EP1901862B1 - Vorrichtung zum herstellen eines nahtlosen hohlkörpers aus stahl - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Hohlkörpers aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Üblicherweise wird zur Herstellung eines nahtlosen Hohlkörpers aus einem massivem Rundblock aus Stahl durch Schrägwalzen über einen zwischen den Schrägwalzen gehaltenen Lochdorn dieser so eingestellt, dass der Walzenabstand im engsten Querschnitt um 10 - 12 % kleiner ist als der Durchmesser des eingesetzten Rundblockes
• Der Lochdorn steht mit seinem Lochungsteil vor dem engsten Querschnitt der Walzen. Diese Ebene wird auch 'Hoher Punkt' genannt.
• Die Spitze des Lochdornes steht so in seiner Lage vor der Ebene des kleinsten Walzabstandes (Ebene 'Hoher Punkt'), dass der erzeugte Hohlblock keine Innenfehler aufweist. Der Glättteil und der Aufweiteteil des Lochdornes (falls vorhanden) befinden sich hinter dem 'Hohen Punkt'. Näheres ist in "Bänder, Bleche, Rohre 6" (1965), Nr. 4, S. 184 - 189, beschrieben.
• Nach diesem bekannten Verfahren sind die Hohlblockdurchmesser zwischen 5 % kleiner und erheblich größer (≥20 %) als der Durchmesser des eingesetzten massiven Rundblockes.
• Ein starkes reduzierendes Lochen bei fehlerfreiem Hohlblock ist nach dem bekannten Verfahren nicht möglich. Innenfehler treten insbesondere bei Rundblöcken aus Strangguss auf.
• Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zum Herstellen eines nahtlosen Hohlkörpers aus einem massiven Rundblock aus Stahl durch Schrägwalzen anzugeben, mit der Rundblöcke aus Strangguss auch mit einer Durchmesserreduktion > 5 % innenfehlerfrei gelocht werden können.
• Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 bzw. 2 gelöst.
• Nach der Lehre der Erfindung ist nicht die Größe der Einschnürung (Verhältnis Walzenab-stand zu Blockdurchmesser kalt) für ein innenfehlerfreies Lochen entscheidend, sondern das Einhalten einer material- und walzwerksabhängigen Verformung vor der Lochdornspitze. Aus den Größen von Block- und Hohlblockdurchmesser wird entsprechend den angegebenen Gleichungen der Führungs- und/oder Walzenabstand berechnet. Hieraus ergibt sich mit Hilfe der einzuhaltenden Verformungsgrenze vor der Lochdornspitze die Position der Löchdornspitze.
• Untersuchung haben gezeigt, dass mit steigendem Transportwinkel und abfallendem Einlaufwinkel die Grenzformänderung X ansteigt. Die Materialabhängigkeit ergibt sich aus dem Umformvermögen des verwendeten Stahls. Bei einfachen Kohlenstoffstählen ist die Grenzformänderung X größer im Vergleich zu einem schwer umzuformenden 13%-igen Chromstahl.
• Es hat sich außerdem gezeigt, dass die ermittelten Grenzformänderung in Abhängigkeit vom Kegelwinkel mit einem Korrekturfaktor versehen werden muss, wobei der Kegelwinkel definiert ist als Winkel zwischen Walzgut und Walzenachse bei einem Transportwinkel von Null Grad.
• Bei einem Kegelwinkel von Null Grad (Tonnenlocher) ist der Korrekturfaktor gleich 1, der mit steigendem positiven Kegelwinkel (Kegellocher) über 1 ansteigt bis zu einem Wert < 1,3.
• Bei Verwendung eines Drei-Walzen-Schrägwalzwrerkes ergeben sich die gleichen zuvor geschilderten Abhängigkeiten, nur mit dem Unterschied, dass die Grenzformänderung X um mindestens den Faktor 1,2 größer ist im Vergleich zu einem Zwei-Walzen-Schrägwalzwerk.
• Die Gestaltung der Werkzeuge ist nunmehr ein Kompromiss zwischen Walzeneinlauflänge, Wälzeneinlaufwinkel, Dornlänge und Position der Lochdornspitze unter Berücksichtigung der Produktionsrandbedingungen.
• Zum Einen muss berücksichtigt werden, dass der Glättteil des Lochdornes direkt am 'Hohen Punkt' beginnen muss oder sogar noch im Einlaufteil der Schrägwalze liegt. Zum Anderen sollte eine gewählte Walzenkalibrierung möglichst den Gesamtbereich der notwendigen Umformungen erlauben, da ein Wechsel der Schrägwälzen zeitaufwändig ist.
• Das erfindungsgemäße Verfahren schließt die Lücke zwischen der heute gängigen Arbeitsweise und dem in DE 33 269 46 C1 geschützten Verfahren und ist anwendbar sowohl für ein Zwei-Walzen-Schrägwalzwerk als auch für ein Drei-Walzen-Schrägwalzwerk ohne Führungen. Für die Herstellung insbesondere dünnwandiger Hohlkörper ohne Innenfehler und mit kleiner Exzentrizität ist aus der DE 332 69 46 C1 bekannt, die Schrägwalzen auf einen Abstand im Bereich von 75 bis 60 % und die Führungen auf einen Abstand im Bereich von 85 bis 70 % des Durchmessers des eingesetzten Rundblockes einzustellen.
• Die Gleichungen zur Berechnung des Walzen- und Führungsabstand lauten Zwei-Walzen-Schrägwalzwerk: $$\mathrm{W}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{z}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{b}\mathrm{s}\mathrm{}\tan \mathrm{d}\mathrm{=}\mathrm{D}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{H}\mathrm{o}\mathrm{h}\mathrm{l}\mathrm{b}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{c}\mathrm{k}\mathrm{-}\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{075}\mathrm{\times }\mathrm{B}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{c}\mathrm{k}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}$$

  

  $$\mathrm{F}\mathrm{u}\mathrm{h}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{b}\mathrm{s}\mathrm{}\tan \mathrm{d}\mathrm{=}\mathrm{D}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{H}\mathrm{o}\mathrm{h}\mathrm{l}\mathrm{b}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{c}\mathrm{k}+\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{075}\mathrm{\times }\mathrm{B}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{c}\mathrm{k}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}$$

  
• Drei-Walzen-Schrägwalzwerk: $$\mathrm{W}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{z}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{b}\mathrm{s}\mathrm{}\tan \mathrm{d}\mathrm{=}\mathrm{3}\mathrm{/}\mathrm{2}\mathrm{\times }\mathrm{D}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{H}\mathrm{o}\mathrm{h}\mathrm{l}\mathrm{b}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{c}\mathrm{k}\mathrm{-}\mathrm{½}\mathrm{\times }\mathrm{B}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{c}\mathrm{k}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}$$

  
• Da sich die einzelnen Schrägwalzwerkstypen und die zu lochenden Materialien in ihrem Fließverhalten unterscheiden, gelten die zuvor genannten Gleichungen als hinreichend, um die Möglichkeiten zur Herstellung gewünschter Hohlblöcke zu überprüfen sowie Walzen und den Lochdorn in guter Näherung zu gestalten. Dabei wird unter guter Näherung eine Abweichung < 3 % im Hohlblockdurchmesser verstanden.
• Wesentlich ist, dass bei der Feinkorrektur Walzen- und Führungsabstand sowie Lochdornform geändert werden dürfen, die kritische Abnahme vor der Lochdornspitze jedoch nicht überschritten werden darf. Die Grenzformänderung X vor der Lochdornspitze ist definiert als $$\mathrm{X}\mathrm{=}\left(\mathrm{1}\mathrm{-}\frac{\mathrm{Walzenabstand}\left(\mathrm{PositionLochdornspitze}\right)}{\mathrm{DurchmesserRundblock}}\right)\mathrm{\%}$$

  
• Wie bereits erwähnt, hängt die erlaubte Größe X ab vom Walzwerk und dem zu lochenden Material. Es ist zu empfehlen diese Größe so zu wählen, dass alle Materialien mit der gleichen Größe gelocht werden.
• Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens liegt bei Walzwerken, die überwiegend nahtlose Rohre bis 200 mm Durchmesser erzeugen darin, dass stranggussfähige Formate als Vormaterial eingesetzt werden können. Es kann im Regelfall mit der gleichen Walzenkalibrierung von stark reduzierend bis leicht aufweitend gelocht werden. Damit lässt sich die Anzahl der erforderlichen Rundblockformate deutlich reduzieren.
• Beispielsweise kann auf diese Weise ein Hohlblock mit einem Durchmesser von 186 mm aus einem Rundblock mit 220 mm Durchmesser hergestellt werden. Üblicherweise hätte man dafür einen Rundblock mit 180 mm Durchmesser eingesetzt und diesen leicht aufgeweitet. Oder man hätte aus einem Rundblock mit 220 mm Durchmesser unter leichter Reduktion nur einen Hohlblock mit 210 mm Durchmesser erzeugen können.
• Anhand eines Beispiels wird die Ermittlung des Walzen- und Führungsabstandes unter Einhaltung einer bestimmten Grenzformänderung X erläutert.
• Ausgehend von einem Rundblock aus einer Stahlgüte St 52 mit einem Durchmesser von 220 mm soll auf einem Zwei-Walzen-Schrägwalzwerk ein Hohlblock der Abmessung 186 x 20 mm erzeugt werden. Das Verhältnis von Hohlblockdurchmesser zu Rundblockdurchmesser ergibt einen Wert von $\frac{186}{220}=0,84,$

  

  der wie angegeben, weit unterhalb des bis dahin üblichen Wertes von minimal 0,95 liegt. Für das Zwei-Walzen-Schrägwalzwerk wird in diesem.Beispiel ein Tonnenlocher mit Führungslinealen verwendet.
• Wie schon zuvor ausgeführt, bedeutet dies, dass der Korrekturfaktor gleich 1 ist. Der Transportwinkel beträgt 10° und der Ein- und Auslaufwinkel liegt bei 3,5°. Das führt zu einem Grenzformänderungswert X von 6%. Da der Durchmesser des Rundblockes 220 mm beträgt, ergibt sich somit ein Walzenabstand an der Position der Lochdornspitze von 206,8 mm.
• Der Walzenabstand im 'Hohen Punkt' ergibt sich zu 186 mm - 0,075 x 220 = 169,5 mm und der Führungsabstand 186 mm + 0,075 x 220 = 202,5 mm.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird schematisch an einem Längsschnitt erläutert. In dem hier vorliegenden halbseitigen Längsschnitt ist vom Schrägwalzwerk nur die oben liegende doppelkonische Schrägwalze 1 dargestellt. Die dazugehörige zweite Schrägwalze sowie die bei einem Zwei-Walzen-Schrägwalzwerk in der anderen Ebene liegenden kaliberschließenden Führungen, seien es Führungelineale oder Diescherscheiben, wurden hier der Einfachheit halber weggelassen.
• Die als 'Hoher Punkt' bezeichnet Ebene des engsten Querschnittes 2 der Schrägwalzen 1 Ist durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet.
• Deutlich zu erkennen ist die im ersten Beispiel ( Figur 1 ) ansonsten unübliche Lage des Lochdornes 3. Das Ende des Glättteiles 4 steht vor dem 'Hohen Punkt' 2 und somit auch der Lochungsteil 5. Die Lochdornspitze 6 nimmt dabei eine Lade ein. die sicherstellt. dass im Einlaufbereich des Rundblocks die genannte Grenzformänderung X eingehalten wird und der Rundblock 7 fehlerfrei gelocht wird.
• Kennzeichnend ist die starke Durchmesserreduktion vom Durchmesser 8 des Rundblocks 7 auf den Durchmesser 9 des Hohlblockes 10.
• Verändert man den Einlaufwinkel der Walze wie im zweiten Beispiel ( Figur 2 ) dargestellt, lässt sich unter Beibehaltung der erlaubten Verformung vor der Lochdornspitze zeigen, dass sich auch durch eine Stellung des Glättteiles des Lochdornes hinter dem'Hohen Punkt' ein entsprechender Hohlblock mit reduziertem Durchmesser herstellen lässt. Entsprechend der Darstellung in Figur 3 führt der größere Einlaufwinkel zu einer etwas kleineren Grenzformänderung X.
• Figur 4 zeigt die Abhängigkeit des Korrekturfaktors vom Kegelwinkel.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Hohlkörpers (10) aus einem massivem Rundblock (7) aus Stahl mit einem Durchmesser < 95 % des massiven Rundblockdurchmessers durch ein Zwei-Walzen-Schrägwatzwerk über einen zwischen den Schrägwalzen gehaltenen einen Lochungste (5) und mindestens einen Glättteil (4) aufweisenden Lochdorn (3) unter Verwendung von in der anderen Ebene liegenden kaliberschließenden Führungen, wobei der Abstand der Walzen im engsten Querschnitt (2) in Relation zum Durchmesser des eingesetzten Rundblockes (7) und die Lage des Lochdornes (3) in Bezug auf den engsten Querschnitt (2) der Walzen eingestellt ist
   dadurch gekennzeichnet,
   dass der einlaufende massive Rundblock (7) vor der Spitze des Lochdornes (3) eine vom Umformvermögen des verwendeten Stahls, vom eingestellten Transportwinkel sowie vom Einlaufwinkel der Walzen abhängige Grenzformänderung X einhält und die Werkzeugabstände in guter Näherung mit einer Abweichung von < 3% bezogen auf den Hohlblockdurchmesser über die Gleichungen $$\mathrm{W}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{z}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{b}\mathrm{s}\mathrm{}\tan \mathrm{d}\mathrm{=}\mathrm{D}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{H}\mathrm{o}\mathrm{h}\mathrm{l}\mathrm{b}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{c}\mathrm{k}-\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{075}\mathrm{\times }\mathrm{D}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{R}\mathrm{u}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{b}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{c}\mathrm{k}$$

   

   $$\mathrm{F}\mathrm{ü}\mathrm{h}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{n}\mathrm{g}\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{b}\mathrm{s}\mathrm{}\tan \mathrm{d}\mathrm{=}\mathrm{D}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{H}\mathrm{o}\mathrm{h}\mathrm{l}\mathrm{b}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{c}\mathrm{k}\mathrm{+}\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{075}\mathrm{\times }\mathrm{D}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{R}\mathrm{u}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{b}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{c}\mathrm{k}$$

   

   
   ermittelt werden, wobei die Grenzformänderung X definiert ist als: (1 - Verhältnis von Walzenabstand an der Position Lochdornspitze zu Durchmesser des Rundblockes) in %.
2. Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Hohlkörpers (10) aus massivem Rundblock (7) aus Stahl mit einem Durchmesser < 95 % des massiven Rundblockdurchmessers durch ein Drei-Walzen_-Schrägwalzwerk über einen zwischen den Schrägwatzen gehaltenen einen Lochungsteil (5) und mindestens einen Glätteil (4) aufweisenden Lochdorn (3), wobei der Abstand der Walzen im engsten Querschnitt (2) in Relation zum Durchmesser des eingesetzten Rundblocks (7) und die Lage des Lochdorn (3) in Bezug auf den engsten Querschnitt der Walzen eingestellt ist
   dadurch gekennzeichnet,
   dass der einlaufende massive Rundblock (7) vor der Spitze des Lochdornes (3) eine vom Umformvermögen des verwendeten Stahles, vom eingestellten Transportwinkel sowie vorn Einlaufwinkel der Walzen abhängige Grenzformänderung X einhält und die Werkzeugabstände in guter Näherung mit einer Abweichung von < 3% bezogen auf den Hohlblockdurchmesser über die Bleichung $$\mathrm{W}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{z}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{b}\mathrm{s}\mathrm{}\tan \mathrm{d}\mathrm{=}3/2\mathrm{D}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{H}\mathrm{o}\mathrm{h}\mathrm{l}\mathrm{b}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{c}\mathrm{k}-½\mathrm{\times }\mathrm{D}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{R}\mathrm{u}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{b}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{c}\mathrm{k}$$

   

   ermittelt wird, wobei die Grenzformänderung X definiert ist als: (1 - Verhältnis von Walzenabstand an der Position Lochdornspitze zu Durchmesser des Rundblockes) in %.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2
   dadurch gekennzeichnet,
   dass mit steigendem Transportwinkel und abfallendem Einlaufwinkel die Grenzformänderung X ansteigt.
4. verfahren nach einem der Anspruche 1 - 3
   dadurch gekennzeichnet,
   dass mit sinkendem Umformvermögen die Grenzformänderung X geringer wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die ermittelte Grenzformänderung X in Abhängigkeit vom Kegelwinkel mit einem Korrekturfaktor zu versehen ist, wobei der Kegelwinkel definiert ist als Winkel zwischen Watzgut und Walzenachse bei einem Transportwinkel von Null Grad
6. Verfahren nach Anspruch 5
   dadurch gekennzeichnet,
   dass bei einem Kegelwinkel von Null Grad der Korrekturfaktor gleich 1 ist und mit steigendem positiven Kegelwinkel der Korrekturfaktor größer 1 ist bis zu einem Wert <1,3.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 - 6
   dadurch gekennzeichnet,
   dass bei einem Drei-Walzen-Schrägwalzwerk bei ansonsten gleichen Abhängigkeiten die Grenzformänderung X mindestens um einen Faktor 1,2 größer ist im Vergleich zu einem Zwei-Walzen-Schrägwalzwerk.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6
   dadurch gekennzeichnet,
   dass für Wanddicken ≤ 10 % des Hohlblockdurchmessers in Walzrichtung gesehen der Glättteil des Lochdornes am 'Hohen Punkt' beginnt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7
   dadurch gekennzeichnet,
   dass der Glättteil des Lochdornes im Einlaufteil der Schrägwalzen liegt.

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