DE3910192A1 - Verfahren zur herstellung von stahlflaschen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von stahlflaschenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stahlflaschen
gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.
Stahlflaschen zur Speicherung und Entnahme von Edel-, Spezialgasen oder
Gasgemischen werden nach verschiedenen Verfahren hergestellt, wobei die
Unterschiede in der Art des Ausgangsproduktes und der anschließenden
Umformtechnik liegen. Eines der bekannten Herstellverfahren besteht
darin, daß ausgehend von einem warmgefertigten Rohr durch Ablängen
einzelne Rohrabschnitte erzeugt und diese über eine Warmumformung in
beiden Endbereichen zu einem geschlossenen Behälter umgeformt und nach
der Wärmebehandlung der Halsbereich zur Aufnahme eines Ventils
bearbeitet wird und die fertige Flasche einer Endabnahmeprüfung,
bestehend aus einer Gewichts- und Volumenbestimmung, einer Wasserdruck-
und Gasdichtheitsprüfung unterzogen wird. Nach dem Strahlen wird die
fertige Flasche innen und außen visuell geprüft und anschließend die
Außenoberfläche beschichtet.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß die Ungenauigkeiten, die vom
Ausgangsprodukt des warmgefertigten Rohres herrühren, d. h. große
Wanddickentoleranzen, Einseitigkeit und eine rauhe Oberfläche während
der Herstellung der Flasche nur unwesentlich verändert werden und damit
das Aussehen und die Einsatzmöglichkeit der Flasche maßgeblich
bestimmen. Zwar werden durch das vor der Warmumformung durchgeführte
Strahlen des Rohrabschnittes die Spitzen der rauhen Oberfläche etwas
eingeebnet, aber die vom Warmprozeß herrührende Struktur bleibt trotzdem
erhalten.
Zur Lösung dieses Problems ist bereits vorgeschlagen worden, statt eines
warmgefertigten Rohres ein kaltgefertigtes Rohr als Ausgangsprodukt
einzusetzen, das eine entsprechend glatte Oberfläche und geringere
Toleranzen für die Wanddicke und Einseitigkeit mit sich bringt. Durch
das sehr viel teuere Ausgangsmaterial wird die Flasche aber so
verteuert, daß dieser Vorschlag aus Kostengründen für eine
Serienfertigung nicht geeignet, sondern nur für die Herstellung
einzelner für Sonderzwecke bestimmte Flaschen tragbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, für eine wirtschaftliche Serienfertigung
von Stahlflaschen mit einem breiten Anwendungsgebiet geeignete
Arbeitsstufen auszuwählen und so aufeinander abzustimmen, daß bei
optimalem Fertigungsfluß eine gewichtsoptimierte Flasche mit
hervorragender Oberfläche im zylindrischen Bereich entsteht.
Die Aufgabe löst das Herstellungsverfahren nach dem Hauptanspruch. Nicht
ein einzelnes Merkmal löst die wirtschaftliche und technische Aufgabe in
erfinderischer Weise, sondern nur die Kombination bewirkt dies. Dabei
ist zu berücksichtigen, daß es um die wirtschaftliche Fertigung eines
Massenproduktes geht und nicht um die Herstellung bestimmter einzelner
Flaschen bzw. Behälter für Sonderzwecke.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Kombination von speziell ausgesuchten
Verfahrensschritten und deren Verknüpfung miteinander ist darin zu
sehen, daß das Ausgangsprodukt weiterhin ein preiswertes warmgefertigtes
Rohr ist. Es ist vergleichsweise sogar noch kostengünstiger, da es in
der Wand dicker hergestellt werden kann, was den üblichen
Herstellverfahren für nahtlose Rohre entgegenkommt. Es ist bekannt, daß
mit kleiner werdendem S/D-Verhältnis die nahtlose Rohrherstellung
schwieriger wird und die erforderlichen Zuschläge zur sicheren
Einhaltung der geforderten Mindestwanddicke größer werden. In gleicher
Weise wird auch die Einseitigkeit größer, wobei das wiederum den
erforderlichen Zuschlagsfaktor für die Wand erhöht und die Umformung des
Rohrabschnittes zum geschlossenen Behälter erschwert.
Diese Problematik wird durch die in dem erfindungsgemäßen
Verfahrensablauf eingeschobene Kaltumformung des zylindrischen Teiles
beseitigt. Da die Toleranzen für eine kaltgefertigte Rohrhülse geringer
sind, kann im Hinblick auf eine Optimierung des Gewichtes mit der
Wanddicke bis nahe an den Auslegungswert, d.h. die Mindestwanddicke,
herangegangen werden, ohne Gefahr zu laufen, diesen Mindestwert zu
unterschreiten. In gleicher Weise werden auch die Rundheit und
Einseitigkeit verbessert, was nicht nur für die genaue Einhaltung des
geforderten Inhaltes, sondern auch für eine Gewichtsoptimierung
förderlich ist. Ferner wird durch diese Maßnahme die Volumentoleranz
deutlich verbessert.
Ein weiterer Vorteil des Einsatzes eines in der Wanddicke stärkeren
Rohrabschnittes ist darin zu sehen, daß der Grad der Anstauchung für den
Boden abgesenkt werden kann, da mehr Material für die Bodenbildung zur
Verfügung steht, als ausgehend von einer vergleichsweise dünneren Wand.
Diese geringere Materialverdrängung kann für eine Optimierung der
Bodenbildung genutzt werden.
Um nicht nur den zylindrischen Teil hinsichtlich seiner Abmessung und
Oberfläche optimal zu gestalten wird weiterbildend vorgeschlagen, das
Bodenzentrum nach der Anformung der endgültigen Bodenkontur mechanisch
zu bearbeiten. Damit die beim Schließen des Bodens unvermeidbaren
Oxydteilchen möglichst aus dem Zentrum des Bodens entfernt werden, wird
vorgeschlagen, diesen Bereich bei der Bodenanformung nach innen quasi
herauszuquetschen und die dadurch sich bildende Stauchnase anschließend
mechanisch zu entfernen. Nach dieser Bearbeitung ist das Bodenzentrum
glatt und geht nahezu konturlos in den umgehenden Bodenbereich über.
Für die Kaltumformung des zylindrischen Teiles bieten sich verschiedene
Verfahren, wie zum Beispiel Ziehen, Stoßen, Drückwalzen oder ein
kombiniertes Ziehen mit Fließpressen an. Im Hinblick auf Kosten,
Taktzeiten und Aufwand der Vorbehandlung hat sich das Stoßen als
vorteilhaft herausgestellt. Es wird deshalb vorgeschlagen, die Innen-
und Außenoberfläche vor dem Stoßen zu strahlen und anschließend mit
einem Schmiermittel zu versehen. Im Hinblick auf Tragfähigkeit und
Temperaturbelastung haben sich zwar Chlorparafine als Schmiermittel
bestens bewährt, die Entfernung der Schmiermittelreste ist aber sehr
aufwendig und erfordert eine Vielzahl von Tauchbädern. Die Wartung und
Entsorgung dieser Bäder ist außerdem im Hinblick auf die zunehmenden
Auflagen für den Umweltschutz ein nicht zu vernachlässigender
Kostenfaktor. Aus diesem Grunde wird eine wasserlösliche Emulsion als
Schmiermittel verwendet, die leicht und unproblematisch entfernt werden
kann und keine besonderen Entsorgungsaufwendungen erfordert. Der Grad
der Kaltumformung hängt von den maßlichen Gegebenheiten und dem späteren
Einsatzgebiet der Flasche ab und liegt zwischen 5 bis über 40 Prozent.
Die untere Grenze ergibt sich aus der notwendigen Mindestumformung, um
den Effekt der Wandreduzierung und Oberflächenglättung zu erreichen,
während die Obergrenze in erster Linie ein Werkzeug- und
Schmiermittelproblem ist und oberhalb eines bestimmten Wertes an die
Grenze der möglichen Kaltumformung des verwendeten Werkstoffes ohne
zusätzliche Zwischenglühung stößt.
Nach dem Stoßen muß die Hülse vom verwendeten Innenwerkzeug gelöst
werden. Dies kann in einfacher Weise durch einen nach dem Ring
angeordneten geteilten Abstreifer geschehen. Eine andere Verfahrensweise
besteht darin, einen in der Längsachse aufgebohrten Dorn zu verwenden
und die Hülse hydraulisch vom Dorn zu lösen. Das hat den Vorteil, daß,
wenn auch geringfügig, Anstauchungen beim mechanischen Abstreifen der
Hülse im Bereich des offenen Endes vermieden werden und damit
Dornbeschädigungen ausgeschlossen sind. Das ausgefranste Ende der
Rohrhülse muß unabhängig vom Löseverfahren abgetrennt werden, wobei die
Hülse gleichzeitig ihre genaue Ausgangslänge für den letzten
Warmumformungsschritt einhält. Damit kann die Länge der fertigen Flasche
in einem sehr engen Toleranzbereich gehalten werden, so daß die
nachfolgenden Bearbeitungsstationen fest für eine vorgegebene Länge
eingestellt werden können. Das Ablängen kann mechanisch, durch
Plasmabrennen oder durch einen Laserstrahl erfolgen. Das letztgenannte
Verfahren hat den Vorteil, daß die Schnittbreite sehr gering ist und
kein Sägegrat entfernt werden muß. Außerdem ist die Taktzeit
entsprechend kürzer im Vergleich zu einem mechanischen Trennverfahren.
Die weiteren Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens unterscheiden
sich nur unwesentlich vom üblichen Standardverfahren, so zum Beispiel,
daß die Überprüfung der Einhaltung der Mindestwanddicke mittels einer
US-Prüfung auf die fertige Flasche nach der Wärmebehandlung verlegt wird
und diese Prüfung als quasi Multifunktion mit einer Härteprüfung zur
Überwachung der geforderten Festigkeit und einer Prüfung auf längs- und
querliegende Fehler gekoppelt wird. Die mechanische Bearbeitung des
Halsbereiches und die nachfolgenden Endprüfungen bis hin zur
Beschichtung der Außenoberfläche werden gemäß dem bereits bekannten
Standardverfahren durchgeführt.
Nachfolgend wird anhand eines konkretes Beispieles das erfindungsgemäße
Herstellverfahren näher erläutert.
Ausgehend von einem warmfertigen Rohr mit der Nennabmessung 219,1 mm
äußerer Durchmesser und einer Mittelwand von 7,5 mm soll beispielhaft
eine 20 Liter Stahlflasche mit den Maßen 204 mm äußerer Durchmesser
und mit einer Mindestwanddicke im zylindrischen Bereich von 5,2 mm und
einer Länge von 805 mm nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt
werden. Das Ausgangsmaterial wird abgelängt, so daß ein zylindrischer
Rohrabschnitt mit einer Länge von 790 mm entsteht. Ohne jede weitere
Vorbehandlung wird ein Ende dieses Rohrabschnittes auf einer Länge von
ca. 200-250 mm induktiv erwärmt und dann in eine Spinningmaschine
eingelegt. In dieser Maschine wird, wie bereits beschrieben, das
erwärmte offene Ende unter Zuführung von Wärme mittels eines Gasstrahles
unter Bildung eines Bodens verschlossen. Bei der Weitergabe zur nächsten
Bearbeitungsstation kühlt sich das geschlossene Ende so stark ab, daß
eine induktive Nacherwärmung erforderlich ist, um die endgültige Kontur
des Bodens, z. B. ein Konkavboden mittels eines Stempels und einer
Matrize anzuformen. Bei dieser Anformung wird auf der Innenseite im
Bodenzentrum gezielt Material herausgequetscht, so daß eine Stauchnase
entsteht. Die Entfernung dieser Stauchnase und die mechanische
Bearbeitung der Innenseite des Bodens erfolgt über einen nach innen
geführten Stirnfräser, dessen Kontur der gewünschten Bodenform angepaßt
ist. Die so bearbeitete Rohrhülse hat dann eine Länge von 690 mm. Als
Vorbehandlung für die nun folgende einstufige Kaltumformung wird die
einseitig geschlossene Rohrhülse innen und außen gestrahlt mit einer
Oberflächenqualität von SA 2 1/2. Das für die Kaltumformung verwendete
Schmiermittel wird entweder vorher durch Pinseln oder Sprühen
aufgetragen oder kurz vor Beginn des Prozesses mit dazugegeben. Das
Schmiermittel kann ein Öl, ein schmierfähiges Fett oder eine Emulsion
sein. Als Kaltumformung wird in diesem Beispiel ein Abstreckziehen
gewählt, bei dem der Dorn einen entsprechend der Bodenform ausgewählten
Kopf aufweist. Dieser Dorn wird in die Hülse eingeschoben und zusammen
mit der Hülse durch einen Ring gestoßen. Die Abmessungen der Werkzeuge
werden so gewählt, daß sich eine Mindestumformung von 5% ergibt und die
vorher berechnete erforderliche Streckung erreicht wird.
In diesem konkreten Beispiel wird die Rohrhülse im Durchmesser auf
204 mm und die Wanddicke auf 5,6 mm reduziert. Die Länge erhöht sich
infolge der Streckung von 690 auf 897 mm. Für dieses gewählte Beispiel
ergibt sich somit ein mittlerer Umformungsgrad von 30%. Nach der
Kaltumformung wird die Rohrhülse vom Dorn gelöst, entweder mechanisch
durch einen Abstreifer oder hydraulisch mit einem eine durchgehende
Zentralbohrung aufweisenden Dorn. Die Besäumung, d. h. die Ablängung des
ausgefransten offenen Endes erfolgt z. B. durch Sägen, so daß sich eine
Länge von 835 mm ergibt. Danach wird die Rohrhülse gereinigt, um die
noch verbliebenen Schmiermittelreste zu entfernen. Das offene Ende der
Rohrhülse wird vergleichbar wie beim Boden induktiv erwärmt und durch
eine Spinningmaschine unter Anformung eines Halses verschlossen. Nach
diesem Prozeß liegt eine Flasche mit 204 mm Außendurchmesser und 5,2 mm
Mindestwand im zylindrischen Bereich und einer Länge von 805 mm vor.
Die nachfolgenden Schritte, wie Wärmebehandlung, mechanische Bearbeitung
des Halsbereiches und die komplette Endprüfung unterscheiden sich nicht
von dem üblichen Standardverfahren, so daß hier auf eingehende
Erläuterung verzichtet werden kann.
Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Flasche weist
eine Innenoberfläche auf, die für eine nachgeschaltete Konditionierung,
z.B. Elektropolieren, sehr gut geeignet ist. Damit ist eine
Oberflächenqualität für den größten Teil des Innenbereiches erzielbar,
die auch den höhergestellten Anforderungen für empfindliche Prüfgase
gerecht wird.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von Stahlflaschen zur Speicherung und
Entnahme von Edel-, Spezialgasen oder Gasgemischen aus nahtlosen,
durch Ablängen von warmgefertigten Rohren gewonnenen
Rohrabschnitten, die über Warmumformung zu einem geschlossenen
Behälter umgeformt und nach der Wärmebehandlung im Halsbereich
mechanisch bearbeitet werden,
gekennzeichnet durch
die Kombination folgender Verfahrensschritte:
a) Erwärmung eines Endes des Rohrabschnittes, der unter Drehung um seine Achse und mittels eines schwenkbaren Werkzeuges unter Zufuhr von Wärme am Ende rundgeformt und unter Bildung eines eine dickere Wand als der übrige Rohrabschnitt aufweisenden Bodens verschlossen wird;
b) Nacherwärmung des Bodenbereiches und Anformung der endgültigen Kontur des Bodens durch Zusammenwirken eines Innen- und Außenwerkzeuges, wobei das innen liegende Bodenzentrum eine über den umgebenden Bodenbereich hervorstehende Materialanstauchung (Stauchnase) aufweist;
c) Mechanische Bearbeitung des Bodenzentrums durch ein drehendes nach innen eingeführtes Werkzeug;
d) Vorbehandlung der Oberfläche;
e) Reduzierung der Wanddicke und des Außendurchmessers des zylindrischen Teiles mittels einer einstufigen Kaltumformung und eines zusammenwirkenden Innen- und Außenwerkzeuges;
f) Lösen der einseitig geschlossenen Rohrhülse vom Innenwerkzeug;
g) Ablängen auf Genaulänge;
h) Erwärmung des offenen Endes der Rohrhülse, die unter Drehung um ihre Achse und mittels eines schwenkbaren Werkzeuges unter Zufuhr von Wärme und unter Bildung eines Halses verschlossen wird;
i) Wärmebehandlung des geschlossenen Druckbehälters;
j) Strahlen der Außenoberfläche;
k) Überprüfung der Einhaltung der Festigkeit und der Wanddicke und Kontrolle des Behälters auf oberflächennahe, sowie tiefergehende längs- und querliegende Fehler;
l) Mechanische Bearbeitung des Halsbereiches und Aufschrumpfen eines Halsringes.
a) Erwärmung eines Endes des Rohrabschnittes, der unter Drehung um seine Achse und mittels eines schwenkbaren Werkzeuges unter Zufuhr von Wärme am Ende rundgeformt und unter Bildung eines eine dickere Wand als der übrige Rohrabschnitt aufweisenden Bodens verschlossen wird;
b) Nacherwärmung des Bodenbereiches und Anformung der endgültigen Kontur des Bodens durch Zusammenwirken eines Innen- und Außenwerkzeuges, wobei das innen liegende Bodenzentrum eine über den umgebenden Bodenbereich hervorstehende Materialanstauchung (Stauchnase) aufweist;
c) Mechanische Bearbeitung des Bodenzentrums durch ein drehendes nach innen eingeführtes Werkzeug;
d) Vorbehandlung der Oberfläche;
e) Reduzierung der Wanddicke und des Außendurchmessers des zylindrischen Teiles mittels einer einstufigen Kaltumformung und eines zusammenwirkenden Innen- und Außenwerkzeuges;
f) Lösen der einseitig geschlossenen Rohrhülse vom Innenwerkzeug;
g) Ablängen auf Genaulänge;
h) Erwärmung des offenen Endes der Rohrhülse, die unter Drehung um ihre Achse und mittels eines schwenkbaren Werkzeuges unter Zufuhr von Wärme und unter Bildung eines Halses verschlossen wird;
i) Wärmebehandlung des geschlossenen Druckbehälters;
j) Strahlen der Außenoberfläche;
k) Überprüfung der Einhaltung der Festigkeit und der Wanddicke und Kontrolle des Behälters auf oberflächennahe, sowie tiefergehende längs- und querliegende Fehler;
l) Mechanische Bearbeitung des Halsbereiches und Aufschrumpfen eines Halsringes.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Bodenzentrum mittels eines eine Kontur aufweisenden Fräsers
spanend bearbeitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorbehandlung der Oberfläche aus einem Strahlen der Innen-
und Außenoberfläche besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kaltumformung ein Stoßen ist, bei dem ein Dorn mit einem
entsprechend der Bodenform geformten Dornkopf in die einseitig
geschlossene Rohrhülse eingeschoben und zusammen durch einen Ring
gedrückt werden oder der Ring über die Hülse geschoben wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Schmiermittel eine wasserlösliche Emulsion verwendet wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die kaltumgeformte Rohrhülse hydraulisch vom Innenwerkzeug
gelöst wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Ablängen der Rohrhülse mittels eines Laserstrahles erfolgt.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8330 | Complete renunciation |