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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf die plastische Metallverarbeitung und
insbesondere auf die Rohrwalzproduktion und kann auf das Kaltpilgern
eines Rohrs auf Walzmaschinen angewendet werden.
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Stand der
Technik
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Die
Realisierung eines effizienten Verformungsschemas für ein Walzverfahren,
das die Stabilität
von physikalisch-mechanischen Parametern und geometrischen Abmessungen
von gewalztem Material gewährleistet,
wird wesentlich durch die Fertigungsqualität der Arbeitsoberflächen von
Formungswerkzeugen, die Glätte
ihrer Arbeitsteilekonjugation und die Möglichkeiten der Maschinenausrüstung zum
Reproduzieren der tatsächlichen
Form der Arbeitsoberfläche,
die der Form der berechneten Kurve am stärksten angenähert ist,
definiert.
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Es
sind Pilgerwerkzeuge verfügbar,
die aus Walzrollen, wobei der Rücken
der Walzenkaliber in einer Parabel ausgeführt ist, und einem Dorn von
abnehmendem Querschnitt mit einer parabolischen Mantellinie bestehen,
wobei der Walzenkaliberrücken
einen Parabelfaktor aufweist, der eine Einheit höher als der Faktor der Mantellinienparabel
des Dorns ist (Erfinderzertifikat der UdSSR Nr. 534261, internationale
Klassifikation B 21 B 21/02, I. E. Nr. 41, 1976).
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Es
sind Pilgerwerkzeuge verfügbar,
die einen Kegeldorn und Pilgerwalzen mit einem Walzenkaliber enthalten,
das entlang der Entwicklungslänge den
Reduzierungsbereich, den Tiefziehbereich mit einem Neigungswinkel
seiner Mantellinie zu der Dornachse, der größer als der Neigungswinkel
der Dornmantellinie ist, den Vorbehandlungsbereich und den Kalibrierungsbereich
aufweist. Damit weist die Mantellinie des Vorbehandlungsbereichs
den Neigungswinkel zu den Dornachsen auf, der 0,5–0,9 des
Neigungswinkels der Dornmantellinie bildet, wobei die Länge des
Vorbereitungsbereichs 0,3–0,6
der Länge des Tiefziehbereichs
bildet (Erfinderzertifikat der UdSSR Nr. 822937, internationale
Klassifikation B 21 B 21/02, 1. B. Nr. 15, 1981).
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Es
sind Pilgerwerkzeuge für
Zirkaloy-Hüllrohre
verfügbar
(S. Reschke, A. Schaa und T. Grimmelsmann "VERBESSERUNG DES HERSTELLUNGSVERFAHRENS
FUR ZIRCALOY-HULLROHRE",
Metall, 1986, H, Nr. 4, S. 338–346),
die durch Folgendes gekennzeichnet sind:
- – der Anfang
des Ringwerkzeugs umfasst den Bereich schwacher Reduzierung;
- – die
maximale Verformung tritt in der ersten Entwicklungshälfte auf;
- – der
Kegelwinkel am Ende des Arbeitsabschnitts ist minimal (0,04 mm pro
10 Grad des Walzenballenumfangs).
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Wie
aus dem Text hervorgeht, ist es bei Verwendung dieser Werkzeuge
nicht vollständig
möglich,
die Bildung kleiner Rohrfehler zu vermeiden.
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Die
nahe liegende technische Entscheidung zu dem Behaupteten ist ein
Entwurf von Pilgerwerkzeugen, bei denen die Entwicklung der Kalibrierung des äußeren Werkzeugs
und des Profils des inneren Werkzeugs die Form einer stetig konkaven,
hauptsächlich
parabolischen Kurve längs
der ganzen Arbeitungslänge
aufweist.
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In
diesem Fall:
- – wird die stetige, hauptsächlich parabolische
Kurve des inneren Werkzeugs und die Entwicklung des äußeren Werkzeugs
durch ein und dieselbe mathematische Funktion beschrieben und besitzt völlig gleiche
Parabelzahlen:
- – Der
Kurveneingang in den Kalibrierungsabschnitt ist tangential fortgeführt und überlappt
die zylindrische und kegelförmige
Hauptform (BRD-Patent Nr. 1777043, 1971).
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Die
Geometrie der parabolischen Kurven der inneren und äußeren Werkzeuge
hängt nicht
von den physikalisch-mechanischen Eigenschaften eines gewalzten
Materials ab. Die stetig konkave Form der Entwicklung des inneren
und des äußeren Profils
der Werkzeuge entlang ihrer gesamten Arbeitslänge kompliziert die Bildung
kegelförmiger
Werkzeuge oder innerer Werkzeuge ande rer Form (Z. A. Koff, P. M.
Soloveytchik, V. A. Aljoshin, M. I. Grishpun "Tube Cold Pilgering", Metallurgizdat, Swerdlowsk, 1962; Glen
Stapleton "COLD
PILGER TECHNOLOGY", 1683
W. 216th Street, USA, 1996).
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
beanspruchte Erfindung löst
das Problem mit der Verbesserung der Genauigkeit der geometrischen
Abmessungen, der Oberflächenqualität und der
Stabilität
der mechanischen Eigenschaften und mit der Verringerung der Fehlerhaftigkeit
der Rohre.
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Die
vorliegende Aufgabe wird gelöst,
indem die besten Verformungsschemata der Rohrluppe durch Anwendung
eines Arbeitswerkzeugentwurfs erzeugt werden, der mit Bezug auf
physikalisch-mechanische Metalleigenschaften und Walzschemata der
Rohrluppe berechnet wird.
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Ein
technisches Ergebnis wird durch die Tatsache erreicht, dass im Gegensatz
zu dem bekannten Werkzeugentwurf, der in Form äußerer und innerer formbildender
Werkzeuge ausgeführt
ist, die längs
der Arbeitslänge
in Form parabolischer Kurven profiliert werden, die auf der Grundlage
mathematischer Berechnungen erzeugt werden, die Geometrie von Kurven
der Entwicklung des Profils eines äußeren Werkzeugs und des Profils
eines inneren Werkzeugs durch Hauptpunkte verschiedener Spline-Funktionen
erzeugt wird (I. N. Bronshtein, K. A. Semendjaev "Handbook in mathematics", Moskau, Nauka,
1986; Seite 504; K. De Bor "Spline
practical manual",
Moskau, Radio and Communication, 1985).
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Ein
technisches Ergebnis wird auch durch die Tatsache erreicht, dass
auf jeder Walzstufe der Entwurf jedes getrennten äußeren oder
inneren Werkzeugs in Form einer vereinigten Kurve ausgeführt wird.
Dies ermöglicht
ein Automatisieren des Herstellungsprozesses von Werkzeugprofilen
(um z. B. CNC zu verwenden).
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Die
bestehenden Prozesse zur Herstellung von formbildenden Profilen
von Werkzeugen für
das Kaltpilgern von Rohren, die gemäß den berechneten Kurven des
zweiten Faktors und höherer
Faktoren aufgetragen werden, erzie len nicht den idealen glatten Übergang
in den Punkten ihrer gegenseitigen Konjugation.
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Eine
Anwendung von Spline-Funktionen zur Berechnung ermöglicht es,
eine Übergangsglätte auf verarbeiteten
Oberflächen
bei angegebenen Punkten auf der vorhandenen Ausstattung zu erzielen.
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Da
eine Spline-Funktion mit einem Faktor k mit einer Hauptpunktefolge
t irgendeine Linearkombination von B-Splines mit einem Faktor k
für eine Hauptpunktefolge
t(S k, t) zu sein scheint, ermöglicht ein
Auswählen
der Menge und der Folge oft ein Kombinieren des bevorzugten Glättungsniveaus
im Knickpunkt mit der Menge an Hauptpunkten in diesem Punkt. Trotz
alledem entspricht die kleinere Menge an Hauptpunkten der größeren Anzahl
an Kontinuitätsbedingungen.
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Um
die Stabilität
der physikalisch-mechanischen Eigenschaften gewalzter Rohre zu erzielen, werden
dann, wenn die Hauptpunkte der Kurven als Berechnungsparameter von
Spline-Funktionen berechnet werden, Faktoren, die physikalisch-mechanische
Eigenschaften von gewalztem Material berücksichtigen, z. B. der Elastizitätsmodul,
die Fließgrenze und
der Reibungsfaktor, und außerdem
Walzschemata zusammen mit geometrischen Parametern verwendet: Verformungsgeschwindigkeit über Wanddicke
und Rohrinnendurchmesser, Vorschubvolumen usw.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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Die
Zeichnung stellt die Entwicklung des Profils des Kaliberrückens eines äußeren Werkzeugs und
des Profils eines inneren Werkzeugs 2 dar, wobei
- – AB – der Tiefziehabschnitt
des äußeren Werkzeugs
ist;
- – BC – der Kalibrierungsabschnitt
des äußeren Werkzeugs
ist;
- – A1B1 – der Tiefziehabschnitt
des inneren Werkzeugs ist;
- – B1C1 – der Kalibrierungsabschnitt
des inneren Werkzeugs ist;
- – die
Punkte 1, 2, 3, ..., n-1, n – die
Hauptpunkte der Spline-Funktion sind, die das äußere Werkzeugprofil bildet;
- – die
Punkte 1*, 2*, 3*, ..., n*-1, n* – die Hauptpunkte der Spline-Funktion
sind, die das innere Werkzeugprofil bildet.
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Die
Entwicklung des Profils des Kaliberrückens des äußeren Werkzeugs AC wird in
Form einer Spline-Funktion S(x) mit einem Modul k > 3, die n Hauptpunkte
enthält,
ausgeführt.
Das Profil des inneren Werkzeugs A1C1 wird in Form von Spline-Funktionen S1(x) mit einem Modul k1 > 3, die n* Hauptpunkte
enthalten, ausgeführt.
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Die
Menge an Hauptpunkten der Spline-Funktionen S(x) und S1(x)
wechselt von 10 bis 10000 je nach den Typen der angewendeten Walzmaschinen
und dem Typ des äußeren Werkzeugs: Segment,
Ringwerkzeug.
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Im
Fall des Walzens gering verformbarer Metalle weisen die Spline-Funktionen
S(x) und S1(x) Krümmungsfaktoren auf, die auf
einen maximalen Wert gesetzt werden, wobei sie im Fall des Walzens verformbarer
Metalle auf einen minimalen Wert gesetzt werden.
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Um
die stabilen physikalisch-mechanischen Eigenschaften eines gewalzten
Materials zu erzielen, werden die Spline-Funktionen S(x) und S1(x) entsprechend den Bedingungen der Verringerung
der Verformungsrate längs
der Länge
des äußeren und des
inneren Werkzeugs berechnet.
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Varianten
der Realisierung der Erfindung
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Variante 1. Herstellung
von Rohren mit 9,13-mm-Durchmesser aus einer Zirkoniumlegierung Zr-1,0
Nb.
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Die
Luppe wurde einer Kaltverformung in drei Stufen unterworfen, um
Rohre der Endgröße zu erhalten.
Der erste Walzvorgang wurde auf einer Walzmaschine HPT-55 durchgeführt, deren äußere Werkzeuge
in Form von Halbscheiben ausgeführt waren.
Der zweite Walzvorgang erfolgte auf einer Walzmaschine KPW-25, wobei
die äußeren Werkzeuge
in Form von Ringwerkzeugen ausgeführt waren, während der
dritte Walzvorgang auf einer Walzmaschine KPW-18 erfolgte, deren äußere Werkzeuge
in Form der Ringwerkzeuge ausgeführt
waren.
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Die
Entwicklung des Profils des Walzenkaliberrückens der äußeren Werkzeuge und des Profils der
inneren Werkzeuge der Walzmaschine HPT-55 wurde durch verschiedene
Spline-Funktionen gebildet: S(x) mit einem Faktor k = 6 und 50 Hauptpunkte enthaltend
sowie S1(x) mit einem Faktor k1 =
4 und 48 Hauptpunkte enthaltend.
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Die
Entwicklung des Profils des Walzenkaliberrückens der äußeren Werkzeuge und des Profils der
inneren Werkzeuge der Walzmaschine KPW-25 wurde durch verschiedene
Spline-Funktionen gebildet: S(x) mit einem Faktor k = 4 und 100
Hauptpunkte enthaltend sowie S1(x) mit einem
Faktor k1 = 4 und 80 Hauptpunkte enthaltend.
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Die
Entwicklung des Profils des Walzenkaliberrückens der äußeren Werkzeuge und des Profils der
inneren Werkzeuge der Walzmaschine KPW-18 wurde durch verschiedene
Spline-Funktionen gebildet: S(x) mit einem Faktor k = 6 und 300
Hauptpunkte enthaltend sowie S1(x) mit einem
Faktor k1 = 5 und 250 Hauptpunkte enthaltend.
Die Berechnung der Hauptpunktefolge wurde ausgeführt gemäß der Formel: Dn = Kt/[(Kt – K)/Dn-1 + K – 1]wobei
- Dn
- – der innere Werkzeugdurchmesser
im Abschnitt n ist,
- Kt
- = f(G, σ0,2,
E) – ein
von den physikalisch-mathematischen Eigenschaften von Metall abhängiger Faktor
ist,
- G
- – der Schermodul ist,
- σ0,2
- – die Fließgrenze ist,
- E
- – der Elastizitätsmodul
ist,
- K
- = f(m, μ, Q, ...) – ein von
den Walzbedingungen abhängiger
Faktor ist,
- m
- – das Metallvorschubvolumen
ist,
- μ
- – die Verlängerung pro Kaliber ist und
- Q
- – das Verhältnis von Wanddicken-Verformungsrate
zu Rohrinnendurchrmesser-Verformungsrate ist.
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Nach
der Herstellung der Rohre mit 9,13-mm-Durchmesser, wurde eine Prüfung der
geometrischen Größen durchgeführt: Die
Abweichung des Außendurchmessers
stellte sich mit bis zu 30 mkm dar, während die Abweichung des Innendurchmessers
25 mkm nicht überschritt.
Auf den äußeren und
inneren Oberflächen
wurden keine Fehler festgestellt. Eine Auswertung der mechanischen
Eigenschaften längs
der Länge
und des Schnitts der gewalzten Rohre zeigte, dass die Werteverteilung
2 % nicht überschritt.
Bei Rohren, die gemäß den bestehenden
technologischen Prozessen hergestellt werden, erreichte diese Werteverteilung
10 %.
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Variante 2. Herstellung
von Rohren mit 25,4-mm-Durchmesser aus einer Titanlegierung VT1-0.
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Die
Luppe wurde einer Kaltverformung in zwei Stufen unterworfen, um
Rohre der Endgröße zu erhalten.
Der erste Walzvorgang wurde auf einer Walzmaschine HPT-55 durchgeführt, deren äußere Werkzeuge
in Form von Halbscheiben ausgeführt waren.
Der zweite Walzvorgang erfolgte auf einer Walzmaschine HPT-32, wobei
die äußeren Werkzeuge
in Form von Halbscheiben ausgeführt
waren.
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Die
Entwicklung des Profils des Walzenkaliberrückens der äußeren Werkzeuge und des Profils der
inneren Werkzeuge der Walzmaschine HPT-55 wurde durch verschiedene
Spline-Funktionen gebildet: S(x) mit einem Faktor k = 4 und 80 Hauptpunkte enthaltend
sowie S1(x) mit einem Faktor k1 =
6 und 80 Hauptpunkte enthaltend.
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Die
Entwicklung des Profils des Walzenkaliberrückens der äußeren Werkzeuge und des Profils der
inneren Werkzeuge der Walzmaschine HPT-32 wurde durch verschiedene
Spline-Funktionen gebildet: S(x) mit einem Faktor k = 5 und 120
Hauptpunkte enthaltend sowie S1(x) mit einem
Faktor k1 = 4 und 200 Hauptpunkte enthaltend.
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Nach
der Herstellung der Rohre mit 25,4-mm-Durchmesser, wurde eine Prüfung der
geometrischen Größen durchgeführt: Die
Abweichung des Außendurchmessers
stellte sich mit bis zu 150 mkm dar, während die Abweichung des Innendurchmessers
120 mkm nicht überschritt.
Auf den äußeren und
inneren Oberflächen
wurden keine Fehler festgestellt. Eine Auswertung der mechanischen
Eigenschaften längs
der Länge
und des Schnitts der gewalzten Rohre zeigte, dass die Werteverteilung
5 % nicht überschritt.
Bei Rohren, die gemäß den bestehenden
technologischen Prozessen hergestellt werden, erreichte diese Werteverteilung
10 %.
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Gewerbliche
Verwertbarkeit
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Anhand
der oben erwähnten
Beispiele ist klar, dass es auf Grund der Auswahl der besten berechneten
Kurvenform, die die Kalibrierungs- und Tiefziehabschnitte der äußeren und
inneren Werkzeuge glatt verbindet sowie die Eigenschaften gewalzten
Metalls und Walzschemata berücksichtigt, möglich wird,
die Qualität
eines Walzprozesses stark zu verbessern. Programme, die ein Reproduzieren berechneter
Profile äußerer und
innerer technologischer Werkzeuge der vorhandenen Ausrüstung erlauben,
wurden zurzeit bei JSC "Chepetsky
Mechanical Plant" erzeugt
und erfolgreich geprüft.
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Die
Software wurde mittels eines CVMAC-Moduls in einem CADDS5-System
entwickelt. Zur Herstellung von Arbeitswerkzeugen für Walzmaschinen
wurden dreifach koordinierte und fünffach koordinierte CNC-Maschinen
verwendet – Fanuk
und GG-52, die die maximale Übereinstimmung
von berechneten und tatsächlichen
Werkzeuggeometrieparametern erzielten.