DE3235318C2 - Spanneinrichtung zum Innenspannen von Rohrköpern - Google Patents

Abstract

Spannvorrichtung zum Innenspannen von Rohrkörpern mit mindestens zwei Gruppen von Spannsegmenten (18, 19), von denen eine erste Gruppe (18) über schwenkbare Arme (16) an einem ortsfesten Gelenkkopf (12) angelenkt ist, während eine weitere Gruppe von Spannsegmenten (19) über weitere schwenkbare Arme (17) an einem axial verschiebbaren Gelenkkopf (14) angelenkt ist. Mittels einer zentrisch durch die Gelenkköpfe geführten Spannwelle (13) und eines an deren einem Ende befestigten Spannkörpers (15), sind durch axiale Verschiebung die Spannsegmente mit den zugehörigen Armen zusammenlegbar bzw. spreizbar. In zusammengelegter Stellung sind die Segmente der beiden Gruppen mit deren jeweiligen Armen axial hintereinander angeordnet, so daß die Vorrichtung einen relativ kleinen Durchmesser hat. In der Spannstellung bilden sämtliche, auf einer Ebene liegende Spannsegmente gemeinsam eine zylindrische Außenfläche. Diese Spannvorrichtung eignet sich zum Spannen von Rohren mit verengter Eintrittsöffnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spanneinrichtung zum Innenspannen von Rohrkörpern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Spanneinrichtung ist durch die US-PS 41 68 073 bekannt und ist dort zur Handhabung zylindrischer Glaskörper bestimmt Die bekannte Spanneinrichtung besteht aus einer Hülle und einem axial zu dieser beweglichen, aus deren Ende herausragenden Stab. Zwischen den Enden von Stab und Hülse ist ein mit mehreren Schlitzen versehener Kunststoffkörper angeordnet. Durch die Ausbildung von in Umfangsrichlung umlaufenden Filmscharnieren an den beiden Enden und in der Mitte des Kunststoffkörpers ist dieser in einer Reihe von Segmenten unterteilt Die Filmscharniere sind so ausgebildet, daß dann, wenn der Kunststoffkörper axial durch die Relativbewegung zwischen Hülse und Stange zusammengedrückt wird, die Segmente so von der Stange weg und nach außen gespreizt werden, daß deren im Bereich des mittleren Filmscharnieres liegenden Zonen gegen die Innenwand eines Glaskörpers anlegbar sind.

Zum Einspannen dünnwandiger Rohre ist die bekannte Spanneinrichtung jedoch nicht geeignet, denn die Wand des Rohres würde in die Form eines Polygons gedrückt werden, da zwischen den einzelnen Spannsegmenten in der Spannebene ein beträchtlicher Zwischenraum vorliegt Außerdem erschwert die Vielzahl von Gelenkverbindungen die zur Bearbeitung des dünnwandigen Rohres erforderliche Zentrierung. Außerdem würde dieses dünnwandige Rohr währnd des Einspannvorganges eine Axialbewegung durchführen, die häufig unerwünscht ist

Im Gegensatz zu diesen Nachteilen liegt der Vorteil der bekannten Spanneinrichtung darin, daß ihr Außendurchmesser in der Ruhelage, relativ zum Außendurch-

messer in der Spannlage betrachtet, sehr klein ist Es sind nämlich bereits eine Spanneinrichtung zum Innenspannen zylindrischer Körper bekannt (DE-PS 43 68 73), welche in der Spannstellung eine nahzu lükkenlose Kreiskontur aufweist aber der Außendurchmesser dieser bekannten Spanneinrichtung ist in der Ruhelage für viele Anwendungsfälle zu groß.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Spanneinrichtung dahingehend weiterzubilden, daß sie unter Beibehaltung ihres günstigen, kleinen Durchmessers in Ruhelage i*· der Spannstellung eine nahzu iükkenlose und kreisförmige Außenkontur bildet

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst Erfindungsgemäß ergreift die eine Gruppe der Spannsegemente in der Spannebene die Innenwand des dünnwandigen Rohres. Die Spannsegmente der anderen Gruppe bewegen sich axial zur Spannebene hin und schieben sich in dieser in die Lükken zwischen den Spannsegmenten der erstgenannten Gruppe.

Hierdurch wird erreicht daß der auf dem größeren Spanndurchmesser annähernd lückenlose Kreisring der Spannelemente zum Auf- und Abschieben der Rohre aufgelöst und auf eine innerhalb des wesentlich kleineren Durchmessers der Beschickungs- bzw. Eintrittsöffnung des Rohres liegenden Querschnitt reduziert wird. Dabei läßt sich der Durchmesser in Ruhelage mindestens auf zwei Drittel des Spanndurchmessers reduzieren, so daß mit der Vorrichtung eine Innenspannung mit hoher Symmetriegenauigkeit trotz verengter Beschikkungsöffnung erreicht werden kann. Die Vorrichtung ist geeignet, dünnwandige Rohre, sowie stumpf aneinander zu schweißende Rohrenden weitgehend hochpräzis zu Spannen. Es ist auch möglich, min der Vorrichtung einen Spanndurck aufzubauen, mit dem das- Werkstück aufgeweitet werden kann, wenn dieses zur Bearbeitung des Werkstücks erforderlich ist

Neben anderen, vorteilhaften, den Ansprüchen 2 bis 13 entnehmbiren Ausgestaltungen der Erfindung ist es gemäß Anspruch 14 besonders vorteilhaft daß zwischen einem festen Gelenkkopf und einem verschiebbaren Gelenkkopf ein reib- oder formschlüssiges Arretierglied angeordnet ist

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung der Spanneinrichtung,

F i g. 2 die Spanneinrichtung im Längsschnitt in Ausfahr- bzw. Einfahrstellung,

F i g. 3 die Spanneinrichtung im Querschnitt in Stirnansicht und Teilschnitt,

F i g. 4 die Spanneinrichtung in Spannstellung in einer Schnittebene IV-IV,

F i g. 5 die Spanneinrichtung in Spannstellung in einer anderen Schnittebene V-V.

F i g. 1 zeigt eine in einem Spindelstock 10 drehbar gelagerte (1Oa^ Hauptspindel 11, in der stirnseitig ein hinterer Gelenkkopf 12 befestigt ist. Durch die Hauptspindel 11 und den Gelenkkopf 12 führt zentral, gegenüber diesen verschiebbar gelagert, eine Spannwelle 13. Auf ihr ist ein zweiter, vorderer Gelenkkopf 14 axial verschiebbar geführt. Mit dem Ende der Spannwelle 13 ist ein Spannkörper 15 fest verbunden. An den beiden Gelenkköpfen 12 uno 14 sind jeweils zum Beispiel vier um 90° versetzte Arme Jfi bzw. 17 (F ig. 2) in spielfreien Führungen radial schwenkbar gelagert, wobei die am beweglichen Gelenkkopf 14 befestigte Armgruppe 17 kürzer als die andere Armgruppe 16 ist An den freien Enden der Arme 16 und 17 ist jeweils ein Spannelemeia 18 bzw. 19 vorgesehen.

F i g. 2 zeigt die Spannvorrichtung in Ausgangsstellung, in der die Vorrichtung in bzw. aus einem Rohrkörper 25 mit verengter Eintrittsöffnung 26 ein- bzw. ausführbar ist In dieser Stellung sind die beiden Armgruppen 16,17 axial gegeneinander verschoben und sie nehmen jeweils annähernd achsparalJele Stellungen ein. Zur Erlangung der Spannstellung wird — nach der Darstellung in F i g. 2 — die Spannweile 13 mit dem darauf fest angebrachten Spannkörper 15 nach links gezogen und damit die beiden Armgruppen 16 und 17 bis zu einem durch die jeweilige axiale Position des Spannkörpers 15 bestimmten Winkel in die Spannstellung aufgespreizt

In dieser Stellung, die im Längsschnitt in Fig. 1 und im Querschnitt in F i g. 3 verdeutlicht ist hegen alle, auf gleicher Höhe angeordneten Spannelemente 18 und 19 an der Innenwand des Rohrkörpers 25 an.

Der Spannkopf ist in seiner Spm.nstellung in den Fig.4 und 5 näher dargestellt In der Spannstellung berühren alle acht Arme 16 und 17 mit ihren Innenflächen 30 bzw. 31 einen gemeinsamen Kegelmantel 32, mit einem Öffnungswinkel von beispielsweise 9°. Für diesen opannzustand, bei dem der Gelenkkopf 14 am Gelenkkopf 12 anliegt, sind die Positionen des Spannkörpers 15 und der Lagerstifte 33 und 34 zueinander geometrisch derart fixiert daß die Arme 16 und 17 mit ihren Innenflächen 30 bzw. 31 gleichermaßen auf dem Spannkonus 32 aufliegen. Die mit den Armen 16, 17 verbundenen Spannsegmente 18 und 19 bilden im aufgespreizten Zustand mit ihrer Außenkontur eine annähernd lückenlose Zylinderfläche.

Sämtliche Arme 16,17 sind federnd in zusammenziehendem Sinn vorgespannt und liegen am Spannkörper

15 an. Die langen Arme 16 werden im Bereich ihrer Lagerstelle 33 durch Druckfedern 35 und Führungshülsen 36, die in einer Bohrung 37 des Gelenkkoptes 12 gleiten, über einen Druckstift 38 in rückstellendem Sinn beaufschlagt

Die kurzen Arme 17 sind über vier Zugfedern 40 (F i g. 3), die an den Ösen 41 etwa in Armmilte angelenkt sind, mit einer konzentrisch wirkenden Zugkraft vorgespannt, die aus funktionellen Gründen eine deutlich größere Rückstellkraft als das System der langen Arme aufweist. Der verschiebbare Gelenkkopf 14 ist mit Ausnehmungen 42 versehen, durch weiche die langen Arme

16 durchgeführt sind. Die Ausnehmungen 42 sind bezüglich der Systemachse mit einer keilförmigen Fläche 43 versehen, so daß die langen Arme 16 beim Herausziehen des Gelenkkopfes 14 in Richtung Gelenkkopf 12 bii zu einem geringfügig unter Nenndurchmesser liegendem Zenmerdurchmesser aufgespreizt werden, ohne daß der Spannkörper 15 an den betreffende:) Armen 16 zur Anlage kommt In die so geschaffenen Lücken zwischen den Spannsegmenten 18 können nun durch Aufspreizen der kurzen Arme 17 über die Aufgleitfläche 45 und die Spannfläd 2 32 des Spannkörpers 15 infolge axialer Zustellung der zentralen Spannwelle 13 die Spännsegmente 19 einfahren. Die Seitenflächen 46 der Spannsegmente 19 sind planparallel. Um ein zwangsfreies Einfahren der letzteren zwischen die Spannsegmente 18 zu ermöglichen, nehmen die Seitenflächen 47 der Spannsegmente Ά einen Winkel größer als 90°, vorzugsweise 100°₍zueinanderein.

Nachdem der Spannkörper 15 durch Verschieben der Spannwelle 13 an allen Armen 16,17 zur Anlaee eekom-

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men ist, wird durch weitere Zustellung der zum Beispiel mit einem Stelltrieb verbundenen Spannwelle 13 ein gleichmäßiges weiteres Aufweiten des Segmentringes bewirkt, so daß alle Spannsegmente 18, 19 mit ihren Spannflächen in der Betriebsspannfläche anliegen. Um einen definierten idealen Spanndurchmesser zu erhalten, werden für die Herstellung der Vorrichtung die Spannsegmente 18, 19 unter geeigneter Vorspannung mit einer zur Spanndornachse konzentrischen Zylinderflache erzeugt. Zu diesem Zweck werden die Gelenkkopfe 12 und 14 und der Spannkegel 15 spielfrei auf eine besondere, nicht dargestellte Schleifwelle aufgenommen. Das System wird in dieser Ausbildung wechselweise gegen einen auf die Spannsegmente 18 und 19 oder gegen einen auf die Justiernasen 48 und 49 aufgezogenen, in Steifigkeit und Durchmesser den erforderlichen Spannkräften angepaßten Ring gespannt. Die jeweils andere Spannfläche, Justiernase 48,49 bzw. Segmentfläche 18. 19 kann dabei durch Rundschleifen bearbeitet werden.

Für einen Werkstückwechsel werden der Spannkörper 15 sowie der verschiebbare Gelenkkopf 14 aus der Spannstellung des Spanndoms entsprechend F i g. 3, 4 und 5 in dem durch das verengte Rohrende 26 schwer zugänglichen Innenraum des Werkstücks 25 zu der in F i g. 2 dargestellten Beschickungsstellung auseinandergezogen. Als Betätigungsglied dient hierfür allein die zentrale Spannwelle 13 mit dem darauf fest angebrachten Spannkörper 15 und dem auf ihr verschiebbaren Gelenkkopf 14. Beim Ausschieben entspannt der Spannkörper 15 die Arme 16, 17, während der verschiebbare Gelenkkopf 14 infolge Reibung und/oder mittels eines Arretierglieds in seiner Position verbleibt und die langen Arme 16 noch in Spreizstellung hält.

Die kurzen Arme 17 klappen der Kontur des Spannkörpers 15 folgend ein. und ein nicht näher dargestellter Haken an der Justiernase 48 eines oder mehrerer Arme 17 hakt in eine Ausziehnut 50 des Spannkörpers 15 ein. Hierdurch wird der verschiebbare Gelenkkopf 14 über seine Arme 17 formschlüssig mit der Spannwelle 13 verbunden und vom Gelenkkopf 12 weggezogen, so daß auch hier die langen Arme 16 der Kontur des verschiebbaren Gelenkkopfes 14 folgend vom Spanndurchmesser auf den kleineren Beschickungsdurchmesser zusammenklappen.

Die Spannsegmente 18 und 19 jedes Gelenkkopfes 12, 14 sind so gestaltet und angeordnet, daß sie um die zentrale Spannwelle 13 in zusammengeklapptem Zustand ein Polygon bilden, dessen größter Durchmesser kleiner als die Beschickungsöffnung 26 des Rohres 25 ist

Bei der Vorbereitung beispielsweise einer Stumpfschweißung von zwei Rohrenden werden die zu verbindenden Rohrstücke auf die Spannvorrichtung aufgezogen, wobei das Aufspannen der Vorrichtung in umgekehrter Reihenfolge durch Einziehen der Spannwelle 13 erfolgt. Hierbei bleiben aufgrund der größeren resultierenden Schiießkraft der Zugfederanordnung 40 die kurzen Arme 17 anfangs in ihrer zusammengeklappten Lage und werden vom Spannkörper 15 in axialer Richtung mitgenommen. Der Gelenkkopf 14 schiebt sich dabei mit den speziell für diesen Zweck gestalteten Aufgleitflächen 43 unter die Segmente 18 der langen Arme 16. Nachdem die Segmente 18 auf die Führungsschräge 43 und den Gelenkkopf 14 aufgelaufen sind, spreizen die Aufgleitflächen 43 der Ausnehmungen 42 die Arme 16 weiter.

Der Gelenkkopf 14 wird bis zum Anschlag an den Gelenkkopf 12 mitgenommen. Durch weiteres Zustellen der Spannwelle 13 wird die Schließkraft der Federn 40 überwunden und die Arme 17 gleiten mit der Schräge 43 am Aufgleitkonus 45 weiter auf den Spannkonus 32 des Spannkörpers 15. Der darauffolgende Spannvorgang erfolgt wie oben angegeben, nachdem die zu verbindenden Rohrenden auf den Spannsegmenten 18, 19 ausgerichtet worden sind.

Für Schweißvorgänge kann die von den Spannsegmenten 18,19 gebildete zylindrische Spannfläche, wie in F i g. 4 und 5 dargestellt, mittig eine umlaufende Nut 53 geringer Tiefe besitzen, deren Breite größer als die Schweißnahtbreite ist. Die Nut 53 dient als Wurzelfreistich für die Schweißnaht, dem kontrollierten Wärmeübergang vom Werkstück an die Vorrichtung und der Zu- und Abfuhr von Schutz- und/oder Kühlgas. Die Gaszufuhr erfolgt über nicht näher dargestellte Zuleitungen und Bohrungen in den-Segmenten, wobei das Gas über die Segmentstöße entweichen kann. Die Breite der Spannsegmente 18,19 ist in axialer Richtung des Spanndorns gesehen so bemessen, daß nur ein vorbestimmter, verhältnismäßig schmaler, genau definierter Umfangsbereich der zu verbindenden Rohrenden für den Schweißvorgang vorgespannt wird. Die Rohrenden werden für den Spannvorgang durch mit dem Spanndorn zusammenwirkende Rieht- und Stützglieder zentriert und ausgerichtet. Die stirnseitigen Kanten der Segmenis sind mit Übergangsfasern bzw. Radien 54,55 versehen, "lurch die ein knickfreies Abklingen der Verformung vom aufgeweiteten in den unaufweiteten Rohrbereich gewährleistet wird. Der Grad der Vorspannung im Schweißbereich wird durch die axiale Zustellung der Spannwelle eingestellt und durch Messung des Rohrdurchmessers und/oder eine Skalierung am Stellglied der Spannwelle bestimmt.

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40 Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Spanneinrichtung zum zylinderformtreuen Innenspannen von dünnwandigen Rohrkörpern, mit zwei Spannsegmentgruppen, die in Ruhestellung axial hintereinander liegen und zum Einnehmen der Einspannstellung, in welcher ihre Segmente gegen die Innenwand des Rohrkörpers angedrückt sind, axial gegeneinander beweglich sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannkörper (15) vorgesehen ist, der zum Andrücken der Spannsegmente (18,19) axial gegen diese beweglich ist, und daß die Spannsegmente (18,19) der beiden Gruppen bei deren axialer Relativbewegung zwischeneinander greifen und in der Einspannstellung einen nahezu lückenlosen Kreisring bilden.

2. Spanneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Gruppe von Spannsegmenten (?"2) an einem verschiebbaren vorderen Geienkkopf {ϊ4) und die hintere Gruppe von Spannsegmenten (18) an einem ortsfesten hinteren Gelenkkopf (12) jeweils über schwenkbare Arme (16, 17) angelenkt ist

3. Spanneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verschiebbare vordere Gelenkkopf (14) Ausnehmungen (42) für den Durchtritt der Arme (16) der hinteren Segmentgruppe (18) aufweist.

4. Spanneinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, -laß die Ausnehmungen (42) des verschiebbaren vorderen Gelenkkopfes (14) und/oder dessen Stirn- oder Umfangsflä^rten in spreizendem Sinne wirkende Aufgieitflachen (43) für die Tragarme (16) der hinteren Segmentgn^pe (18) aufweist.

5. Spanneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verschiebbare vordere Gelenkkopf (14) mittels des Spannkörpers (15) gegen den ortsfesten hinteren Gelenkkopf (12) verschiebbar angeordnet ist.

6. Spanneinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannkörper (15) auf einer Spannwelle (13) befestigt ist. die den verschiebbaren vorderen Gelenkkopf (14) und den ortsfesten, hinteren Gelenkkopf (12) durchsetzt.

7. Spanneinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere die an dem verschiebbaren vorderen Gelenkkopf (14) angelenkten Arme (17) mittels an dem Spannkörper (15) angeordneter, dessen Spannkonus (32) vorgelagerter Aufgleitflächen (45) spreizbar sind.

8. Spanneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Segment-Tragarme (16,17) der einzelnen Segmentgruppen (18, 19) jeweils in zusammenklappendem Sinne, insbesondere mit unterschiedlichen Stellkräften, federnd vorspannbar sind.

9. Spanneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in Achsrichtung verlaufenden Stoßflächen (46) der einen, zuletzt spreizenden Spannsegmentgruppe (19) jeweils untereinander parallel ausgebildet sind und die Stoßfläche (47) der in Umfangsrichtung jeweils anschließenden, zuerst spreizenden Segmentgruppe (18) einen Winkel größer oder gleich 90° zueinander einnehmen.

10. Spanneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Arme (16,17) mit Justiernasen (48, 49) und/oder mit das Spreizen begünstigenden Innenflächen (30,31) versehen sind.

11. Spanneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannsegmente (18, 19) auf ihren wirksamen LJmfangsspannflächen mit einer über jedes Segment umlaufenden Rille (53) versehen sind, welche vorzugsweise mit einer Schutzgas- unc"'oder Kühlmittelqueue oder dergleichen verbindbar ist

12. Spanneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (17) an ihren freien Enden eine in zusammengeklappter Stellung mit dem Spannkörper (15) formschlüssig zusammenwirkende Anordnung aus Haken und Nut (50) aufweisen.

13. Spanneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Berührungsflächen (30,31) der Arme (16,17) mit dem Konus (32) mit Härteschichten, Gleitschichten oder insbesondere wälzend geführten Elementen verschleiß- und reibungsarm ausgebildet sind.

14. Spanneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem festen hinteren Gelenkkopf (12) und den: verschiebbarem vorderen Gelenkkopf (14) ein reib- oder formschlüssig wirkendes Arretierglied angeordnet ist