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Gebiet der Erfindung
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Metallrohre
mit durch die Wand verlaufenden Schlitzen werden für gewöhnlich verwendet,
um Bohrlöcher
in porösen
Erdmaterialien auszukleiden, um ein Eindringen fester Teilchen zu
verhindern und gleichzeitig Fluidfluß durch die Rohrwand zu gestatten.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren, mit dem die Kanten
solcher Schlitze so geformt werden, daß die Schlitzbreite wesentlich
reduziert und vorzugsweise die Form des durch die Wand verlaufenden
Strömungskanals
gebildet wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Technische
Fortschritte beim gerichteten Bohren in der Ölindustrie haben es ermöglicht,
daß Bohrlöcher mit
langen horizontalen Abschnitten, die mit dem Reservoir bzw. der
Lagerstätte
in Kontakt stehen, ausgebaut werden können. Solche langen horizontalen
Bohrlöcher,
die oft mehr als 1.000 m lang sind, erlauben es, daß Fluide
in einen viel größeren Abschnitt
bzw. Teil des Reservoirs eingespritzt oder daraus gefördert werden
können,
als es mit einem vertikalen Bohrloch möglich wäre, und mit einer entsprechend
größeren Gewinnung
von Erdöl
aus einem einzigen Bohrloch. Die Gewinnung größerer Mengen von Erdöl aus solchen
Bohrlöchern
stellt eine mehr als ausreichende Rechtfertigung für die gesteigerten
Kosten des Bohrens und des Ausbaus des horizontalen Bohrlochabschnitts
dar. Zusätzlich erfordern
horizontale Bohrlöcher
weniger Bohrlochköpfe,
um dieselben Reserven auszubeuten, und sie bringen eine geringere
Beeinträchtigung
der Oberfläche
mit sich, was der Umwelt einen zusätzlichen Nutzen einbringt.
Diese Gründe
liefern eine starke Motivation dafür sicherzustellen, daß technisch
und wirtschaftlich realisierbare Produkte verfügbar sind, um diese Bohrlöcher auszubauen.
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Bei
solchen Reservoirs wird der horizontale Abschnitt oft mit geschlitzten
Stahlrohren (bezeichnet als geschlitzte Rohre) ausgebaut, die ein
Verschließen
bzw. Verstopfen des Loches durch Einstürzen verhindern und als Abschirmung
oder Filter wirken, die das Strömen
von eingespritzten oder geförderten Fluiden
durch die Rohrwand hindurch erlauben, während das Hindurchtreten von
Feststoffen verhindert wird. Die vorliegende Erfindung wurde als
ein Mittel konzipiert, um sowohl die technische als auch die kommerzielle
Realisierbarkeit von geschlitzten Rohren, die insbesondere dann
benötigt
werden, wenn das Reservoirmaterial aus dünnen, feinkörnigen Materialien besteht,
zu verbessern.
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Damit
das geschlitzte Rohr in Reservoirs mit feinkörnigem Inhalt in wirksamer
Weise als Filter und strukturelles Stützteil wirken kann und damit
es ausreichend robust ist, um Belastungen bei der Handhabung während der
Installation bzw. des Einbaus standzuhalten, wirken bei der Ausgestaltung
des geschlitzten Rohres drei in gewisser Weise miteinander konkurrierende
Bedürfnisse
als Antrieb. Um einen angemessenen Ausschluß von festen Teilchen sicherzustellen,
muß die
Schlitzbreite in der Größenordnung
kleinerer Sandkörner
liegen. Dies trifft im allgemeinen selbst dann zu, wenn Fluide eingespritzt werden,
da die effektive radiale Belastung bzw. der Druck im Sand dazu neigt,
Sandkörner
in das Bohrloch zu drücken,
obwohl das Fluid ausströmt.
Für Reservoirs,
die aus sehr feinkörnigem
Material bestehen, können
Schlitze mit einer Breite von weniger als 0,15 mm erforderlich sein.
Kleine Schlitzbreiten neigen jedoch tendenziell zu einer Steigerung
des Strömungsverlusts,
so daß pro
Einheit an kontaktierten Reservoirbereichen eine größere Anzahl
von Schlitzen notwendig ist, um die Durchlaufkapazität aufrechtzuerhalten,
wobei die größere Anzahl
von Schlitzen ohne einen ungebührlichen
Verlust an strukturellem Leistungsvermögen bereitgestellt werden muß. In der
Industrie sind auch Vorteile für
Produktionsanwendungen bekannt, bei denen der Schlitz die Form eines "Trapezsteins" hat, d.h. der durch
die Rohrwand verlaufende Strömungskanal vom äußeren Eintrittspunkt
zum inneren Austrittspunkt hin divergiert. Diese Geometrie reduziert
die Tendenz, daß sich
Sandkörner
in dem Schlitz festsetzen oder diesen verschließen, was zu einer Verstopfung
führt und
den Durchfluß behindert.
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Wie
von Hruschak in dem US-Patent Nr. 6,112,570 ausgeführt, lassen
sich die Verfahren, die für
gewöhnlich
verwendet werden, um Schlitze durch die Wände von Stahlrohren zu schneiden,
die eine Wanddicke haben, die groß genug ist, um eine(n) angemessene(n)
strukturelle(n) Halt bzw. Unterstützung in horizontalen Bohrlöchern bereitzustellen, nicht
einfach auf Breiten von weniger als 0,4 mm anwenden. Hruschak führt dann
des weiteren ein Verfahren aus, bei dem diese Beschränkung überwunden
wird, indem eine oder beide Außenkanten
eines longitudinalen Schlitzes, der in der Wand eines Stahlrohrs
plaziert ist, so verformt oder geformt werden, daß die Breite
des Schlitzes entlang seiner äußeren Öffnung verengt
bzw. schmaler gemacht wird. Dieses Verfahren basiert darauf, daß, vorzugsweise
mittels einer Rolle bzw. Walze, Druck entlang zumindest einer der
longitudinalen Kanten aufgebracht wird, wobei ein solcher Druck
ausreichend ist, um eine lokale plastische Verformung des Metalls
zu bewirken und so den Schlitz dauerhaft auf eine gewünschte Breite zu
verengen. Wie von Hruschak und anderen, die ähnliche Verfahren anwenden,
z.B. wie Steps in der
US 1,207,808 ,
erkannt wurde, hat dieses Verfahren des Formens der äußeren longitudinalen
Kanten eines Schlitzes den zusätzlichen
Vorteil, daß ein Schlitz
in Form eines "Schlußsteins" erzeugt wird, wobei
die Form des durch die Wand verlaufenden Kanals von der Außenkante
zur Innenkante des Schlitzes hin divergiert. Vorgänge, die
solche Verfahren verwenden, um die Schlitzbreite zu verringern bzw.
zu verengen, indem Druck auf eine oder entlang einer Schlitzkante
aufgebracht wird, um diese plastisch nach innen zu verformen, werden
als Falzen bzw. Überwalzen
bezeichnet.
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Für einen
Fachmann auf dem Gebiet versteht es sich, daß Verfahren zum Reduzieren
der Schlitzbreite durch Aufbringen von Druck entlang oder parallel
zu der Kante eines Schlitzes, wie es von Steps oder Hruschak beschrieben
wurde, für
die Stelle, auf die Druck aufgebracht wird, heikel sind. Insbesondere
hängt das
Ausmaß,
in dem die Schlitzbreite verringert wird, stark von dem Abstand
zwischen zwei parallelen Linien ab, von denen eine mit dem Zentrum
bzw. Mittelpunkt des Schlitzes und die zweite mit dem longitudinalen
Kraftmittelpunkt des entlang der Länge des Schlitzes aufgebrachten
Drucks zusammenfällt.
Die Ausrichtungstoleranz kann daher als der Abstandsbereich zwischen
diesen beiden Linien definiert werden, der zulässig ist, um die erforderliche
Toleranz in der endgültigen
Schlitzbreite einzuhalten. Die erforderliche Toleranz bei der Schlitzbreite
liegt typischerweise in der Größenordnung
von +/– 0,02
mm. Mit einem geeigneten Falz- bzw. Überwalzwerkzeug können die
entsprechenden Ausrichtungserfordernisse in der Größenordnung
von +/– 0,1 mm
liegen.
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Solche
Verfahren erfordern daher eine relativ präzise Ausrichtung der Lastaufbringungsmittel,
wie z.B. einer Formrolle, bezüglich
der Position longitudinaler Schlitze in Umfangsrichtung. Um dieses
Verfahren bei einem maschinellen Vorgang zu implementieren, der
in der Lage ist, eine große
Anzahl von Löchern
auf der vollen Länge
von Rohren zu bilden, ist daher ein hohes Maß an Raffinesse erforderlich, um
die Positionierung des Werkzeugs bzw. der Werkzeuge, die erforderlich
ist, um die jeweiligen Schneide- und Überwalzarbeiten auszuführen, wenn
sie nacheinander in einer einzigen Maschine ausgeführt werden,
zu koordinieren. Noch mehr Raffinesse ist erforderlich, wenn der
Schneidevorgang unabhängig vom Überwalzvorgang
erfolgt. Die mit solchen Maschinen verbundenen Kapitalkosten machen
es schwierig, bei Rohren voller Länge wirtschaftlich realisierbare
Produktionsraten zu erzielen, insbesondere, wenn der Vorgang der
Schlitzanbringung unabhängig
von dem Überwalzen
erfolgt.
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Es
ist jedoch besonders attraktiv, die Vorgänge des Schneidens und des Überwalzens
zu trennen, da dies erlaubt, daß ein Überwalzen
auf Rohren vorgenommen werden kann, in die von verschiedenen unabhängigen Herstellern
Schlitze eingebracht wurden, was die Wirtschaftlichkeit der Lieferung
verbessert. In diesem Fall muß das
Positionieren der longitudinalen Überwalzwerkzeuge in Umfangsrichtung einem
gewissen Grad an Zufälligkeit
bei der Verteilung von Schlitzen in Umfangsrichtung, die von typischen
Lieferanten von geschlitzten Rohren erhalten werden, der die zulässige Ausrichtungstoleranz
signifikant überschreitet,
Rechnung tragen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Bestimmte
und bevorzugte Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in den
begleitenden unabhängigen
und abhängigen
Ansprüchen
ausgeführt.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung liefert ein Verfahren zum Verengen der Breite zwischen
den äußeren Kanten
von longitudinalen Schlitzen, die durch die Wand von Metallrohren
hindurch plaziert sind, welches sich leicht Variationen in der Anordnungsposition
von Schlitzen in Längs-
oder in Umfangsrichtung anpaßt
und für
eine Implementierung in einem maschinellen Vorgang geeignet ist.
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Das
Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liefert zumindest ein starres, konturiertes
Formwerkzeug mit Mitteln zum Aufbringen einer größtenteils radialen Belastung bzw.
Last, um es mit der inneren oder äußeren zylindrischen Oberfläche eines
geschlitzten Metallrohrteils, der kontaktierten Oberfläche, in
Kontakt zu drücken.
Die so auf einer Stelle auf der kontaktierten Oberfläche aufgebrachte
radiale Belastung erzeugt eine räumlich
begrenzte Zone von konzentrierter Belastung in dem Rohrmaterial,
wo dieses kontaktiert wird, wobei diese Belastung ausreichend groß ist, um eine
signifikante Zone mit plastischer Verformung entstehen zu lassen,
wenn die Kontaktstelle in der Nähe
der Kante eines Schlitzes liegt. Es werden auch Mittel bereitge stellt,
um gleichzeitig das Formwerkzeug oder die Formwerkzeuge entlang
von Bahnen, die ein Abtastmuster auf der Oberfläche des Rohrs darstellen, bezüglich des
Rohrs zu verschieben. Das Abtastmuster ist so ausgestaltet, daß die ausgedehnte
Zone mit plastischer Verformung, die erzeugt wird, wenn das Formwerkzeug
jeden Punkt auf der Bahn passiert, einen Bereich abdeckt, der ausreichend
ist, um die Kanten aller zu bildenden Schlitze abzudecken. Das Verfahren
besteht somit darin, sicherzustellen, daß die Bahnen, auf denen das
Formwerkzeug oder die Formwerkzeuge bei der Ausführung des Abtastmusters verschoben
bzw. geschoben werden, die Kanten der Schlitze an einer ausreichenden Anzahl
von Stellen und mit einer ausreichenden Häufigkeit überfahren, während gleichzeitig
eine ausreichende Kontaktkraft aufrechterhalten wird, um die Kanten
jeglicher Schlitze, die entlang ihrer gesamten Länge überquert bzw. überfahren
wurden, plastisch zu verformen. Die plastische Verformung oder Formung,
die so an den Kanten der Schlitze verursacht wird, neigt dazu, die
Breite zwischen gegenüberliegenden
Kanten des Schlitzes entlang dessen Öffnung in der kontaktierten
Oberfläche
des geschlitzten Metallrohrs zu verringern. Anders ausgedrückt erfordert
das Verfahren, daß der
durch die ausgedehnte Zone der räumlich
begrenzten plastischen Formung abgedeckte Bereich, wenn ein oder
mehrere starre, konturierte Formwerkzeuge dazu gebracht werden, sich über die
innere oder äußere Oberfläche des
geschlitzten Metallrohrteils zu bewegen, ausreichend ist, um die
Kanten aller Schlitze, die durch plastische Verformung verengt werden
sollen, mehr als vollständig
abzudecken. Der abgetastete Bereich muß nicht über die gesamte Oberfläche des
geschlitzten Metallrohrs hinweg kontinuierlich sein, aber er muß den Einflußbereich
von Bahnen, die für
jeden verengten Schlitz an zumindest zwei separaten Stellen vorliegen,
beinhalten.
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In
einer Ausführungsform
wird das Verfahren eingesetzt, um die äußeren Kanten von größtenteils longitudinal
ausgerichteten Schlitzen in der Wand von Rohren, die für eine Verwendung
als Rohre in Bohrlöchern
geeignet sind, zu formen.
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In
einer Ausführungsform
umfaßt
das Verfahren die Bereitstellung solcher geschlitzter Rohre, wobei
die Schlitze
- • sich durch die Rohrwand erstrecken
und eine Fluidkommunikation bereitstellen, wenn sie in Gebrauch
sind,
- • in
Längsrichtung
verlaufende periphere bzw. äußere Kanten
haben,
- • vorzugsweise
ungefähr
die gleiche Länge
haben,
- • üblicherweise
parallele Wände
haben,
- • vorzugsweise
in Reihen von in Umfangsrichtung in etwa gleichmäßig verteilten Schlitzen angeordnet
sind, wobei die Reihen durch kurze, nicht geschlitzte Intervalle
bzw. Bereiche oder Ringe voneinander getrennt sind, was in effektiver
Weise eine Struktur bildet, bei der das Material zwischen den Schlitzen
als kurze Holme dient, welche die durch die nicht geschlitzten Bereiche
geformten Ringe verbinden, und
- • wobei
Gruppen von einer oder mehreren Reihen von Schlitzen als geschlitzter
Bereich bezeichnet werden.
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In
einer Ausführungsform
umfaßt
das Verfahren weiterhin das Bereitstellen zumindest eines konturierten,
starren Formwerkzeugs, vorzugsweise in Form einer Rolle. In einer
Ausführungsform
umfaßt das
Verfahren weiterhin das Aufbringen von Druck auf einen lokalen Bereich
auf der äußeren Oberfläche des
Rohrs durch das starre, konturierte Formwerkzeug oder die Formwerkzeuge,
beginnend an einem Ende eines geschlitzten Bereichs. In einer Ausführungsform
umfaßt
das Verfahren weiterhin das Ausführen
eines Abtastmusters durch Bewegen des Formwerkzeugs oder der Werkzeuge
bezüglich
des Rohrs, um es oder sie dazu zu bringen, die Oberfläche des
Rohrs auf einer Strecke zu überfahren,
die ausreichend ist, um zumindest den geschlitzten Bereich abzudecken.
Die Form des konturierten Formwerkzeugs, die radiale Belastung,
mit der das Formwerkzeug auf die Rohroberfläche gedrückt wird, die Steigung der
spiralförmigen
Bahn und die Häufigkeit, mit
der der Vorgang wiederholt wird, sind jeweils so eingestellt, daß die Kanten
der Schlitze entlang ihrer Länge
verformt werden, was ausreichend ist, um jeden Schlitz kontinuierlich
zu der gewünschten
Breite zu verengen.
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Für einen
Fachmann auf dem Gebiet versteht es sich, daß das hier eingesetzte spiralförmige Abtastmuster
leicht in der Lage ist, die Kanten aller Schlitze zu "finden" und so zu bewirken,
daß sie
kontinuierlich entlang ihrer Länge
verformt werden und daß solche
spiralförmigen
Muster für
gewöhnlich
in Bearbeitungsvorgängen
bei der Herstellung, wie z.B. beim Drehen oder Gewindeschneiden,
verwendet werden. Diese Ausführungsform
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist somit einfach zu maschinisieren,
sie findet leicht die Kanten der zu formenden Schlitze und kann
bei Oberflächengeschwindigkeiten ausgeführt werden,
die hoch genug sind, um leicht hohen Anforderungen an die Produktionsrate
gerecht zu werden. Im Vergleich zum Stand der Technik genießt sie daher
die Vorteile einer vereinfachten Maschinisierung und somit reduzierter
Kapitalkosten und einer höheren
Produktionsrate und ist gegenüber
einer Variabilität
der Position von Schlitzen in Umfangsrichtung nicht empfindlich.
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Wie
Hruschak erkannt hat, divergiert die Form der durch die Wand verlaufenden
Kanäle,
die durch einen solchen äußeren Formungsprozeß erzeugt
werden, in Bezug auf den Fluidstrom von der Außenseite zur Innenseite des
Rohres hin. Diese "Schlußstein"- bzw. Trapezstein-Form
bringt den Vorteil einer verringerten Verstopfungsneigung unter Einström- oder
Förderbedingungen
mit sich. Wenn das Rohr jedoch in einer Einspritzanwendung verwendet
wird, erfolgt der Fluidfluß von
innen nach außen,
und die Kanalform konvergiert in Bezug auf die Richtung des Fluidflusses.
Wo das eingespritzte Fluid teilchenförmige Feststoffe enthält, die
aus Quellen, wie dem Ausgangsmaterial, Mahlgut und Korrosionsprodukten
aus Steigrohrleitungen oder chemischen Bestandteilen, eingebracht
werden, neigt diese konvergierende Kanalform somit dazu, eine Verstopfung zu
fördern,
und wird daher für
Einspritzanwendungen zu einem Nachteil.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liefert ein Verfahren zum Verengen der
Breite von größtenteils
in Längsrichtung
bzw. longitudinal ausgerichteten Schlitzen in der Wand von Metallrohren,
die für
eine Verwendung als Rohre in Bohrlöchern geeignet sind, entlang
deren Innenkanten. Um diesen Zweck zu erfüllen, wird das Verfahren der
vorliegenden Erfindung unter Befolgung von Schritten ausgeführt, die
zu denen identisch sind, die für
das Formen der äußeren Kanten longitudinaler
Schlitze beschrieben wurden, mit der Ausnahme, daß das starre
Formwerkzeug oder die Werkzeuge so ausgestaltet sind, daß sie Druck
auf die inneren Oberflächen
des geschlitzten Rohrs ausüben.
Dies führt
dazu, daß die
zu verengende Schlitzbreite entlang ihrer Innenkanten einen Strömungskanal
in der Form eines umgekehrten Trapezsteins bildet, was eine für Einspritzanwendungen
wünschenswerte
Form ist.
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Die
Geometrie der im allgemeinen trapezsteinförmigen Kanalform, die durch
Formen der Kanten der Schlitze gebildet wird, kann weiterhin im
Hinblick auf die Geschwindigkeit, mit der die Schlitzbreite mit
der Tiefe von den kontaktierten Oberflächenkanten zunimmt, d.h. ihre
Divergenzrate, gekennzeichnet sein. Es versteht sich im allgemeinen, daß von Schlitzen
mit einer geringeren Divergenzrate erwartet werden kann, daß sie leichter
verstopfen als Schlitze mit einer größeren Divergenzrate, und zwar aus
demselben Grund, nämlich
daß die
Trapezstein-Form gegenüber
Schlitzen mit parallelen Wänden
bevorzugt ist. Wenn die Divergenzrate jedoch sehr groß ist, müssen die
geformten Kanten weniger Material aufweisen, das diese stützt bzw.
hält, und
sie sind daher für
einen Materialverlust durch Erosion oder Korrosion empfänglicher.
Bei Anwendungen, in denen dieser Materialverlust zu einer signifikanten Vergrößerung der
Breite führt,
wird die Fähigkeit, eine
Abschirmung gegen die gewünschte
Teilchengröße bereitzustellen,
in Frage gestellt.
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Es
ist daher vorteilhaft, wenn das Verfahren zum Formen der Schlitzkanten
die Fähigkeit
besitzt, nicht nur die Schlitzbreite zu schmälern, sondern auch die Divergenzrate
so zu steuern, daß sie
in optimalerer Weise den Bedarf variierender Anwendungen deckt.
Die Verfahren zum Aufbringen von Druck entlang der Kanten eines
longitudinalen Schlitzes, der in einem rohrförmigen Werkstück plaziert
ist, um die Schlitzbreite zu schmälern, wie es von Hruschak gelehrt
wird, ermöglichen
zum Teil eine solche Steuerung, unterliegen jedoch, insbesondere
wenn sie maschinisiert werden, signifikanten Beschränkungen.
Diese Beschränkungen
sind zu verstehen, wenn man berücksichtigt,
wie die schräge
Form der Formwerkzeugoberfläche,
die in Kontakt mit dem Rohr steht, die Divergenzrate der Schlitze
beeinflußt.
Diese Form kann allgemein im Hinblick auf die quer verlaufende Krümmung des
Formwerkzeugs beschrieben werden, die im Bereich zwischen konvex
und konkav liegen kann, und wird typischerweise in Form einer konturierten
Rolle bereitgestellt. Hruschak zeigt mehrere Nachteile des Formens
von Schlitzkanten mit Rollen mit einem konvexen Krümmungsradius auf,
der viel kleiner als der Radius des Rohrs ist und der dazu gedacht
ist, den Schlitz in der von Steps gelehrten Weise zu "überbrücken". Daher liegt der praktischere Bereich
der Rollenkrümmung
im Bereich von leicht konkav über
flach zu konvex. Es ist offensichtlich, daß innerhalb dieses Bereichs
eine flache oder konvexe Rollenform, wenn sie mit dem Schlitz ausgerichtet
und so belastet wird, daß sie
zu einer plastischen Verformung führt, die ausreichend ist, um
den Schlitz zu einer gewünschten
Breite zu verschmälern,
dazu neigt, Material über
eine größere Länge auf
jeder Seite des Schlitzes bis zu einer entsprechend größeren Tiefe
hin plastisch zu verformen, was zu einer geringeren Divergenzrate
führt,
als man sie unter Verwendung einer konvexeren Rolle erhalten würde. Obwohl
dieses Verhältnis
im Stand der Technik bekannt ist, ist es auch offensichtlich, daß bei Verwendung
hochgradig konvexer Rollen eine größere Präzision bei der Ausrichtung
erforderlich ist, um eine konsistente Steuerung der Schlitzbreite
zu erzielen. Wie jedoch bereits angemerkt wurde, ist es schwierig,
eine präzise
Ausrichtung der Formrollen in Umfangsrichtung mit jedem Schlitz
in einem kostengünstigen
maschinisierten Vorgang zu erzielen.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Verringern der
Breite von Schlitzen in der Wand von Metallrohren durch Formen der
Schlitzkanten und zum zusätzlichen Steuern
der Divergenzrate der Schlitze oder der Tiefe, bis zu der der Schlitz
verengt wird, bereit, wodurch mehrere der Vorteile, die Formungsverfahren
im Stand der Technik genießen,
die auf der Aufbringung von Druck entlang der Schlitzkante basieren,
beibehalten werden, während
gleichzeitig gewisse Nachteile überwunden
werden. Dieser Zweck wird beim Ausführen des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung durch Manipulieren der Form des Formwerkzeugs entsprechend
den nachfolgenden Einsichten realisiert. Ohne beschränkende feinere
Unterscheidungen in der Geometrie kann die Form des Formwerkzeugs
in seinem Kontaktbereich mit dem Werkstück im allgemeinen im Hinblick
auf seine Krümmung
in Längs-
und Querrichtung charakterisiert werden, wobei diese Richtungen
sich in Bezug auf die zylindrischen Koordinaten des rohrförmigen Werkstücks verstehen.
Das Ausmaß der
Krümmung ist
als die Inverse des Krümmungsradius
zu verstehen und für
konvexe Formen des Formwerkzeugs als positiv, für flache oder gerade Formen
als Null und daher für
konkave Formen als negativ zu betrachten. Um eine größere Divergenzrate
zu erhalten, wird die Krümmung
des Formwerkzeugs entweder in Längs- oder
in Querrichtung oder in beiden Richtungen reduziert. Umgekehrt wird
die Krümmung,
um eine geringere Divergenzrate zu erhalten, entweder in Quer- oder
in Längsrichtung
oder in beiden Richtungen vergrößert. Diese
Krümmungen
sind so beschränkt,
daß die
Krümmung
in Längsrichtung
nicht bedeutend kleiner als Null sein muß. Die Krümmung in Querrichtung muß nicht
kleiner sein als die Querkrümmung
des Rohrs an der kontaktierten Oberfläche. Das Vorzeichen der Querkrümmung des
Rohres wird in Bezug auf die Formwerkzeugreferenz berücksichtigt;
der Wert der Querkrümmung
der äußeren Oberfläche ist somit
negativ und der Wert der inneren Oberfläche ist positiv.
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Wenn
somit das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um
die Kanten longitudinal ausgerichteter Schlitze zu formen, und wenn
es gewünscht
ist, Schlitze mit einer hohen Divergenzrate zu erhalten, indem die
Krümmung
des Formwerkzeugs in Querrichtung vergrößert wird, wird die Schwierigkeit
der Ausrichtung, wie sie bei Verfahren des Standes der Technik,
die auf Formung durch Aufbringen von Druck entlang der Schlitzkanten
basieren, üblich
ist, ausgeräumt.
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Während geschlitzte
Rohre für
Bohrlöcher
im allgemeinen mit in Längsrichtung
ausgerichteten Schlitzen versehen sind, können für den Ausbau von Bohrlöchern oder
auch für
andere Anwendungsformen, wie Filter, die für verschiedene Fluidreinigungszwecke
verwendet werden, auch andere größtenteils longitudinale
Ausrichtungen von Schlitzen wünschenswert
sein. Verfahren im Stand der Technik, wie von Hruschak beschrieben,
sind auf in Längsrichtung ausgerichtete
Schlitze beschränkt.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung liefern ein Verfahren zum Verringern
bzw. Verengen der Breite von Schlitzen in der Wand von Rohren, wobei
diese Schlitze relativ zu der Achse des Rohres größtenteils
in Längsrichtung
ausgerichtet sind, wobei solche geschlitzten Rohre für die Verwendung
zur Abschirmung in Bohrlöchern
oder in anderen ähnlichen
Filteranwendungen geeignet sind. Dieser Zweck wird realisiert, weil
das Abtastmuster, das bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
eingesetzt wird, sicherstellt, daß ohne Rücksicht auf ihre Ausrichtung
alle Schlitzkanten überfahren
werden. Das Abtastmuster kann so angepaßt werden, daß es die
Effizienz des Formungsvorgangs verbessert, jedoch ist ein im allgemeinen
spiralförmiges
Muster bevorzugt.
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Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
einen Rohrbereich eines typischen geschlitzten Rohres mit in Umfangsrichtung verteilten
longitudinalen Schlitzen in Reihen.
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2 veranschaulicht
die in dem in 1 gezeigten geschlitzten Rohr
enthaltenen Schlitze, die durch ein konturiertes Formwerkzeug erzeugt
werden.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung, die drei einander radial
gegenüberliegende
Formungsrollen trägt,
wobei dieser Aufbau zusammengenommen einen Formkopf bildet.
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4 zeigt
eine Maschinenarchitektur, die einen sich drehenden Formkopf einsetzt.
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5 zeigt
Parameter von Rollengeometrien.
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6 ist
eine Draufsicht auf einen in Querrichtung überrollten bzw. überfahrenen
longitudinalen Schlitz, die die räumliche Ausdehnung des Bereichs bzw.
der Zone der plastischen Verformung zeigt.
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7 ist
eine Querschnittsansicht der Schlitzform nach dem Formen durch Überfahren
in Querrichtung.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird ein Metallrohr 1, das Werkstück, mit
einer äußeren Oberfläche 2 und
einer inneren Oberfläche 3 und
einem oder mehreren longitudinalen Schlitzen 4, von denen
jeder äußere longitudinale
periphere Kanten 5 und 6 hat, wie es in 1 gezeigt
ist, bereitgestellt. Um die Breite zwischen den äußeren peripheren Kanten 5 und 6 der Schlitze 4 zu
reduzieren, wird ein konturiertes, starres Formwerkzeug, in der
bevorzugten Ausführungsform
ausgestaltet als eine Formrolle 7, bereitgestellt und mit
der äußeren Oberfläche 2 des
Metallrohrs 1 in Kontakt gedrückt, um räumlich begrenzten Druck aufzubringen,
während
es entlang einer spiralförmigen
Bahn 8 größtenteils
quer zu dem Rohr bewegt wird, wie es in 2 gezeigt
ist. Durch die konturierte Formrolle 7 muß ausreichend
Druck aufgebracht werden, um die peripheren Kanten 5 und 6 der
Schlitze 4 plastisch zu verformen, wenn die Rolle der spiralförmigen Bahn 8 folgend
die Schlitze 4 überfährt. Die
Neigung 9 und die Gesamtlänge der spiralförmigen Bahn 8 werden
so angepaßt,
daß sichergestellt wird,
daß die
räumlich
begrenzten Zonen der plastischen Verformung, die verursacht werden,
wenn die Rolle sequentiell einen bestimmten Schlitz überfährt, in
Intervallen bzw. Abschnitten erfolgen, die nahe genug beieinander
liegen, um in wirksamer Weise den Schlitz entlang seiner gesamten
Länge kontinuierlich zu
verformen.
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2 veranschaulicht
den Formungsprozeß in
einer Zwischenstufe, bei der die Schlitzbreite an den peripheren
Kanten 5 und 6 der Schlitze, die bereits durch
die der spiralförmigen
Bahn 8 folgende Formrolle 7 überfahren wurden, geschmälert wurde. Der
Ort des in 2 gezeigten Abschnitts A-A wurde so
ausgewählt,
daß er
den Kontrast in der Schlitzbreite zwischen dem longitudinalen Bereich
der bereits überfahrenen
Schlitze und der verbleibenden, noch zu überfahrenden Länge des
Schlitzes zeigt.
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In
Anbetracht der Lehren des vorliegenden Verfahrens versteht es sich
für einen
Fachmann auf dem Gebiet, daß es
für ein
bestimmtes Werkstück
ein Verhältnis
zwischen der Reduzierung der Schlitzbreite und den folgenden gibt:
- • der
radialen Kraft, die auf die Formrolle aufgebracht wird,
- • der
Form der Formrolle,
- • der
Steigung der spiralförmigen
Formbahn,
- • der
Häufigkeit,
mit der das Überfahren
mit der Rolle wiederholt wird, und
- • in
beschränktem
Umfang der Geschwindigkeit, mit der die Rolle relativ zu der Rohroberfläche bewegt
wird.
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Die
Art und Weise, in der diese Variablen wechselwirken, um das Ausmaß der Formung
zu steuern, ist hochgradig interaktiv und läßt sich am besten empirisch
bestimmen, kann jedoch allgemein wie folgt verstanden werden:
- • Je
größer die
verfügbare
Kraft, desto größer ist das
Ausmaß der
möglichen
plastischen Verformung.
- • Für eine bestimmte
verfügbare
Kraft steuert die Form der Formrolle im allgemeinen die Größe und die
longitudinale Ausdehnung, über
die hinweg die Reduzierung der Schlitzbreite bei einem einzigen Überfahren
eines Schlitzes durch die Rolle erfolgt. Eine Manipulation der Rollenform
ist im allgemeinen so beschränkt,
daß eine
Vergrößerung der
longitudinalen Ausdehnung der Formung nur auf Kosten der Reduzierung
der Schlitzbreite erzielt werden kann und umgekehrt.
- • Die
Steigung der spiralförmigen
Formbahn muß mit
der axialen Ausdehnung, über
die die Reduzierung der Schlitzbreite bei einem einzigen Überfahren
eines Schlitzes durch die Rolle erfolgt, koordiniert werden, um
sicherzustellen, daß die
Reduzierung der Schlitzbreite über
die gesamte longitudinale Ausdehnung des Schlitzes hinweg erfolgt.
- • Ein
wiederholtes Überfahren
derselben Stelle in einem Schlitz durch die Rolle mit derselben
Belastung neigt dazu, das Ausmaß der
Verformung um zunehmend kleinere Beträge zu steigern, wenn die Anzahl
von Überfahrungen
erhöht
wird.
- • Die
Geschwindigkeit darf keine unerwünschten dynamischen
Effekte mit sich bringen. Während erwartet
wird, daß für die meisten
Anwendungen mit konstanter Rollenbelastung
und spiralförmiger Steigung
eine zufriedenstellende Reduzierung der Schlitzbreite erzielt werden
kann, ist es offensichtlich, daß diese
beiden Steuerungsparameter während
des Formens variiert werden können, um
das Ausmaß der
Schlitzverengung über
spezifische axiale Bereiche entlang der Länge des Rohres hinweg zu vergrößern oder
zu verkleinern. Beispielsweise kann es notwendig sein, die Steigung
zu verringern, wenn die Formrolle die Endbereiche von Schlitzen überfährt, um
einen zufriedenstellenden Grad an Verengung zu erhalten.
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Für Produktionszwecke
ist es allgemein wünschenswert,
die maximale Steigung zu erhalten, da dies die Formungsgeschwindigkeit
für eine
bestimmte Rollengeschwindigkeit erhöht. Wie oben angemerkt wurde,
wird die Steigung durch die maximal zulässige radiale Kraft beschränkt, wobei
sie auch durch andere Faktoren beeinflußt werden kann.
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Die
maximale radiale Kraft, die auf die Formolle aufgebracht werden
kann, ist eine Funktion der Art und Weise, in der das geschlitzte
Rohr gehalten wird und somit wie die durch die Rolle aufgebrachte Kraft
umgesetzt wird. Es versteht sich, daß es zahlreiche Mittel zum
Halten des Werkstücks
und zum Umsetzen der durch eine Formrolle 7 aufgebrachten radialen
Kraft, einschließlich
dem Bereitstellen einer Stütze
auf der Innenseite des Rohrs, gibt. Es ist jedoch am besten, wenn
eine Vorrichtung, die primär auf
die äußere Oberfläche 2 wirkt,
das Werkstück
tragen bzw. halten kann und so angeordnet ist, daß sie die
radiale Kraft, die durch eine Formrolle mittels einer oder mehrerer
einander gegenüberliegender,
auf oder in der Nähe
derselben axialen Ebene wirkender Rollen auf das Werkstück aufgebracht
wird, umsetzt. Die Rollen müssen
in geeigneter Weise diese entgegengesetzten radialen Kräfte aufbringen,
wenn sie in einem gewöhnlichen
starren Rahmen montiert sind, ähnlich
wie bei einer "Lünette", wie sie für gewöhnlich verwendet
wird, um ein langes Werkstück
in einer Drehbank zu halten. Es ist offensichtlich, daß mehr als
eine dieser Rollen so angeordnet sein können, daß sie als Formrollen wirken,
wobei dann als eine Funktion der Drehung des Rohrs in Bezug auf
die Rollen verschachtelte spiralförmige Bahnen mit "mehreren Startpunkten" erzeugt werden können, was
für die
Produktionsrate mit Vorteilen verknüpft ist.
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Eine
solche Ausgestaltung, die sich als praktisch erwiesen hat, ist in 3 gezeigt.
Wie es dort gezeigt ist, sind die Achsen 10 der drei einander
radial gegenüberliegenden
Formrollen 7 an den Kolben 11 dreier hydraulischer
Betätiger 12 angebracht,
die jeweils in einem Abstand von etwa 120° um das Werkstück herum
positioniert und an dem Rahmen bzw. Gestell des Formkopfs 13 befestigt
sind. Eine Last wird durch Aufbringen von Fluiddruck 14 auf
die Formrollen 7 aufgebracht. Zusammen wird dieser Aufbau
als Formkopf 15 bezeichnet. Diese Konfiguration verringerte
die Tendenz des Werkstücks,
sich zu biegen, wesentlich und liefert eine Belastungskapazität in radialer
Richtung, die eine ausreichend große geformte Zone ohne permanente
Verzerrung der Querschnittsform des Werkstücks für typische geschlitzte rohrförmige Materialien
ermöglicht.
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Weiterhin
unter Berücksichtigung
der Art und Weise, wie das Werkstück gehalten wird, wird das Mittel,
durch das eine oder mehrere in einem Formkopfaufbau 15 getragene
Formrollen 7 dazu gebracht werden, sich in Bezug auf das
Werkstück
entlang einer spiralförmigen
Bahn 8 zu bewegen, auf verschiedene Weisen erzielt. Es
erwiesen sich jedoch zwei grundlegende Architekturen als die praktischsten. Erstens
kann das Werkstück
in Bezug auf die Erde gedreht werden und der Formkopf kann dazu
gebracht werden, sich in axialer Richtung synchron mit der Drehposition
zu bewegen, und zwar nach Art einer Drehbank, die für Gewindeschneide-
oder Drehvorgänge
verwendet wird. Zweitens kann der Formkopf in Bezug auf die Erde
gedreht werden und das Werkstück
kann dazu gebracht werden, sich ohne Drehung, synchron mit der Drehung
der Formrolle in axialer Richtung durch den Kopf zu bewegen.
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In
ihrer bevorzugten Ausführungsform
verwendet die vorliegende Erfindung die zweite dieser Architekturen
in einer Maschine, wie sie in 4 gezeigt
ist. Wie dort gezeigt ist, wird das Werkstück oder das geschlitzte Metallrohr 1 mittels
Führungsrollen 16 und
einer Antriebsrolle 17 in Bezug auf den Formkopf 15 positioniert.
Durch die hydraulischen Betätiger 18 aufgebrachte
Kraft stellt sicher, daß das Werkstück gehalten
wird, und die Antriebsrolle 17 entwickelt ausreichend Reibung,
um das Werkstück in
Bezug auf den Formkopf 15 in axialer Richtung zu verschieben,
während
der Formkopf sich dreht. Der Formkopf 15 ist auf Lagern 19 montiert,
die es erlauben, ihn mittels eines Riemenantriebs 20, angetrieben
durch den Motor 21, zu drehen. Die so bereitgestellte Kombination
aus axialen Bewegungen und Drehbewegungen führt dazu, daß die Formrollen 7 spiralförmigen Bahnen
entlang der äußeren Oberfläche des
Werkstücks
folgen, wobei die Steigung 9 dieser spiralförmigen Bahnen
durch Anpassen bzw. Einstellen der axialen Zuführrate in Bezug auf die Drehgeschwindigkeit
des Formkopfs gesteuert wird.
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Wie
oben erwähnt,
kann die Form des Formwerkzeugs oder vorzugsweise der Formrolle
in Kombination mit den anderen Prozeßsteuerungsvariablen Belastung,
Steigung und Häufigkeit
der Überfahrungen
durch die Rolle verwendet werden, um den Betrag, um den ein Schlitz
verengt wird, und die Tiefe, über
die hinweg die Verengung erfolgt, einzustellen. Die Mittel, durch
die die Rollenform diese Ergebnisse steuert, können allgemein im Hinblick
auf den Radius der Rolle (R) 22 und den Profilradius (c) 23 charakterisiert
werden, wie es in 5 gezeigt ist. Während die
Profilform verschiedene Formen annehmen kann, hat sich herausgestellt,
daß eine
einfache konvexe Form, wie in 5 gezeigt,
beim Formen longitudinaler Schlitze entlang einer größtenteils
quer verlaufenden spiralförmigen
Bahn eine zufriedenstellende Steuerung der Reduzierung der Schlitzbreite
liefert, wie es für
die bevorzugte Ausführungsform
erwartet wird.
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Um
zu verstehen, wie diese geometrischen Parameter in vorteilhafter
Weise manipuliert werden können,
ist die Form des Bereichs der Verformung zu berücksichtigen, der erzeugt wird,
wenn eine Rolle mit einer im allgemeinen leicht konvexen Profilform einer
größtenteils
quer verlaufenden Bahn folgend den Mittelpunkt eines Schlitzes überfährt. Wie
in 6 gezeigt ist, ist die Breite der räumlichen
Ausdehnung der plastischen Verformung 24 als eine Funktion
der Position entlang der Rollenbahn 25, die verursacht
wird, wenn die Rolle den Schlitz überfährt, in der Nähe des Schlitzes
am größten. Dies
ist der Fall, weil das belastete Material zumindest am Schlitz begrenzt
ist und eine effektive geformte Länge (z) 26 für ein einziges Überfahren
eines Schlitzes durch die Formrolle erzeugt. Entsprechend ist die
Tiefe der plastischen Verformung am Schlitz am größten, was eine
Verengung der Form des durch die Wand verlaufenden Kanals bis zur
Formtiefe (d) 27, wie in 7 gezeigt,
erzeugt. Es versteht sich, daß sich,
wenn die Steigung z übersteigt,
die räumliche
Ausdehnung der nachfolgenden Überfahrungen
durch die Rolle entlang der Schlitzkanten nicht ausreichend überlappt, um
in wirksamer Weise die Schlitze über
ihre gesamte Länge
hinweg kontinuierlich zu schmälern,
und der Schlitz wird als unterformt bzw. zu wenig geformt betrachtet.
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Im
Kontext der bevorzugten Ausführungsform
gibt es eine maximal zulässige
Rollenbelastung (F), die von der strukturellen Kapazität des Werkstücks bei
Belastung durch die Formrollen in dem Formkopf abhängig ist.
Weiterhin kann der Betrag, um den die Schlitzbreite zu verringern
ist (Δw),
als gegebener Wert behandelt werden, um die Auswahl des Formrollenradius
(R) 22 und des Profilradius (c) 23 zu verstehen.
Um die Produktionsrate zu maximieren, ist es bevorzugt, die erforderliche
Reduzierung der Schlitzbreite lediglich durch einmaliges Überfahren
der Oberfläche
des Werkstücks
zu erzeugen, wobei die Rollenbelastung bei dem oder in der Nähe des maximal
zulässigen
Wertes liegt. Unter diesen Annahmen gibt es dann für einen
bestimmten Rollenradius 22 einen minimalen Profilradius
(c), der als kritischer Radius bezeichnet wird, für den der
gewünschte
Wert Δw
für eine
einzige Überfahrung
des Schlitzes, wie in 6 gezeigt, mit einem entsprechenden
Wert der geformten Länge
z erhalten wird. Für
diese "optimalen" Bedingungen muß die Steigung
im wesentlichen z entsprechen, um eine Unter- oder Überformung
des Schlitzes zu vermeiden. Die Steigung (P) kann daher als abhängige Variable
behandelt werden. Ein solcher minimaler Profilradius wird auch optimiert,
um die Kanten vollständig
bis zu den Enden der Schlitze zu formen.
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Als
nächstes
wird die Auswirkung von Variationen in R unter der Annahme berücksichtigt,
daß c "optimal" ausgewählt ist,
wie soeben beschrieben. Es ist offensichtlich, daß, wenn
R verringert wird, der Umfang des Belastungsbereichs unter der Rolle
in der Richtung des Rollens reduziert wird (senkrecht zur Richtung
des Schlitzes), so daß c
vergrößert werden
muß, um
die Bedingung eines konstanten Δw aufrechtzuerhalten,
und z wird entsprechend größer. Da
die Steigung mit z zunimmt, steigt auch die Produktionsrate mit
abnehmendem R. Es versteht sich ebenfalls, daß die Formtiefe (d) 24 abnimmt,
wenn R aufgrund des reduzierten Ausmaßes der Belastungszone unter
der Rolle, senkrecht zur Richtung des Schlitzes, abnimmt. Dies liefert
ein Mittel, um die Form der geformten Kanten gleichzeitig mit der
Divergenzrate im Strömungskanal
zu steuern.
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Es
ist jedoch bevorzugt, wenn der Profilradius (c) etwas größer ist
als der kritische Wert, da dies eine größere Flexibilität bei der
Berücksichtigung
von Zufälligkeiten
in den zahlreichen Variablen, wie Materialeigenschaften, die die
Schlitzbreite beeinflussen, erlaubt. Die größere Flexibilität leitet
sich aus der Tatsache ab, daß,
wenn c größer als
der kritische Wert wird, die Steigung im Durchschnitt reduziert
werden muß,
um Δw konstant
zu halten. Wenn daher Variationen in Parametern, wie eine Abnahme
der Stärke, weniger
Formung erfordern, kann die Steigung vergrößert werden, um dies auszugleichen,
ohne eine Unterformung zu verursachen. Diese Fähigkeit, Variationen in der
Steigung zu verwenden, um eine Feinsteuerung der endgültigen Schlitzbreite
bereitzustellen, hat für
die Automatisierung des Vorgangs einen praktischen Nutzen. Insbesondere
wenn die Schlitzbreite direkt nach dem Formen der Schlitze gemessen
wird, können
Abweichungen von der gewünschten
Breite für
aufeinanderfolgende geformte Bereiche durch Einstellen entweder
der Belastung oder der Steigung, vorzugsweise jedoch der Steigung,
ausgeglichen werden. Diese Rückmeldungsaufgabe
kann unter Verwendung eines geeigneten Mittels zur Messung der Schlitzbreite
manuell oder automatisch erfolgen.
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In
ihrer bevorzugten Ausführungsform
werden daher die Rolle und die Profilradien so ausgewählt, daß sichergestellt
wird, daß eine
adäquate Empfindlichkeit
der Schlitzbreite gegenüber
der Steigung aufrechterhalten wird, um die Prozeßsteuerung zu erleichtern,
ohne die Fähigkeit
der Rolle, die Kanten der Schlitze in der Nähe ihrer Enden zu formen, in
Frage zu stellen.