DE19504736C2 - U-O-Formbiegeverfahren und -vorrichtung zum Herstellen längsnahtgeschweißter Großrohre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein U-O-Formbiegeverfahren zum Herstellen längsnahtgeschweißter Großrohre gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine U-O-Formbiegevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

Die Herstellung längsnahtgeschweißter Großrohre nach dem U-O-Verfahren ist bekannt (Stahlrohr-Handbuch 10. Auflage, Vulkan-Verlag Essen 1986; Seite 164 bis 167). Bei diesem Verfahren wird in der ersten Umformungsstufe das Blech im Bereich der Längskanten vorgebogen. Der Biegeradius entspricht in etwa dem halben Durchmesser des Schlitzrohres. Das Anbiegen erfolgt in Formpressen. In der zweiten Stufe wird das Blech in einem Arbeitsgang zu einer U-Form gebogen, in dem ein über die Länge des Bleches sich erstreckender Werkzeugträger das Blech durch zwei Auflager drückt. In der Endphase wird der Abstand der Auflager verkleinert, um senkrechte oder sogar nach innen geneigte Schenkel des U zu erreichen. In der dritten Umformungsstufe wird das U-Profil in der O-Presse in einem Arbeitsgang zum runden Schlitzrohr geformt, wobei zunächst die Kanten der U-Form geschlossen werden, bevor der eigentliche Rundungsvorgang beginnt. In der Praxis bereitet es keine Schwierigkeiten, durch eine passend gewählte Kontur des U-Preßstempels im Bereich der unteren Hälfte der Vorbiegeform (3- bis 9-Uhr-Bereich) eine gute Angleichung an die kreiszylindrische Innenkontur des unteren O-Preßgesenkes zu erreichen. Wie bereits erwähnt, müssen während des Schließvorganges der O-Presse zunächst die beiden Schenkel der U-Form zusammengeführt werden. Durch dieses Zusammenbiegen kann in der unteren Hälfte der Krümmungsradius plastisch verringert, d. h. überbogen werden. Beim Runden in der O-Presse wird das wieder rückgängig gemacht, was aber zu einer Entfestigung führt (Bauschinger-Effekt). Es ist bekannt, zur Vermeidung dieser Überbiegung in der U-Presse die Schlitzkanten soweit wie möglich an den Werkzeugträger heranzubiegen und einen möglichst großen Preßstempel zu benutzen, der es gerade noch gestattet, die U-Form in das untere Gesenk der O-Presse einzuführen. Weil zwischen dem vorher gebogenen Randstreifen (vom oberen Scheitel bis höchstens 1- bzw. 11-Uhr-Lage) und dem Rand des in der U-Presse gebogenen Bereiches beidseitig ebene Blechstreifen von etwa 1/8 bis 1/6 der Blechbreite verbleiben (siehe Fig. 3) wird beim Runden in der O-Presse zwangsläufig im Bereich von 3- bis 5-Uhr bzw. 7- bis 9-Uhr überbogen mit resultierendem Bauschinger-Effekt nach der Rückbiegung, die oft nicht vollständig gelingt, ebenso wenig wie die korrekte Biegung der nach der U-Formung eben gebliebenen Streifen (zwischen 1- und 2-Uhr bzw. 10- und 11-Uhr). Im fertig gebogenen Schlitzrohr verbleiben nach der O-Formung stets mehr oder weniger flache Umfangsbereiche, besonders dann, wenn die Preßkraft begrenzt ist. Diese Begrenzung kann gegeben sein,

• - weil der zulässige Hydraulikdruck der Anlage erreicht ist,
• - weil technische Anforderungen an das Fertigrohr entgegenstehen oder,
• - besonders bei dünnwandigen hochfesten Rohren, Stabilitätsprobleme in der Rundepresse auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein U-O-Formbiegeverfahren und eine zugehörige Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem (der) bei der O-Formung mit begrenzter Preßkraft, also unter Verzicht einer nennenswerten Durchmesserreduktion, im wesentlichen durch Biegeverformung unter weitgehender Vermeidung des schädlichen Bauschinger-Effektes ein nahezu rundes Schlitzrohr erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird mit dem U-O-Formbiegeverfahren nach Patentanspruch 1 und der U-O-Formbiegevorrichtung nach Patentanspruch 2 gelöst.

Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 3 und 4.

Erfindungsgemäß ist der gekrümmte Bodenbereich der U-Form derart ausgebildet, daß anschließend in der U-O-Formbiegepresse nach dem Schließen der Schlitzkanten die Kontur der Vorform einem abgerundeten gleichseitigen Dreieck nahekommt, wobei die größte Breite des Dreiecks dem Solldurchmesser entspricht. Im Vergleich zu einem Viereck (auf einer Ecke stehendes Quadrat), das mit der U-O-Formbiegepresse ebenfalls erzeugt werden kann, bietet das Dreieck größere Hebelarme (Seitenlängen) und geringere Gefahr hinsichtlich des Bauschinger-Effektes. Das Viereck hat darüber hinaus noch den Nachteil, daß die seitlich abgerundeten Ecken bei 3- und 9-Uhr keine definierte Anlage im Unter- oder Obergesenk einer üblichen O-Presse haben.

Der Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß er zur Erzeugung der dreiecksartigen Form in der U-O-Formbiegepresse aus Kreisabschnitten zusammengesetzt ist, deren Mittelpunkte versetzt angeordnet sind. Ausgehend von einem Preßstempel mit dem Sollradius R und seinem Mittelpunkt auf der Symmetrielinie wird erfindungsgemäß im Bereich der 6-Uhr-Lage ein größerer Radius R1 = R/(1 - δ) gewählt, dessen Mittelpunkt auf der Symmetrielinie oberhalb des theoretischen Mittelpunktes des Sollradius liegt. In den beiderseitig anschließenden Bereichen werden kleinere Radien R2 = R2' = R/(1 + δ) ausgeführt, deren Mittelpunkte auf Linien liegen, die gegen die Symmetrieachse um 60° geneigt sind. Der Versatz der Mittelpunkte ist abhängig von der Wanddicke und der elastischen Grenzdehnung, d. h. dem Werkstoff des zu biegenden Bleches. Der sich aus der Wanddicke und der elastischen Grenzdehnung ergebende Korrekturfaktor δ liegt für die üblichen Blechdicken und Werkstoffe im Bereich von 0,02 bis 0,23.

Es versteht sich von selbst, daß nicht für jede Wanddicke und jede Werkstoffgüte ein eigener Preßstempel hergestellt werden kann. Das würde die Fertigungskosten hochtreiben und die Lagerhaltung erschweren. Aus diesem Grunde wird für eine Bandbreite eng nebeneinander liegender Wanddicken sowie Werkstoffgüten ein Durchschnittswert für den Korrekturfaktor d vorgegeben, der dann die Grundlage für die Fertigung der Kontur des Preßstempels bildet.

In der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Querschnitt die angestrebte ideale Dreiecksform in der ersten Phase der Umformung in der U-O-Formbiegepresse,

Fig. 2 im Querschnitt die Kontur eines erfindungsgemäßen Preßstempels,

Fig. 3 im Querschnitt eine Prinzipskizze der üblichen und bekannten U-Verformung im Stadium nach dem Zurückfedern,

Fig. 4 im Querschnitt die Kontur eines üblichen Preßstempels.

In Fig. 3 sind im Querschnitt die wesentlichen Elemente einer bekannten U-Presse dargestellt, sowie die damit erzeugte U-Form im Stadium des Zurückspringens nach der Entlastung. Das zu biegende Blech 1 liegt auf zwei Biegerollenbalken 4, 4'. Von oben drückt ein an einem Werkzeugträger befestigter Preßstempel 3 auf das Blech 1 bis der Preßstempel 3 mit dem Blech-Mittelbereich auf der prismatischen Unterlage 2 anschlägt. In der Schlußphase werden die Biegerollenbalken 4, 4' zusammengefahren, um eine senkrecht oder sogar nach innen geneigte Lage der Schenkel des U zu erreichen. Nach der Entlastung springt die U-Form etwas auf, so daß sich die in dieser Figur dargestellte Konfiguration ergibt. Mit a ist die größte Breite der U-Form benannt, die höchstens gleich oder etwas kleiner sein muß als der Durchmesser des unteren Gesenkes der O-Presse (siehe Fig. 1), damit die U-Form eingesetzt werden kann. Der Abstand der beiden Schlitzkantenbereiche 5, 5' ist mit b gekennzeichnet. Der Winkelbereich, bis zu dem der Randbereich vorgebogen wird, ist mit β bezeichnet. Der Radius der Anbiegung trägt die Bezeichnung R_E. Der Scheitelbereich 6 der U-Form ist üblicherweise kreisförmig mit einem Radius R. Mit L ist derjenige Bereich bezeichnet, der bei der Vorformung nahezu eben bleibt.

Fig. 4 zeigt in einem Querschnitt im vergrößerten Maßstab die Kontur eines üblichen Preßstempels 3. Die Kontur ist gekennzeichnet durch eine Zylinderfläche 7 mit dem Radius R, wobei der Mittelpunkt dieses Radius R im Symmetriemittelpunkt MS liegt. Die kreisförmige Zylinderfläche 7 erstreckt sich bis in die Durchmesserebene 8. Dann schließt sich auf beiden Seiten eine weitere Zylinderfläche 9, 9' mit einem Radius R' = R/2 an. Die Mittelpunkte MR, MR' liegen auf der Durchmesserebene 8. Die umfangsmässige Erstreckung dieser beiden Zylinderflächen 9, 9' beträgt beispielhaft 60°.

Fig. 1 verdeutlicht den Grundgedanken der Erfindung. Es wird ein stark abgerundetes gleichseitiges Dreieck in der ersten Phase des Schließens der U-O-Formbiegepresse angestrebt. Von dieser Presse sind in dieser Figur nur andeutungsweise das obere und das untere Gesenk 10, 11 dargestellt. Diese Gesenke 10, 11 können aufeinander zu- bzw. voneinander wegbewegt werden. In der ersten Phase des Schließens der beiden Gesenke 10, 11 werden im wesentlichen die beiden Schlitzkantenbereiche 5, 5' zusammengefahren. Danach beginnt die eigentliche Rundung zu einem Schlitzrohr. Durch die saubere Anlage der gekrümmten Bereiche 12, 12' in der 4- bzw. 8-Uhr-Lage im unteren Gesenk 11 wird bewirkt, daß die schwach oder gar nicht gekrümmten Bereiche 13, 14, 15 bei der Rundung zur Anlage kommen unter Vermeidung des (nicht erwünschten) Bauschinger-Effektes. Darüber hinaus wird auch die Presse nicht überbeansprucht, da eine wesentliche Durchmesserreduktion für die Rundung nicht erforderlich ist.

In Fig. 2 ist die Kontur des erfindungsgemäßen Preßstempels 16 dargestellt. Im Unterschied zum bekannten Stand der Technik (Fig. 4) liegt der Mittelpunkt M1 des Abrundungsradius R1 für den Scheitelbereich 17 nicht auf dem Symmetriemittelpunkt MS, sondern auf der Symmetrieachse z im Abstand e versetzt weiter entfernt von der Konturlinie. An den Scheitelbereich 17 schließen sich beidseitig Bereiche 18, 19 mit dem Abrundungsradius R2, R2' an. Die Mittelpunkte M2, M2' der Abrundungsradien R2, R2' liegen versetzt um den Abstand f zum Symmetriemittelpunkt MS näher an der Konturlinie. Die Linien, auf der diese Mittelpunkte M2, M2' liegen, sind um 60° verschwenkt, bezogen auf die Symmetrieachse z. Die Verbindungslinien L1, L1' von M1 bis zur Konturlinie über M2 bzw. M2' begrenzen den Scheitelbereich 17 mit dem Abrundungsradius R1. Die umfangsmässige Erstreckung dieses Scheitelbereiches 17 beträgt etwa 60°. An diesen Scheitelbereich 17 schließen sich beidseitig die beiden zuvor genannten Bereiche 18, 19 mit dem Abrundungsradius R2 bzw. R2' an. Für den Bereich über 90° hinausgehend kann sich ggf. noch ein weiterer Bereich 20 anschließen mit dem Abrundungsradius R3, wobei R3 kleiner ist als R2. Dieser mögliche Zusatzbereich 20 ist hier nur auf der linken Hälfte der Figur dargestellt.

Claims (4)

1. U-O-Formbiegeverfahren zum Herstellen längsnahtgeschweißter Großrohre, bei dem nach dem Anbiegen beider Längsrandstreifen eines rechteckigen Bleches dieses in einem weiteren Biegegang zu einer offenen symmetrischen U-Vorform vorgebogen und in die U-Vorform beim Vorbiegen ein gekrümmter Bodenbereich der offenen U-Vorform zwischen der 3- bis 9-Uhr-Lage gebogen wird und anschließend durch geradlinige Schließbewegung zweier konkaver Halbzylinder zu einem Schlitzrohr fertiggebogen wird, wobei zunächst die beiden Schenkel der Vorform zusammengeführt werden, bevor der eigentliche Rundungsvorgang beginnt, dadurch gekennzeichnet, dass die U-Vorform mit einem Krümmungsradius gebogen wird, der größer ist als der Sollradius (R) und bei Beginn des eigentlichen Rundungsvorganges nach dem Schließen der Blechkanten (5, 5') eine Zwischenform gebogen wird, die einem stark abgerundeten gleichseitigem Dreieck nahekommt, wobei die beiden abgerundeten Kanten (12, 12') des Bodenbereiches im unteren konkaven Halbzylinder (11) in der 4- und 8-Uhr Lage gebogen werden, während die dritte abgerundete Kante aus den beiden angebogenen Randstreifen gebogen wird und im Mittenbereich des oberen konkaven Halbzylinders (10) in der 12-Uhr-Lage zur Anlage kommt und bei der eigentlichen Rundung die schwach oder gar nicht gekrümmten Bereiche (1, 3, 14, 15) abschließend zur Anlage an die Halbzylinder (10, 11) kommen.

2. U-O-Formbiegevorrichtung zum Herstellen längsnahtgeschweißter Großrohre für das Verfahren nach Anspruch 1, mittels einer U-O-Formbiegepresse, bestehend aus einem senkrecht zur Blechfläche verfahrbaren über die Länge des Bleches sich erstreckenden flächigen Werkzeugträgers, an dem eine Reihe in Längsrichtung aufeinander folgender Preßstempel befestigt sind, deren Außenkontur sich aus Zylinderflächen zusammensetzt, sowie seitlich, querachsig verfahrbaren oder schwenkbaren Biegerollenbalken, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kontur des Preßstempels (16) eine Kreiszylinderfläche (17) mit einem Radius R1 größer als der errechnete Sollradius R aufweist, deren Mittelachse z auf der Symmetrieebene liegt, beidseitig in den Schnittlinien der Kreiszylinderflächen (18, 19) mit um 60° gegenüber der Symmetrieebene um die Mittelachse gedrehten Ebenen von innen tangiert,
und der Mittelpunkt M1 des Abrundungsradius R1 des Scheitelbereiches (17) der Kontur des Preßstempels (16) in der Symmetrieachse z um den Abstand e versetzt zum Symmetriemittelpunkt MS weiter entfernt von der äußeren Konturlinie liegt und die dem Scheitelbereich (17) mit dem Abrundungsradius R1 nach beiden Seiten hin sich anschließenden Bereiche (18, 19) mit den Abrundungsradien R2, R2' auf Mittelpunkten M2, M2' liegen, die versetzt um den Abstand f vom Symmetriemittelpunkt MS auf einer Radiusebene näher an der äußeren Konturlinie angeordnet sind, die um 60° aus der Symmetrieachse z gedreht ist, wobei die von M1 bis zur Kontur sich erstreckenden Verbindungslinien L1, L1' über M2 bzw. M2' einen Sektor der Kreiszylinderfläche (17) für den Abrundungsradius R1 aufspannen, an dem sich tangential die Bereiche (18, 19) mit dem Abrundungsradius R2 bzw. R2' anschließen.

3. U-O-Formbiegevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich von der Symmetrieachse z aus gesehen an den von der Kreiszylinderfläche (17) und der daran anschließenden Kreiszylinderfläche (18) oder (19) überspannten Bereich, der 90° überschreitet, noch eine weitere Kreiszylinderfläche (20) mit dem Abrundungsradius R3 um die Mittelachse anschließt, dessen Radius geringer ist, als der Abrundungsradius R2.

4. U-O-Formbiegevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abrundungsradius R1 der Bedingung
R1 = R/(1 - δ)
und der Abrundungsradius R2 der Bedingung
R2 = R/(1 + δ)
mit R = errechneter Sollradius aus dem Radius der Mittelfläche des Fertigrohres unter Berücksichtigung der Rückfederung
δ = (R + t/2) . ε el . 2/t
t = Nennwanddicke
ε el = elastische Grenzdehnung
entspricht.