2, t3
- Abschnitte unterschiedlicher Wanddicken
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4333284 A1 [0005]
- DE 3622678 A1 [0005]
