DE3910192A1 - Verfahren zur herstellung von stahlflaschen - Google Patents

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.

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.