DE19650736C1

DE19650736C1 - Forming process for thick-walled cylinder

Info

Publication number: DE19650736C1
Application number: DE1996150736
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Ing Donth; Peter Dipl Ing Lischka; Hael Prof Dr Ing Mughrabi; Gerhard Prof Dipl Ing Vetter
Original assignee: Schmidt & Co Kranz GmbH
Current assignee: MAXIMATOR GMBH, 37449 ZORGE, DE
Priority date: 1996-12-06
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2016-12-07

Abstract

The method is esp. for hollow cylinders (2) consisting of metallic materials, which have a higher yield point at low temperatures than at room temperature, and/or improved strain- hardening at lower temperatures. The inner surface (8) of the cooled cylinders is charged with a low temperature-qualified high pressure fluid at a temperature of between -50 deg C and approx. - 110 deg C, and a pressure of between approx. 2500 bar and approx. 5700 bar. The fluid is suitable up to -100 deg C, and is esp. a mixture of silicone oil and pentane.

Description

Zur Erzeugung von Eigenspannungen mit dem Ziel einer Be einflussung der Spannungsverteilung zur besseren Werk stoffausnutzung ist es bekannt, dickwandige Zylinder durch Innendruck gezielt plastisch zu verformen (z. B. DE 43 37 517 A1). Dieses auch als Autofrettage bezeichnete Verfahren zur Erhöhung der statischen und dynamischen Be lastbarkeit innendruckbeanspruchter dickwandiger hohler Bauteile wird bislang immer nur bei Raumtemperatur ange wandt. Die dabei erzielbare Erhöhung der Belastbarkeit ist allerdings für bestimmte metallische Werkstoffe zu gering, um einen Einsatz im Hochdruckbereich sicherzu stellen.To generate residual stresses with the aim of loading influence of voltage distribution for better work Fabric utilization, it is known to have thick-walled cylinders to be plastically deformed by internal pressure (e.g. DE 43 37 517 A1). This also referred to as autofrettage Procedure for increasing the static and dynamic loading resilience of internal pressure-loaded thick-walled hollow Until now, components have only ever been supplied at room temperature turns. The increase in resilience that can be achieved is however for certain metallic materials too low to ensure use in the high pressure area put.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur plastischen Verfor mung von dickwandigen hohlen metallischen Bauteilen zu schaffen, durch das die Betriebsfestigkeit der Bauteile unter bevorzugt schwellendem Innendruck merklich gestei gert werden kann. The invention is based on the prior art Task based on a process for plastic Verfor thick-walled hollow metallic components create the durability of the components noticeably increased under preferably swelling internal pressure can be replaced.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ge löst.This object is ge with the features of claim 1 solves.

Die Erfindung hat erkannt, daß bei einer gezielten pla stischen Verformung der inneren Oberflächen von gekühlten hohlen Bauteilen aus bei tiefen Temperaturen eine höhere Streckgrenze als bei Raumtemperatur und/oder eine erhöhte Kaltverfestigung bei tieferen Temperaturen aufweisenden metallischen Werkstoffen bei einer Temperatur unterhalb der Raumtemperatur, insbesondere deutlich unterhalb der Raumtemperatur, und zwar etwa zwischen -50°C und -110°C, sowie mit einem tieftemperaturtauglichen Hoch druckfluid die Belastbarkeit der Bauteile bei Raumtempe ratur oder bei einer darüber liegenden Temperatur durch die Einstellung eines besonders günstigen Eigenspannungs zustands stark verbessert werden kann. In diesem Zusam menhang trägt bei als metastabil zu bezeichnenden auste nitischen Stählen zusätzlich bei tiefer Temperatur eine stark ausgeprägte Tendenz zur martensitischen Umwandlung in besonderem Maße zu einer weiteren Festigkeitssteige rung bei plastischer Kaltverformung bei. Diese Festig keitssteigerung bleibt bis zu einer Temperatur von etwa 400°C erhalten, da die eingebrachten Gefügeänderungen, insbesondere die martensitische Phase, stabil bleiben. Somit ist eine deutliche Verbesserung der Ermüdungsfe stigkeit bei anschließender Raumtemperaturbeanspruchung unter schwellendem Innendruck erzielbar.The invention has recognized that with a targeted pla static deformation of the inner surfaces of cooled hollow components from a higher at low temperatures Yield point than at room temperature and / or an increased Strain hardening at lower temperatures metallic materials at a temperature below the room temperature, especially well below the Room temperature, between about -50 ° C and -110 ° C, as well as with a low temperature suitable high pressure fluid the resilience of the components at room temperature temperature or at a higher temperature the setting of a particularly favorable residual stress condition can be greatly improved. In this together menhang contributes to auste, which can be described as metastable nitic steels additionally at low temperature strong tendency towards martensitic transformation in particular to a further strength increase plastic cold deformation. This festig The increase in temperature remains up to a temperature of around 400 ° C because the structural changes introduced, especially the martensitic phase, remain stable. This is a significant improvement in fatigue stability with subsequent room temperature exposure achievable under swelling internal pressure.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung der stati schen und dynamischen Belastbarkeit innendruckbeanspruch ter dickwandiger hohler Bauteile, insbesondere aus Stahl, ist mit Erfolg sowohl bei der Vollautofrettage mit einer vergleichsweise hohen plastischen Verformung der inneren Oberflächen und stärkerer verformungsinduzierter Marten sitbildung als auch bei der Grenzautofrettage mit einer demgegenüber geringeren verformungsinduzierten Martensit bildung und kleineren Verformungsgraden anwendbar. Darüberhinaus kann die Tieftemperatur-Autofrettage an dickwandigen Bauteilen mit geometrischen Kerben, z. B. in Form von Querbohrungen, angewandt werden. Auch in diesen Fällen wird eine hohe Steigerung der Betriebsfestigkeit erzielt. Interne Versuche haben ergeben, daß die Bruch lastspielzahlen quergebohrter Proben im Zeit-Festigkeits- Bereich Werte erreichen, die Proben ohne Querbohrungen im nicht autofrettierten Zustand gleichen. Somit kann durch die Tieftemperatur-Autofrettage die Kerbwirkung durch die Querbohrungen deutlich abgesenkt und die Ermüdungsfestig keit verbessert werden.The inventive method for increasing the stati dynamic and dynamic resilience ter thick-walled hollow components, in particular made of steel, is successful with both full auto frettage with one comparatively high plastic deformation of the inner Surfaces and stronger deformation-induced martens Sit formation as well as with the border car frettage with a in contrast, lower deformation-induced martensite education and smaller degrees of deformation applicable. In addition, the low-temperature autofrettage can thick-walled components with geometric notches, e.g. B. in Shape of cross holes. Even in these Cases will have a high increase in durability achieved. Internal tests have shown that the break Number of load cycles of cross-drilled samples in time-strength Reach values, the samples without cross holes in the not resemble autofretted condition. Thus through the low-temperature autofrettage the notch effect by the Cross holes significantly reduced and the fatigue strength be improved.

Die erfindungsgemäße Tieftemperatur-Autofrettage stellt ein technisch vielversprechendes Verfahren dar, das die Möglichkeit bietet, insbesondere Bauteile aus austeniti schem Stahl für den Druckbereich bis etwa 2600 bar bei glatten Innenwänden und bis zu 1600 bar bei Bauteilen mit Kerben, das heißt mit Querbohrungen, bei Beanspruchungen mit pulsierendem Innendruck dauerfest einzusetzen, der bislang mit der Raumtemperatur-Autofrettage nicht er reichbar war. Der technisch erhöhte Aufwand ist aufgrund der erheblichen Verbesserung des Ermüdungsverhaltens durchaus gerechtfertigt. Ein weiterer Vorteil ist, daß durch die speziellen Gefügeveränderungen und Verformungs vorgänge die bei tiefen Temperaturen eingestellten Fe stigkeitssteigerungen und Eigenspannungszustände als sehr stabil bei Raumtemperatur anzusehen sind.The low-temperature autofrettage according to the invention provides is a technically promising process that the Possibility, especially components from austeniti steel for the pressure range up to about 2600 bar smooth inner walls and up to 1600 bar for components with Notches, that is with cross holes, when stressed permanent use with pulsating internal pressure, the so far not with the room temperature autofrettage was reachable. The technically increased effort is due the significant improvement in fatigue behavior quite justified. Another advantage is that due to the special structural changes and deformation processes the Fe set at low temperatures Increases in stability and residual stresses as very are stable at room temperature.

Von der grundsätzlichen Wirkungsweise her ist das Verfah ren nicht auf Bauteile aus austenitischem Stahl be schränkt. Prinzipiell ist das Verfahren auch auf Bauteile aus anderen metallischen Werkstoffen anwendbar, sofern diese Werkstoffe bei tiefen Temperaturen eine höhere Streckgrenze als bei Raumtemperatur besitzen und/oder eine erhöhte Kaltverformung bei tieferen Temperaturen aufweisen. Der Effekt der Festigkeitssteigerung durch verformungsinduzierte martensitische Umwandlung kann zu sätzlich bei metastabil austenitischen Stählen genutzt werden.The procedure is based on the basic mode of operation Do not touch austenitic steel components limits. In principle, the method is also applicable to components applicable from other metallic materials, if these materials are higher at low temperatures Have a yield strength than at room temperature and / or increased cold forming at lower temperatures exhibit. The effect of strengthening through Deformation-induced martensitic transformation can additionally used for metastable austenitic steels will.

Je nach gewünschtem Verformungsgrad können entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 2 die Bauteile bei einem In nendruck zwischen etwa 2500 bar und etwa 5700 bar mit einem Hochdruckfluid beaufschlagt werden. In Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie und den jeweiligen Werkstoffen können dann die geeigneten Innendrücke eingeleitet wer den.Depending on the desired degree of deformation, correspondingly the features of claim 2, the components at an In internal pressure between about 2500 bar and about 5700 bar be pressurized with a high pressure fluid. Dependent on of the component geometry and the respective materials the appropriate internal pressures can then be initiated the.

Nach Anspruch 3 wird als Hochdruckfluid bevorzugt ein bis -100°C tieftemperaturtaugliches Fluid, insbesondere eine Mischung aus einem Silikonöl und Pentan, verwendet. Eine derartige Mischung läßt die Übertragung höchster Drücke bei tiefsten Temperaturen zu (5700 bar bei -100°C). Außerdem ermöglicht eine derartige Mischung eine ausrei chende Schmierung der notwendigen Hochdruckpumpen und be sitzt auch im Vergleich mit Fluiden ohne Ölanteil ein deutlich geringeres Gefahrenpotential.According to claim 3 is preferably a to high pressure fluid -100 ° C low temperature fluid, especially one Mixture of a silicone oil and pentane. A such a mixture allows the transmission of the highest pressures at the lowest temperatures (5700 bar at -100 ° C). In addition, such a mixture enables sufficient adequate lubrication of the necessary high pressure pumps and also sits in comparison with fluids without oil content significantly lower risk potential.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnun gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on in the drawings gene illustrated embodiments explained in more detail. Show it:

Fig. 1 im schematischen Querschnitt eine Vorrichtung zur Tieftemperatur-Autofrettage von Bauteilen in Form von Rohrproben und Fig. 1 shows a schematic cross section of a device for low-temperature autofrettage of components in the form of pipe samples and

Fig. 2 bis 4 verschiedene Wöhlerkurven für mit schwellen dem Innendruck ermüdete dickwandige Rohre ohne und mit Querbohrungen bei Raumtemperatur sowie nach Autofrettage bei Raumtemperatur und bei tiefen Temperaturen. Fig. 2 to 4 different Wöhler curves for thick-walled pipes tired with threshold internal pressure without and with cross holes at room temperature and after autofrettage at room temperature and at low temperatures.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Tieftemperatur- Autofrettage von Bauteilen 2 in Form von Rohrproben dar gestellt. Die Vorrichtung 1 befindet sich in einer Klima kammer 3, die bis -100°C gezielt temperierbar ist. Die Klimakammer 3 kann von einer wärmeisolierenden Schicht 4 umgeben sein, die aus einer Isolierwand oder einem Vakuum bestehen kann.In Fig. 1, a device 1 for low-temperature autofrettage of components 2 is provided in the form of pipe samples. The device 1 is located in a climatic chamber 3 , which can be specifically heated to -100 ° C. The climatic chamber 3 can be surrounded by a heat-insulating layer 4 , which can consist of an insulating wall or a vacuum.

In der Klimakammer 3 befindet sich ein örtlich fixierter Rahmen 5 mit einer Basis 6 und zwei endseitig von der Ba sis 6 vertikal nach oben ragenden Schenkeln 7, 8. Die Schenkel 7, 8 sind von sich horizontal erstreckenden, ko axial zueinander ausgerichteten Gewindebohrungen 9 durch zogen. In die Gewindebohrungen 9 sind Spannbolzen 10, 11 verdrehbar und dadurch axial verlagerbar eingesetzt. In the air chamber 3, a locally fixed frame 5 is located with a base 6 and two ends of the Ba sis 6 vertically upwardly projecting legs 7. 8 The legs 7 , 8 are of horizontally extending, co axially aligned threaded holes 9 through. Clamping bolts 10 , 11 can be rotated in the threaded bores 9 and are therefore axially displaceable.

Der im Schenkel 7 gelagerte Spannbolzen 10 besteht aus Vollmaterial und besitzt an dem zum anderen Schenkel 8 gerichteten Ende einen Dichtkonus 12.The clamping bolt 10 mounted in the leg 7 consists of solid material and has a sealing cone 12 at the end facing the other leg 8 .

Der andere Spannbolzen 11 ist in Längsrichtung von einem Kanal 13 durchzogen, der über ein Hochdruckrohr 14 mit einem Hochdruckfluid, welches bis -100°C tieftemperatur tauglich ist, beaufschlagt werden kann. Auch dieser Spannbolzen 11 besitzt an dem zum anderen Schenkel 7 ge richteten Ende einen Dichtkonus 12.The other clamping bolt 11 is traversed in the longitudinal direction by a channel 13 , which can be acted upon by a high-pressure pipe 14 with a high-pressure fluid which is suitable for temperatures down to -100 ° C. This clamping bolt 11 also has a sealing cone 12 at the other end 7 directed ge.

Die Dichtkonen 12 der Spannbolzen 10, 11 fassen in die endseitigen Mündungen 15 von in den Bauteilen 2 befindli chen Bohrungen 16. In die jeweils gegenüberliegenden Mün dungen 17 der Bohrungen 16 der Bauteile 2 fassen Dicht konen 18 eines mit einem Längskanal 19 versehenen Brückenbolzens 20.The sealing cones 12 of the clamping bolt 10 , 11 take hold in the end openings 15 of Chen in the components 2 bores 16th In the opposite Mün openings 17 of the holes 16 of the components 2 sealing cones 18 of a provided with a longitudinal channel 19 bridge bolt 20th

Durch entsprechende Verlagerung der Spannbolzen 10, 11 in den Schenkeln 7, 8 können mithin die Bauteile 2 zwischen den Spannbolzen 10, 11 und dem Brückenbolzen 20 dicht verspannt werden.By correspondingly displacing the clamping bolts 10 , 11 in the legs 7 , 8 , the components 2 can therefore be tightly clamped between the clamping bolts 10 , 11 and the bridge bolt 20 .

Nach dem Verspannen der Bauteile 2 werden die Oberflächen ihrer Bohrungen 16 durch Autofrettage behandelt, das heißt, sie werden mit dem Hochdruckfluid beaufschlagt mit dem Ziel, daß die Bauteile 2 bei Einsatz unter Hochdruck eine hohe statische und dynamische Belastbarkeit besit zen.After tightening the components 2 , the surfaces of their holes 16 are treated by autofrettage, that is, they are acted upon with the high-pressure fluid with the aim that the components 2 have a high static and dynamic load capacity when used under high pressure.

Die Fig. 2 zeigt in internen Versuchen ermittelte Wöh lerkurven für mit schwellendem Innendruck ermüdete dick wandige Rohrproben 2 ohne Querbohrung bei Raumtemperatur RT, ermittelt für das Ausgangsmaterial, und nach einer Autofrettage AF bei Raumtemperatur RT sowie bei -50°C. Die Autofrettage AF bei -50°C ist beispielsweise durch eine Vollautofrettage durchgeführt worden. Dabei wurden zur Kompensation des temperaturabhängigen Anteils der Festigkeit konstante Verformungen eingestellt, um den reinen Werkstoffeffekt zu bestimmen. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche Drücke bei den verschiedenen Tempe raturen. Durch die hohen plastischen Verformungen konnte bei tiefer Temperatur eine sehr hohe Festigkeitssteige rung durch verstärkte Kaltverfestigung und verformungsin duzierter Martensitbildung eingestellt werden. Dabei bil det sich ein günstiger Eigenspannungszustand aus. Die an schließend durchgeführten Ermüdungsversuche bei Raumtem peratur RT zeigten eine Erhöhung des Dauerfestigkeits drucks (nach 10⁷ Lastwechsel) um 1060 bar, also eine Steigerung um ca. 60%. Ebenso ist festgestellt worden, daß die Lebensdauer im Zeitfestigkeitsbereich deutlich erhöht wurde. Hier sind Steigerungen bis zu einem Faktor 80 möglich. Fig. 2 shows internal tests determined Wöh lerkurve for fatigued with swelling internal pressure thick-walled pipe samples 2 without transverse drilling at room temperature RT, determined for the starting material, and after an autofrettage AF at room temperature RT and at -50 ° C. The autofrettage AF at -50 ° C has been carried out, for example, by a full autofrettage. Constant deformations were set to compensate for the temperature-dependent portion of the strength in order to determine the pure material effect. This results in different pressures at the different temperatures. Due to the high plastic deformations, a very high increase in strength could be achieved at low temperatures through increased work hardening and deformation-induced martensite formation. This creates a favorable residual stress condition. The fatigue tests subsequently carried out at room temperature RT showed an increase in the fatigue strength pressure (after 10 ⁷ load changes) of 1060 bar, i.e. an increase of approx. 60%. It has also been found that the service life in the fatigue strength range has been significantly increased. Here increases up to a factor of 80 are possible.

Die in internen Versuchen ermittelten Wöhlerkurven gemäß Fig. 3 lassen insbesondere die Ergebnisse bei an Rohr proben 2 durchgeführten Grenzautofrettagen erkennen. Hierbei wurden die auftretenden Verformungen auf 3% an der Rohrinnenwand reduziert, so daß an der Rohraußenseite die 0,2% Dehngrenze erreicht bzw. leicht überschritten wurde. Hierdurch konnte zusätzlich eine Verringerung der notwendigen Autofrettagedrücke erreicht werden. Durch eine gleichzeitige Absenkung der Temperatur auf bis zu - 110°C gelang es durch Nutzung der bei tiefer Temperatur besonders wirksamen Kaltverfestigung (ohne nennenswerte Martensitbildung), die Belastbarkeit bei anschließender Raumtemperaturbeanspruchung deutlich zu erhöhen. Hier konnte eine Erhöhung des Dauerfestigkeitsdrucks um 790 bar erzielt werden. Die Steigerung der Lebensdauer im Zeitfestigkeitsbereich beträgt einen Faktor 7 gegenüber dem Ausgangszustand, wobei jedoch anzumerken ist, daß ge genüber einer Autofrettagetemperatur von -90°C keine weitere Steigerung mehr beobachtet wurde.The Wöhler curves according to FIG. 3, determined in internal experiments, show in particular the results of border autofrettages carried out on tube samples 2 . The deformations that occurred were reduced to 3% on the inside wall of the pipe, so that the 0.2% yield strength was reached or slightly exceeded on the outside of the pipe. This also made it possible to reduce the necessary auto frettage pressures. By simultaneously lowering the temperature down to - 110 ° C, using the strain hardening, which is particularly effective at low temperatures (without any significant formation of martensite), significantly increased the resilience with subsequent room temperature stress. Here the fatigue strength pressure was increased by 790 bar. The increase in the service life in the fatigue strength range is a factor of 7 compared to the initial state, but it should be noted that no further increase was observed compared to an autofrettage temperature of -90 ° C.

Die Fig. 4 zeigt schließlich Wöhlerkurven als Ergebnis einer Autofrettage AF bei Versuchen an Rohrproben 2 mit einer Querbohrung. Es wurden Autofrettage AF und Ermü dungsversuche an dickwandigen Rohren 2 mit Querbohrungen mit einem Querbohrungsverhältnis 0,25 durchgeführt. Die bei den untersuchten Temperaturen und Raumtemperaturen RT und -90°C eingestellten Versuchsparameter waren die gleichen, wie bei der Grenzautofrettage dickwandiger Rohre ohne Querbohrungen. FIG. 4 shows SN curves as a result of AF Autofrettage in experiments on sample tube 2 with a transverse bore. Autofrettage AF and fatigue tests were carried out on thick-walled tubes 2 with cross holes with a cross hole ratio of 0.25. The test parameters set at the examined temperatures and room temperatures RT and -90 ° C were the same as for the border autofrettage of thick-walled pipes without cross holes.

Die im anschließenden Ermüdungsversuch bei Raumtemperatur RT ermittelten Lebensdauern zeigen eine hohe Steigerung der Betriebsfestigkeit. Die Bruchlastspielzahl im Zeitfestigkeitsbereich erreichte dabei Werte, die gleich deren bei Proben ohne Querbohrung im nicht autofrettier ten Zustand sind.The subsequent fatigue test at room temperature RT determined lifetimes show a high increase durability. The breaking load number in The tensile strength range reached values that were the same whose for samples without cross drilling in the non-autofrettier condition.

Claims

1.Procedures for the targeted plastic deformation of thick-walled, in particular cylindrical, hollow construction parts ( 2 ) from a higher yield strength at low temperatures than at room temperature and / or an increased work hardening at lower temperatures on pointing metallic materials, in which the inner surfaces ( 8 ) the cooled components ( 2 ) at a temperature between about -50 ° C and about -110 ° C with a low-temperature high-pressure fluid are applied.

2. The method of claim 1, wherein the components ( 2 ) with an internal pressure between about 2500 bar and about 5700 bar with the high pressure fluid.

3. The method according to claim 1 or 2, in which as High pressure fluid suitable for temperatures down to -100 ° C Lich fluid, especially a mixture of one Silicone oil and pentane.