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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dünnwandigen Rohrleitungselements mit einer das Rohrleitungselement versteifenden Oberflächenstruktur.
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Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Rohrleitungselementen, wie insbesondere zur Erhöhung der Biegesteifigkeit und der Druckfestigkeit, ist es bekannt, die Wandung des Rohrleitungselements durch nachträgliches Umformen mit einer Oberflächenstruktur zu versehen, welche z. B. durch eine Vielzahl von sowohl in Längs- als auch in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Ebenen oder konkaven Wölbungen mit unterschiedlichen Flächennormalen gebildet sein kann. Eine derartige Umformung des Rohrleitungselements verleiht diesem in den jeweiligen Bereichen eine erhöhte Stabilität, so dass im Vergleich mit einem glattwandigen Rohrleitungselement eine geringere Wandstärke erforderlich ist, um den geforderten mechanischen Eigenschaften zu genügen. Neben der hieraus resultierenden erheblichen Material- und Kostenersparnis ist für viele Anwendungszwecke solcher Rohrleitungselemente insbesondere das geringe Gesamtgewicht von Interesse. So sind derartige Rohrleitungselemente z. B. für Rückführ- oder Abgasleitungen von Kraftfahrzeugen geeignet, wobei sie aufgrund der Ausführung in Leichtbauweise zu einer Verringerung der Betriebskosten beitragen.
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Nach der
DE 198 57 626 C2 sollen Profile derart bearbeitet werden, dass diese eine hohe Festigkeit und Härte, sowie große Genauigkeit aufweisen. Hierzu wird die behandelte Oberfläche des länglichen Profils unter Druckspannungen und die unter der behandelten Oberfläche liegenden Zonen des länglichen Profils unter Zugeigenspannungen in axialer und tangentialer Richtung gesetzt, um diese Profile nicht nur mit erhöhter Festigkeit und Härte (durch interne Strukturänderungen), sondern darüber hinaus mit ausgesprochen hoher Genauigkeit sowie Glattheit herzustellen (Spalte 1, ab Zeile 64). Es wird weiterhin eine Säuberung der Materialoberfläche und/oder der oberflächennahen Randzonen von spröden Oxidkrusten, beispielsweise Aluminiumoxidkrusten und schädlichen Verunreinigungen erreicht. Auch werden Oberflächendefekte beseitigt und somit eine hierdurch hervorgerufene Rissauslöung vermieden. Die länglichen Profile sollen mit einer materialidentischen Hülle von mehreren hundert Mikrometern umgeben werden, die aufgrund einer erhöhten Materialfestigkeit und resultierenden Druckeigenspannung versteifend wirkt. Die Oberflächenrauhigkeit wird gegenüber länglichen Profilen unmittelbar nach dem Ziehen bzw. Strangpressen verbessert. Insgesamt soll durch Mikroumformungen im Kristallbereich neben einer erhöhten Vorfestigkeit eine reduzierte Oberflächenrauhigkeit und damit eine erhöhte Glattheit erreicht werden.
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Die
DE 196 05 449 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Rohres, bei dem zunächst eine äußere Nahtstelle mit einem Lötmaterial gefüllt wird, anschließend die Wände miteinander in radialer Richtung druckverschweißt werden, während das Lot zwischen den Wänden durch einen Lötofen, eine ofische Heizvorrichtung oder eine Hochfrequenz-Heizvorrichtung erwärmt und dabei von der äußeren kreisförmigen Oberfläche der Außenseite her und von innen her ein Pressen erfolgt. Darüber hinaus erfolgt ein zweistufiges Abkühlen, nämlich in einem ersten Schritt so schnell wie möglich nach dem Druckschweißen und einem weiteren nachfolgenden Schritt, wobei das Lötmaterial auf den Koagulationspunkt abgeschreckt wird.
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Die
US 4 794 775 A zeigt die Profilierung eines vorgegebenen Rohres durch von außen angreifende Werkzeuge und damit eine Vorrichtung mit außen an einem vorgegebenen Rohr angreifenden Werkzeugen.
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Ein oberflächig strukturiertes Rohrleitungselement ist z. B. aus der
DE 196 54 618 C1 bekannt. Das Rohrleitungselement weist zwischen runden Querschnittssegmenten angeordnete Bereiche zyklodischen Querschnitts mit sowohl in Längs- als auch in Umfangsrichtung angeordneten konkaven Wölbungen der Oberfläche auf. Letztere dienen zur Schalldämpfung, wobei ihr Längsabstand durch die Wellenlänge der zu dämpfenden Schallwellen vorgegeben ist.
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Zur Herstellung von Rohrleitungssystemen der eingangs genannten Art sind mechanische oder hydraulische Verfahren bekannt. Eine Vorrichtung zum hydrostatischen Umformen von Rohrleitungselementen ist beispielsweise der
DE 41 03 078 C2 entnehmbar.
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Die
DE 25 57 215 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verformung dünnwandiger Rohrleitungselemente, indem ein Rohrabschnitt innen- bzw. außenseitig mit anliegenden Stützelementen in Form von Ringen oder Spiralen abgestützt und unter Bildung von zwischen den Stützelementen angeordneten, nach innen bzw. außen gerichteten Deformationen hydraulisch oder pneumatisch mit Außen- bzw. Innendruck beaufschlagt wird.
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Nachteilig ist einerseits, dass die bekannten Verfahren ausschließlich zum bereichsweisen Aufbringen einer Oberflächenstruktur auf einen endlichen Rohrabschnitt geeignet sind, da der jeweilige, mit einer Oberflächenstruktur zu versehende Rohrabschnitt abgedichtet werden muss, um ihn mit einem Druckfluid zu beaufschlagen. Andererseits ist gemäß dem Stand der Technik nur eine diskontinuierliche Fertigung oberflächig strukturierter Rohrleitungselemente möglich, wobei das fertige Rohrleitungselement abgelängt und der jeweiligen Einrichtung zum Umformen zugeführt werden muss. Hieraus resultiert eine verhältnismäßig aufwendige Handhabung sowie relativ lange Standzeiten der Umformeinrichtungen. Im Falle eines hydraulischen Umformens besteht ferner ein hoher Investitionsaufwand für die Werkzeuge sowie insbesondere hinsichtlich der Druckerzeugungs- und Dichteinrichtungen ein hoher Wartungsaufwand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Rohrleitungselements mit einer das Rohrleitungselement versteifenden Oberflächenstruktur sowie eine Vorrichtung hierzu vorzuschlagen.
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In verfahrenstechnischer Hinsicht wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit dem Verfahren des Anspruchs 1 gelöst, während eine Vorrichtung zur Lösung der Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 10 ausgebildet ist.
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Bevorzugte Ausführungen sind Gegenstand der jeweiligen rückbezogenen Unteransprüche.
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Die Erfindung zeichnet sich durch eine Abkehr von den bekannten Hydroumformverfahren aus, indem die Oberflächenstruktur mittels des radial um das Rohrleitungselement umlaufenden Prägeelements rein mechanisch auf die Mantelfläche des Rohrleitungselements aufgeprägt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur einfachen und kostengünstigen kontinuierlichen Strukturgebung von Endlosrohren geeignet, indem das Endlosrohr mit vorgegebener Geschwindigkeit an dem umlaufenden Prägeelement vorbeigeführt und durch Andruck desselben auf die Mantelfläche des Rohrleitungselements entsprechend der Oberflächenkontur des Prägelements verformt wird. Das umlaufende Prägeelement kann dabei zweckmäßig in Längsrichtung des Rohrleitungselements im wesentlichen stationär angeordnet sein, so daß sich die Oberflächenstruktur aus der Überlagerung des Vorschubs des Rohrleitungselements und der Rotation des Prägeelements ergibt. Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Rohrleitungselemente aufgeprägte Oberflächenstruktur verleiht diesen im Vergleich mit einem glattwandigen Rohrleitungselement über ihre gesamte Länge eine erhöhte Biegesteifigkeit und Druckfestigkeit, so dass sie aufgrund ihres geringeren Gewichts insbesondere für die Kraftfahrzeugindustrie geeignet sind.
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In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass als Prägeelemente Rollkörper in Form von Kugeln und/oder Walzen eingesetzt werden, um die beim Aufprägen der Oberflächenstruktur entstehende Reibung möglichst gering zu halten.
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Zweckmäßig wird eine Anordnung mehrerer um den Umfang der Mantelfläche des Rohrleitungselements verteilt angeordneter Prägeelemente eingesetzt, wobei z. B. drei oder mehr insbesondere äquidistant angeordnete Prägeelemente eingesetzt werden, die das Rohrleitungselement zwischen sich aufnehmen, so dass letzteres beim Durchführen durch die rotierende Anordnung von Prägeelementen automatisch zentriert wird und sich ein identischer Andruck sämtlicher Prägeelemente auf die Mantelfläche des Rohrleitungselements ergibt.
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Während die Tiefe der Oberflächenstruktur durch die Andruckkraft und/oder den Zustellweg der Prägeelemente gesteuert werden kann, kann die Form der Oberflächenstruktur durch die Umlaufgeschwindigkeit der Prägeelemente, die Führungsgeschwindigkeit des Rohrleitungselements bzw. durch die mit dem Rohrleitungselement in Kontakt stehende Oberflächenkontur der Prägeelemente gesteuert werden.
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Das Rohrleitungselement kann gegebenenfalls vor Aufprägen der Oberflächenstruktur temperiert werden. Auf diese Weise ist neben der Herstellung von oberflächig strukturierten Rohrleitungselementen aus einem kalt verformbaren Werkstoff, wie Metall, auch die Herstellung von oberflächig strukturierten Kunststoffrohren möglich, indem das Kunststoffrohr auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird, in der es sich z. B. in einem plastischen Übergangszustand befindet, so dass es infolge der durch Kontakt mit den Prägeelementen ausgeübten Verformungskräfte nicht zum Sprödbruch kommt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht bei einem einfachen und kostengünstigen Aufbau eine kontinuierliche, rein mechanische Strukturierung der Mantelfläche des Rohrleitungselements und macht hinsichtlich Investitionskosten und Wartung aufwendige Druckerzeugungs- oder Dichteinrichtungen entbehrlich. Die Prägeelemente sind vorzugsweise von Kugeln und/oder Walzen gebildet, wobei die Führung mit Vorzug mehrere Prägeelemente aufnimmt. Dies kann z. B. dadurch gewährleistet sein, dass die um das zentral geführte Rohrleitungselement rotierbare Führung nach Art einer Halbschale eines Kugellagers ausgebildet ist und die Prägeelemente zwischen der Führung und dem Rohrleitungselement umrollen. Alternativ können die Prägeelemente beispielsweise auch an jeweils koaxial zur Längsachse des Rohrleitungselements angeordneten Achsen an der umlaufenden Führung gelagert sein. Die Prägeelemente sind zweckmäßig im wesentlichen äquidistant entlang der Führung angeordnet, um eine einheitliche Oberflächenstruktur zu erzeugen.
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Um den Andruck der Prägeelemente auf das Rohrleitungssystem zu variieren oder auch die Vorrichtung an Rohrleitungselemente mit unterschiedlichen Außendurchmessern anzupassen, ist der Abstand der Prägelemente vom Zentrum der Führung mit Vorteil einstellbar.
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In bevorzugter Ausführung ist weiterhin vorgesehen, dass die Umlaufgeschwindigkeit der Führung einstellbar ist, um je nach kontinuierlichem Vorschub des Rohrleitungselements die gesamte oder auch nur ein Teil der Mantelfläche desselben mit oberflächigen Verformungen zu versehen.
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Die Prägeelemente sind vorzugsweise austauschbar an der Führung anordbar, um sie einerseits nach Verschleiß zu ersetzen, andererseits kann die Führung auf diese Weise mit hinsichtlich Durchmesser und/oder Oberflächenkontur unterschiedlichen Prägeelementen bestückt werden, so dass die Vorrichtung auf einfache Weise an Rohrleitungselemente mit verschiedenen Durchmessern angepasst werden kann. Ferner ist somit die Erzeugung verschiedener Oberflächenstrukturen in Abhängigkeit von der Außenkontur der eingesetzten Prägeelemente möglich. Selbstverständlich kann zum gleichen Zweck alternativ oder zusätzlich auch die Führung austauschbar sein.
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Der Führung mit den Prägeelementen kann gegebenenfalls eine Temperiereinrichtung für das Rohrleitungselement vorgeordnet sein, um die oberflächige Strukturierung von Rohrleitungselementen aus kalt verformbaren Materialien sowie aus thermisch plastifizierbaren Kunststoffen zu gewährleisten.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines oberflächig strukturierten Rohrleitungselements und
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2 eine schematische Detailansicht einer rotierbaren Führung mit Prägeelementen der Vorrichtung gemäß 1.
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Die in 1 dargestellte Vorrichtung weist eine herkömmliche Zieheinrichtung 1 auf, welche ein Ziehwerkzeug sowie eine Schweißeinrichtung (nicht gezeigt) umfasst, um aus einer von einem Wickel 2 abgewickelte Lage 3 unter Erzeugung eines etwa kreisförmigen Querschnitts und Verschweißen der Längsränder der Lage 3 kontinuierlich ein Rohrleitungselement 4 herzustellen. Der Zieheinrichtung 1 ist eine Einheit 5 zum kontinuierlichen mechanischen Aufprägen einer Oberflächenstruktur 6 auf das Rohrleitungselement 4 mit einer um den Umfang der Mantelfläche angeordneten rotierbaren Führung 7 mit Prägeelementen 8 nachgeordnet, die in 2 im Detail wiedergegeben ist.
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Wie aus 2 ersichtlich, ist die Führung 7 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel nach art eines um den Umfang der Mantelfläche des Rohrleitungselements 4 rotierbaren (Pfeil 9) Rings ausgebildet, an welchem drei Prägeelemente 8 an zur Längsmittelachse 10 des Rohrleitungselements 4 parallelen Achsen 11 äquidistant gelagert sind. Die Prägeelemente 8 sind z. B. von Rollen oder Walzen gebildet und bezüglich des Rohrleitungselements 4 radial verstellbar, um den gewünschten Andruck einzustellen. Ebenfalls ist die Umlaufgeschwindigkeit der beispielsweise mittels eines externen Antriebs (nicht dargestellt) angetriebenen Führung 7 einstellbar. Die an den Achsen 11 an der Führung 7 gelagerten Prägeelemente 8 sind insbesondere austauschbar, um sie einfach und schnell durch Prägeelemente anderer Form und/oder anderen Durchmessers auszutauschen oder auch nach Verschleiß zu ersetzen.
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Nachfolgend ist die Wirkungsweise der Vorrichtung näher erläutert:
Zur kontinuierlichen Herstellung des oberflächig strukturierten Rohrleitungselements 4 wird die Lage 3 kontinuierlich von dem Wickel 2 abgewickelt und mittels der Zieheinrichtung 1 unter Verschweißen der Längeränder der Lage 3 zu dem Rohrleitungselement 4 geformt, welches an dieser Stelle einen durch den Querschnitt des Ziehwerkzeugs vorgegebenen, etwa runden Querschnitt aufweist. Das endlose Rohrleitungselement 4 wird sodann der Führung 7 mit den Prägeelementen 8 der Einheit 5 kontinuierlich zugeführt (Richtungspfeil 12), wobei die Führung 7 rotiert wird, so dass auf die Mantelfläche des Rohrleitungselements 4 aufgrund der mit der Führung 7 umlaufenden Prägeelemente 8 unter Andruck derselben auf das Rohrleitungselement 4 die Oberflächenstruktur 6 aufgeprägt wird.
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Aus der Überlagerung der Rotation der Prägeelemente 8 (Pfeil 9) und des Vorschubs des Rohrleitungselements 4 (Richtungspfeil 12) wird auf der Mantelfläche desselben in Abhängigkeit von der Zustellung der rotierenden Prägeelemente 8 sowie deren Gestalt eine regelmäßige wendelförmige Prägung bis hin zu einer wabenförmigen Struktur erzeugt, welche sich schraubengangförmig um die Längsmittelachse 10 des Rohrleitungselements 4 erstreckt. Die wabenförmige Struktur aus einer Mehrzahl wendelförmig um den Umfang der Mantelfläche hintereinander angeordneter konkaver Deformationen kommt dabei durch die Verdrängung des Rohrmaterials infolge des Ausdrucks der Prägeelemente 8 zustande, indem eine periodische Faltenbildung des Rohrmaterials senkrecht zur Relativgeschwindigkeit der Mantelfläche des Rohrleitungselements 4 bezüglich der Prägeelemente 8 stattfindet. Die Form und die Tiefe der Oberflächenstruktur 6 kann dabei durch den Andruck der Prägeelemente 8 auf das Rohrleitungselement, die Umlaufgeschwindigkeit der Prägeelemente 8 (Pfeil 9), die Führungsgeschwindigkeit des Rohrleitungselements 4 (Richtungspfeil 12) bzw. die Form der mit diesem in Kontakt stehenden Oberflächenkontur der Prägeelemente 8 gesteuert werden.
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Das oberflächig strukturierte Rohrleitungselement 4 weist gegenüber einem glattwandigen Rohrleitungselement eine erhöhte Festigkeit und Steifigkeit auf, wobei die Wandstärke des Rohrleitungselements 4 je nach Anwendungszweck z. B. zwischen etwa 0,1 mm und 0,8 mm variiert werden kann.
