DE3424489A1

DE3424489A1 - Vorrichtung und verfahren zum extrudieren von rohren

Info

Publication number: DE3424489A1
Application number: DE19843424489
Authority: DE
Inventors: Robert L. Farmers Branch Tex. Hilts; Olen R. Celina Tex. Long
Original assignee: Otis Engineering Corp
Current assignee: Otis Engineering Corp
Priority date: 1983-07-14
Filing date: 1984-07-04
Publication date: 1985-01-24
Also published as: FR2548931A1; GB2143454A; AU556792B2; BR8403518A; NO842877L; GB8414410D0; AU2901784A; JPS6040612A; GB2143454B

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft die Metallverarbeitung und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Extrudieren von Metall zur Herstellung von rohrförmigen Elementen.

Das Extrudieren von Metallrohren ist seit vielen Jahren bekannt. Meistens hatten diese Rohre einen gleichförmigen Querschnitt, beispielsweise mit konzentrischen Innen- und -Q Außenflächen. Das Extrudieren solcher Rohre ist nicht sehr problematisch.

Es ist jedoch auch nötig, Rohre zu extrudieren, deren Bohrung gegenüber der Außenfläche der Rohre exzentrisch .,. angeordnet ist. Die Außenwand solcher Rohre kann rund, nicht-kreisförmig, im wesentlichen oval sein oder andere Formen haben, während die Bohrung beispielsweise so weit außerhalb der Mitte angeordnet ist, daß der dickste Bereich der Wand drei- oder mehrmals so dick ist wie ihr dünnster Bereich.

Es ist erwünscht, daß die Bohrung des Extrudats beim Extrusionsvorgang ihre endgültige Größe hat, so daß eine spätere, spanabhebende Bearbeitung der Bohrung unnötig ist.

Beim Extrudieren von Rohren formt eine Düse mit einer Öffnung von geeigneter Größe und Form die Außenwand des Rohres, während ein Dorn von geeigneter Größe und Form, der mit einem Bereich in oder durch die Düsenöffnung ragt die Bohrung bzw. den Durchlaß des Rohres formt.

Üblicherweise ragt der Dorn durch die Düsenöffnung und bildet dadurch eine ringförmige Öffnung, durch die das Material zur Herstellung des Rohres extrudiert wird.

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Rohre mit gleichförmigen Querschnitt, beispielsweise Hohlzylinder, können leicht und problemlos extrudiert werden, da ein runder Rohling mit einer runden Bohrung durch eine runde, kreisförmige Öffnung zwischen einer runden Düsenöffnung und einem runden Dorn extrudiert wird. Wenn der Rohling, die Düsenöffnung und der Dorn konzentrisch angeordnet sind, fließt das extrudierbare Material beim Extrudieren gleichmäßig in und durch die Düsenöffnung um den Dorn herum und neigt nicht dazu, den Dorn in einer Richtung abzulenken. Im Idealfall ist die Strömung des extrudierten Materials so axial oder linear wie möglich und weist eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung in der Strömung auf, so daß gleichzeitig gleichmäßige Druckkräfte auf den Bereich des Dorns wirken, der nahe und innerhalb der Düsenöffnung angeordnet ist.

Es ist leicht erkennbar, daß der Dorn aus dem Zentrum herausgedrückt werden kann, wenn diese Druckkräfte um ihn nicht im wesentlichen gleich sind, so daß die Wand des extrudierten Rohres an der einen Seite zu dick und an der anderen, der Bohrung gegenüberliegenden Seite zu dünn ist. Diese Schwierigkeit wird umso deutlicher, wenn man sich vergegenwärtigt, daß der Dorn gewöhnlich lang und schmal ist und daher leichter aus der richtigen Stellung abgelenkt wird. Der Dorn muß ausreichend lang sein, so daß er sowohl durch die Bohrung des Rohlings als auch durch die Düsenöffnung ragt. In den oben beschriebenen Fällen war der Rohling etwa 91,5 cm lang und hatte einen Durchmesser von etwa 28 cm, während der Dorn einen Durchmesser von etwa 5,1 cm hatte und etwa 107 cm lang war.

Das Problem der Verschiebung oder Ablenkung des Dorns zu einer Seite bei der Extrusion wird um so größer, je härter und fester das Material ist und/oder je mehr Widerstand es der Strömung entgegensetzt. Es bedarf sehr viel

höherer Kräfte, solche Materialien durch eine Düse zu extrudieren, wenn die übrigen Voraussetzungen gleich bleiben.

Aus der US-PS 4 333 527 ist ein rohrf örmiges Element bekannt, von dem ein Teil als ein Rohr mit einem exzentrischen, längsverlaufenden Durchlaß extrudiert werden könnte.

Aus der US-PS 4 416 330 ist ein ähnliches Element bekannt, dessen einer Teil als ein ungleichmäßiges Rohr extrudiert werden könnte.

Es wurde auch bereits ein Verfahren zur Extrusion un-"^⁵ gleichmäßiger Rohre sowie ein ungleichmäßiges Rohr vorgeschlagen, das beim Bau von Seitentaschenspindeln gemäß der US-PS 4 416 330 verwendbar ist. Dieses Rohr hat eine um eine ungleichmäßig geformte Bohrung verlaufende Wand mit variabler Dicke. Rohre mit einer veränderlichen Wandstärke um eine Bohrung können unter Schwierigkeiten mit Hilfe einer zentral gelegenen Düsenöffnung und einem zentral angeordneten Dorn extrudiert werden, auch wenn die Extrudate aus Stahl des Typs 414 0 bestehen, der hart und fest ist und nur unter Aufwendung großer Kräfte durch die Düse gepreßt werden kann.

Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, Rohre mit verschiedenen Querschnitten mit einem exzentrischen Durchlaß zu extrudieren, die zur Herstellung des Aufnahmebereichs von Seitentaschenspindeln gemäß US-PS 4 333 527 oder für andere Zwecke verwendbar sind. Solche Extrudate können aus hochfestem Material, beispielsweise aus Stahl des Typs 4140 hergestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Extrudieren von Rohren zu schaffen, die einen exzentrischen Längsdurchlaß aufweisen, wobei der Dorn der Vorrichtung exzentrisch gegenüber dem Stempel der Vorrichtung angeordnet ist.

Ziel der Erfindung ist auch die Schaffung einer Vorrichtung, bei der der Dorn von dem Stempel verschiebbar gehalten wird, wobei der Dorn gegenüber dem Stempel aus- und einfahrbar ist.

Ziel der Erfindung ist es auch, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der sowohl der Dorn als auch die Düsenöffnung gegenüber dem Stempel der Vorrichtung exzentrisch angeord-■15 net sind.

Außerdem ist es Ziel der Erfindung ein Verfahren zum Extrudieren von Rohren zu schaffen, die einen exzentrischen, längs verlaufenden Durchlaß aufweisen, bei dem eine Extrusionsvorrichtung mit einem exzentrischen Dorn zur Formung des exzentrischen Durchlasses im Rohr verwendet wird.

Weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Extrudieren eines Rohres mit den obengenannten Merkmalen unter Verwendung einer Extrusionsvorrichtung, bei der sowohl der Dorn als auch die Düsenöffnung exzentrisch angeordnet sind.

Auch ist es Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Verwendung einer Extrusionsvorrichtung zu schaffen, bei der der Dorn von dem Stempel getragen wird, gegenüber diesem ein- und ausfahrbar ist und bei der der Dorn rund, oder nicht rund, oder elliptisch, oder im wesentlichen oval, oder ungleichmäßig geformt ist oder irgendeinen anderen gewünschten Querschnitt aufweist.

Darüber hinaus ist es Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Extrudieren von Rohren unter Verwendung einer Extrusionsvorrichtung mit den obengenannten Merkmalen zu schaffen, bei dem rohrförmige Rohlinge mit einer exzentrischen Bohrung verwendet werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum Extrudieren von Rohren mit einem exzentrischen, längsverlaufenden Durchlaß gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen Behälter zur Aufnahme eines Rohlings aus extrudierbarem Material; eine Düseneinrichtung zum Verschließen des einen Endes des Behälters mit einer Düsenöffnung der gewünschten Form; eine mit dem Behälter fluchtende Stempeleinrichtung, die durch die Öffnung der Düseneinrichtung in den Behälter zum Extrudieren des extrudierbaren Materials hineinbewegbar ist, und einen länglichen Dorn, der mit der Stempeleinrichtung verbunden und mittels dieser bewegbar ist, wobei der Dorn exzentrisch zur Stempeleinrichtung angeordnet ist und einen Bereich aufweist, der durch die Öffnung der Düseneinrichtung ragt und mit dieser eine ringförmige Öffnung bildet, durch die das extrudierbare Material extrudierbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient außerdem ein Verfahren zum Extrudieren von Rohren mit einem exzentrischen, längsverlaufenden Durchlaß unter Verwendung einer Extrusions-Presse mit einem Behälter zur Aufnahme eines Rohlings aus extrudierbarem Material; mit einer das eine Ende des Behälters verschließenden Düse; mit einem in das andere Ende des Behälters bewegbaren Stempel zum Herauspressen des extrudierbaren Materials des Rohlings durch die Düse zur Erzeugung eines extrudierten Rohres, wobei die Düse eine Öffnung mit gewünschter Form zur Bildung der äußeren Form des extrudierten Rohres aufweist; und mit einem mit Hilfe des Stempels bewegbaren Dorn, der einen gewünschten

Querschnitt und einen Bereich aufweist, der zur Bildung der inneren Form des extrudierten Rohres durch die Öffnung der Düse ragt, das gekennzeichnet ist durch folgende Schritte: Einbringen eines rohrförmigen Rohlings aus extrudierbarem Material in den Behälter; Bewegen des Stempels in den Behälter und Hindurchführen des Dorns durch den rohrförmigen Rohling und die Düse; und Bewegen des Stempels weiter in den Behälter hinein zum Herauspressen des extrudierbaren Materials durch die Düse und zum Erzeugen eines extrudierten Rohres mit einem exzentrischen, längsverlaufenden Durchlaß.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Teilansicht einer Extrusions-Presse beim Extrudieren eines Rohres;

Figur 2 einen Querschnitt des extrudierten Rohres entlang der Linie 2-2 in Figur 2;

Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines rohrförmigen Rohlings aus extrudierbarem Material;

Figur 4 eine Längsansicht einer Seitentaschenspindel, bei der ein kurzer Bereich aus einem extrudierten Rohr besteht;

Figur 5 einen Querschnitt entlang der Linie 5-5 aus Figur 4;

Figur 6 in einer Ansicht ähnlich Figur 2 einen Querschnitts eines runden Rohres mit einer exzentrischen Bohrung;

Figur 7 eine Ansicht, die die nach innen auf die Außenfläche des Dorns der Extrusions-Presse wirkenden Kräfte beim Extrudieren wiedergibt;

Figur 8 einen Querschnitt einer bekannten Düse zum Extrudieren von Rohren mit einer exzentrischen Bohrung;

Figur 9 eine das Verhältnis von Dorn, Düse und Rohling wiedergebende Ansicht, wobei der Dorn zentral

angeordnet ist;

Figur 10 eine Ansicht ähnlich Figur 9, bei der die Düsenöffnung zentral und der Dorn exzentrisch angeordnet ist;

Figur 11 einen Querschnitt eines Rohres ähnlich Figur 2 mit einer in einer Ebene liegenden Linie, die durch die Mittel der Bohrung des Rohres verläuft und senkrecht auf der Symmetrieebene steht; und

Figur 12 einen Querschnitt durch einen rohrförmigen Rohling gemäß Figur 3 mit einer exzentrischen Bohrung .
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In Figur 1 ist schematisch eine Extrusions-Presse 20 mit einem einen Zylinderbereich 24 aufweisenden Körper' ^{22 un}d einem Halte"rungsber-eicn 26 -dargestellt.

Eine Extrusions-Düse 30 wird von einer im Halterungsbereich 26 an der Presse 20 befestigten Halterung 32 gehalten. Die Düse 30 hat eine Extrusionsöffnung 38 mit dem gewünschten Querschnitt. Ihr Eingangsende ist zur Bildung einer geeigneten Führung konisch erweitert und hat abgerundete Kanten 40. Bei Bedarf kann die Führung die Form

eines Konusses oder einer Abschrägung oder eine andere gewünschte Form haben.

Nahe dem Ausgangsende der Düse 30 ist eine Führungseinrichtung 44 angebracht. Diese hat nahe der Düse 30 . eine Schulter 46 und eine eine Bohrung 49 aufweisende, rohrförmige Führung 48, die, wie dargestellt, an ihrer rückwärtigen Seite befestigt ist und sich von der Düse· 30 wegerstreckt.
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Ein Behälter 50 mit einer Öffnung 56 wird auf dem Halterungsbereich 26 der Presse 20 gehalten. Das rückwärtige Ende 52 des Behälters 50 wird vorzugsweise gegen die Vorderseite 54 der Düse 30 gehalten. Auf diese Weise verschließt die Düse 30 das hintere Ende der Öffnung 56 des Behälters 50.

Eine Stempeleinrichtung 60 weist einen Stempel 61 auf, der, wie dargestellt, teleskopartig in den Behälter 50, eintauchbar ist, und dessen Vorderende 62 mittels eines Hauptkolbens 66 in den Behälter 50 bewegbar ist. An dem Hauptkolben 66 ist die Stempeleinrichtung 60 mittels eines Halterings 68 und mittels Bolzen 69 angebracht. Der Hauptkolben 66 ist in einer Bohrung 24a des Zylinderbereichs 24 der Presse 2 0 gleitend verschiebbar. Das Vorderende 62 des Stempels 61 trägt eine mit einem Loch 76 versehene Druckplatte 70. Es können mehrere solcher Druckplatten 70 vorgesehen und bei Bedarf untereinander ausgetauscht werden, je nach Größe und Form der auszuführenden Extrusionen.

Zur Formung der Bohrung bzw. des Durchlasses 72 durch das Extrudat wird beispielsweise ein Dorn 71 verwendet, während die in Figur 2 dargestellte Außenfläche 73 durch die Extrusionsöffnung 38 gebildet wird. Der Dorn 71 muß durch

die Extrusionsoffnung 38 reichen, damit zwischen der Düse 30 und dem Dorn 71 ein Ringraum 74 entsteht, durch den zur Bildung rohrförmiger Extrudate 75 heißes Metall ex-

trudiert wird.
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Bei kleinen Rohren könnte der Dorn 71 an einer Druckplatte 70 ohne Loch 76 angebracht werden. In diesem Fall ist es ziemlich schwierig, die Rohlinge in den Behälter 50 einzubringen, wenn diese nicht verhältnismäßig klein sind. Bei größeren Rohren wird der Dorn 71 vorzugsweise wie in Figur 1 von der Stempeleinrichtung 60 getragen, so daß er stets durch das Loch 7 6 der Druckplatte 70 ragt. Das Loch 76 in der Druckplatte 70 stellt eine seitliche Stütze des Dorns 71 dar, um ihn in der Extrusxonsoffnung 38 der Düse 30 in der richtigen Stellung zu halten. Dennoch kann bei einer ungleichen Strömung des zu extrudierenden Metalls durch die Düse 30 der Dorn 71 auf eine Seite gedrückt werden, wodurch der Durchlaß 72 im extrudierten Rohr 75 falsch angeordnet ist. Das ist besonders dann der Fall, wenn sehr zähes Material, beispielsweise Stahl vom Typ 4140 extrudiert wird.

Das innere Ende des Dorns 71 ist an einem punktiert dargestellten Träger 80 angebracht, der an einem Hilfskolben 81 befestigt ist. Dieser ist verschiebbar in einer Hilfsbohrung 82 des Hauptkolbens 66, wie dargestellt, angebracht.

Da der Hilfskolben. 81 innerhalb der Hilfsbohrung 82 verschiebbar ist, ist der Dorn 71 aus- und einfahrbar, je nachdem ob der Hilfszylinder 81 sich gegenüber dem Hauptkolben 66 vor- oder zurückbewegt. Wenn der Dorn 71 zurückgezogen ist, ragt er einige Zentimeter aus der Druckplatte 70 hervor. Der Dorn 71 wird ausgefahren, indem der Hilf szylinder 81 nach vorne bewegt wird. Das Ende der

Auswärtsbewegung des Dorns 71 ist erreicht, wenn die Vorderseite des Trägers 80 die Innenseite der Druckplatte 7 0 berührt.

Bei Bedarf wird eine Hülse oder ein Stöpsel mit einer Durchgangsöffnung, die beide nicht dargestellt sind, zeitweise in die Extrusionsöffnung 38 der Düse 30 eingebracht, um den Dorn 71 in der richtigen Stellung zu halten, bis das extrudierte Material die Hülse bzw. den Stöpsel hinausdrückt.

Wenn sowohl der Dorn 71 als auch der Hauptkolben 66 zurückgezogen sind, wird ein heißer, rohrförmigerRohling 86 aus geeignetem, extrudierbarem Material vor beide in den Behälter 50 eingebracht und so ausgerichtet, daß seine Bohrung 87 mit dem Dorn 71 und der Extrusionsöffnung 38 fluchtet. Der Rohling 86 kann in die Öffnung 56 des Behälters 50 eingebracht werden. Er ist so groß, daß er ungehindert in den Behälter 50 und der Dorn 71 ungehindert in die Bohrung 87 passen. Von einer geeigneten Quelle wird dann hydraulischer Druck auf den Hauptkolben 66 und den Hilfszylinder 81 ausgeübt. Da der Hilfszylinder 81 weniger massiv als der Hauptkolben 66 ist, bewegt er sich zuerst und fährt den Dorn 71 aus. Dieser erstreckt sind durch die Bohrung 87 des Rohlings 86 und außerdem durch die Extrusionsöffnung 38. Wenn, wie vorstehend erwähnt, in der Extrusionsöffnung 38 eine Hülse verwendet wird, ragt der Dorn 71 selbstverständlich in die Öffnung der Hülse und wird dadurch in der richtigen Stellung gehalten. In der Bohrung 24a des Zylinderbereichs 24 wird hydraulischer Druck aufgebaut, der Stempel 61 bewegt sich in Richtung auf die Düse 30, und die Druckplatte 70 kommt in Eingriff mit dem Rohling 86 und schiebt diesen vor sich her, bis dessen Vorderende in Eingriff mit der Düse 30 kommt. Der Stempel 61 wird

jedoch weiter in den Behälter 50 bewegt. Wenn genug Steinpelkraft auf den Rohling 86 im Behälter 50 ausgeübt wird, wird dieser zuerst gestaucht und füllt den verfügbaren Raum innerhalb des Behälters 50 zwischen der Druckplatte 70 und der Düse 30 aus. Dann beginnt er durch den Ringraum 74 zwischen der Außenseite des Dorns 71 und der Innenwand der Extrusionsöffnung 38 zu fließen. Die Strömung des Extrusionsmaterxals durch die Extrusionsöffnung 38 drückt die Hülse aus ihrer oben beschriebenen Ausgangslage in der Extrusionsöffnung 38. Der Stempel 61 bewegt sich langsam auf die Düse 30 zu, und das extrudierbare Material des Rohling 86 wird verhältnismäßig schnell extrudiert/ da der Querschnitt des Extrudats 75 viel kleiner als der des Rohlings 86 ist. Wenn die Extrusionsgeschwindigkeit zu groß wird, wird auch die Hitze im Bereich der Düse 30 zu groß, so daß Metall von der Düse 30 abgehoben der Querschnitt des Extrudats 7 5 reduziert und das Extrudat 75 schlecht geformt wird und üblicherweise ungewünschte Längsrinnen aufweist. Das Extrudat 75 hat deshalb eine schlechte Qualität und ist für den gewünschten Zweck unbrauchbar.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt des Extrudats 75. Dieser Querschnitt kann mit dem in der US-PS 4 416 330 übereinstimmen, deren Offenbarung hiermit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Die Außenfläche 7 3 des Extrudats 75 wird durch die Form der Extrudatöf f nung 38 bestimmt, während die Öffnung bzw. der Durchlaß 72 des Extrudats 75 durch die Form des Dorns 71 festgelegt wird.

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Selbstverständlich muß das Loch 76 in der Druckplatte ebenso wie der Dorn 71 nicht rund sein, aber die Form des Loches 76 muß mit der des Dorns 71 übereinstimmen. Es muß außerdem groß genug sein, damit sich der Dorn 71 frei hindurchbewegen kann. Der Freiraum um den Dorn 71 sollte

möglichst klein sein, beispielsweise in der Größenordnung von 0,02 bis 0,25 nun. Vorzugsweise sollte dieser Freiraum in Richtung auf das vordere Ende des Dorns 71 zunehmen, um eine zu große Reibung zwischen dem Dorn 71 und. dem Extrudat 75 zu vermeiden.

Die rohrförmige Führung 48 verhindert ein Durchbiegen des Extrudats 75. Sie ist so ausgebildet, daß eine in Längsrichtung durchgehende Bohrung 49 einen Querschnitt aufweist, der der äußeren Form des Extrudats 75 entspricht, wobei nur ein kleiner Zwischenraum vorgesehen ist, damit sich das Extrudat 75 ungehindert durch die Bohrung 49 bewegen kann. Der Zwischenraum zwischen der rohrförmigen Führung 48 und dem Extrudat 75 ist vorzugsweise etwa 0,12

-) 5 bis 0,62 mm groß und hängt selbstverständlich von der Größe des Extrudats 75 und dessen erforderlicher Geradlinigkeit ab. Zur Herstellung von Extrudaten 75 der hier beschriebenen Art mit einer Hauptquerschnittsachse von etwa 102 bis 127 mm war ein Zwischenraum von etwa 0,25 mm um das Extrudat 75 vorgesehen, um ein Durchbiegen des Extrudats 75 innerhalb zufriedenstellender Grenzen zu beschränken.

Am Ende einer Bewegung des Stempels 61 hält die Druckplatte 70 an, bevor sie auf die Düse 30 trifft, um eine Beschädigung der Düse 30 oder der Druckplatte 70 zu vermeiden. Bei einer Rückwärtsbewegung des Hauptkolbens 66 werden der Stempel 61 und der Dorn 71 aus dem Extrudat 75 zurückgezogen. Dabei wird das Extrudat 75 etwas nach hinten durch die Düse 30 gezogen, bevor der Dorn 71 davon freikommt. Der Behälter 50 wird dann von dem Extrudat 75 zurückgezogen und entfernt. Zu diesem Zeitpunkt ist ersichtlich, daß das hintere Ende des Extrudats 75 einen großen etwa 25,4 mm dicken schlecht geformten Kopf hat, der so groß wie die Öffnung 56 des Behälters 50 und

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einige Zentimeter von der Düse 30 entfernt ist. Dieser Kopf wird abgeschnitten und als Schrott entfernt.

Das Extrudat 75 wird danach von der Düse 30 und der rohrförmigen Führung 48 entfernt und zur Abkühlung beiseite gelegt. Man läßt es vorzugsweise gerade, auf ebenem Untergrund liegen, bis es unter die Übergangstemperatur abekühlt ist, also auf eine Temperatur, bei der das Metall unter dem Einfluß des Eigengewichts weder fließt noch sich verwindet.

Das Extrudat 75 wird dann auf die gewünschte Länge zugeschnitten, so daß es bei der Konstruktion von Seitentaschenspindeln verwendbar ist, wie sie in der US-PS

^⁵ 4 416 330 oder unter dem Bezugszeichen 90 in den Figuren 4 und 5 beschrieben sind. Wie dort ersichtlich, ist die Seitentaschenspindel 90 mit einem unteren Körperabschnitt 92 versehen, der einen Querschnitt gemäß Figur 5 aufweist. Dieser Querschnitt entspricht dem in Figur 2 dargestellten und wird später erläutert. Eine Ventilaufnahme 94 und Strömungsöffnungen 95 werden in diesen unteren Körperabschnitt 92 eingebracht, bevor dieser an den Stellen 97 und 98, wie dargestellt, mit der Seitentaschenspindel 90 verschweißt wird.

Selbstverständlich können Rohre mit exzentrischen Durchlässen nicht nur, wie in Figur 2 dargestellt, im wesentlichen oval sein, sondern viele Formen haben. Beispielsweise könnte ihre.äußere Form elliptisch, polygonal mit praktisch beliebiger Seitenzahl, rechteckig, trapezförmig o.a. sein. Der Durchlaß kann ebenfalls irgendeine dieser Formen aufweisen.

Bei der Herstellung von Seitentaschenspindeln, beispielsweise von Seitentaschenspindeln 90 gemäß Figur 4, ist es

manchmal wünschenswert, daß sie kreisförmige Außenwände aufweisen, vorzugsweise wenn sie für die Verwendung in Hochdruckbohrlöchern etwas größer sind, weil kreisförmige Seitentaschenspindeln eine hervorragende Zusammenpreßfestigkeit aufweisen, während die anderen Eigenschaften gleich sind. In Figur 6 ist ein kreisförmiges Rohr 100 mit einer exzentrischen Bohrung 101 dargestellt. Es ist für die Herstellung von runden Seitentaschenspindeln geeignet, die den ovalen Seitentaschenspindeln 90 gemäß Figur 4 ähnlich sind.

Wie vorstehend erwähnt, ist das Extrudieren solcher Rohre mit exzentrischen Bohrungen, beispielsweise des Rohres 75 und des Rohres 100 problematisch, besonders wenn solche Rohre aus einem Material hoher Festigkeit, beispielsweise aus Stahl des Typs 4140 hergestellt werden sollen, der besonders für Seitentaschenspindeln hoher Festigkeit geeignet ist.

Die Schwierigkeit beruht darauf, daß die nach innen auf den Dorn 116 wirkenden Kräfte im Gleichgewicht sein müssen. Figur 7 zeigt ein Rohr 114 während des Extrudierens. Ein Rohling 115 ist durch einen gestrichelten Kreis dargestellt. Das Material des Rohlings wird durch die ringförmige Öffnung zwischen dem Äußeren des Dorns 16 und der Düsenöffnung 117 hindurchgepreßt. Die nach innen gerichtete Strömung des Materials übt nach innen gerichtete Kräfte auf den Dorn 116 aus. Diese sind durch nach innen gerichtete Pfeile dargestellt. Im Idealfall sind diese Kräfte gleich. Wenn diese Kräfte nicht im Gleichgewicht sind, kann der Dorn 116 seitlich zur Düsenöffnung 117 verschoben werden, so daß auch der Durchlaß im extrudierten Rohr 114 seitlich versetzt ist. Solche Rohre sind unbrauchbar, verursachen also Verluste an Zeit und Geld.

Bei der Herstellung von Rohren etwa nach Art des Extrudats 75 mit Hilfe der herkömmlichen Kenntnisse wurden Düsen 110 mit einem Querschnitt gemäß Figur 8 verwendet.

Die Düse 110 in Figur 8 hat eine im wesentlichen ovale erste Öffnung 111, durch die sich ein nicht dargestellter Dorn erstreckt und mit dieser eine ringförmige Öffnung bildet, durch die ein im wesentlichen ovales Rohr, beispielsweise das Extrudat 75 gemäß Figur 2, extrudiert werden könnte. Um die Kräfte im wesentlichen auszugleichen, die den Dorn seitlich verschieben und die ringförmige Öffnung, wie oben beschrieben, verzerren, und um den Dorn in der bekannten zentralen Lage zu halten, mußte in der Düse 110 eine zweite Öffnung 112 vorgesehen werden. Während ein Rohr durch die erste Öffnung 111 extrudiert wird, tritt gleichzeitig Material durch die zweite Öffnung 112 aus. Das dabei entstehende zweite Extrudat wurde Opferextrudat genannt und als notwendiges Übel betrachtet. Dies ist teuer, denn Stahl des Typs 4140 ist

teuer, obwohl er einer der preiswerten, extrem hochfesten Materialien ist, die für Seitentaschenspindeln nach Art der Seitentaschenspindel 90 geeignet ist. Durch die Opferextrusion tritt in diesem Fall ein Materialverlust

von etwa 30 % auf.
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Mit einer Düse 110 gemäß Figur 8 wurden experimentelle Extrusionen durchgeführt. Nach sehr kurzer Zeit begann sich der Steg zwischen den beiden Öffnungen 111 und 112 in der Düse 110 abzunutzen und zu schmelzen, und zwar

beginnend am Eingangsende der Düse 110. Der Versuch wurde mit einer kleinen Düse durchgeführt, wobei Rohre hergestellt wurden, die viel zu klein für Seitentaschenspindeln sind. Bei größeren Abmessungen wären die Schwierigkeiten vorhersehbar größer gewesen, so daß diese bekannte Ausführungsform der Düse 110 aufgegeben wurde und Ver-

suche mit Anordnungen gemäß den Figuren 9 und 10 durchgeführt wurden.

Figur 9 zeigt schematisch die Beziehung zwischen dem Dorn 120, der Düsenöffnung und dem Rohling 122, wobei kein Opferstreifen vorgesehen ist. Der Dorn 120 ist gegenüber dem Rohling 122 mittig angeordnet und richtig auf die Düsenöffnung ausgerichtet. Durch die ringförmige Öffnung 12 6 zwischen der Düsenöffnung und dem Dorn 12 0 wird das Material des Rohlings 122 extrudiert, um ein Rohr mit der Form der ringförmigen Öffnung 126 herzustellen. Die Strömung des extrudierbaren Materials um den Dorn 120 ist nicht im Gleichgewicht, weil das dicke Material im Bereich A des Rohlings 122 bei der Herstellung des dünnen Teils des Rohres nur zum Teil verwendet wird. Das übrige Material aus dem Bereich A muß um den Dorn 120 herumströmen und zur Bildung des dicken Bereichs des Rohres beitragen. In diesem Fall wird es für unmöglich gehalten, Stahl vom Typ 4140 zu extrudieren, weil zum Extrudieren dieses Materials ein extrem hoher Druck notwendig ist und weil die seitlichen Kräfte auf dem Dorn 120 extrem ungleich sind, während das Material aus dem Bereich A auf die gegenüberliegende Seite des Dorns 120 strömt.

In Figur 10 ist ein ähnlicher Fall dargestellt. Dort ist die Öffnung 124 gegenüber dem Rohling 122 mittig angeordnet, während der Dorn 120 richtig auf die Öffnung 124 ausgerichtet ist, um eine ringförmige Düsenöffnung 126 mit der richtigen Form zu erzeugen. Der Dorn 120 ist in diesem Fall exzentrisch angeordnet, während die Öffnung 124 zentral liegt. Diese Anordnung ist besser als die in Figur 9 dargestellte; es ist aber immer noch sehr schwierig, Extrudate mit etwa der Größe des Extrudats 75 herzustellen, besonders wenn hochfestes Material zu extrudieren ist.

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Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann das Verhältnis zwischen dem Rohling und der Öffnung bzw. dem Dorn auf die unten beschriebene Weise ideal gewählt werden.

In Figur 11 ist der Querschnitt eines zu extrudierenden Rohres dargestellt. Es hat dieselbe Form wie das in Figur 2 dargestellte Extrudat 75 und wird daher ebenfalls mit dem Bezugszeichen 75 bezeichnet. Eine horizontale Linie 76' ist durch die Mitte des Durchlasses 72 des -\q Rohres 75 gezogen. Sie teilt den Querschnitt in die beiden Abschnitte A und B. Diese horizontale Linie 76' verläuft senkrecht zur Symmetrieebene 77, die ebenfalls durch die Mitte des Durchlasses 72 verläuft.

^5 Die Flächen der Abschnitte A und B werden berechnet und verglichen, um ihr Verhältnis zu bilden. Beispielsweise sei angenommen, daß die Fläche des Abschnitts A dreimal so groß ist wie die Fläche des Abschnitts B, das Verhältnis von A:B ist also 3:1. Das gleiche Verhältnis muß dann iⁿ dem. zu verwendenden, rohrförmigen Rohling erreicht werden.

Aus Figur 12 ist ersichtlich, daß der Rohling 86 eine Bohrung 87 aufweist, und daß eine horizontale Linie 88 durch die Mitte der Bohrung 87 gezogen ist, die den Querschnitt in zwei Abschnitte C und D unterteilt.

Die Bohrung 87 ist im Idealfall so in dem Rohling 76 angeordnet, daß das Verhältnis der Fläche des Abschnitts 3Q C zur Fläche des Abschnitts D gleich dem oben bestimmten Verhältnis A:B ist. In diesem Fall muß C:D gleich A:B oder gleich 3:1 sein.

Da die Verhältnisse 3:1 sind, ist leicht ersichtlich, daß der obere Abschnitt C des Rohlings den oberen Abschnitt A des Rohres und der untere Abschnitt D des Rohlings den unteren Abschnitt B des Rohres bildet.

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Bei der Berechnung des Verhältnisses A:B wird die Fläche innerhalb des Umfangs des Rohres berechnet und dann die Fläche des Durchlasses 72 von dieser Fläche abgezogen, um die Metallfläche im Querschnitt des Rohres zu erhalten. Auf ähnliche Weise wird bei der Berechnung des Verhältnis-

ses von C:D die Fläche innerhalb des Umfangs des Rohlings 86 berechnet und diese um die Fläche der Bohrung 87 reduziert.

Da in jedem Fall das Verhältnis 3:1 ist, wird die Fläche durch 4, also durch 3+1 geteilt, um die Fläche des unteren Abschnitts D des Rohlings 86 zu erhalten. Der Rest der Fläche stellt natürlich den oberen Abschnitt C des Rohlings 86 dar.

Da das Verhältnis A: B gleich dem Verhältnis AjD ist, verlaufen die Strömungslinien des extrudierten Materials so gerade und gleichmäßig wie möglich.

Selbstverständlich wird das Verhältnis A:B des Rohres 20

zuerst bestimmt. Als nächstes wird die Bohrung 87 des Rohlings 86 so angeordnet, daß das Verhältnis C:D dem Verhältnis A:B entspricht. Dann werden der Dorn und die Düsenöffnung damit in Übereinstimmung gebracht.

Bei Versuchen wurden Rohre, die praktisch die in Figur 2 dargestellte Form aufgewiesen, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus Stahl des Typs 4140 extrudiert, ohne daß ein zu hoher Druck im Hauptzylinder der Extrusions- Presse verwandt wurde. Die nach nur wenigen Probeextrusionen ^y

hergestellten Extrudate zeigten eine hervorragende Qualität, allerdings war die Bohrung nicht ganz in der richtigen Lage. Wie vorstehend erwähnt, wurden beim Extrudieren der Rohre deren Durchlässe mit Hilfe des Dorns mit dem

fertigen Endmaß hergestellt, und es ist klar/ daß eine 35

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weitere Bearbeitung der Durchlässe nicht erforderlich wäre.

Möglicherweise muß die Bohrung im Rohling näher an dessen Mitte heran oder weiter von ihr weggelegt werden, damit der Rohling nicht zu lose im Behälter sitzt oder die Hitze vom Rohling nicht ungleichmäßig auf den Behälter übertragen wird und um physikalische Eigenschaften des zu extrudierenden Materials auszugleichen.

Jedenfalls wurden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Extrudieren von Rohren mit exzentrischen Bohrungen geschaffen, mit dem Rohre aus hochfestem Material wie beispielsweise Stahl des Typs 414 0 extrudiert werden können.

Dabei kann die exzentrische Bohrung der zur Formung dieser Rohre verwendeten Rohlinge genau angeordnet werden, und die Düsenöffnung und der Dorn der Presse können ebenfalls präzise exzentrisch angeordnet werden, so daß die Strömungslinien des extrudierten Materials so gerade wie möglich verlaufen, um ungleiche Seitenkräfte auf den Dorn und den Öffnungsbereich zu vermeiden. Wenn dabei die Bohrung im Rohling, die Düsenöffnung und der Dorn im wesentlichen so angeordnet werden, wie "vorstehend beschrieben, wird ein übermäßiger Druck in dem Zylinder der Vorrichtung vermieden. Dabei können Rohre mit vielen äußeren Formen, etwa runde, nicht-runde, ovale, rechteckige, polygonale mit beliebig vielen Seiten o.a. geformte Rohre, extrudiert werden, die alle eine exzentrische Bohrung aufweisen.

Vorstehend wurde zwar die Extrusion hochfester Materialien, besonders von Stahl des Typs 4140 beschrieben, jedoch können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung, auch zum Extrudieren anderer Materialien verwendet werden.

Vorstehend wurden zur Konstruktion von Seitentaschenspindeln geeignete Rohre beschrieben, jedoch können diese Rohre an vielen Stellen verwendet werden, beispielsweise auch in anderen Olbohrwerkzeugen.

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Claims

UEXKÜLL & STOLBERG

PATENTANWÄLTE

BESEUERSTRASSE 4 D-2000 HAMBURG 52

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

DR. J.-D. FRHR. von UEXKÜLL DR. ULRICH GRAF STOLBERG DIPL.-1NG. JÜRGEN SUCHANTKE DIPL.-ING. ARNULF HUBER DR. ALLARD von KAMEKE

OTIS ENGINEERING
CORPORATION
P.O. Box 819052

Dallas, Texas 75381-9052
V.St.A.

Prio:14.Juli 1983 (US SN 06/51.3 755)

(20880 su/gl/do)

Juni 1984

Vorrichtung und Verfahren zum Extrudieren von Rohren

Patentansprüche

Vorrichtung zum Extrudieren von Rohren mit einem exzentrischen, längsverlaufenden Durchlaß, gekennzeichnet durch

- einen Behälter (50) zur Aufnahme eines Rohlings (86) aus extrudierbarem Material;

- eine Düseneinrichtung (30) zum Verschließen des einen Endes des Behälters (50) mit einer Düsenöffnung (38) der gewünschten Form;

- eine mit dem Behälter (50) fluchtende Stempeleinrichtung (60), die durch die Öffnung (38) der Düseneinrichtung (30) in den Behälter (50) zum Extrudieren des extrudierbaren Materials hineinbewegbar ist;

und

- einen länglichen Dorn (71), der mit der Stempeleinrichtung (60) verbunden und mittels dieser bewegbar ist, wobei der Dorn (71) exzentrisch zur Stempeleinrichtung (60) angeordnet ist und einen Bereich aufweist, der durch die Öffnung (38) der Düseneinrichtung (30) ragt und mit dieser eine ringförmige Öffnung bildet, durch die das extrudierbare Material extrudierbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (71) von der Stempeleinrichtung (60) gleitend gehalten wird und bezüglich dieser aus- bzw. einfahrbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (38) der Düseneinrichtung (30) exzentrisch gegenüber dem Behälter (50) angeordnet ist und daß der Dorn (71) von der Stempeleinrichtung (60) getragen wird.
4. Verfahren zum Extrudieren von Rohren mit einem
exzentrischen, längsverlaufenden Durchlaß unter Verwendung einer Extrusions-Presse mit einem Behälter zur Aufnahme eines Rohlings aus extrudierbarem Material; mit einer das eine Ende des Behälters verschließenden Düse; mit einem in das andere Ende des Behälters bewegbarem Stempel zum Herauspressen des extrudierbaren Materials des Rohlings durch die Düse zur Erzeugung eines extrudierten Rohres, wobei die Düse eine Öffnung mit gewünschter Form zur Bildung der äußeren Form des · extrudierten Rohres aufweist; und

mit einem mit Hilfe des Stempels bewegbaren Dorn, der einen gewünschten Querschnitt und einen Bereich aufweist, der zur Bildung der inneren Form des extrudierten Rohres durch die Öffnung der Düse ragt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Einbringen eines rohrförmigen Rohlings aus extrudierbarem Material in den Behälter;

- Bewegen des Stempels in den Behälter und Hindurchführen des Dorns durch den rohrförmigen Rohling und die Düse; und

- Bewegen des Stempels weiter in den Behälter hinein zum Herauspressen des extrudierbaren Materials durch die Düse und zum Erzeugen eines extrudierten Rohres mit einem exzentrischen, längsverlaufenden Durchlaß.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung in der Düse exzentrisch bezüglich dem Behälter und dem Stempel angeordnet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn von dem Stempel getragen und gegenüber diesem zwischen einer ausgefahrenen und zurückgezogenen Stellung bewegt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine kreisförmige Düsenöffnung verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine nicht-kreisförmige Düsenöffnung verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine ovale Düsenöffnung verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein rohrförmiger Rohling mit gegenüber seiner Längsachse versetzter Bohrung eingesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dorn mit kreisförmigem Querschnitt verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dorn mit nicht-kreisförmigem Querschnitt verwendet wird.