Verfahren zur Herstellung von rechteckigen Hohlprofilen unterschiedlicher Wanddicke

Abstract

 Zur Herstellung von rechteckigen Hohlprofilen (21) aus Stahl mit über dem Umfang unterschiedlicher Wanddicke wird ein Verfahren angegeben, bei dem ein rundes Rohr (1) mit über dem Umfang gleicher Wanddicke als Vorrohr genutzt, zu einem rechteckigen Hohlprofil mit über dem Umfang gleicher Wanddicke umgeformt und nach Erzeugung einer Tempera­turdifferenz von mindestens 600 °C zwischen Flanschmitten und Stegmitten durch Walzen eine Stauchung und Verdickung der Flanschen (13, 14) des rechteckigen Hohlprofiles unter Verringe­rung der Kantenlängen der Flansche erfolgt.

Beschreibung

[0001] Rechteckige geschlossene Hohlprofile sind in den unter­schiedlichsten Anwendungsgebieten bekannt und finden sich z.B. als Konstruktionselemente im Stahl- und Maschinenbau, als Ausleger im Kranbau sowie als Unterzüge und Rahmenele­mente für Transportfahrzeuge.

[0002] Diese Hohlprofile werden in der Regel aus runden Rohren warm oder kalt profiliert und zeigen bei relativ geringem Eigen­gewicht ein hohes Lastaufnahmevermögen.

[0003] Sieht man von geringfügigen Verdickungen im Bereich der Kantenradien ab, so zeigen die Flansche, d.h., die waage­rechten Seitenteile und die Stege, d.h., die senkrechten Seitenteile solcher Hohlprofile gleiche Wanddicken und damit eine gleichmäßige Verteilung der Massen über den Umfang.

[0004] Werden solche Hohlprofile als Zug- oder Druckstäbe oder als Biegeträger in Verbindung mit hoher Torsionsbelastung ein­gesetzt, so zeigt sich der Nachteil der gleichmäßig dünnen Wand darin, daß eine Auslegung solcher Profile nur im wesentlichen durch eine Kantenverlängerung erfolgen kann.

[0005] Dies wiederum beeinflußt die Bauhöhe und damit auch die ge­stalterischen Möglichkeiten bei z.B. der Verwendung solcher Profile als LKW-Achsen oder als teleskopierbare Kranausleger beträchtlich.

[0006] Will man aber nun bei kleinen Bauhöhen steigende Biegebe­lastung in Verbindung mit größtmöglicher Torsionssteifigkeit aufnehmen, so ist es nötig, neben einer Kantenverlängerung und einer evtl. Auswahl einer über dem Umfang gleichmäßig dickeren Wand eine andere Verteilung der Massen am Umfang des Hohlprofiles so vorzunehmen, daß die unterschiedlichen Wanddicken von Flanschen und Stegen gemäß der Steinerschen Verschiebung ein optimales äquatoriales Flächenträgheitsmo­ment erzeugen.

[0007] Die Herstellung solcher Profile ist jedoch um vieles kom­plizierter als das oben erwähnte Walzverfahren.

[0008] Üblicherweise werden solche Hohlprofile aus Einzelblechen unterschiedlicher Wanddicke für Flanschen und Stege zusam­mengesetzt und fügend verbunden.

[0009] Ein anderer Weg nutzt als Vormaterialien zwei Winkeleisen, deren z.B. kürzere Schenkel wesentlich dicker als die längeren sind. Beide Winkeleisen werden dann spiegelbildlich zu einem Hohlprofil zusammengefügt.

[0010] Ein Nachteil liegt bei diesen Herstellungsarten darin, daß mehrere relativ aufwendige nacheinander folgende Produktionsschritte vorgesehen sind. So werden z.B. die Winkeleisen zunächst als warmgefertigte Walzprofile herge­stellt und abgelängt, danach je zwei spiegelbildlich zuein­ander positioniert und mit zwei diagonal gegenüberliegenden Längsnähten verschweißt.
Das hierbei üblicherweise verwendete Unterpulver-Schweiß­verfahren, dessen Schweißgeschwindigkeit bei etwa zwei bis drei Metern pro Minute liegt, reduziert die Produktionsge­schwindigkeit nachhaltig und erfordert eine nachfolgende Glühung der Schweißnahtbereiche, welche die durch die Schweißwärme und die unkontrollierte Abkühlung entstandenen unerwünschten Gefügeveränderungen oder Schweißspannungen vermindert.

[0011] Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Hohlprofilen mit über dem Umfang unterschiedlicher Wanddicke zeigt die EP 0 084 799 B1. Diese Hohlprofile dienen als von innen ge­kühlte Führungselemente für Strangguß und werden ebenfalls durch Umformung eines Rundrohres profiliert.

[0012] Das in dieser Schrift im Rahmen einer Weiterbildung be­schriebene Verfahren zur Veränderung der Wanddicke besteht entweder darin, ein fertig geformtes rechteckiges Hohlprofil oder Führungselement nachträglich an einer Seite mechanisch abzuarbeiten und so die Wanddicke zu verringern, oder aber darin, ein Vorrohr mit bereits unterschiedlichen Wanddicken symetrisch umzuformen.

[0013] Die Wanddickenveränderung dient hierbei primär der besseren Wärmeübertragung beim vorgegebenen Einsatzzweck.

[0014] Der Nachteil des beschriebenen auf mechanischer Bearbeitung beruhenden Verfahrens liegt in der Unwirtschaftlichkeit, die durch den großen Aufwand an Fertigungsvorrichtungen und Produktionszeit sowie durch den hohen Span- und Schrottan­fall entsteht.

[0015] Die Alternative des Einsatzes eines Rohres mit schon teil­weise verdickten Wänden birgt dagegen gravierende produktionstechnische Nachteile, da zum einen solche Vor­rohre mit über ihrer Gesamtlänge gleichen symetrischen Wandverdickungen ohne Exzentrizität kaum herstellbar sind und zum anderen bei einer Verformung solcher Rohre zu Vier­kantprofilen eine hinreichend genaue Positionierung der Verdickungen kaum möglich und der Massefluß während der Um­formung nicht beinflußbar ist.

[0016] Ein anderes Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern auch unterschiedlicher Wanddicke offenbart die DE-PS 843 834, bei dem die Formgebung durch Warmziehen bzw. Warmdrücken von in der Regel runden Rohren gleichförmiger Wanddicke erfolgt.

[0017] Die runden Ausgangsrohre werden dabei vor dem Ziehen un­gleichförmig über den Umfang so erwärmt, daß in den Um­fangsbereichen, die während des Ziehvorganges großen Zug­spannungen unterworfen sind, die Temperaturen niedriger sind als in den Bereichen, die während des Ziehens Druckspan­nungen aufnehmen müssen.
Diese Verfahrensweise verhindert das Auftreten von ungewünschten Wanddickeneinschnürungen, z. B. in den Ecken von gezogenen Rechteckprofilen, läßt aber auch eine Her­stellung von Hohlprofilen mit unterschiedlichen Wanddicken zu.
Letztere wird durch eine stärkere Erwärmung der im Hinblick auf die Endform stärker verformten, d. h. hier verdünnten Bereiche erreicht, wenn zusätzlich mit einem Innendorn wäh­rend des Warmzuges gearbeitet wird.

[0018] Dieses Verfahren erlaubt zwar eine gezielte Wanddickenein­stellung über den Umfang, zeigt sich aber nachteilig durch einen relativ langsamen und aufwendigen Arbeitsablauf, bei dem zunächst das Vorrohr vollständig auf den Innendorn auf­gezogen, dann mit Innendorn vor die Ziehdüse geschwenkt und gezogen bzw. gestoßen wird, der Dorn daraufhin zurückgezogen und danach wieder in die Aufzugslage verschwenkt werden muß. Durch die Verwendung des Innendornes ist zudem mit diesem Verfahren nur eine Einzelrohrfertigung möglich, nicht aber eine kontinuierliche Herstellung solcher Profile im Endlos­verfahren.
Insbesondere bei der Herstellung größerer Hohlprofile ist darüber hinaus der Innendorn entsprechend schwer auszulegen, wodurch alle Führungen und Schwenkorgane gleichermaßen auf­wendig zu konstruieren sind und bezüglich der Antriebslei­stungen unwirtschaftlich werden.

[0019] Allen bisher bekannten Verfahren haftet darüber hinaus der Nachteil mangelnder Integrierbarkeit innerhalb schneller Fertigungsanlagen von Serien- und Standardprofilen an.

[0020] Die genannten fügenden und spanenden Arbeitsschritte sind ebenso wie das Warmziehen mit einem Innenwerkzeug z.B. für eine kontinuierlich arbeitende Produktionsanlage geschwin­digkeitsbestimmend und von daher in der Regel Engpässe.

[0021] Der Erfindung lag also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von rechteckigen Hohlprofilen mit unter­schiedlichen Wanddicken anzugeben, das jeweils nur serienmäßig einfach hergestellte Rohre oder Profile als Vorprodukt nutzt und unter Verzicht auf fügende oder spanende Bearbeitung anlagentechnisch einfach eine Umver­teilung des Volumens bzw. der Masse von Standardprofilen "im Strang", d. h., in der Endlosbearbeitung als auch in der Einzelfertigung ermöglicht.

[0022] Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches dargestellten Merkmale.

[0023] Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprü­chen erfaßt.

[0024] Die erfinderische Verfahrensidee besteht darin, ein ge­schweißtes oder nahtloses Rundrohr gleichmäßiger Wanddicke zunächst in ein rechteckiges Hohlprofil gleichmäßiger Wand­dicke umzuformen und danach mit Hilfe einer örtlichen ther­mischen Beeinflussung der Werkstofffestigkeit eine gezielte Umverteilung der Massen durch Walzvorgänge zu bewirken.

[0025] Hierbei werden die Flanschmitten auf ein im Vergleich zu den Stegmitten um mindestens 600 °C höheres Temperaturniveau gehoben, während die Flansche senkrecht zur Hohlprofil­längsachse unter Verringerung ihrer Kantenlänge mit Hilfe von Walzrollen gestaucht und verdickt werden.

[0026] Nach dieser Verformung und Neuverteilung der Masse werden die so entstandenen Hohlprofile mit unterschiedlichen Wanddicken einer Abkühlung unter Normalisierungsbedingungen mit Luft und/oder Wasser ausgesetzt.

[0027] Neben einer einfachen thermischen Steuerung der Massenver­teilung während des Walzens liegt ein weiterer Vorteil die­ser Verfahrensweise im besonderen darin, daß aufgrund der Stauchung und Verdickung der Flanschen in einem hohen Tem­peraturbereich Kaltverfestigungen vermieden werden und sich die Bearbeitungskräfte im Vergleich zur Kaltverformung durch Walzen oder Ziehen um ein vielfaches verringern.

[0028] Kaltverfestigungen - insbesondere im Kantenbereich - und Walzen- bzw. Umformkräfte lassen sich vorteilhaft weiter minimieren, wenn die anfängliche Umformung des z.B. geschweißten oder nahtlosen Rohres gleicher Wanddicke im Warmen, d.h., etwa bei einer Umformtemperatur von 900 °C bis 1.050 °C vorgenommen wird und die nachträglich zur gezielten Masseverteilung erforderliche Temperaturdifferenz zwischen Flanschmitte und Stegmitte vor der Umformung zu einem rechteckigen Hohlprofil mit über dem Umfang ungleichmäßiger Wanddicke durch partielles Abkühlen der Stegmitten auf 200 °C bis 450 °C mittels Wasser und/oder Luft erzeugt wird.

[0029] Zur Vermeidung einer evtl. Härtung der Stegmitten durch die partielle Abkühlung ist es weiterhin vorteilhaft, die aus den runden Rohren gleicher Wanddicke bei einer Temperatur von 900 °C bis 1.050 °C umgeformten rechteckigen Hohlprofile gleicher Wanddicke zunächst einer Abkühlung unter Normali­sierungsbedingungen zu unterwerfen und danach die Flansch­mitten durch partielles Glühen auf eine gegenüber den Steg­mitten um mindestens 600 °C höhere Temperatur zu erwärmen. Anschließend werden dann wieder die Flanschen senkrecht zur Hohlprofillängsachse unter Verringerung ihrer Kantenlänge durch eine Walzung gestaucht und verdickt.

[0030] Bei entsprechend angepaßtem Anwendungsbereich und geringen Wanddicken ergeben sich durch Verringerung der nötigen Wärmeenergie dann gravierende wirtschaftliche Vorteile, wenn die Umformung des z.B. geschweißten oder nahtlosen Rohres in ein rechteckiges Hohlprofile gleicher Wanddicke bei Raum­temperatur erfolgt und nachfolgend durch partielles Glühen die Flanschmitten auf eine gegenüber den Stegmitten um min­destens 600 °C höheren Temperatur die gezielte weitere Stauchung und Verdickung der Flanschen durch Walzung einge­stellt wird.

[0031] Alle drei weitergebildeten Verfahren zeigen sich zudem be­sonders vorteilhaft, wenn umfangreiche Losgrößen innerhalb einer Endlosfertigung im Strang produziert werden sollen.

[0032] Bei kleineren Losgrößen und/oder bei schnellwechselnden Produktionsabmessungen ist es dagegen vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren so auszubilden, daß relativ kurzfristig schon existierende Hohlprofile gleicher Wand­dicke aus z.B. Lagerbeständen zu Hohlprofilen mit unter­schiedlichen Wanddicken umgeformt werden können.

[0033] Dies geschieht in der Weise, daß zunächst z.B. geschweißte oder nahtlose Rohre entweder kalt oder - falls eine umfas­sende Reduzierung der Kaltverfestigungen und der Walzkräfte aufgrund der Einsatz- und Produktionsbedingungen gewünscht ist - in einem Temperaturbereich zwischen 900 °C und 1.050 °C mit nachfolgender normalisierender Abkühlung zu rechteckigen Hohlprofilen gleicher Wanddicke umgeformt wer­den, wobei je nach vorhandenem Fertigungsfluß vor oder nach der Umformung der runden Rohre in rechteckige Hohlprofile mit über dem Umfang gleicher Wanddicke eine Trennung des Strangs in übliche Lagerlängen von 6-18 m erfolgt.

[0034] Die nachfolgenden Bearbeitungsschritte werden dann zeitver­schoben je nach Bedarf angehängt, indem die Einzellängen einer Walzung zugeführt werden, bei welcher die gezielte Massenverteilung durch partielles Glühen der Flanschmitten auf eine gegenüber den Stegmitten um mindestens 600 °C hö­here Temperatur erzeugt wird.

[0035] Anhand eines Ausführungsbeispieles soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 Eine Prinzipskizze einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Produktionsanlage

Fig. 2 Einen Schnitt durch ein zur gezielten Massenverteilung geeignetes Stauchgerüst

[0036] Ein geschweißtes rundes Endlosrohr 1 mit über dem Umfang gleicher Wanddicke wird in Produktionsrichtung 2 in eine das Rohr vollständige durchwärmende Induktivglühanlage 3 ge­führt.
Am Austrittspunkt 4 beträgt die Temperatur des runden Rohres 1 ca. 975 °C.

[0037] Die Walzengerüste 5, 6 und 7 verformen das Rohr 1 zu einem rechteckigen Hohlprofil gleicher Wanddicke 8.

[0038] Das Hohlprofil 8 wird auf der anschließenden Kühlstrecke 9 einer Abkühlung unter Normalisierungsbedingungen unterworfen und weist am Austrittspunkt 10 aus der Kühlstrecke 9 eine Temperatur von 210 °C auf.

[0039] In Produktionsrichtung 2 schließen sich die Linieninduk­toren 11 und 12 an, welche die Flanschmitten des oberen Flansches 13 und des unteren Flansches 14 auf eine Tempera­tur von 920 °C erwärmen.

[0040] Das Hohlprofil 8 tritt darauf ein in das Stauchgerüst 15, welches die zustellbaren Formwalzen 16 und 17 sowie die feststehenden Stützwalzen 18 und 19 trägt.

[0041] In diesem Walzgerüst erfolgt die Stauchung und Verdickung der Flanschen 13 und 14 senkrecht zur Hohlprofillängsach­se 20 unter Verringerung der Kantenlänge der Flanschen.

[0042] Nachträglich läuft das nun mit unterschiedlichen Wanddicken versehene rechteckige Hohlprofil 21 in die Kühlstrecke 22, in der es unter Normalisierungsbedingungen mit Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

[0043] Eine fliegende Säge 23 zerteilt das Hohlprofil 21 dann in Einzellängen.

[0044] Fig. 2 zeigt noch einmal prinzipiell die Funktion und die Walzenanordnung des Stauchgerüstes 15.

[0045] Die zustellbaren Stauchwalzen 16 und 17 sind zur Vermeidung von Stegeinbeulungen konkav kalibriert und stauchen die Flanschen 13 und 14, die durch die Stützwalzen 18 und 19 so geführt werden, daß das Höhenmaß 24 des Hohlprofiles mit über dem Umfang unterschiedlichen Wanddicken dem des Hohlprofiles 8 mit über dem Umfang gleichen Wanddicken ent­spricht und die Verdickung der Flansche 13 und 14 durch Masseverschiebung zur jeweiligen Innenseite erfolgt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung rechteckiger Hohlprofile aus Stahl mit über dem Umfang unterschiedlicher Wanddicke, bei dem zunächst ein rundes Rohr mit über dem Umfang gleicher Wanddicke als Vorprodukt hergestellt und durch Walzen in ein rechteckiges Hohlprofil mit über dem Umfang gleicher Wanddicke umgeformt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Flanschmitten und Stegmitten des rechteckigen Hohlprofiles mit über dem Umfang gleicher Wanddicke eine Temperaturdifferenz der Gestalt erzeugt wird, daß die Flanschmitten eine um mindestens 600 °C höhere Temperatur als die Stegmitten aufweisen, daß die Flansche senkrecht zur Hohlprofillängsachse unter Verringerung ihrer Kantenlänge durch Walzen gestaucht und verdickt werden,
und daß schließlich die Hohlprofile unter Normalisie­rungsbedingungen mit Luft und/oder mit Wasser abgekühlt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Walzung zur Umformung der runden Rohre in rechteckige Hohlprofile mit über dem Umfang gleicher Wanddicke bei einer Temperatur des Walzgutes von 900 °C bis 1.050 °C erfolgt und die Temperaturdifferenz zwischen Flanschmitten und Stegmitten vor der Gesamtab­kühlung des Hohlprofiles durch partielle Abkühlung der Stegmitten auf 200 °C bis 450 °C mit Wasser oder Luft erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Walzung zur Umformung der runden Rohre in rechteckige Hohlprofile mit über dem Umfang gleicher Wanddicke bei einer Temperatur des Walzgutes von 900 °C bis 1.050 °C erfolgt,
daß die Hohlprofile gleicher Wanddicke unter Normali­sierungsbedingungen abgekühlt werden,
und daß die Temperaturdifferenz zwischen Flanschmitten und Stegmitten durch partielles Glühen der Flanschmit­ten erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Walzung zur Umformung der runden Rohre in rechteckige Hohlprofile mit über dem Umfang gleicher Wanddicke bei Raumtemperatur erfolgt und die Tempera­turdifferenz zwischen Flanschmitten und Stegmitten durch partielles Glühen der Flanschmitten erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rundrohre mit über dem Umfang gleicher Wanddicke oder die rechteckigen Hohlprofile mit über dem Umfang gleicher Wanddicke vor dem partiellen Glühen in Einzellängen getrennt werden.

Zeichnung