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
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
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:
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: