DE630523C - Verfahren zur Herstellung von Hohlkoerpern - Google Patents

Description

Hohlkörper, insbesondere Rohre mit großem Durchmesser und dünner Wand, werden vielfach aus Rohren mit kleinerem Durchmesser und größerer Wandstärke erzeugt, indem diese aufgeweitet werden, wobei entsprechend dem Wachsen des Durchmessers die Wandstärke geringer wird. Dieses Aufweiten erfolgt nach den bekannten Verfahren durch Hindurchzwängen eines konischen

ίο Domes mit entsprechendem Durchmesser durch das Rohr oder durch Verwendung von Rollenköpfen, die in ähnlicher Weise aufweitend wirken wie ein konischer Dorn.
Diese bekannten Verfahren weisen vor allem den Nachteil auf, daß sich die Länge des Vorwerkstückes beim Aufweiten erheblich verringert, so daß es nicht möglich ist, für das fertige Stück die gleiche Länge zu erreichen, mit der das Vorwerkstück in dem voraufgegangenen Arbeitsgang hergestellt werden konnte.

Weiter ist es bekannt, Hohlkörper durch Anwendung gleichmäßig verteilten Innendruckes unter Verwendung von Preßluft so weit zu beanspruchen, daß ein in demselben etwa vorhandenes, nur in einer Richtung ausgebildetes Gefüge umgewandelt wird, um hierdurch eine Verbesserung der Eigenschaften des Baustoffes des Hohlkörpers zu erzielen. Dazu ist es erforderlich, daß die Enden des Hohlkörpers entweder durch mit ihnen fest verbundene Böden oder durch festes Einpressen von Böden luftdicht verschlossen werden. In beiden Fällen ist der der Wirkung der Preßluft auszusetzende Hohlkörper an seinen Enden in seiner Bewegung behindert. Es wird nicht möglich sein, einen Körper von gleichmäßig zylindrischer Form zu erhalten. Daher sind bei dem bekannten \^erfahren Formen vorgesehen, gegen die der Hohlkörper durch die Preßluft gedrückt werden soll.

Ferner ist ein Verfahren beschrieben worden, bei dem Rohlinge für die Erzeugung nahtloser Rohre durch Schleuderguß hergestellt werden. Es wird also flüssiges Metall durch Zentrifugalkraft in eine Hohlform gebracht. Diese bekannten Schleuderverfahren bringen bekanntlich außerordentliche Schwierigkeiten mit sich. Dadurch, daß das flüssige Metall sich an den Formwänden abkühlt und infolgedessen zusammenschrumpft, die dünne Haut aber nicht' in der Lage ist, den Druck des Metalls und insbesondere den Zentrifugaldruck auszuhalten, treten Längsrisse auf. Außerdem wird das Metall durcheinandergewirbelt, so daß die an der Oberfläche entstandenen Oxydschichten in das Metallinnere gelangen. Diese bekannten Oxydschichten machen die Hohlkörper oft unbrauchbar.

Um die genannten Nachteile zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Vorwerkstück durch schnelles Drehen aufzuweiten. Durch die schnelle Drehung· wer-

den Fliehkräfte wirksam^ die die für die gewünschte - Verformungsarbeit erforderliche Beanspruchung in der Wand des Werkstückes erzeugen. / ." Bei der Anwendung dieses Herstelln Verfahrens auf Hohlkörper aus Metall, ^j besondere aus zähen Metallegierungen, wieL z. B. aus Stählen, müssen vielfach außerordentlich hohe Umfangsgeschwindigkeiten ίο für die Drehung gewählt werden, wenn der Baustoff; in der Wand des Vorwerkstückes so hoch beansprucht werden soll, daß die gewünschte Formänderung in Richtung größer werdenden Durchmessers und kleiner werdender Wandstärke erzielt wird. Diese hohen Umfangsgeschwindigkeiten machen es schwierig, die Aufweitung des Vorwerkstückes durch Umdrehung im praktischen Werkstattbetrieb zu beherrschen.- Die Notwendigkeit, hohe Umfangsgeschwindigkeiten anzuwenden, wird um so größer, je zäher der zu verarbeitende Baustoff ist. * Ganz unvorhergesehene und unbeherrschbare Ereignisse können jedoch eintreten, wenn bei .einem solchen Stück ein etwa vorhandener Werkstoffehler, mit dem man bei jeder Fabrikation rechnen muß, das Reißen des Werkstückes während der schnellen Umdrehung verursachen würde. Tritt ein Bruch des Werkstückes bei einer so hohen Umdrehungszahl ein, so müßte mit der Zerstörung der Schleudermaschine gerechnet werden. Die Gefahr wird um so kleiner, je geringer die gewählte Umdrehungszahl ist. Ist diese sehr klein, so lassen sich selbst für den Fall des Auftretens von Materialfehlern Vorkehrungen treffen, die die Bedienungsmannschaft und die Maschine schützen, selbst wenn das Werkstück zu Bruch gehen sollte. Um diese Schwierigkeiten zu beheben und die zur Erzeugung der für die gewünschte Verformungsarbeit erforderlichen Beanspruchung in der Wand des Werkstückes aufzuwendende Umfangsgeschwindigkeit herabzusetzen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Innenfläche des rohrartigen Vorwerkstückes zu beschweren.

Die Erfindung geht dabei von folgenden Gedanken. aus: Maßgebend für die Verformungsarbeiten, welche durch schnelle Umdrehung eines Hohlkörpers an diesem erzielt werden kann, ist die in seiner Wand durch die Fliehkräfte verursachte Beanspruchung, deren Größe bestimmt ist durch die Formel

σ = — · ν², worin σ die Spannung je Flächen- §"

einheit, γ das Einheitsgewicht des Werkstückes des umlaufenden Körpers, υ die Umfangsgeschwindigkeit je Sekunde und g die Beschleunigung durch die Schwere ist. Je größer γ ist, um so größer wird, bei festgesetzter Umfangsgeschwindigkeit v, die für die Verformungsarbeit maßgebende Spannung σ. Oder wenn σ so gewählt wird, wie es für den gewünschten Verformungsvorgang am zweckmäßigsten ist, so wird das Quadrat ;Jf erforderlichen Umfangsgeschwindigkeit ν ^kleiner, je größer γ ist.
ώ Um diese Beziehung auszunutzen, wird in dem neuen Verfahren das aufzuweitende Werkstück von der Innenseite her gleichmäßig beschwert, ohne daß der zur Beschwerung benutzte Stoff selbst tragend, d. h. spannungsvermindernd auf die Wand des Werkstückes wirken kann. Dann kann die für die gewünschte Verformungsarbeit erforderliche Umfangsgeschwindigkeit herabgesetzt werden, da die vorgenommene Beschwerung des umlaufenden Körpers von der Innenseite her einer Vermehrung des Einheitsgewichtes des Werkstoffes des Werk-Stückes gleichzusetzen ist. Die Beschwerung des umlaufenden Körpers von der Innenseite ausi im Sinne der Erfindung wird dadurch erzielt, daß der Hohlkörper vor Einleitung der Drehbewegung mit einem schweren Stoff ganz oder teilweise angefüllt wird, wobei die Art dieses Stoffes so ausgewählt werden muß, daß er sich unter der Wirkung der Umdrehung gleichmäßig als Innenmantel um die Innenfläche des Werkstückes herumlegt. Am geeignetsten ist hierfür ein Stoff, dessen Beschaffenheit möglichst nahe an' den pulverförmigen Zustand herankommt oder wenigstens kleinstückig ist. Wenn man z. B. einen Stahlzylinder im Sinne der Erfindung durch Umdrehung aufweiten will, so könnte man für die Innenbeschwerung Stahl- oder Eisenschrott in möglichst kleinen und möglichst runden Stücken wählen; es könnten aber auch möglichst zerkleinerte Stahl- oder Gußspäne, die beim Drehen, Fräsen oder Hobeln anfallen, oder auch kleine Stahlkugeln genommen werden. Die Umformung des Werkstückes vom kleineren auf größeren Durchmesser muß dann in der für Ausführung von Verformungsarbeiten an dem gewählten Baustoff bestgeeigneten Temperatur erfolgen.

Wenn zur Erzielung der gewünschten Verformung Erwärmung des Werkstückes notwendig ist, so kann es zweckmäßig sein, den zur Beschwerung von der Innenseite des Werkstückes her ausgewählten Stoff vor der Erwärmung des Werkstückes in dieses einzufüllen, um Wärmeverluste bei dem späteren Einfüllen zu vermeiden und um den mit dem Werkstück gemeinsam erwärmten Beschwerungsstoff als Wärmespeicher während der Verformungsarbeit zu benutzen.

Bei Herstellung von Hohlkörpern mit großem Durchmesser und kleiner Wand nach dem neuen Verfahren wird die Beschaffenheit der inneren und äußeren Oberfläche des Vor-

Werkstückes praktisch nicht verändert, lediglich ihre Flächengröße nimmt zu. Wenn also als Vorwerkstück Stücke benutzt werden, die im Radialwalzverfahren oder in einem anderen Walzverfahren hergestellt sind, das glatte Oberflächen innen und außen ergibt, so erhält das durch Aufweiten nach dem neuen Verfahren hergestellte Stück ebenfalls glatte Außen- und Innenflächen, so daß es für die ίο Mehrzahl der in Frage kommenden Verwendungszwecke, wie Kesselbau, Rohleitungsbau u. dgl., ohne weitere Bearbeitung benutzt werden kann.

Das neue Verfahren bietet noch einen weiteren wesentlichen Vorteil, wenn als Vorwerkstück ein geschmiedeter oder gezogener Hohlkörper benutzt wird. Die Oberfläche derartiger geschmiedeter oder gezogener Vorwerkstücke ist nicht glatt, weshalb geschmiedete oder gezogene Hohlkörper in der Regel durch Drehen oder Hobeln erst für den gewünschten Verwendungszweck brauchbar gemacht werden müssen. Dieses Drehen oder Hobeln wird bei Anwendung des neuen Veras fahrens im Sinne der Erfindung schon an dem Vorwerkstück vorgenommen, und es ergibt sich hieraus eine sehr erhebliche Ersparnis an Werkstoff. Soll z. B. ein Rohr hergestellt werden, welches bei 8000 mm Länge, auf der neutralen Faser der Wandstärke gemessen, 1200 mm . Durchmesser haben soll bei einer Wandstärke von 40 mm, und wird hierfür ein geschmiedetes oder gezogenes Vorwerkstück benutzt, welches bei Anwendung des neuen Verfahrens eine Länge von 8000 mm, einen auf der neutralen Faser der Wandstärke gemessenen Durchmesser von 800 mm und eine Wandstärke von 60 mm haben muß, so wird die Oberfläche dieses durch Schmieden oder Ziehen erzeugten Vorwerkstückes außen und innen durch Drehen geglättet, bevor es durch Drehung aufgeweitet wird. Es ist dazu erforderlich, daß außen und innen etwa 30 mm von der Ober-

4-5 fläche abgedreht werden müssen. Es ergibt sich hieraus, wenn Stahl als Werkstoff dient, ein Material verlust von rund g,y Tonnen. Wird die Fertigstellung des gewünschten Hohlkörpers jedoch ohne Anwendung des

neuen Verfahrens, allein durch Schmieden oder Ziehen mit nachfolgendem Drehen, vorgenommen, so müßten bei dem fertiggeschmiedeten oder -gezogenen Stück mit dem größe¹-ren Durchmesser außen und innen ebenfalls etwa 30 mm von der Oberfläche durch Drehen entfernt werden, was einen Materialverlust von rund 14,6 Tonnen ergeben würde.

Bei dem genannten Beispiel ergibt sich also durch Anwendung des neuen Verfahrens eine Verminderung des Materialverlustes, wie er bei der bisher bekannten Herstellung allein durch Schmieden oder Ziehen und Drehen unvermeidlich ist, von etwa 14,6 auf 9,7 Tonnen.

Beispielsweise sind einige Ausführungsformen des Erfindungsgedankens in den Abbildungen dargestellt. _

Abb. ι zeigt eine Ansicht mit teilweisem Querschnitt,

Abb. 2 den zur Abb. 1 gehörigen Längsschnitt.

Die Abb. 3 bis 5 zeigen abgeänderte Einzelheiten.

Mit A ist das zylindrische Werkstück bezeichnet, und zwar ist dasselbe in Abb. 1 und 2 als Vorwerkstück zu Beginn des Aufweitens durch ausgezogene Linien dargestellt, während in Abb. 1 durch strichpunktierte Linien noch angegeben ist, wie der fertige Hohlkörper nach Beendigung des Aufweitens aussieht. Mit B ist eine Materialschicht bezeichnet, die die Innenbeschwerung des Werkstückes bewirken soll, und zwar ist die Schicht in allen Fällen in der Lage gezeichnet, in die sie sich während der Drehung des Werkstückes gelegt hat. Mit C sind in allen Abbildungen abschließende Scheiben bezeichnet, durch die verhindert wird, daß der als Innenbeschwerung des Werkstückes benutzte Stoff B während der Umdrehung aus diesem austreten kann. Mit D ist eine Welle bezeichnet, welche die Scheiben C an den Kopfenden des Werkstuckes A festhält. Die Anlage der Scheiben C am Werkstück A muß so sein, daß die Enden des Werkstückes A sich unter Einwirkung der Fliehkräfte aufweitend bewegen können, ohne_ daß die Bewegung durch die Scheiben C behindert wird. Falls erforderlich, könnte man zwischen Welle D und Scheiben C federnde Teile einbauen, durch welche die Anlage zwischen diesen Teilen geregelt wird.

Mit E sind Fliehkörper bezeichnet, die auf der Welle D angeordnet sind; sie werden vor Beginn der Drehung durch Spreizvorrichtungen F, die auf der Welle D befestigt sind, so weit gespreizt, daß sie an der Innenseite des Vorwerkstückes anliegen und so die Welle D gegenüber dem Werkstück A einmitten. Je nach Größe der zu' verarbeitenden Werkstücke sind von diesen Fliehkörpern E jeweils zwei, vier oder mehr zu wählen, damit sie in der Lage sind, die Welle D mit den Scheiben C gegen das Werkstück A einzumitten. Wird unter der Einwirkung der Fliehkräfte der Durchmesser des Werkstückes A vergrößert, so folgen die Fliehkörper der Bewegung- der Wand des Werkstücks A und halten die Einmittung während des ganzen Aufweitens aufrecht.

Mit G sind Tragrollen bezeichnet, auf denen das Werkstück A ruht. Durch Zahn-

, räder H und / werden sie und damit das Werkstück^ "mit den Scheiben C in Umdrehung versetzt. K sind Unterstützungen der Tragrollen G. Um ein Wandern des Werkstückes mit den Scheiben C während des Aufweitens zu vermeiden, sind konische Rollen L vorgesehen. Die Art der Lagerung der Rollen L ist in der Zeichnung nicht dargestellt, da sie für die Durchführung des Verfahrens unwesentlich ist. Es' muß nur beachtet werden, daß durch die Rollen L ein Druck auf die Scheiben C in der in Abb. 2 angedeuteten Pfeilrichtung erfolgen kann, damit eine Verschiebung des Werkstückes in axialer Richtung unmöglich ist.

Außerdem sind Rollen M vorgesehen, die den Zweck haben, den Aufwertvorgäng zu begrenzen. Ist das Werkstück unter Einwirkung der Fliehkräfte auf den gewünschten Durchmesser umgeformt worden, so· wird seine weitere Bewegung durch die Rollen M verhindert. Die Rollen M können profiliert sein, z. B. parallel zu ihrer , Längsachse gewellt sein. Da sie nun das Aufweitemaß der Metallhohlkörper begrenzen, können sie gleichzeitig die Formgebung des Metallhohlkörpers bewirken.

Da die Beanspruchung in der Wand des AVerkstückes A mit größer werdendem Durchmesser steigt, so ist es zweckmäßig, die Umlaufgeschwindigkeit während des Aufweitens entsprechend der größer werdenden Spannung in der Wand des Werkstückes herabzumindern, oder es könnte auch vorgesehen werden. daß die Rollen M zum Teil oder alle schon bei Beginn der Drehung¹ des Werkstückes an diesem anliegen und daß sie mit Größerwerden desselben zurückgezogen werden, wodurch verhindert werden kann, daß eine Überbeanspruchung in der Wand des Werkstückes auftreten kann. Die Tragrollen G und auch die Begrenzungsrollen M sind in dem gezeichneten Beispiel als in der Länge unterteilt dargestellt. Sie könnten aber auch so vorgesehen werden, daß sie auf der ganzen Länge des Werkstückes mit diesem in Berührung' sind. Im gezeichneten Beispiel sind die Rollen M in einem zweiteiligen Gerüst N gelagert; es ist in Abb. 1 durch Pfeile angedeutet, daß die Teile dieses Gerüstes N zu dem Werkstück hinbewegt und von diesem abgezogen werden können, um Einlegen und Ausnehmen desselben leicht vornehmen zu können. Das Gerüst für die Rollen JV kann aber auch einteilig ausgeführt werden.

In Abb. 3 ist eine andere Art des Verschlusses des Werkstückes A durch die Scheiben C derart vorgesehen, daß das Werkstück A vor Beginn des Aufweitens des ganzen Stückes durch Drehung bereits an den Enden durch Aufdornen o. dgl. aufgeweitet ist, so daß es in eine entsprechende Aussparung der Scheiben C hineinpaßt. Diese Aussparung der Scheiben C entspricht dann dem Durchmesser, den das Werkstück nach Beendigung des Aufweitens haben soll.

Bei dieser Art des Abschlusses der Enden des Werkstückes A durch die Scheiben C wird eine besondere Einmittvorrichtung, wie sie in Abb. 1 und 2 dargestellt ist, überflüssig. Es ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die aufgeweiteten Enden des Werkstückes zu Beginn der Drehung stärker von der Innenseite her belastet sind als der übrige Teil des Werkstückes Aj wenn für die Innenbeschwerung ein kleinstückiger Stoff gewählt wird. Dazu kommt noch, daß schon durch den bei Beginn der Drehung vorhandenen größeren Durchmesser der Enden des Werkstückes diese im Anfang stärker beansprucht werden als der übrige Teil des Werkstückes. Um die erhöhte Beanspruchung der Enden des Werkstückes durcb die kleinstückige Innenbeschwerung zu vermeiden, ist in Abb. 4 und 5 vorgesehen, daß bei der Wahl der Durchführung des Verfahrens nach Abb. 3 nicht" ein kleinstückiger Stoff für die Innenbelastung gewählt wird, sondern eine Füllung aus langen Stäben 0 mit möglichst rundem Querschnitt, wie das in Abb. 4 und 5 dargestellt ist. In diesem go Falle ist das aufgeweitete Ende des Werkstückes bei Einleitung der Drehung durch die Innenbeschwerung nicht besonders beschwert, und die Beschwerung durch die Füllung B erfolgt erst, nachdem der Hauptteil des Werkstückes A bereits eine größere Aufweitung erfahren hat. Eine Innenbeschwerung des Werkstückes durch Rundstäbe kann natürlich auch bei Anwendung des Verfahrens gemäß Abb. 1 und 2 erfolgen.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern, insbesondere von Metallrohren mit großem Durchmesser und verhältnismäßig dünner Wandstärke, aus einem rohrartigen Vorwerkstück mit kleinerem Durchmesser und größerer Wandstärke, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorwerkstück (A), zweckmäßig in erhitztem Zustand, schnell gedreht und seine Innenfläche beschwert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschwerung der Innenfläche des Vorwerkstückes pulverförmiges oder kleinstückiges Gut (B),

z. B. Kugeln, oder runde Stäbe (0) von hohem spezifischem Gewicht dienen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Form und Begrenzung der Größe der Metallhohlkörper durch anliegende, gege-

* benenfalls profilierte Walzen (M) bewirkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Vorwerkstückes vor der Aufweitung des ganzen Stückes bereits in einem besonderen Arbeitsgang auf den gewünschten' Durchmesser aufgeweitet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl entsprechend größer werdendem Durchmesser und geringer werdender Wandstärke des Werkstückes vermindert wird.

6. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (D) auf dem Werkstück (A) eingemittet ist, wobei die Mittel (B) zum Einmitten dem Größerwerden des Innendurchmessers entsprechend ihren Außenumfang vergrößern, und daß das Werkstück (A) an "seinen beiden offenen Seiten durch auf der Welle eingemittete Scheiben (C) derart verschlossen ist, daß die dem Aufweiten des Werkstückes sonst entgegenwirkende Reibung zwischen Werkstück und Scheiben im wesentlichen fortfällt.

7. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzen (M) von Beginn des Arbeitsvorganges an mit dem Werkstück (A) in Berührung stehen und sich dem Größerwerden des Werkstückdurchmessers entsprechend verschieben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück gegen axiale Verschiebung beispielsweise durch Rollen (L) gesichert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen