DE3541890A1 - Verfahren zur herstellung von behaeltern mit kugelfoermigen waenden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Behältern mit kugelförmigen Wänden aus metallischen Werkstoffen, insbesondere von kugelförmigen Kohlkörpern aus hochfesten Metallegierungen, bei dem vorzugsweise mittels Verformung hergestellte Teilbereiche der Kugel­ oberfläche durch Schweißen zusammengefügt werden.

Es sind bereits Verfahren zur Herstellung derartiger Körper bekannt, bei denen entweder aus Vollmaterial oder durch Schmieden erzeugte Halbkugelschalen durch Zusammenschweißen im Äquatorbereich zu einer Hohlkugel ergänzt werden. Diese Verfahren sind aber insbesondere für die Herstellung größerer Hohlkörper, beispielsweise aus Titanlegierungen, problematisch, da sie entweder einen hohen Aufwand an Ausgangsmaterial und/oder einen erheblichen Fertigungsaufwand und teuere Fertigungs­ mittel erfordern.

Darüber hinaus ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem mittels Tiefziehen und Kalibrieren Segmente in Form von Kugelzweiecken ("Apfelsinenschalen") erzeugt werden, die dann durch Elektronenstrahlschweißen zu­ sammengefügt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Her­ stellung derartiger Hohlkörper anzugeben, das die Be­ arbeitung der einzelnen Ausgangs- und Zwischenprodukte auf verhältnismäßig einfachen Drehmaschinen ermöglicht und somit nur geringe Fertigungsmittelkosten verursacht. Daneben sollen durch die Erfindung der erforderliche Materialaufwand, die Bearbeitungskosten sowie die Ferti­ gungszeiten auf ein Minimum reduziert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zunächst eine Anzahl von wenigstens sechs gleichartigen, auf Fertigungsmaß vorverformten Kugelsegmenten in Form flacher Schalen hergestellt wird, die dann sukzessive zu größeren zusammenhängenden Teilbereichen der Kugel­ oberfläche verschweißt werden, die schließlich zu einer geschlossenen Oberfläche ergänzt werden, und daß jeweils vor dem Zusammenfügen einzelner Schalen bzw. von bereits aus mehreren Schalen gefertigten Teilkörpern, deren zusammenzufügende Randbereiche mittels einer rotationssymmetrischen Anordnung plangedreht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei den Vorteil auf, daß die Bearbeitung der einzelnen kugelförmigen Segmente auf einfachen Drehmaschinen, beispielsweise ohne Kopiereinrichtung bzw. NC-Steuerung, erfolgen kann. Dadurch, daß die so hergestellten Segmente suk­ zessive zu größeren Gebilden zusammengefügt und vor jedem Schweißvorgang die zusammenzufügenden Randbereiche plangedreht werden, wird die durch Schrumpfung während des Schweißens entstandene Formänderung immer wieder ausgeglichen und das Ausschußrisiko entscheidend ver­ ringert.

Die in vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Unteransprüchen beschriebene Herstellung eines Hohlkörpers mit kugelförmigen Begren­ zungsflächen aus insgesamt 14 schalenförmigen Segmenten hat darüber hinaus den Vorteil, daß es sich sowohl durch das in diesem Fall besonders einfache Fertigungs­ verfahren als auch durch den sehr niedrigen Anteil an durch Verschnitt entstehenden Abfall um eine besonders preisgünstige Methode zur Herstellung eines derartigen Hohlkörpers handelt. Dieses Verfahren stellt aber auch hinsichtlich des Verhältnisses der Größe der als Aus­ gangsprodukt herzustellenden Schalen zum fertigen End­ produkt sowie der erforderlichen Bearbeitungsgänge eine Optimierung des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung dar.

Im folgenden soll das erfindungsgemäß Verfahren anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiels näher erläutert werden. Dabei zeigen die Fig. 1 bis 7 verschiedene Stadien des Herstellungsprozesses, während Fig. 8 den nach diesen Verfahren hergestellten Hohlkörper in verschiedenen Ansichten zeigt. In den Figuren sind dabei gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist zunächst eine der vierzehn als Ausgangs­ produkt mittels in diesem Fall superplastischen Umformens aus einer hochfesten Titanlegierung herge­ stellten flachen Schalen 1 bis 14, die jeweils die form eines Kugelabschnitts aufweisen und die bereits auf Fertigmaß gebracht sind. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann das Sehnenmaß dieser Schalen dabei erheblich geringer sein als der Durchmesser der herzustellenden Kugel. So kann z.B. bei einem Kugeldurchmesser von 1,55 m das Sehnenmaß der Schalen 1 bis 14 weniger als 1,0 m betragen.

Die erste der Schalen 1 bis 14 wird, wie in Fig. 1 dargestellt, in eine rotationssymmetrische Drehvorrich­ tung 15 eingelegt, fixiert und durch Vakuum gespannt, die um eine vertikale Achse Z drehbar ausgebildet ist. Wie weiter in der Figur dargestellt, wird, nachdem die Schale 1 gespannt ist, mittels Plandrehen der über die Äquatorebene der in der Zeichnung bereits mit einge­ zeichneten herzustellenden Hohlkugel 16 hinausragende Randbereich 17 der Schale 1 entfernt.

Nachdem auf die gleiche Weise eine zweite Schale 2 vorbereitet worden ist, werden die beiden Schalen 1 und 2, wie in Fig. 2 dargestellt, so auf eine Schweiß­ vorrichtung aufgenommen, daß sich ihre plangedrehten Randbereiche berühren und diese werden mittels Elektronenstrahlschweißen zusammengefügt. Der einge­ zeichnete Pfeil gibt dabei die Richtung des Schweiß­ vorgangs an, wobei die gesamte Anordnung, wie ange­ deutet, um eine horizontale Achse X, gedreht wird.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie die auf diese Weise hergestellte Doppelschale 18 erneut in der Drehvor­ richtung 15 gespannt wird und nunmehr die beiden Randbereiche 19 und 20 mittels Plandrehen entfernt werden.

Fig. 4 zeigt, wie zwei derartige Doppelschalen 18 und 21 auf die Schweißvorrichtung aufgenommen und an ihren zuvor plangedrehten Randbereichen zu einer Vierfach­ schale zusammengeschweißt werden. Nachdem aus den Schalen 1 bis 8 auf die vorstehend beschriebene Weise zwei derartige Vierfachschalen hergestellt worden sind, werden diese jeweils in ihren Äquatorbereichen erneut plangedreht und anschließend zu einem aus insgesamt acht Schalen 1 bis 8 bestehenden Körper 22 zusammen­ geschweißt. Dieser wird, wie in Fig. 5 dargestellt, zusammen mit einer im Innern des Körpers befindlichen integrierten Schweißvorgang erneut in der Drehvorrich­ tung 15 gespannt, und es werden an den insgesamt sechs noch verbliebenen offenen Bereichen Bohrungen ausge­ stochen, deren Radius in etwa dem Sehnenmaß der Schalen 1 bis 14 entspricht. Der in die Zeichnung mit einge­ zeichnete Pfeil gibt dabei die Vorschubrichtung des Stechstahls an.

Fig. 6 zeigt, wie eine der noch verbleibenden Schalen 9 bis 14, deren Randbereich zuvor dem Maß der Bohrung 23 entsprechend abgedreht wurde, quasi als Polkappe auf den in einer Schweißvorrichtung 24 ausgerichteten Körper 22 aufgesetzt und in diesen eingeschweißt wird. Der Körper 22 ist dabei um eine vertikale Achse Z drehbar gehaltert.

Nachdem sämtliche sechs Polkappen 9 bis 14 auf diese Weise in den Körper 22 eingeschweißt wurden und dieser dadurch zu der angestrebten Hohlkugel 18 vervollständigt wurde, wird der fertiggeschweißte Behälter im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung erneut in die Drehvorrichtung 15 aufgenommen und im Äquatorbereich mittels eines Stechstahls in zwei Halbkugelschalen aufgetrennt. Nunmehr kann die integrierte Schweißvorrichtung aus dem Kugelinneren entnommen werden und die Kugel anschließend entweder erneute von außen verschweißt werden, oder aber es kann zur Herstellung eines zylinderförmigen Behälters mit halbkugelförmigen Stirnwänden ein Zwischenring aus dem gleiche Material eingeschweißt werden.

Fig. 8 schließlich zeigt den nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Behälter aus verschiedenen Perspektiven, wobei noch einmal die Einbaulage der einzelnen Ausgangsschalen 1 bis 14 bzw. die Lage der Schweißnähte verdeutlicht wird.

Angemerkt sein in diesem Zusammenhang noch, daß die vorstehend beschriebene Verwendung einer in das Kugel­ innere integrierten Schweißvorrichtung für die Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht unbedingt erforderlich ist, sich aber im Fall des hierbeschriebenen Ausführungsbeispiels als vorteilhaft erwiesen hat.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Behältern mit kugel­ förmigen Wänden aus metallischen Werkstoffen, insbe­ sondere von kugelförmigen Hohlkörpern aus hochfesten Metallegierungen, bei dem vorzugsweise mittels Verformung hergestellte Teilbereiche der Kugelober­ fläche durch Schweißen zusammengefügt werden, da­ durch gekennzeichnet, daß zunächst eine Anzahl von wenigstens sechs gleichartigen, auf Fertigmaß vorver­ formten Kugelsegmenten in Form flacher Schalen (1-14) hergestellt wird, die dann sukzessive zu größeren zusammenhängenden Teilbereichen (18, 21, 22) der Kugeloberfläche verschweißt werden, die schließlich zu einer geschlossenen Oberfläche ergänzt werden, und daß jeweils vor dem Zusammen­ fügen einzelner Schalen (1-14) bzw. von bereits aus mehreren Schalen gefertigten Teilkörpern (18, 21) deren zusammenzufügende Randbereiche (17, 19, 20) mittels einer rotationssymmetrischen Anordnung (15) plangedreht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vollständige Kugeloberfläche aus insgesamt 14 schalenförmigen Kugelabschnitten (1-14) zusammen­ gesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

• a) zunächst werden jeweils zwei Schalen (1, 2) gegenüberliegend in eine rotationssymmetrische Dreh­ vorrichtung (15) eingebracht und so gespannt, daß ihre Bearbeitungsposition ihrer späteren Lage in der Kugeloberfläche entspricht, und es werden ihre über den Äquatorbereich der Kugel hinausragenden Rand­ bereiche (17) plangedreht,
• b) die beiden Schalen (1, 2) werden an den plan­ gedrehten Flächen miteinander verschweißt,
• c) die so entstandene Doppelschale (18) wird erneut in die Drehvorrichtung (15) eingebracht und es werden wieder die den Äquatorbereich überragenden Randbereiche (19, 20) durch Plandrehen entfernt,
• d) je zwei so entstandene Doppelschalen (18, 21) werden an den plangedrehten Flächen zu einer Vier­ fachschale zusammengeschweißt,
• e) es werden die den Äquatorbereich überragenden Randbereiche jeder Vierfachschale entfernt,
• f) jeweils zwei Vierfachschalen werden an den plangedrehten Flächen zusammengeschweißt,
• g) an dem aus nunmehr acht Schalen (1-8) zusammen­ gesetzten Körper (22) werden die noch offenen Bereiche (23) zur Aufnahme der noch verbleibenden sechs Schalen (9-14) vergrößert,
• h) die restlichen Schalen (9-14) werden in den Körper (22) eingeschweißt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das Plandrehen im Verfahrensschritt g) jeweils entstehende Öffnungsdurchmesser größer als der Öffnungsdurchmesser der Schalen (9-14) gewählt ist und daß deren Randbereiche vor dem Zusammen­ schweißen ebenfalls plangedreht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Zusammenschweißen der einzelnen Kugelsegmente zumindest teilweise mittels einer in das Kugelinnere integrierten Schweißvorrichtung erfolgt und daß die nach dem Verfahrensschritt h) entstandene Kugel (16) in ihrem Äquatorbereich erneut getrennt wird und die Schweißvorrichtung entnommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5 zur Herstellung zylinder­ förmiger Hohlkörper mit halbkugelförmigen Stirnflächen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die so ent­ standenen Halbkugeln ein ringförmiger Mittelteil gleichen Durchmessers eingeschweißt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung von kugelförmigen Hohlkörpern aus Metallegierungen auf Titanbasis, dadurch gekennezeichnet, daß das Zusammenfügen der einzelnen Segmente mittels Elektronenstrahlschweißen erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen (1-14) durch super­ plastisches Umformen hergestellt werden.

9. Verfahren nach einem derAnsprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannen der Schalen (1-14) bzw. der Teilkörper (18, 21, 22) in der Drehvorrich­ tung (15) mittels Vakuum erfolgt.