EP1446245A1 - Verfahren und vorrichtung zum umformen von rohren - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum umformen von rohren

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EP1446245A1
EP1446245A1 EP02787390A EP02787390A EP1446245A1 EP 1446245 A1 EP1446245 A1 EP 1446245A1 EP 02787390 A EP02787390 A EP 02787390A EP 02787390 A EP02787390 A EP 02787390A EP 1446245 A1 EP1446245 A1 EP 1446245A1
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EP
European Patent Office
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pressure
tube
pipe
wall thickness
length
Prior art date
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EP02787390A
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English (en)
French (fr)
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EP1446245B1 (de
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Luca Schulz
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Wilhelm Schulz GmbH
Original Assignee
Wilhelm Schulz GmbH
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Publication date
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Priority claimed from DE10241641A external-priority patent/DE10241641A1/de
Application filed by Wilhelm Schulz GmbH filed Critical Wilhelm Schulz GmbH
Publication of EP1446245A1 publication Critical patent/EP1446245A1/de
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Publication of EP1446245B1 publication Critical patent/EP1446245B1/de
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D39/00—Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders
    • B21D39/08—Tube expanders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/033—Deforming tubular bodies
    • B21D26/041—Means for controlling fluid parameters, e.g. pressure or temperature
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
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    • B21D26/033—Deforming tubular bodies
    • B21D26/043—Means for controlling the axial pusher
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49805—Shaping by direct application of fluent pressure

Definitions

  • the present invention relates to a method for forming tubes and an apparatus for performing the method.
  • This process which is also referred to as "hydroforming" is used, for example, for the production of complex hollow components, such as housings for pipeline fittings, as described in the published international patent application WO 99/52659.
  • the present invention has for its object to provide a method with which pipes of different external diameters and with different wall thicknesses can be easily manufactured. This also includes the provision of the device for carrying out the method.
  • the invention relates to a method for reshaping a tube clamped between two axially displaceable pressure rams, which has an outlet outer diameter, an outlet wall thickness and an outlet length, by means of a hydraulic pressure that can be generated in the interior thereof, to form a finished pipe with a different outside diameter or - compared to the outlet pipe a different length and / or a different wall thickness, the output pipe being cold deformed simultaneously and uniformly over its entire length and the amount of the hydraulic internal pressure, the axial displacement of the pressure rams and their contact pressure acting on the pipe ends being coordinated such that it
  • the essence of the invention is a targeted coordination of the internal pressure P H and the axial pressure P M as a function of the required wall thickness and the outer diameter, taking into account the type of material of the pipe to be formed.
  • the invention has the advantage that pipes with a relatively large diameter / wall thickness ratio can be produced, which can also withstand high pressure loads with a minimal wall thickness .
  • Cold forming by means of internal high pressure produces hollow profiles that meet high quality requirements and make additional quality checks unnecessary. This results from the fact that, in principle, the pressure test has already taken place during the forming process.
  • the production times using the method according to the invention are considerably shorter than conventional methods for producing, for example, pipes with a larger diameter.
  • Another advantage is that pipes made of relatively expensive materials can also be produced with less material than before, since the pipes are now also relatively large, even with large diameters, due to the increased strength properties caused by strain hardening during the forming process and the more closely tolerable wall thickness tolerances can be thin-walled with constant load requirements, such as the maximum permissible voltages.
  • a particular advantage of the method according to the invention lies in the fact that special customer requirements with regard to outside diameter and wall thickness can be fulfilled simply and without problems by appropriately coordinating the forming conditions, without the need for complex and expensive conversions.
  • the degree of deformation can be selected depending on the material so that a structural transformation leading to strain hardening occurs.
  • the pressure stamps only act on the end faces of the pipe ends facing them. This essentially results in a free deformation of the clamped pipe, i.e. no die is used as used in the conventional methods. This also applies in essence if the outer diameter is not to be increased, that is to say only the wall thickness has to be increased. The wall is only slightly supported at first, because the thicker the wall, the more the inherent strength is sufficient.
  • the axial spacing of the pressure stamps can be changed by moving one or both pressure stamps.
  • the method according to the invention is particularly advantageous if the shaped tubes have an outer diameter greater than 219 mm, and one during forming The outside diameter is increased by at least 1.5 times the starting outside diameter in a single operation and if a seamless pipe is used as the starting pipe.
  • the method according to the invention can thus be used to produce precision tubes for special applications while at the same time saving material.
  • the coordination of the internal pressure P H and the axial pressure P M is of course carried out in such a way that the internal pressure is always above a value which prevents the pipe from "buckling" due to the compression and a continuous expansion or enlargement of the Sets the diameter of the hollow profile as required by a desired or required wall thickness or the wall thickness and at the same time the profile length.
  • the proportions of the outer diameters before and after the hydroforming are at a ratio of more than 1: 1, 5 and within the respective material-dependent limits of up to 1: 3 of the initial to the final diameter.
  • the respective process parameters in particular the applied internal pressure P H , the applied axial pressure P M and the axial path of the pressure stamp, are each stored as a function of the material and the geometry of the pipe section serving as the initial part or the finished pipe obtained.
  • These stored data can serve as reference values when producing specific customer requests, ie special tubes, and can be continuously supplemented by parameters obtained.
  • the quality and production reliability are increased or a production scrap is considerably reduced.
  • the device according to the invention for reshaping a tube according to the method according to claims 1-9 is characterized by two axially aligned pressure rams, at least one of which is axially displaceable relative to the other and can be moved continuously by a displacement drive,
  • a control device by means of which the axial movement of the pressure rams, their contact pressure on the end faces of the clamped tube and the level of the internal pressure can be set independently of one another.
  • a centering device is provided, by means of which the pipe to be clamped in can be aligned with respect to the pressure rams.
  • sealing elements are provided on the end faces of the pressure stamp, which seal the transition to the ends of the clamped tube.
  • a support that defines the outer dimension of the pipe to be formed can be inserted between the pressure stamps.
  • This support can consist of a plurality of shell-shaped segments which together form a closed shape.
  • the device can be used to produce pipes with a larger diameter, for example with a diameter of greater than 219 mm and with very small wall thicknesses by cold forming, the wall thicknesses of which are very close to the minimum wall thickness for a load state required by the regulations, for example. Regulations can be standards, such as the ISO, EN or DIN standards for pipes. Since the pressing process is aimed at the end result, ie the hollow profile geometry of the pipe to be produced, by means of the control device is adjustable, precision tubes can be manufactured in a very simple and time-saving manner
  • strain hardening can be achieved during the shaping, and this is done by the structural transformation of the material caused by the stretching and stretching.
  • a pipe produced in this way has a uniform, fine microstructure compared to the pipes produced using conventional methods - not treated. This finer structure leads to improved strength values with very small tolerance deviations. It is essential that all of this is achieved in the single process step, i.e. the forming, and therefore no further - cost-intensive - heat treatment is required.
  • a metal pipe according to the invention has the advantage that metal pipes which were produced by means of the rolling process in that the surfaces and the wall thicknesses can be produced in very small tolerance ranges. There are no dimensional deviations due to rolling operations during hot forming.
  • the hollow profile has a current wall thickness at or slightly above the calculated minimum wall thickness.
  • the tolerance is well below that of precision tubes, especially if there is less than 5 percent tolerance deviation of the minimum wall thickness of the hollow profile to be produced for a wall thickness corresponding to the required compressive strength.
  • the small dimensional deviation saves material compared to pipes manufactured using conventional methods, which is particularly advantageous for special materials and cost-intensive metal alloys or for application-related weight problems.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a pressing device according to the invention with a tube piece of small diameter as an output part before using the method according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of the pressing device of Fig. 1 with a pipe section with a large diameter after application of the inventive method.
  • FIG. 1 schematically shows a pressing device according to the invention in a sectional view, in which a stirring piece 1 serving as an output part with an output diameter D A is arranged inside a pressing tool 2, which consists of an upper tool part 3 and a lower tool part 4 is composed.
  • the tool halves are each provided on a machine bed 5 and a press device 6 acting from above, which hold the two-part tool mold 3, 4 closed during the expansion of the pipe section 1 by means of internal high pressure, pressure stamps 7, 8 are provided on the side, which on the one hand the front ends of the Seal pipe section 1 for use of the hydraulic internal high pressure P H and, on the other hand, to provide the pipe 1 with a mechanical axial pressure P M.
  • a central through-bore 9 for supplying a hydraulic pressure medium from a pressure generating device (not shown in FIG. 1) into the interior of the pipe section 1.
  • the two tool halves 3, 4, the upper tool part 3 and the lower tool part 4 have a uniform shape Internal shape on, corresponding to the final diameter D E to be produced of the pipe section 1 and are interchangeably mounted on the device.
  • the upper tool part 3 is mounted on the upper punch 10, whereas the lower tool part 4 is exchangeably mounted on the machine bed 5.
  • a high hydraulic internal pressure P H and a mechanical axial pressure P M are respectively applied from the side of the pressure rams 7, 8 to the pipe section 1 in a coordinated manner, as illustrated by arrows in FIG. 1, so that a desired one Component geometry of the metal pipe 11 to be produced can be produced in a highly precise manner, ie narrow dimensional tolerances, as shown in FIG.
  • the metal tube 11 has been massively formed up to the inner surface of the upper tool part 3 and the rear tool part 4, i.e. pressed, a desired wall thickness d E of the pipe piece 11 to be produced being obtained in dimensional deviations of less than 5 percent of the minimum wall thickness to be produced.
  • the adjustment of the hydraulic internal high pressure P H and the mechanical axial pressures P M of the lateral pressure stamps 7, 8 and the axial path a of the pressure stamp takes place in such a way that the wall thickness d E of the metal pipe to be produced is exactly 2 times the diameter enlargement despite the exemplary embodiment shown can be produced.
  • the pipe 11 produced is shortened compared to the starting pipe section 1.
  • precision tubes with large diameters and only very small wall thicknesses can be produced in just a single and surprisingly simple production step.
  • the invention thus makes it possible to produce special pipes, in particular from expensive materials, in a very simple manner,
  • the starting product is an NPS 8 ", Sched. 80S (12.70mm), length 6.00 m
  • Length can be made:
  • Sched. 100 (15.06 mm) pipes with a length of 5.12 m Sched. 120 (18.24 mm) pipes 4.29 m long Sched. 140 (20.62 mm) pipes 3.84 m long Sched. 160 (23.01 mm) pipes with a length of 3.49 m Sched. xxs (22.23 mm) pipes 3.59 m long
  • NPS 24 "Sched. 80 length 2.08 m

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Description

Verfahren und Vorrichtung zum Umformen von Rohren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen von Rohren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Herstellung von Rohren, insbesondere mit einem verhältnismäßig großen Rohrdurchmesser, ist es bekannt, aus gewalzten Blechen oder Bändern Schlitzrohre zu formen und diese dann an den Längskanten zu verschweißen. Derartige Stahlrohre sind für sehr hohe Drücke geeignet und weisen eine relativ große Genauigkeit hinsichtlich ihrer Wanddicken und Oberflächenbeschaffenheit auf. Sie finden Verwendung in speziellen Anwendungsgebieten, welche hohe Belastungsgrenzen erfordern, wie zum Beispiel in Kraftwerken oder in der Petrochemie. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass die Präzisionsherstellung der Rohre durch Maßwalzen äußerst zeitaufwendig und somit kostenintensiv ist.
Es ist des Weiteren bekannt, mit dem Innenhochdruckumform-Verfahren aus einem als Ausgangsteil dienenden Rohrstück komplexe Hohlbauteile einer gewünschten Bauteilgeometrie durch Kaltumformen ohne Wärmebehandlung herzustellen. In der Regel wird hierfür ein äußeres Formwerkzeug mit der gewünschten Bauteilgeometrie entsprechender Innenform verwendet, welche bei gleichzeitiger Beaufschlagung des Rohrstücks mit einem hohen hydraulischen Innendruck das Rohrstück in die gewünschte Form bringt.
Dieses auch als "Hydroforming" bezeichnete Verfahren wird beispielsweise zur Herstellung von komplexen Hohlbauteilen verwendet, wie Gehäusen für Rohrleitungsarmaturen, wie es in der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung WO 99/52659 beschrieben ist.
Es ist weiterhin aus der DE-AS 1 081 856 bekannt, relativ dünnwandige Rohre durch einen hydraulischen Innendruck leicht aufzuweiten zum Zweck des Kalibrierens der Rohre, wobei ein äußeres Formgebungswerkzeug bestehend aus einer Reihe von längsgeteilten Hülsen verwendet wird, die eine Formgebungs-Matrize bilden, welche das Rohr während des Dehnungsvorgangs dicht umschließt. Die Herstellung von aufgeweiteten Rohren erfordert bei diesem bekannten Verfahren aufwändige Betätigungsmechanismen für jedes Paar von Hülsenhälften der Formgebungsmatrize. Außerdem ist mit diesem Verfahren eine Aufweitung von Rohrdurchmessern nur in eingeschränktem Maße durchführbar, wie es das Kalibrieren relativ dünnwandiger Rohrstücke erfordert. Ein Herstellen von Rohren mit deutlich größerem Durchmesser ist nicht möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Rohre unterschiedlichster Außendurchmesser sowie mit verschiedensten Wandstärken einfach herstellbar sind. Hierzu gehört auch die Bereitstellung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Schritten gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Im Einzelnen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umformen eines zwischen zwei axial verschiebbaren Druckstempeln eingespannten Rohres , das einen Ausgangsaußendurchmesser, eine Ausgangswandstärke und eine Ausgangslänge aufweist, mittels eines in dessen Innerem erzeugbaren hydraulischen Druckes, zu einem Fertigrohr mit - gegenüber dem Ausgangsrohr - anderem Außendurchmesser oder anderer Länge und/oder anderer Wandstärke, wobei das Ausgangsrohr gleichzeitig und gleichmäßig über seine gesamte Länge kalt verformt wird und die Höhe des hydraulischen Innendruckes, die axiale Verschiebung der Druckstempel sowie deren auf die Rohrenden einwirkender Anpressdruck derart aufeinander abgestimmt werden, dass es
- bei einer Erhöhung des hydraulischen Innendruckes und Beibehaltung des axialen Abstandes der Druckstempel zu einer Vergrößerung des Außendurchmessers bei gleichzeitiger Verringerung der Wandstärke, - bei einer Erhöhung des hydraulischen Innendruckes und Verringerung des axialen Abstandes der Druckstempel voneinander zu einer Vergrößerung des Außendurchmessers, Beibehaltung der Wandstärke und Verringerung der Rohrlänge und
- bei einer Aufrechterhaltung eines hydraulischen Innendruckes, einer Verringerung des axialen Abstandes der Druckstempel voneinander und einer Beibehaltung des Ausgangsaußendurchmessers des Rohres zu einer Verringerung der Rohrlänge und Vergrößerung der Wandstärke kommt.
Kern der Erfindung ist ein gezieltes aufeinander Abstimmen des Innendrucks P H und des Axialdruckes P M in Abhängigkeit von der geforderten Wandstärke und dem Außendurchmesser unter Berücksichtigung der Materialart des umzuformenden Rohres. Gegenüber den bisherigen Verfahren zur Herstellung von Hohlprofilen, insbesondere von Rohren eines großen Durchmessers, wie das Warmumformen oder das Präzisionswalzen, hat die Erfindung den Vorteil, dass Rohre mit relativ großem Durchmesser /Wandstärken-Verhältnis herstellbar sind, welche auch hohen Druckbeanspruchungen bei minimaler Wandstärke standhalten. Durch das Kaltumformen mittels Innenhochdruck werden Hohlprofile erhalten, die hohen Qualitätsanforderungen genügen und zusätzliche Qualitätsüberprüfungen überflüssig machen. Dies ergibt sich daraus, dass die Druckprüfung bei der Umformung im Prinzip schon stattgefunden hat. Zudem sind die Herstellungszeiten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erheblich kürzer gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von beispielsweise Rohren mit größerem Durchmesser. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch Rohre aus relativ teuren Materialien mit einem geringeren Materialaufwand herstellbar sind als bisher, da durch die erhöhten Festigkeitseigenschaften, hervorgerufen durch die Kaltverfestigung bei der Umformung bzw. die enger einhaltbaren Wandstärketoleranzen, die Rohre auch bei großen Durchmessern nun relativ dünnwandig ausgebildet sein können bei gleichbleibenden Belastungsanforderungen, wie z.B. den maximal zulässigen Spannungen. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren liegt darin, dass spezielle Kundenwünsche hinsichtlich Außendurchmesser und Wandstärke einfach und problemlos durch entsprechendes Abstimmen der Umformbedingungen erfüllt werden können, ohne das es aufwendiger und teurer Umrüstungen bedarf.
Wichtig für die Umformung selbst ist, dass diese vom Ausgangsrohr zum Fertigrohr kontinuierlich und mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt.
Hierbei kann der Grad der Umformung materialabhängig so gewählt werden, dass eine zur Kaltverfestigung führende Gefügeumwandlung eintritt.
Um die verschiedensten Außendurchmesser, Wandstärken und letztlich Rohrlängen erreichen zu können, bedarf es der Abstimmung der einzelnen Umformbedingungen. Hierzu gehören die axiale Verschiebung der Druckstempel und die Veränderung des Innendruckes im umzuformenden Rohr. Dabei muss beispeilsweise auch berücksichtigt werden, dass während der Vergrößerung des Außendurchmessers des Rohres der Innendruck verringert und der Anpressdruck der Druckstempel an die Rohrenden angepasst wird.
Für das Verfahren ist es weiterhin von Bedeutung, dass die Druckstempel nur auf die Stirnflächen der diesen zugewandten Rohrenden einwirken. Damit erfolgt im wesentlichen eine freie Verformung des eingespannten Rohres, d.h. es wird kein Gesenk benutzt, wie es bei den herkömmlichen Verfahren angewandt wurde. Dies gilt im wesentlichen auch dann, wenn keine Außendurchmesservergrößerung erfolgen soll, also nur die Wandstärke zu erhöhen ist. Hierbei erfolgt nur anfänglich eine geringe Abstützung der Wand, denn je dicker die Wand wird, desto mehr reicht die Eigenfestigkeit aus.
Die Veränderung des axialen Abstandes der Druckstempel voneinander kann durch Verschiebung eines oder beider Druckstempel erfolgt.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die umgeformten Rohre einen Außendurchmesser größer als 219 mm aufweisen, beim Umformen eine Vergrößerung des Außendurchmessers um mindestens das 1 ,5 -fache des Ausgangsaußendurchmessers in einem einzigen Arbeitsgang erfolgt und wenn ein nahtloses Rohr als Ausgangsrohr eingesetzt wird.
Auf überraschend einfache Weise und mit einem hochpräzisen, d.h. in engen Maßtoleranzen liegenden Ergebnis sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren somit Präzisionsrohre für Sonderanwendungen herstellbar bei gleichzeitiger Einsparung von Material. Die Abstimmung des Innendrucks P H und des Axialdrucks P M erfolgt dabei selbstverständlich in solch einer Weise, dass der Innendruck immer über einem Wert liegt, der ein "Einknicken" des Rohres auf Grund der Stauchung verhindert und sich ein kontinuierliches Aufweiten, bzw. vergrößern des Durchmessers des Hohlprofils so einstellt, wie es eine gewünschte bzw. geforderte Wandstärke oder die Wandstärke und gleichzeitig die Profillänge erfordern.
Die Größenverhältnisse der Außendurchmesser vor und nach dem Innenhochdruckumformen liegen bei einem Verhältnis von mehr als 1 : 1 ,5 und in den jeweiligen materialabhängigen Grenzen von bis zu 1 : 3 des Ausgangs- zum Enddurchmesser. Hierdurch können Rohre mit großem Durchmesser aus Rohren bzw. Hohlprofilen mit relativ geringen Durchmessern hergestellt werden. Das Verfahren ist kostengünstig und leichter durchführbar, als die konventionellen Herstellungsverfahren wie z.B. das Walzen oder das Warmumformen für im Durchmesser große Rohre. Große Durchmesser sind hierbei Bereiche von Außendurchmessern von 219 mm bis über 1000mm.
Vorteilhaft ist es, wenn die jeweiligen Verfahrensparameter, insbesondere der aufgewendete Innendruck PH, der angewendete Axialdruck PM und der axiale Weg der Druckstempel jeweils in Abhängigkeit von dem Material und der Geometrie des als Ausgangsteil dienenden Rohrstückes bzw. des erhaltenen Fertigrohres gespeichert werden. Diese gespeicherten Daten können beim Herstellen von spezifischen Kundenwünschen, d.h. Speziairohren als Anhaltswerte dienen und können fortlaufend durch gewonnene Parameter ergänzt werden. Die Qualität und Fertigungssicherheit wird vergrößert bzw. ein Produktionsausschuss wird erheblich reduziert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Umformen eines Rohres gemäß dem Verfahren nach den Ansprüchen 1-9, ist gekennzeichnet durch - zwei axial zueinander ausgerichtete Druckstempel, von denen mindestens einer relativ zu dem anderen axial verschiebbar gelagert und durch einen Verschiebeantrieb stufenlos bewegbar ist,
- wobei deren Stirnflächen als ebene Anlageflächen für das einzuspannende Rohr ausgebildet sind,
- durch eine Druckerzeugungseinrichtung zum Aufbau eines Innendruckes in dem eingespannten Rohr und
- eine Steuereinrichtung, mittels der die axiale Bewegung der Druckstempel, deren Anpressdruck an die Stirnflächen des eingespannten Rohres und die Höhe des Innendruckes unabhängig voneinander einstellbar sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung ist eine Zentriervorrichtung vorgesehen ist, mittels der das einzuspannende Rohr gegenüber den Druckstempeln ausrichtbar ist.
Ferner sind an den Stirnseiten der Druckstempel Abdichtelemente vorgesehen, welche den Übergang zu den Enden des eingespannten Rohres abdichten.
Zwischen die Druckstempel ist eine AbStützung einbringbar, die die äußere Abmessung des umzuformenden Rohres definiert.
Diese Abstützung kann aus mehreren schalenförmigen, zusammen eine geschlossene Form bildenden Segmenten bestehen.
Mit der Vorrichtung können im Durchmesser größere Rohre, z.B. mit einem Durchmesser von größer als 219 mm und mit sehr geringen Wandstärken durch Kaltumformen hergestellt werden, deren Wandstärken sehr nahe bei der Mindestwandstärke für einen z.B. nach Regelwerk geforderten Belastungszustand liegen. Regelwerk können Normenwerke, wie z.B. die ISO-, die EN- oder die DIN-Normen für Rohre sein. Da mittels der Steuerungseinrichtung der Pressvorgang gezielt auf das Endergebnis, d.h. die Hohlprofilgeometrie des herzustellenden Rohres einstellbar ist, können Präzisionsrohre auf sehr einfache und zeitsparende Weise hergestellt werden
Es wurde schon erwähnt, dass bei der Umformung eine Kaltverfestigung erzielbar ist, und zwar geschieht dies durch die durch die Dehnung und Streckung bewirkte Gefügeumwandlung des Materials.
Ein auf diese Weise hergestelltes Rohr weist gegenüber den mit konventionellen Verfahren hergestellten - nicht behandelten - Rohren eine gleichmäßig, feine Gefügestruktur auf. Diese feinere Gefügestruktur führt zu verbesserten Festigkeitswerten bei gleichzeitig sehr geringen Toleranzabweichungen. Wesentlich ist, dass dies alles im einzigen Verfahrensschritt, also der Umformung, erreicht wird und es somit keiner weiteren - kostenintensiven - Wärmebehandlung bedarf.
Durch die Kaltverfestigung werden generell die Festigkeitswerte des Rohres erhöht, insbesondere die Streckgrenze und die Zugfestigkeit, weshalb ein derartiges Rohr gegenüber den durch Warmumformverfahren hergestellten Hohlprofilen höhere Festigkeitseigenschaften bei relativ dünner Wandstärke aufweist. Gegenüber z.B. Metallrohren, die mittels Walzverfahren hergestellt wurden, weist ein erfindungsgemäßes Metallrohr den Vorteil auf, dass die Oberflächen und die Wandstärken in sehr geringen Toleranzbereichen herstellbar sind. Maßabweichungen auf Grund von Walzbearbeitungen bei der Warmumformung sind hier nicht vorhanden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das Hohlprofil eine aktuelle Wandstärke bei oder geringfügig über der rechnerischen Mindestwandstärke auf. Die Toleranzüberschreitung liegt deutlich unterhalb derjenigen von Präzisionsrohren, insbesondere bei weniger als 5 Prozent Toleranzabweichung der Mindestwandstärke des herzustellenden Hohlprofils für eine der geforderten Druckfestigkeit entsprechende Wandstärke. Durch die geringe Maßabweichung wird gegenüber mit konventionellen Verfahren hergestellten Rohren Material eingespart, was insbesondere bei Spezialmaterialien und kostenintensiven Metall-Legierungen oder bei anwendungsbezogenen Gewichtsproblemen vorteilhaft ist. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben werden, in welcher zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Pressvorrichtung mit einem Rohrstück geringen Durchmessers als Ausgangsteil vor Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht der Pressvorrichtung aus Fig. 1 mit einem Rohrstück mit großem Durchmesser nach Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 ist zur Veranschaulichung der Erfindung eine Pressvorrichtung gemäß der Erfindung schematisch in einer Schnittansicht dargestellt, in welcher ein als Ausgangsteil dienendes Rührstück 1 mit einem Ausgangsdurchmesser DA im Inneren eines Presswerkzeuges 2 angeordnet ist, welches aus einem Werkzeugoberteil 3 und einem Werkzeugunterteil 4 zusammengesetzt ist. Die Werkzeughälften sind jeweils auf einem Maschinenbett 5 und einer von oben angreifenden Pressvorrichtung 6 vorgesehen, welche die zweiteilige Werkzeugform 3, 4 während des Aufweitens des Rohrstückes 1 mittels Innenhochdruck geschlossen halten, Seitlich sind jeweils Druckstempel 7, 8 vorgesehen, welche einerseits die stirnseitigen Enden des Rohrstückes 1 zur Anwendung des hydraulischen Innenhochdrucks PH abdichten und andererseits zur Beaufschlagung des Rohres 1 mit einem mechanischen Axialdruck PM vorgesehen sind. In dem rechten Druckstempel 8 ist eine mittige Durchgangsbohrung 9 vorgesehen zur Zufuhr eines hydraulischen Druckmittels von einer in Fig. 1 nicht dargestellten Druckerzeugungsvorrichtung in das Innere des Rohrstücks 1. - Die beiden Werkzeughälften 3, 4, das Werkzeugoberteil 3 und das Werkzeugunterteil 4 weisen eine gleichförmige Innenform auf, entsprechend dem herzustellenden Enddurchmesser DE des Rohrstücks 1 und sind auf der Vorrichtung auswechselbar montiert. Das Werkzeugoberteil 3 ist auf dem Oberstempel 10 montiert, wohingegen das Werkzeugunterteil 4 auf dem Maschinenbett 5 auswechselbar montiert ist. Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden gleichzeitig, wie in Fig. 1 durch Pfeile veranschaulicht, ein hoher hydraulischer Innendruck PH und ein mechanischer Axialdruck PM jeweils von Seiten der Druckstempel 7, 8 auf das Rohrstück 1 in abgestimmter Weise appliziert, so dass eine gewünschte Bauteilgeometrie des herzustellenden Metallrohres 11 in hochpräziser Weise, d.h. engen Maßtoleranzen, herstellbar ist, wie es in Fig.2 dargestellt ist
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist das Metallrohr 11 nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bis an die Innenfläche des Werkzeugoberteils 3 und Werkzeughinterteils 4 massiv umgeformt, d,h. gepresst, wobei sich eine gewünschte Wandstärke dE des herzustellenden Rohrstücks 11 in Maßabweichungen von weniger als 5 Prozent der herzustellenden Mindestwandstärke einstellt. Die Abstimmung des hydraulischen Innenhochdrucks PH sowie der mechanischen Axialdrucke PM der seitlichen Druckstempel 7, 8 sowie des axialen Weges a der Druckstempel erfolgt in einer derartigen Weise, dass genau die Wandstärke dE des herzustellenden Metallrohres trotz der im dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 2 fachen Durchmesservergrößerung hergestellt werden können. Entsprechend der geforderten Wandstärke dE und dem Aufweitungsgrad ist das hergestellte Rohr 11 gegenüber dem Ausgangsrohrstück 1 verkürzt. Auf diese Weise lassen sich Präzisionsrohre mit großem Durchmesser und nur sehr geringen Wandstärken in nur einem einzigen und überraschend einfachen Produktionsschritt herstellen. Durch die Erfindung lassen sich somit Speziairohre, insbesondere aus teuren Materialien auf denkbar einfache Weise herstellen,
Die Möglichkeiten, die das erfindungsgemäße Verfahren bietet, sollen nachfolgend an Beispielen erläutert werden.
Ausgangsprodukt ist jeweils ein NPS 8", Sched. 80S (12,70mm), Länge 6,00 m
1. Bei gleichbleibendem Durchmesser, zunehmender Wandstärke und verringerter
Länge, lassen sich herstellen:
Sched. 100 (15,06 mm) Rohre der Länge 5,12 m Sched. 120 (18,24 mm) Rohre der Länge 4,29 m Sched. 140 (20,62 mm) Rohre der Länge 3,84 m Sched. 160 (23,01 mm) Rohre der Länge 3,49 m Sched. xxs (22,23 mm) Rohre der Länge 3,59 m
2. Bei vergrößertem Durchmesser, gleichbleibender Wandstärke und verringerter Länge, lassen sich herstellen:
NPS 19" Sched.80 Länge 4,76 m
NPS 12" Sched.80 Länge 3,98 m
NPS 14" Sched.80 Länge 3,48 m
NPS 16" Sched.80 Länge 3,15 m
NPS 18" Sched.80 Länge 2,79 m
NPS 20" Sched.80 Länge 2,50 m
NPS 22" Sched.80 Länge 2,27 m
NPS 24" Sched. 80 Länge 2,08 m
3- Bei vergrößertem Durchmesser, verringerter Wandstärke und gleichbleibender Länge, lassen sich Rohre herstellen:
Sched.40 S(+) NPS 10" 10,19 mm
Sched. 30 (+) NPS 12" 8,59 mm
Sched. 20(-) NPS 14" 7,84 mm
Sched.10 (+) NPS 16" 6,86 mm
Sched. 10 (-) NPS 18" 6,09 mm
Sched. 10 S NPS 20" 5,48 mm
Sched. 10 S(-) NPS 22" 4,99 mm
NPS 24" 4,57 mm
Diese Beispiele zeigen die Vielfalt der Möglichkeiten Rohre unterschiedlichster Abmessungen - ausgehend von einer Ausgangsabmessung - herstellen zu können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Umformen eines zwischen zwei axial verschiebbaren Druckstempeln eingespannten Rohres , das einen Ausgangsaußendurchmesser, eine Ausgangswandstärke und eine Ausgangslänge aufweist, mittels eines in dessen Innerem erzeugbaren hydraulischen Druckes, zu einem Fertigrohr mit - gegenüber dem Ausgangsrohr - anderem Außendurchmesser oder anderer Länge und/oder anderer Wandstärke, wobei das Ausgangsrohr gleichzeitig und gleichmäßig über seine gesamte Länge kalt verformt wird und die Höhe des hydraulischen Innendruckes, die axiale Verschiebung der Druckstempel sowie deren auf die Rohrenden einwirkender Anpressdruck derart aufeinander abgestimmt werden, dass es
- bei einer Erhöhung des hydraulischen Innendruckes und Beibehaltung des axialen Abstandes der Druckstempel zu einer Vergrößerung des Außendurchmessers bei gleichzeitiger Verringerung der Wandstärke,
- bei einer Erhöhung des hydraulischen Innendruckes und Verringerung des axialen Abstandes der Druckstempel voneinander zu einer Vergrößerung des Außendurchmessers, Beibehaltung der Wandstärke und Verringerung der Rohriänge und
- bei einer Aufrechterhaltung eines hydraulischen Innendruckes, einer Verringerung des axialen Abstandes der Druckstempel voneinander und einer Beibehaltung des Ausgangsaußendurchmessers des Rohres zu einer Verringerung der Rohrlänge und Vergrößerung der Wandstärke kommt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung vom Ausgangsrohr zum Fertigrohr kontinuierlich und mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Umformung materialabhängig so gewählt wird, dass eine zur Kaltverfestigung führende Gefügeumwandlung eintritt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Vergrößerung des Außendurchmessers des Rohres der Innendruck verringert und der Anpressdruck der Druckstempel an die Rohrenden angepasst wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstempel nur auf die Stirnflächen der diesen zugewandten Rohrenden einwirken
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des axialen Abstandes der Druckstempel voneinander durch Verschiebung eines oder beider Druckstempel erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die umgeformten Rohre einen Außendurchmesser größer als 219 mm aufweisen.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umformen eine Vergrößerung des Außendurchmessers um mindestens das 1 ,5 -fache des Ausgangsaußendurchmessers in einem einzigen Arbeitsgang erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein nahtloses Rohr als Ausgangsrohr eingesetzt wird.
10. Vorrichtung zum Umformen eines Rohres gemäß dem Verfahren nach den Ansprüchen 1-9, gekennzeichnet durch
- zwei axial zueinander ausgerichtete Druckstempel (7,8), von denen mindestens einer relativ zu dem anderen axial verschiebbar gelagert und durch einen Verschiebeantrieb stufenlos bewegbar ist, wobei deren Stirnflächen als ebene Anlageflächen für das einzuspannende Rohr ( 1 ) ausgebildet sind,
- durch eine Druckerzeugungseinrichtung zum Aufbau eines Innendruckes in dem eingespannten Rohr und
- eine Steuereinrichtung, mittels der die axiale Bewegung der Druckstempel (7,8), deren Anpressdruck an die Stirnflächen des eingespannten Rohres und die Höhe des Innendruckes unabhängig voneinander einstellbar sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zentriervorrichtung vorgesehen ist, mittels der das einzuspannende Rohr gegenüber den Druckstempeln (7,8) ausrichtbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirnseiten der Druckstempel (7,8) Abdichtelemente vorgesehen sind, welche den Übergang zu den Enden des eingespannten Rohres abdichten.
13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Druckstempel (7,8) eine Abstützung einbringbar ist, die die äußere Abmessung des umzuformenden Rohres definiert,
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung aus einer geschlossenen Form besteht.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung aus mehreren schalenförmigen, zusammen eine geschlossene
Form bildenden Segmenten besteht.
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