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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum dem Abstechen entsprechenden
Trennen von Rohren, insbesondere aus Metall, und auf Vorrichtungen zur Ausübung
dieses Verfahrens.
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Bekannt ist es, Werkstücke mit Elementarteilchen zu beaufschlagen,
und zwar zum Erzeugen von Löchern (punktweise Beaufschlagung) und zum Verbinden
zweier Bleche durch Schweißen (Beaufschlagung längs einer geraden Linie). Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde; das Anwendungsgebiet dieses. Verfahrens zu erweitern,
und zwar derart,. daß Rohre, insbesondere aus Metall, mit Elementarteilchen im Sinne
des Abstechens beeinflußt, also in Teilstücke getrennt werden können.
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Bekannt ist es zwar, ein aus einem Walzwerk od. dgl. kontinuierlich
auslaufendes Rohr, das unter Zugspannung gesetzt ist, so lange induktiv zu erhitzen,
bis sein Formänderungswiderstand kleiner ist als die ausgeübte Zugspannung. Dieses
Verfahren kann aber nur dann wirtschaftlich eingesetzt werden, wenn die abzutrennenden
Rohre eine Länge aufweisen, die einem Vielfachen der handelsüblichen Länge entspricht,
also beispielsweise 300 m beträgt. Der dann anfallende Abfall ist, bezogen auf diese
Gesamtlänge, vernachlässigbar. Sollen jedoch Rohrabschnitte von beispielsweise 6
m Länge mit diesem bekannten Verfahren erzeugt werden, dann ist der anfallende Abfall
recht erheblich, abgesehen davon, daß es bei Ausstoßgeschwindigkeiten von 100 m/s
gar nicht möglich ist, die notwendigen hohen Leistungen in den Spulen umzusetzen.
Es läßt sich also auf diesem Weg die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe nicht
befriedigend lösen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine
Vielzahl von impulsartig abgegebenen, durch magnetische oder optische Linsen gebündelten
Elementarteilchen hoher Teilchendichte und Leistung gegen die Oberfläche eines unter
Zugspannung gesetzten Rohrabschnittes so zu bewegen, daß die Auftreffpunkte auf
einer geschlossenen, der Querschnittsumrißform entsprechenden Linie liegen. Durch
diese Anweisung läßt sich eine erhebliche Steigerung der Durchlaufgeschwindigkeit
des Rohres gegenüber mechanischen Trennvorrichtungen, ein gerader Schnitt, wie bei
spanabhebenden Abstechvorrichtungen, und eine einwandfreie Bearbeitung -auch dünnwandiger
Rohre, insbesondere mit extrem dünnen Wänden - zu erzielen, ganz davon abgesehen,
daß die bei den bekannten Verfahren erforderlichen, nachgeschalteten Maschinen entfallen.
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Wird also das unter Zugspannung stehende Rohr in Richtung seiner Längsachse
bewegt und impulsartig mit Elementarteilchen beaufschlagt, dann läßt sich praktisch
jedes Rohr in Teilstücke aufteilen, wobei es zweckmäßig sein kann, und zwar je nach
Durchmesser oder Wandstärke des zu bearbeitenden Rohres, die Elementarteilchen kurzzeitig
mit der Geschwindigkeit des Rohres mitzubewegen. Selbstverständlich kann ein Rohr
auch dann getrennt werden, wenn es in Ruhe ist, notwendig ist dann nur, daß das
Rohr während der impulsartigen Beaufschlagung mit Elementarteilchen im Beaufschlagungsbereich
auch unter Wirkung einer Zugspannung steht.
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Dieses Trennenkönnen mit Elementarteilchen ist deswegen besonders
wichtig, weil das Herstellen von Rohren mittels Strangpressen, Walzwerken, Schweißstraßen
oder ähnlicher Anlagen heute mit immer höher werdenden Austrittsgeschwindigkeiten
erfolgt. Man könnte diese Austrittsgeschwindigkeiten noch wesentlich steigern, wenn
eine Rohrabstechmaschine zur Verfügung stehen würde, die das saubere Unterteilen
der Rohre in handelsübliche Längen bei hohen Austrittsgeschwindigkeiten zulassen
würde. Bisher werden hauptsächlich sogenannte fliegende Sägen benutzt, die aber
bei höheren Austrittsgeschwindigkeiten keine grat- und verformungsfreien Rohrenden
liefern und bei verhältnismäßig hohen Austrittsgeschwindigkeiten ganz versagen.
So liegen dementsprechend die heute üblichen Austrittsgeschwindigkeiten immer noch
unterhalb des Wertes von 10 m pro Sekunde, wenngleich man in der Lage wäre, mit
viel höheren Austrittsgeschwindigkeiten zu arbeiten, wenn nur schnell und sauber
genug abgestochen werden könnte.
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Um diese Schwierigkeiten zu erläutern, sei angenommen, daß eine Abstechmaschine
mit in Richtung der Rohrachse hin- und herbewegbarem Abstechkopf ortsfest angeordnet
wird und der Abstechvorgang in einer Zeit beendet sein soll; in der sich das abzustechende
Rohr nur um ein kleines Stück, z. B. 20 mm, fortbewegt hat, so daß der Abstechvorgang
bei einer Austrittsgeschwindigkeit von 100 m pro Sekunde nur 0,0002 Sekunden dauern
darf. Dabei müßte dann noch das Werkzeug, d. h. der Abstechkopf während dieser Zeit
mit 100 m pro Sekunde in Richtung der Rohrachse bewegt werden. Das Werkzeug müßte
also vor dem Abstechen von der Geschwindigkeit 0 m pro Sekunde auf 100 m pro Sekunde
beschleunigt und nach dem Abstechen von 100 m pro Sekunde auf 0 m pro Sekunde verzögert
werden. Bei einer solchen Abstechmaschine müßten Werkzeug und Werkzeugträger wegen
der hohen Beschleunigungen eine sehr geringe Masse besitzen und kurzzeitig, nämlich
während 0,0002 Sekunden, eine Zerspannungsleistung hergeben, die 5000mal höher sein
müßte als bei den heute. üblichen Abstechanlagen. Wenn man annimmt, daß ein solcher
Abstechvorgang heute bei einer Abstechbreite von 2 mm während einer Sekunde eine
Leistung von 10 Kilowatt erfordert, so würden im vorgenannten Beispiel 50 000 Kilowatt
Zerspannungsleistung kurzzeitig zur Verfügung stehen müssen. Würde man nur mit einer
Abstechbreite von 0,01 mm arbeiten können, was heute kein normales Abstechwerkzeug
zu erreichen gestattet, so käme man bei gleichen Verhältnissen und bei Vernachlässigung
der seitlichen Werkzeugreibungskräfte schon mit 250 Kilowatt an Stelle von 50 000
Kilowatt aus. Es ergeben sich also folgende Forderungen für eine Rohr-Abstechmaschine:
1. Das Werkzeug soll einen extrem schmalen Schnitt (z. B. 0,01 mm) zulassen; 2.
beim Schnittvorgang soll sich das Werkzeug während einer extrem kurzen Zeit (z.
B. 0,0002 Sekunden) mit der Rohraustrittsgeschwindigkeit (z. B. 100 m pro Sekunde)
mitbewegen, damit ein gerader Schnitt erzeugt wird; 3. das Werkzeug soll während
des Abstechvorganges eine extrem hohe Zerspanungsleistung ermöglichen; 4. das Werkzeug
soll die abzustechenden, meist noch glühenden Rohrstücke nicht verformen, was sich
bei den heute auf dem Markt befindlichen Scheren oder schnellen Heißtrennsägen und
bei anderen bekannten Verfahren für hohe Austrittsgeschwindigkeiten nicht vermeiden
läßt.
Wird ein abzustechendes Rohr am Umfang der Abstechstelle,
beispielsweise in einem Zylinder von 0,01 mm Breite, mit Elementarteilchen, wie
Elektronen oder Photonen, wie oben angegeben, stoßartig beaufschlagt, wobei die
Gesamtenergie der Teilchen beim Auftreffen der Verbandsenergie der Fernordnung der
Kristalle des Zylinders entspricht, so wird diese Fernordnung aufgehoben, und wird
eine Wiederherstellung der Fernordnung durch Zug verhindert, dann ist die hier gestellte
Aufgabe des Durchtrennens gelöst.
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Werden als Elementarteilchen Elektronen benutzt, die von einer Kathode
mit Unterstützung einer Wehneltelektrode emittiert, durch das Feld zwischen Anode
und Kathode beschleunigt und durch ein Elektronen bündelndes Element, wie magnetische
Linse, beeinflußt werden, so ist erfindungsgemäß dafür zu sorgen, daß in einem evakuierbaren
Gehäuse, durch das hindurch das Rohr unter Zwischenfügung von Abdichtungen längs
bewegbar ist, die als Hohlkörper ausgebildeten Teile - die Kathode, die Anode, die
Wehneltelektrode und die magnetische Linse - derart angeordnet sind, daß die Hauptachsen
dieser Teile mit der Längsachse des Rohres zusammenfallen, wobei die Anode, die
Wehneltelektrode und die magnetische Linse je aus zwei gleichachsig im Abstand voneinander
angeordneten Teilen bestehen, die beiderseits des von der Kathode umschlossenen
Raumes angebracht sind. In dem von den die magnetische Linse bildenden Ringspulen
umfaßten Raum sollten außerhalb des vom Rohr umschlossenen Raumes ringförmige, als
Feinsteuermittel dienende Hilfsspulen vorgesehen sein. Mittels dieser Feinsteuermittel
kann erreicht werden, daß ein Rohr nicht glatt, sondern sägenförmig getrennt wird,
wie dies der sogenannten Hirth-Verzahnung entspricht, bei der gerade Radialzähne
gebildet sind, deren Zahnquerschnitt ein gleichseitiges Dreieck ist.
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Werden als Elementarteilchen Photonen benutzt, so soll von Festkörperlaser-Einheiten
ausgegangen werden, wie sie z. B. in »Proceedings of the IEEE«, S. 46 (Januar 1963),
beschrieben wurden. Es wird dann empfohlen, eine aus Rubinen bestehende Ringscheibe
in einer senkrecht auf der Bewegungsrichtung des Rohres liegenden Ebene, das Rohr
umfassend, anzuordnen und die beiden Breitseitenflächen dieser Scheibe durch Lichtstrahlen
von Blitzlichtlampen zu beaufschlagen und konzentrisch innerhalb der Rubinscheibe
eine Ringlinse anzuordnen, wobei diese Teile von einem Gehäuse zu umfassen sind,
schon um Gefährdungen durch Blitzlichtstrahlen auszuschließen. Die Ringlinse besteht
aus einem Hohlkörper, dessen Radialquerschnittsflächen Linsenform aufweisen. Zweckmäßig
ist es, die Rubinscheibe aus kollektorartig angeordneten Rubinstäben bestehen zu
lassen, wobei es sich empfiehlt, die Rubinstäbe durch Silberfolien voneinander zu
trennen. Zweckmäßig ist es auch, dafür zu sorgen, daß der Querschnitt der Rubinscheibe
im inneren Bereich schneidenartig ist.
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Für beide Fälle ist es zweckmäßig, vor und hinter dem Gehäuse, in
dem die Elementarteilchen erzeugt werden, Transportmittel für das zu bearbeitende
Rohr anzuordnen, von denen das hinter dem Gehäuse angeordnete Transportmittel auf
das Rohr eine größere Vorschubkraft ausübt als das vor dem Gehäuse angeordnete Transportmittel.
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Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung werden
an Hand zweier Ausführungsbeispiele nachstehend schematisch erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Vorrichtung zum Erzeugen von Elektronen, die dem Trennen eines Rohres
dienen, im Schnitt, F i g. 2 eine Vorrichtung zum Erzeugen von Photonen, mit denen
Rohre im Sinne des Abstechens getrennt werden sollen, im Schnitt, F i g. 3 eine
Teilseitenansicht der in F i g. 2 im Schnitt dargestellten Rubin/Ringscheibe.
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Mit einer ringförmig ausgebildeten, elektrisch beheizten Wärmequelle
1 wird die ebenfalls ringförmig ausgebildete Kathode 2 beheizt. Zwischen der doppelrohrförmig
ausgebildeten Anode 3 und der Kathode 2 wird eine Spannung Ui angelegt. Radförmige
Wehneltelektroden 4 sorgen dafür, daß erzeugte Elektronen von der Kathode glatt
abfließen, was sich durch Wahl einer geeigneten Spannung U2 erreichen läßt. Die
Elektronen treten dann zwischen den beiden Anodenrohren 3 ringscheibenförmig aus,
wobei der sich verbreiternde Elektronenstrahlring 5 durch beiderseits des Elektronenstrahlringes
angeordnete Magnetspulen 6 derart gebündelt wird, daß der Elektronenring beim Auftreffen
auf das Rohr 7 linienförmig wird, d. h., die Oberfläche des Rohres 7 ist gleichzeitig
Brennlinie für die von der Kathode ausgetretenen Elektronen geworden.
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Das zu trennende Rohr 7 ist an den Stellen 8 nach außen hin abgedichtet.
Das gesamte Gehäuse 9 wird an der Stelle 9' luftleer gepumpt. Die antreibbaren Rollen
10 und 11 bewegen das Rohr 7 z. B. in Richtung des Pfeiles 12. Die Rollen 11 sind
mit höherer Drehzahl anzutreiben als die Rollen 10, so daß im Rohr 7 eine wählbare
Zugkraft entsteht. Wird in diesem Fall das Rohr durch den Elektronenstrahlring 5
plötzlich getrennt, so sorgt diese Zugkraft dafür, daß das Rohr nicht wieder nach
dem Trennen sofort zusammenschweißt. Kurz danach ist das abgetrennte Rohrstück wieder
abgedichtet geführt. Die Impulsdauer des Elektronenstrahls ist so gewählt, daß der
Impuls mit der Trennung beendet ist. In dem Augenblick, in dem das Rohr getrennt
ist, würde die Wirkung der Elektronen sowieso aufhören, da diese dann von der eindringenden
Luft stark gestreut und abgebremst würden. Das erneute Herstellen eines luftleeren
Raumes bereitet wegen des nur geringen Spaltes zwischen den Rohrstücken und der
bis zur nächsten Trennung vergehenden kurzen Zeit wenig Schwierigkeiten.
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In dem Raum zwischen den Spulen 6 und dem Rohr 7 können weitere Spulen
zur Feinsteuerung des Elektronenstrahlringes angeordnet werden, um beispielsweise
ein Rohr nicht glatt, sondern sägenförmig zu trennen, wie dies eingangs schon kurz
erläutert wurde (Erzeugung einer Hirth-Verzahnung).
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Sollen als Elementarteilchen Photonen verwendet werden, was den Vorteil
hat, daß der Bearbeitungsraum nicht luftleer gepumpt werden muß, da Photonen in
der Atmosphäre nicht so stark abgebremst werden wie Elektronen, Ionen u. dgl., wird
empfohlen, eine aus Rubinen bestehende Ringscheibe 13 in einer etwa senkrecht zur
Längsachse des Rohres liegenden Ebene anzuordnen und das Rohr umfassen zu lassen.
Die beiden Breitseitenflächen dieser Rubinringscheibe 13 werden durch Lichtstrahlen
von Blitzlichtlampen 14 und 15 möglichst gleichmäßig und voll beaufschlagt. Die
Rubinringscheibe kann dabei aus einzelnen Rubinstäben 13' kollektorartig zusammengesetzt
sein,
wie dies F i g. 3 zeigt (Ansicht nach der Linie HI-III der F i g. 2). Sichtbar sind
in F i g. 3 auch die Blitzlichtlampen 14. Zwischen je zwei benachbarten Rubinstäben
13' kann eine Silberfolie 16 als lichtundurchlässige Schicht angeordnet sein, und
nach außen hin kann das ganze Rubinstabpaket ebenfalls durch mindestens eine Silberfolie
17 abgedeckt sein, so daß Photonen nur in Richtung auf das Rohr 7 austreten können.
Die kubinscheibe kann zur Unterstützung dieses Vorganges innen auch schneidenartig
ausgebildet sein, wie dies in F i g. 2 bei 18 gestrichelt dargestellt ist.
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Der aus der Rubinscheibe 13 austretende Photonenstrahlring wird in
einer Ringlinse 19 derart gebündelt, daß die Photonen das Rohr 7 auf einer geschlossenen,
der Querschnitts-Umrißlinie des Rohres entsprechenden Linie berühren.
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Auch bei dieser Anordnung sorgen 'die Rollen 10
für den Einzug
und die Rollen 11 für den Auszug des Rohres aus der Vorrichtung. Auch hier können
die Rollen 11 so gesteuert werden, daß das Rohr 7 immer unter Wirkung einer Zugkraft
steht und z. B. beim Trennen des Rohres die beiden getrennten Teile nicht selbsttätig
wieder aneinandergeschweißt werden. Abgedeckt sind die Teile der Vorrichtung durch
ein Gehäuse 20, an dem die Transportmittel 10 und Il gelagert sind.
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Das Verfahren ist nicht beschränkt auf die Benutzung von Photonen
oder Elektronen. So können z. B. auch Ionen und andere Elementarteilchen, die sich
optisch, elektrisch oder magnetisch beeinflussen lassen, benutzt werden.