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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rufweiten eines Rohres in
mindestens einem Abschnitt, wobei die Innen- und Außenfläche des Rohres mit einer
Druckflüssigkeit beaufschlagt wird und der Innendruck den Außendruck um einen zum
Rufweiten des Rohrabschnittes ausreichenden Betrag übersteigt. Zum Gegenstand der
Erfindung gehört ferner eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens,
bei der zwischen der Außenfläche des Rohres und der Innenfläche einer das Rohr umgebenden,
mit einer Durchtrittsöffnung für eine äußere Füllung versehenen Preßform sowie im
Rohrinnenraum eine Druckflüssigkeitsfüllung angeordnet ist.
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Die Formgebung von rohrförmigen Werkstücken durch plastisches Rufweiten
auf der gesamten Rohrlänge oder vorzugsweise in bestimmten Rohrabschnitten erfolgt
üblicherweise durch Beaufschlagung der Rohrinnenfläche bzw. des Rohrinnenrau-:les
mit einer Druckflüssigkeit, wobei die schließlich erreichte Formgebung durch eine
das Werkstück umgebende, ebenfalls rohrförmige Preßform bestimmt ist, an welcher
die aufgewertete Rohrwandung zur Anlage kommt. Dieses einfache Innendruckverfahren
läßt sich im wesentlichen nur zur Verformung von Rohren aus Werkstoffen mit im Vergleich
zur Trennfestigkeit verhältnismäßig geringer Formänderungsfestigkeit wie Kupfer,
Messing, Bronze, Aluminium, weichem Stahl u. dgl. zufriedenstellend anwenden. Selbst
bei solchen Werkstoffen kann jedoch mit dem genannten Verfahren ohne Auftreten von
Rissen rund -ungleichmäßigen Verdünnungen in der Rohrwandung eine bleibende Aufwertung
bzw. Vergrößerung des Rohrdurchmessers um mehr als 30 % kaum erreicht werden. Das
Aufwerten von Rohren aus schwer verformbaren Werkstoffen wie Molybdän, hochfestem
Stahl u. dgl. läßt sich dagegen mit dem einfachen Innendruckverfahren praktisch
nicht durchführen.
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Es ist bereits ein Verfahren zum Aufwerten von rohrförmigen Werkstücken
bekanntgeworden, bei welchem nicht nur die Rohrinnenfläche, sondern .auch die Rohraußenfläche
während der Verformung mit einer Druckflüssigkeit beaufschlagt wird. Die eigentliche
Verformung wird hier durch eine entsprechend hohe Differenz zwischen Innen- und
Außendruck erreicht, wobei die äußere Druckflüssigkeit im wesentlichen nur zur Erzeugung
eines Flüssigkeitsfilms zwischen den gegeneinander gleitenden Flächen des Werkstückes
und der Preßform, d. h. zur Erleichterung der Gleitbewegung und zur Vermeidung des
gefürchteten Anklebens und Einreißens der Rohrwandung an der Preßform dient. Auch
mit diesem Verfahren lassen sich höhere Verformungsgrade bei Werkstoffen mit vergleichsweise
geringer Formänderungsfestigkeit bzw. praktisch verwertbare FormgebungenbeiWerkstoffen
mit hoherFörmänderungsfestigkeit schlechthin nicht erzielen.
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Aufgabe der Erfindung ist in diesem Zusammenhang die Schaffung eines
Formgebungsverfahrens für rohrförmige Werkstücke, welches die bisher geltenden Grenzen
hinsichtlich des Verformungs- und Aufwertungsgrades sowie hinsichtlich der Werkstoffgegebenheiten,
insbesondere der Formänderungsfestigkeit, zu überwinden gestattet. Die erfindungsgemäße
Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einem Verfahren der eingangs genannten
Art durch die Anwendung von Höchstdruck unter Erzeugung eines allseitigen Druckspannungszustandes
in der Rohrwandung in einem Bereich oberhalb eines Schwellenwertes, bei dem der
Werkstoff in einem Zustand erhöhten Formänderungsvermögens übergeht. Hierbei ist
unter dem Formänderungsvermögen die maximal, d. h. bis zum Bruch erreichbare bleibende
Formänderung zu verstehen. Die Erfindung macht sich also die Erscheinung zunutze,
daß praktisch alle festen Werkstoffe durch Einstellung eines im wesentlichen allseitigen
dreidimensionalen Spannungszustandes innerhalb des Werkstoffes Eigenschaften annehmen,
welche bei anschließender überlagerung geeignet bemessener Verformungskräfte bzw.
entsprechender Zusatzspannungen bis zum Erreichen des Bruchs bzw. der Trennfestigkeit
eine wesentlich erhöhte bleibende Formänderung zulassen. Durch umfangreiche praktische
Untersuchungen wurde festgestellt, daß die Anwendung dieses Effekts bei der Formgebung
von rohrförmigen Werkstücken im entsprechenden Höchstdruckbereich eine weitgehende
Unabhängigkeit von den im Normalzustand vorhandenen Verformungs- und Festigkeitseigenschaften
des Werkstoffes ermöglicht. Zum Beispiel lassen sich auf diese Weise bleibende Vergrößerungen
des Rohrdurchmessers von 100 % und mehr unter Einhaltung eines gleichmäßigen und
rißfreien Werkstoffgefüges erzielen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht
eine Zusammenpressung des Rohres in Längsrichtung während des Aufweitens vor. Diese
Maßnahme trägt insbesondere zur Einstellung eines allseitigen Druckspannungszustandes
im Werkstoff sowie zur Erzielung einer gleichmäßigen Wandstärke des verformten Rohres
bei.
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Bei der zum Erfindungsgegenstand gehörenden Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens ist zwischen der Außenfläche des Rohres und der Innenfläche einer
das Rohr umgebenden, mit einer Durchtrittsöffnung für eine äußere Füllung versehenen
Preßform sowie im Rohrinnenraum eine Druckflüssigkeitsfüllung angeordnet. Das erfindungsgemäße
Kennzeichnungsmerkmal dieser Einrichtung besteht darin, daß die Durchtrittsöffnung
durch den elastisch ausdehnbaren Außenmantel gesteuert ist. Der besondere Vorteil
dieser Einrichtung besteht in der selbsttätigen Steuerung des äußeren Gegendrukkes
während der Einstellung des allseitigen Druckspannungszustandes und während der
anschließenden Verformung ohne besondere, mit entsprechendem Herstellungs- und Bedienungsaufwand
verbundene Steuervorrichtungen.
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Die Erfindung wird weiter an Hand der in den Figuren veranschaulichten
Ausführungsbeispiele erläutert. Hierin zeigt F i g. 1 ein zu verformendes Rohr vor
der Bearbeitung, F i g. 2 das gleiche Rohr nach erfolgter Aufwertung im Längsschnitt,
F i g. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens mit unterem Druckzylinder, Preßform und oberem Druckstempel
sowie mit der hydraulischen Drucksteuereinrichtung, F i g: 4 einen Teil-Längsschnitt
der Preßform mit eingeführtem Rohr vor der Aufwertung und F i g. 5 die Preßform
in der Darstellung gemäß F i g. 4 mit Rohr nach durchgeführter Verformung.
In
F i g. 1 ist als zu verformendes Werkstück ein Rohr 10 gezeigt, das nach der Erfindung
aufgeweitet, d. h. im Druchmesser vergrößert werden soll. Dieses Rohr besteht aus
einem Werkstoff, der durch entsprechend hohe hydraustatische Pressung in bildsamen
Zustand versetzt wird, z. B. also aus Kupfer, Messing, Aluminium, Molybdän oder
Stahl.
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Nach F i g. 2 weist das Rohr in verformtem Zustand zylindrische Abschnitte
11, 13, 15 und 17 unterschiedlichen Durchmessers mit konischen bzw. abgerundeten
übergangsabschnitten 12, 14 und 16 auf. Während der Verformung nimmt das Rohr in
seiner Länge von dem ursprünglichen Maß ab, wobei die Wandstärke gleichmäßig bleibt.
Für ein Kupferrohr von ursprünglich 9,6 mm Innendurchmesser und 210 mm Länge wurde
z. B. eine abschnittsweise unterschiedliche Aufweitung auf 13,8 mm bzw. 19,2 mm
bei einer Längenabnahme auf 160 mm durchgeführt.
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Bei der Vorrichtung nach F i g. 3 ist eine Preßformanordnung 18 zwischen
einem oberen und unteren Druckstempel 19 bzw. 20 angeordnet. Die Preßformanordnung
stützt sich über einen Träger 21 am Gestell 22 der Presse ab. Mit dem oberen Druckstempel
19 ist ein Nocken 24 verbunden, dessen Kurvenbahn aus den Abschnitten
A, B und C besteht. Der Nocken steuert bei Vertikalbewegung des Druckstempels
19 über einen Stößel 25 und ein Stehventil 26 den Flüssigkeitsdruck für den unteren
Druckstempel 20. Zwischen letzterem und dem Stellventil 26 ist ein Vierwegventi127
zur Richtungsumschaltung der Flüssigkeitszufuhr zum unteren Druckstempel 20, d.
h. zum Heben und Senken des letzteren angeordnet. Die Bewegung des oberen Druckstempels
1.9 wird entsprechend über einen Druckregler 28 und ein Vierwegventil 29 gesteuert.
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Gemäß F i g. 4 umfaßt die Preßformanordnung 18 einen sich auf dem
Träger 21 abstützenden Zylinder 31, dessen durchgehende Bohrung aus zwei Abschnitten
32 und 33 unterschiedlichen Durchmessers besteht. Das obere Ende des Zylinders 31
ist als rohrförmiger, in das untere Ende der eigentlichen Preßform eingreifender
Stempel 34 ausgebildet und weist einen als Anschlag dienenden äußeren Absatz 36
auf. Ein mit dem unteren Druckstempel 20 (siehe F i g. 3) in Verbindung stehender
Kolben 37 ist durch eine Öffnung 23 des Trägers 21 geführt und greift in den unteren
Bohrungsabschnitt 33 des Zylinders 31 ein.
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Ein- hohlzylindrischer erster Teil 41 der Preßform sitzt verschiebbar
auf dem Stempel 34 und ruht auf dem Absatz 36. Dieser erste Formabschnitt umfaßt
einen kegelartig abgerundeten Bohrungsabschnitt 43 an seinem oberen Ende sowie einen
nach unten anschließenden, zylindrischen Bohrungsabschnitt 42.
Zusammen mit
einem nach unten an den Bohrungsabschnitt 42 anschließenden, ebenfalls kegelförmig
abgeschrägten bzw. abgerundeten Bohrungsteil die Abschnitte 12, 13 und 14 des Rohres
10 gemäß Fig.2.
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Innerhalb des ersten Formteils 41 ist eine hohlzylindrische, sich
nach unten gegen den Stempel 34 abstützende Stange 46 angeordnet, auf welcher das
zu verformende Rohr sitzt. Am unteren Ende der Stange 46 ist ein Flansch 47 zur
Anlage der Stirnfläche des Rohres 10 vorgesehen. Die Stange 46 ist ferner mit einer
Vielzahl von Öffnungen 48 für den radialen Durchtritt der Druckflüssigkeit zur Innenseite
des Rohres versehen.
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Ein rohrförmiges Gehäuse 51 weist einen zylindrischen Bohrungsabschnitt
52 sowie einen sich nach oben erweiternden, konischen Bohrungsabschnitt 53 mit dazwischen
angeordneter, stärker abgeschrägter und abgerundeter Schulter 54 auf. Der untere
Endabschnitt dieses beweglichen Gehäuses 51 sitzt verschiebbar auf dem Umfang des
Formteils 41, während der obere konische Bohrungsabschnitt 53 die Entnahme des Rohres
nach erfolgter Verformung erleichtert. Das Gehäuse 51 gibt dem inneren Flüssigkeitsdruck
radial elastisch nach, wenn dieser das für die Bildsamkeit des zu verformenden Rohres
erforderliche Maß übersteigt.
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Ein zweiter, außen kegelförmiger oder aufgespaltener Teil
56 der Preßform, welcher den Abschnitt 15 des verformten Rohres bestimmt,
ist in die konische Bohrung 53 des Gehäuses 51 eingesetzt und stützt sich gegen
die Schulter 54 ab. Ebenso ist ein dritter, außen konischer Formteil
61 mit Spiel in die Bohrung 53 eingesetzt. Der letztgenannte Formteil umfaßt
einen abgerundet kegelförmigen Innenlächenabschnitt 62, welcher die Form des Übergangsabschnitts
16 des aufgeweiteten Rohres bestimmt. Außerdem nimmt der Formteil 61 mit
einem zylindrischen Bohrungsabschnitt 63 das obere Ende der Stange 46 verschiebbar
auf. Ein ebenfalls zylindrischer Bohrungsabschnitt 64 entsprechend größeren Durchmessers
nimmt das obere Ende des Rohres 10 auf, wobei die den Übergang zum Bohrungsabschnitt
63 bildende Schulter 66 an der oberen Stirnkante des Rohres anliegt. Das Gehäuse
51 sowie der zweite und dritte Formteil 56 bzw. 61 bilden zusammen den in F i g.
4 mit 67 bezeichneten oberen Abschnitt der Preßform. In den oberen Endabschnitt
der Bohrung 53 ist endlich ein entsprechend kegelstumpfförmiger Pfropfen 71 eingesetzt,
der die Bohrung 53 nach oben abschließt und als Widerlager für die Formteile
56 und 61 dient. Insgesamt bestimmen die Formteile 41, 56 und 61 den
Innenraum 72 der Preßform, der zusammen mit dem Zylinder 31. und der hohlen Stange
46 mit Druckflüssigkeit gefüllt wird und der die sich aufweitenden Abschnitte des
Rohres aufnimmt (F i g. 4 und 5).
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Der Pfropfen 71 wird von oben durch eine Druckplatte 73 abgestützt,
die durch Schrauben 74 mit dem oberen Ende des Gehäuses 51 verbunden ist.
Der Pfropfen 71 ist so in die konische Bohrung 53
eingepreßt, wobei
das Maß der Pressung durch entsprechendes Anziehen der Schrauben 74 einstellbar
ist. Für das Aufweiten eines Kupferrohres ist z. B. ein Anziehen der Schrauben 74
in solchem Maß ausreichend, daß zwischen Pfropfen 71 und Gehäuse 51 eine Durchmesserpressung
von 0,075 mm auftritt. Dies bedeutet, daß der Durchmesser des Pfropfens in den Berührungsflächen
im spannungslosen Zustand jeweils 0,075 mm größer als derjenige der konischen Bohrung
53 ist. Während der Formgebung des Rohres weitet sich das Gehäuse 51 unter Aufhebung
des genannten Preßsitzes elastisch aus, sobald der Flüssigkeitsdruck im Innenraum
72 einen vorgegebenen Wert von z. B. 6075 kp/cm2 überschreitet, wobei überschüssige
Druckflüssigkeit aus dem Innenraum 72 treten kann. Der einstellbare Preßsitz des
Pfropfens 71 im Gehäuse 51 stellt somit eine Begrenzungsvorrichtung für den Flüssigkeitsdruck
bzw.
ein selbsttätiges Ablaßventil für bezüglich des vorgegebenen Grenzdruckes überschüssige
Flüssigkeit dar. An der Unterseite der Druckplatte 73 sind radiale Ausnehmungen
76 vorgesehen, welche die austretende überschußflüssigkeit ableiten.
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Zum Betrieb der Vorrichtung wird ein Rohr 10
als Rohling auf
die Stange 46 mit dem Endabschnitt 11 am Flansch 47 anliegend aufgesetzt. Stange
und Rohr werden dann zusammen in den ersten Formteil 41 so eingesetzt, daß der Flansch
47 gegen den Stempel 34 stößt. Sodann wird das Gehäuse 51 über den ersten Formteil
41 aufgesetzt und die Flüssigkeit in das Gehäuse eingegossen. Anschließend wird
der zweite Formteil 56 in die Bohrung 53 eingeführt und auf die Schulter 54 gesetzt.
Sodann wird der dritte Formteil 61 in die Bohrung 53 eingeführt, so daß der Bohrungsabschnitt
63 das obere Ende der Stange 46 aufnimmt, während der Endabschnitt 17 des Rohres
10 in den Bohrungsabschnitt 64 des Formteils 61 gleitet und gegen die Schulter 66
stößt. Dabei bleibt eine Lücke 77 zwischen den Formteilen 56 und 61. Anschließend
wird der Pfropfen 71 in die Bohrung 53 eingeführt und durch Anziehen der Schrauben
74 mittels der Druckplatte 73 mit dem gewünschten Preßsitz in das Gehäuse 51 eingedrückt.
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Nun wird zunächst der Druckregler 28 und das Vierwegventil 29 derart
betätigt, daß sich der obere Druckstempel 19 gegen die Druckplatte 73 legt. Der
Abschnitt A des Nockens 24 steht dabei zunächst mit dem Stößel 25 in Berührung
und bewirkt über das Stellventil 26 eine Druckzunahme der dem unteren Druckstempel
20 zugeführten Flüssigkeit. Sodann wird der untere Druckstempel 20 und damit der
hierdurch beeinflußte Kolben 37 durch Betätigen des Vierwegventils 27 in Aufwärtsbewegung
geschaltet. Dabei wird die Flüssigkeit im Druckzylinder 31 und im Innenraum der
Stange 46 sowie über die Öffnungen 48 auch die Innenseite des zu verformenden Rohres
unter Druck gesetzt, so daß sich das Rohr unter Entstehung von Tangentialspannungen
(Zugspannungen in Umfangsrichtung des Rohrmantels) um ein gewisses Anfangsmaß aufweitet.
Dabei wird die im Innenraum 72 der Preßform eingeschlossene Flüssigkeit zusammengepreßt
und erzeugt einen zur Erreichung der gewünschten Bildsamkeit des Rohres ausreichenden
Gegendruck auf die Außenfläche des letzteren.
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Nun wird wiederum .der Druckregler 28 und das Vierwegventil27 betätigt,
so daß der obere Druckstempel 19 die Preßformanordnung 18 über die Druckplatte 73
teleskopartig zusammenschiebt, wobei das Gehäuse 51 auf dem feststehenden Formteil
41 gleitet. Dabei nähern sich die Formteile 61 und 41 einander an, und zwar unter
Verminderung des Volumens des Innenraums 72 sowie unter weiterer Druckerhöhung in
diesem. Durch das teleskopartige Zusammenschieben der Preßform wird das Rohr 10
ferner zwischen der Schulter 66 und dem Flansch 47 in Längsrichtung zusammengepreßt,
wodurch eine gleichmäßige Wandstärke bei der Aufweitung erhalten bleibt. Bei der
Aufwärtsbewegung des oberen Druckstempels 19 tritt der Abschnitt B des Nockens 24
mit .dem Stößel 25 in Berührung und bewirkt über das Stellventil26 einen weiteren
Druckanstieg der dem unteren Druckstempel 20 zugeführten Flüssigkeit, wodurch auch
der Druck auf der Innenseite des sich verformenden Rohres sowie unter zunehmender
Aufweitung auch der Druck im Innenraum 72 ansteigt. Wenn der auf den Formteil
56 und das Gehäuse 51 wirkende Innendruck die vorgegebene Größe erreicht
und sich das Gehäuse 51 durch Aufweitung radial vom Pfropfen 71 abhebt, so tritt
Flüssigkeit vom Innenraum 72 über die Lücke 77 längs der nun aufgeweiteten Bohrung
53 am Pfropfen 71 vorbei aus dem Druckraum und fließt über die Ausnehmungen 76 ab.
Infolge der hiermit verbundenen Druckbegrenzung auf der Rohraußenseite wird das
Rohr durch den weiter zunehmenden Innendruck im Bereich des Innenraums 72 zunehmend
aufgeweitet. Während dieses Arbeitsvorgangs wird auch der unterste Formteil 41 elastisch
aufgeweitet und legt sich unter Druck gegen die Innenfläche des Gehäuses 51, wodurch
hier eine sichere Flüssigkeitsdichtung erreicht wird. Bei der weiteren Abwärtsbewegung
des Druckstempels 19 bewirkt der Abschnitt C des Nockens 24 in der vorangehend beschriebenen
Weise eine weitere Zunahme des Rohrinnendrucks, so daß der Innenraum von dem sich
aufweitenden Rohr völlig ausgefüllt und die hierin befindliche Druckflüssigkeit
verdrängt wird. Durch die schließliche Anlage des Rohres an der gesamten Innenfläche
der Preßform bilden .sich zuletzt die Abschnitte 13 und 15 des fertig verformten
Rohres.
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Nach Beendigung der Verformung wird der obere Druckstempel
19 durch Betätigen des Vierwegventils 27 von der Druckplatte 73 abgehoben,
während gleichzeitig der untere Druckstempel 20 mittels des Vierwegventils 27 abgesenkt
wird. Dann wird die Druckplatte 73 vom Gehäuse 51 gelöst, worauf der Pfropfen 71
von dem sich zusammenziehenden Gehäuse aus der konischen Bohrung 53 ausgetrieben
wird. Abschließend werden der Pfropfen 71, das Rohr 10 sowie die Stange 46 und der
mittlere Formteil 56 aus dem Gehäuse 51 entfernt und das fertig verformte Rohr von
der Stange 46 abgenommen.