EP1446245B1 - Verfahren und vorrichtung zum umformen von rohren - Google Patents

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EP1446245B1
EP1446245B1 EP02787390A EP02787390A EP1446245B1 EP 1446245 B1 EP1446245 B1 EP 1446245B1 EP 02787390 A EP02787390 A EP 02787390A EP 02787390 A EP02787390 A EP 02787390A EP 1446245 B1 EP1446245 B1 EP 1446245B1
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EP
European Patent Office
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tube
pressure
wall thickness
length
external diameter
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EP02787390A
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EP1446245A1 (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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Application filed by Wilhelm Schulz GmbH filed Critical Wilhelm Schulz GmbH
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Publication of EP1446245B1 publication Critical patent/EP1446245B1/de
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    • 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
    • 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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    • B21D26/033—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 to an apparatus for carrying out the method.
  • the present invention has for its object to provide a method by which pipes of different outer diameter and with different wall thicknesses are easy to produce. This includes the provision of the device for carrying out the method.
  • the core of the invention is a targeted matching of the internal pressure P H and the axial pressure P M as a function of the required wall thickness and the outside diameter, taking into account the material type of the tube to be formed.
  • the invention has the advantage that pipes with a relatively large diameter / wall thickness ratio can be produced, which withstand high compressive stresses with minimal wall thickness , By cold forming by means of hydroforming hollow profiles are obtained, which meet high quality requirements and make additional quality checks unnecessary. This results from the fact that the pressure test during the forming has already taken place in principle.
  • the production times with the method according to the invention are considerably shorter compared to conventional methods for producing, for example, pipes with a larger diameter.
  • Another advantage is that even pipes made of relatively expensive materials with less material can be produced are as hitherto, because of the increased strength properties caused by the work hardening during forming or the narrower tolerable wall thickness tolerances, the tubes can now be formed relatively thin even with large diameters at constant load requirements, such as the maximum allowable voltages.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that special customer requirements in terms of outer diameter and wall thickness can be easily and easily met by appropriately tuning the forming conditions, without the need for costly and expensive conversions.
  • the degree of deformation can be chosen such that a microstructure transformation leading to cold hardening occurs.
  • the plunger act only on the end surfaces of these facing pipe ends. This is essentially a free deformation of the clamped tube, ie, no die is used, as was used in the conventional method. This essentially also applies if no outer diameter increase is to take place, that is, only the wall thickness is to be increased. This is only initially a small support of the wall, because the thicker the wall, the more sufficient is the intrinsic strength.
  • the change in the axial distance of the plunger from each other can be done by shifting one or both plunger.
  • the size ratios of the outer diameter before and after the hydroforming are at a ratio of more than 1: 1.5 and in the respective material-dependent limits of up to 1: 3 of the output to the final diameter.
  • pipes with a large diameter can be produced from tubes or hollow profiles with relatively small diameters.
  • the process is inexpensive and easier to carry out than the conventional manufacturing processes such as e.g. rolling or hot forming for large diameter pipes.
  • Large diameters are ranges of outside diameters from 219 mm to over 1000 mm.
  • the respective process parameters particularly the spent internal pressure P H, the applied axial pressure P M and the axial path are respectively stored the plunger depending on the material and the geometry of serving as starting part pipe piece or of the finished pipe obtained.
  • These stored data can serve as reference values when making specific customer requests, ie special pipes, and can be continuously supplemented by parameters obtained. The quality and manufacturing reliability is increased or a production scrap is considerably reduced.
  • a centering device is provided, by means of which the tube to be clamped can be aligned with respect to the pressure punches.
  • sealing elements are provided on the ends of the plunger, which seal the transition to the ends of the clamped tube.
  • a support can be introduced, which defines the outer dimension of the tube to be formed.
  • This support may consist of several shell-shaped, together forming a closed shape segments.
  • the wall thicknesses are very close to the minimum wall thickness for example required by regulations BeiastungsPark. Rules may be standards, such as the ISO, EN or DIN standards for pipes. Since by means of the control device of the pressing process targeted to the final result, ie the hollow profile geometry of the tube to be produced adjustable, precision tubes can be produced in a very simple and time-saving manner
  • strain hardening can be achieved during the forming, and this is done by the structural transformation of the material caused by the stretching and stretching.
  • a tube produced in this way has a uniform, fine microstructure compared to the pipes produced by conventional methods - not treated. This finer microstructure leads to improved strength values combined with very low deadweight deviations. It is essential that all of this is achieved in the single process step, that is, the forming, and thus no further - costly - heat treatment is required.
  • the strength values of the pipe are generally increased, in particular the yield strength and the tensile strength, which is why such a pipe has higher strength properties compared to the hollow profiles produced by hot forming process with relatively thin wall thickness.
  • the hollow profile at a current wall thickness at or slightly above the mathematical minimum wall thickness is significantly below that of precision tubes, in particular with 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 pressure resistance.
  • the small dimensional deviation saves material compared to tubes produced by conventional methods, which is advantageous in particular for special materials and cost-intensive metal alloys or for application-related weight problems.
  • a pressing device according to the invention is shown schematically in a sectional view, in which a serving as a starting part pipe piece 1 is arranged with an initial diameter D A inside a pressing tool 2, which consists of a tool upper part 3 and a tool lower part is composed.
  • the tool halves are each provided on a machine bed 5 and a pressing device 6 acting from above, which keep the two-part mold 3, 4 closed during the expansion of the pipe section 1 by means of internal high pressure, each side plunger 7, 8 are provided, which on the one hand the front ends of the Pipe piece 1 for application of the hydraulic high pressure P H seal and on the other hand are provided to act on the pipe 1 with a mechanical axial pressure P M.
  • a central through hole 9 is provided for supplying a hydraulic pressure means of a pressure generating device, not shown in Fig. 1 in the interior of the pipe section 1.
  • the two tool halves 3, 4, the upper die 3 and the lower tool part 4 have a uniform Inner shape, according to the produced end diameter D E of the pipe section 1 and are interchangeable mounted on the device.
  • the upper tool part 3 is mounted on the upper punch 10, whereas the lower tool part 4 is mounted replaceably on the machine bed 5.
  • the metal tube 11 is massively deformed after application of the method according to the invention up to the inner surface of the upper tool part 3 and the tool rear part 4, d, h, wherein a desired wall thickness d E of the pipe section 11 to be produced deviates less than 5 percent of the minimum wall thickness to be produced.
  • the vote of the hydraulic high pressure P H and the mechanical axial pressures P M of the lateral plunger 7, 8 and the axial path a of the plunger takes place in such a way that exactly the wall thickness d E of the metal tube to be produced despite the illustrated embodiment about 2 times the diameter increase can be produced.
  • According to the required wall thickness d E and the degree of expansion of the produced tube 11 is shortened relative to the output pipe piece 1. In this way, precision tubes with a large diameter and only very small wall thickness can be produced in a single and surprisingly simple production step.

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Description

  • 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 Bändem 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 Maßwatzen 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 intemationalen 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 Rohrdurchmessem nur in eingeschränktem Maße durchführbar, wie es das Kalibrieren relativ dünnwandiger Rohrstücke erfordert. Ein Herstellen von Rohren mit deutlich größerem Durchmesser ist nicht möglich.
  • Aus der US-A-4 364 251 ist ein Verfahren zum Umformen eines zwischen zwei axial verschiebbaren Druckstempeln eingespannten Rohres, das einen Ausgangsaußendurchmesser, eine Ausgangswandstärke und eine Ausgangslänge aufweist, bekannt, wobei mittels eines in dessen Innerem erzeugbaren hydraulischen Druckes, ein Fertigrohr erzeugt wird, mit einem - gegenüber dem Ausgangsrohr - anderem Außendurchmesser, anderer Länge und anderer Wandstärke, und zwar durch gleichzeitige und gleichmäßige Kaltverformung über seine gesamte Länge.
    Dabei wird ein axialer Anpressdruck der Stempel gegen die Rohrenden aufgebracht, der aber nur den Zweck hat, die dichtende Anlage der Stempel an den Rohrenden sicher zu stellen.
  • 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 Druckstempein 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, des mechanischen Axialdruckes, 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 mittels des mechanischen Axialdruckes herbeigeführter 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 mittels des mechanischen Axialdruckes herbeigeführten 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 PH und des Axialdruckes PM 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 Kaltvertestigung 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 Stimflächen 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 PH und des Axiatdrucks PM 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 erfordem.
  • 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. Spezialrohren 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, umfasst
    • 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 Stimflächen des eingespannten Rohres und die Höhe des Innendruckes unabhängig voneinander, aber abgestimmt aufeinander, einstellbar sind.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung ist eine Zentriervorrichtung vorgesehen ist, mittels der das einzuspannende Rohr gegenüber den Druckstempeln ausrichtbar ist.
  • Femer sind an den Stimseiten 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 Beiastungszustand 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 Toteranzabweichungen.
    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 Pressvonichtung 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 Rohrstück 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 stimseitigen 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 Werkzeug unterteil 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 Spezialrohre, 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 (15)

  1. Verfahren zum Umformen eines zwischen zwei axial verschiebbaren Druckstempeln (7, 8) eingespannten Rohres (1), das einen Ausgangsaußendurchmesser (DA) 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des hydraulischen Innendruckes (PH), des mechanischen Axialdruckes (PM) 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 mittels des mechanischen Axialdruckes herbeigeführter 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 mittels des mechanischen Axialdruckes herbeigeführten 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 Stimflächen 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 Stimflächen als ebene Anlageflächen für das einzuspannende Rohr (1) ausgebildet sind,
    - durch eine Druckerzeugungseinrichtung zum Aufbau eines Innendruckes in dem eingespannten Rohr und gekennzeichnet durch
    - eine Steuereinrichtung, mittels der die axiale Bewegung der Druckstempel (7,8), deren Anpressdruck an die Stimflächen des eingespannten Rohres und die Höhe des Innendruckes unabhängig voneinander, aber abgestimmt aufeinander, 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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