VERFAHREN ZUR AUTOMATISCHEN STICHPLANBERECHNUNG BEIM RADIALSCHMIEDEN

Beschreibung

1. Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Stichplanberechnung beim Radialschmieden von Rohren aus metallischen Werkstücken, insbesondere aus Stahl, in einer Radialschmiedemaschine mit wenigstens 4 über den Umfang des Werkstücks angeordneten Schmiedewerkzeugen, die eingerichtet und angepasst sind, gleichzeitig die Schmiedeoperation zumindest über eine Teillänge des Werkstücks und/oder Langprodukts auszuführen.

2. Stand der Technik

[0002] Die automatische Stichplanberechnung ist bei Freiformschmiedepressen und Radialschmiedemaschinen dem Fachmann hinlänglich bekannt. Derzeit verfügbare Software, die die geometrischen Größen, so etwa Durchmesser und Länge des umzuformenden Werkstücks sowie eine Durchschnittstemperatur des Werkstücks über den Schmiedevorgang hindurch berechnet, werden beispielsweise unter den Markennamen ForgeBase^® und COMFORGEO am Markt verkauft. Diese Software ermöglicht, dass der Anlagenbetreiber eine Ausgangsgeometrie sowie eine Endgeometrie in einer Eingabemaske eingibt und darauf aufbauend von der Software nach definierten Parametern der Stichplan gerechnet wird. D. h., die Software berechnet, in wie vielen Überschmiedungen die Endgeometrie erreicht wird und welche Querschnittsreduktion pro Überschmiedung realisiert wird. Aus den Einzelumformungen ergibt sich dann der Reckgrad. Zudem wird die Temperatur und erforderliche Presskraft nach einer Überschmiedung abgeschätzt, wobei die Software lediglich in der Lage ist, einfache Geometrien wie etwa das Schmieden von Stabstahl zu berechnen.

[0003] Bei Rohrschmieden wiederum erfolgt die Umformung in einer Radialschmiedemaschine regelmäßig in einem Ein-Stich-Prozess, bei dem das Charakteristikum des reversierenden Schmiedens gerade nicht gegeben ist. Des Weiteren erfolgt das Schmieden von Rohren in der Regel über einen Dorn, welcher in das Mutterrohr eingebracht ist und als Widerlager während des Schmiedeprozesses fungiert.

[0004] Es besteht somit der Wunsch, Stichplanberechnungsprogramme auch für komplexe Geometrien von Langprodukten wie Rohren zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, die aus bisherigen Prozessen bekannten Schmiedeergebnisse weiter zu optimieren und die berücksichtigten Parameter beim Schmieden zu erweitern.

3. Aufgabe der Erfindung

[0005] Diese Aufgabe wird im erfindungsgemäßen Sinne mit einem Verfahren, umfassend die Merkmale des Anspruchs 1, einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit einer Radialschmiedemaschine, umfassend die Merkmale des Anspruchs 15 sowie mit einer Radialschmiedemaschine, umfassend die Merkmale des Anspruchs 16, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind insbesondere in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.

4. Zusammenfassung der Erfindung

[0006] Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur automatischen Stichplanberechnung beim Radialschmieden von Rohren aus metallischen Werkstücken, insbesondere aus Stahl, in einer Radialschmiedemaschine mit wenigstens 4 über den Umfang des Werkstücks angeordneten Schmiedewerkzeugen zur Verfügung gestellt, die eingerichtet und angepasst sind, gleichzeitig die Schmiedeoperation zumindest über eine Teillänge des Werkstücks und/oder Rohres auszuführen. Hierbei werden Startparameter für den Radialschmiedevorgang in ein Stichplanberechnungsprogramm eingegeben und Zielparameter für den Radialschmiedevorgang festgelegt. Das Stichplanberechnungsprogramm berechnet auf Grundlage dieser Start- und Zielparameter einen Stichplan oder eine Schmiedeabfolge. Es wird erstmalig ermöglicht, auch für Rohre ein Stichplanberechnungsprogramm zu nutzen, wodurch der Grad an Automatisierung des Schmiedeverfahrens sowie die Reproduzierbarkeit des Schmiedeergebnisses verbessert werden.

[0007] Vorzugsweise berücksichtigt das Stichplanberechnungsprogramm neben der Werkzeuggeometrie und der möglichen Presskraft die Temperaturentwicklung sowie die Temperaturverteilung über den Querschnitt des Rohres sowie die Formänderung beim Radialschmieden.

[0008] Hierdurch wird durch die Berechnung der Temperaturverteilung sowie der Formänderungsverteilung über den Bauteilquerschnitt das Schmiedeergebnis insgesamt optimiert. Die beschriebene Lösung ist grundsätzlich über eine Kombinatorik aus Stichplanberechnungssoftware sowie Finite Elemente Methode möglich, wobei die Stichplanberechnungssoftware einen Stichplan ermittelt, welcher dann mittels Finiter Elemente Methode abgebildet wird. Als Ergebnis der Finite Elemente Methode kann die Temperaturverteilung sowie Formänderungsverteilung über den Querschnitt des umzuformenden Produkts detektiert werden. Da jedoch die Berechnung der Temperaturverteilung sowie Formänderungsverteilung mittels Finiter Elemente Methode langwierig, kostenintensiv ist und technologisch geschultes Personal erfordert, um die FEM einzusetzen und die Ergebnisse auszuwerten, erfolgt vorzugsweise die Berechnung der Temperaturverteilung der Formänderungsverteilung über den Bauteilquerschnitt mittels des Stichplanberechnungsprogramms. Mit einer solchen Berechnung kann im Vorfeld einer Schmiedung auf sehr einfache und schnelle Art und Weise eine Aussage über die Qualität des Schmiedestücks in Abhängigkeit vom berechneten Stichplan getroffen werden, wodurch sich insbesondere auch die Möglichkeit ergibt, komplexere Geometrien als einfache Stabstähle umzuformen. Insbesondere eröffnet die Erfindung die Möglichkeit, Rohre sicher und zuverlässig zu schmieden.

[0009] Insbesondere bei von Stabstählen abweichenden Geometrien ist der Materialfluss beim Schmieden von besonderer Bedeutung für die örtliche Umformung und somit Temperaturverteilung und Formänderungsverteilung über den Bauteilquerschnitt. Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt vorzugsweise diese Parameter bei der Stichplanberechnung und bietet besonders bevorzugt ein auf die jeweilig gewünschte Endgeometrie optimiertes Schmiedeergebnis, das besonders bevorzugt automatisch und reproduzierbar erreichbar ist.

[0010] Die Stichplanberechnung erfolgt dabei erfindungsgemäß vorzugsweise unter Berücksichtigung mehrerer Einflussparameter wie etwa der Werkzeuggeometrie, der maximal möglichen Presskraft, vorzugsweis auch des Vorschubs des Werkstücks, der Werkstückeigenschaften wie etwa der Fließkurve des Werkstoffs usw.. Bei der Stichplanberechnung werden vorzugsweise all diese Parameter derart berücksichtigt, dass alle Grenzen wie etwa die maximale Presskraft eingehalten werden.

[0011] Besonders bevorzugt wird, wenn das Radialschmieden des Rohres mit einer Rohrluppe als Werkstück erfolgt, wobei in die Rohrluppe ein Dorn eingebracht ist, der als Widerlager für die Schmiedewerkzeuge beim Radialschmieden dient. Der Schmiedevorgang erfolgt somit ausgehend von der Rohrluppe unter schrittweiser Umformung der Rohrwand zwischen dem Dorn und den um den Umfang der Rohrluppe angeordneten Schmiedewerkzeugen. Besonders bevorzugt wird in diesem Zusammenhang, wenn sich die Wandstärke des Rohres während des Radialschmiedevorgangs vergrößert.

[0012] Schließlich wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei der Stichplanberechnung immer berücksichtigt, das durch Umformung, insbesondere Querschnittsreduktion, eingebrachte Umformwärme zur Erwärmung des Werkstücks führt, was bei unterschiedlichen Werkstoffen insbesondere dann berücksichtigt werden muss, wenn Schwellenwerte für Gefügeumformungen oder dergleichen überschritten werden mögen. Der Prozessablauf sollte daher bevorzugt auf verschiedene Werkstoffe angepasst werden.

[0013] In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt das Stichplanberechnungsprogramm eine optimierte Formänderungsverteilung, besonders bevorzugt innerhalb eines vorab festgelegten Temperaturbereichs. Hierdurch wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das insbesondere beim Radialschmieden komplexer Werkstückgeometrien zu Langprodukten, vor allem bei Rohren die örtlich unterschiedliche Formänderungsverteilung und damit verbundene Umformung, insbesondere Querschnittsreduktion berücksichtigt. Idealerweise wird ein Rohr erzielt, das über seine gesamte Länge und seinen gesamten Querschnitt durchgeschmiedet und gleichzeitig keinen Bereich aufweist, der aufgrund erhöhter Umformung vorab festgelegte und werkstoffabhängige Schwellenwerte für die Temperatur überschritten hat. Erhalten wird somit ein Rohr, dass eine über seine Länge und seinen Querschnitt optimierte Gefügestruktur und damit verbunden optimierte Werkstückeigenschaften aufweist.

[0014] In diesem Zusammenhang wird insbesondere bevorzugt, wenn das Stichplanberechnungsprogramm die optimierte Formänderungsverteilung und die Temperaturentwicklung sowie Temperaturverteilung berücksichtigt. Hierdurch wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das sicherstellt, dass zu keinem Zeitpunkt des Radialschmiedevorgangs vorab festgelegte Schwellenwerte hinsichtlich der Anlagen- und Verfahrensparameter überschritten werden.

[0015] Bevorzugt wird in einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung, wenn die Startparameter, die in ein Stichplanberechnungsprogramm eingegeben werden, die Ausgangsgeometrie des Werkstücks, dessen Abmessungen, dessen Starttemperatur, insbesondere die Ofentemperatur, bei der das Werkstück vor Beginn des Radialschmiedevorgangs entnommen wurde, sowie den Werkstoff des Werkstücks, umfasst.

[0016] Bevorzugt wird überdies, wenn die Zielparameter, die für den Radialschmiedevorgang festgelegt und in das Stichplanberechnungsprogramm eingegeben werden, die Zielgeometrie des Rohres, dessen finale Wandstärke und Abmessungen und eine möglichst homogene Formänderung sind. Die Formänderungsverteilung über den Querschnitt des Rohres und/oder die Temperaturverteilung über den Querschnitt des Rohres sind dann die Resultierenden eines solchen Schmiedeprozesses. Hierdurch wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das hinsichtlich des Radialschmiedevorgangs alle für die optimale Verwendung des Stichplanberechnungsprogramms erforderlichen Parameter kennt und bei der Berechnung des Stichplans berücksichtigt.

[0017] In diesem Zusammenhang wird insbesondere bevorzugt, wenn anhand der Zielparameter der Temperaturentwicklung und Temperaturverteilung eine optimierte Formänderungsverteilung, insbesondere über die einzelnen Schritte des Schmiedeprozesses hinweg, durch das Stichplanberechnungsprogramm berechnet wird, oder dass anhand des Zielparameters einer optimalen Formänderungsverteilung die Temperaturentwicklung und Temperaturverteilung, insbesondere über die einzelnen Schritte des Schmiedeprozesses, berechnet werden. Die Erfindung nutzt somit entweder die Temperaturentwicklung und Temperaturverteilung zur Optimierung der Formänderungsverteilung, oder aber die Formänderungsverteilung zur Optimierung der Temperaturentwicklung und Temperaturverteilung insbesondere über die einzelnen Schritte des Schmiedeprozesses und optimiert somit das Stichplanberechnungsprogramm und schließlich das Schmiedeergebnis selbst.

[0018] Besonders bevorzugt wird zudem, wenn anhand der Zielparameter Temperaturentwicklung und Temperaturverteilung ein optimiertes Gefüge oder eine optimierte Gefügeverteilung durch das Stichplanberechnungsprogramm berechnet wird. Alternativ hierzu kann in einer ebenso bevorzugten Ausführungsform anhand des Gefüges als Zielparameter die Temperaturentwicklung und Temperaturverteilung berechnet werden. In jedem Fall wird ein Langprodukt durch Radialschmieden erzielt, das vorzugsweise in jedem Bauteilquerschnitt ein vorab festgelegtes Gefüge oder eine vorab festgelegte Gefügeverteilung aufweist.

[0019] In diesem Zusammenhang wird auch bevorzugt, wenn das Stichplanberechnungsprogramm die durch die Umformung, insbesondere Querschnittsreduktion, während des Radialschmiedens in das Werkstück eingebrachte Umformwärme berücksichtigt. Dem Fachmann ist bekannt, dass durch die Umformung, insbesondere Querschnittsreduktion, wesentliche Energie in das Werkstück eingebracht wird und diese Energie sich nicht nur in der dadurch eingebrachten Formänderung zeigt, sondern auch in einer deutlich messbaren Erhöhung der Werkstücktemperatur. Diese Erhöhung der Werkstücktemperatur ist bei unterschiedlichen Umformungen, die auf das Werkstück einwirken, lokal oft deutlich unterschiedlich und weist somit auch einen lokal deutlichen Einfluss auf das bestehende oder sich bildende Gefüge auf. Die Berücksichtigung der in das Werkstück eingebrachten Umformwärme unterstützt somit das erfindungsgemäße Verfahren bei der Erreichung eines optimalen Radialschmiedeergebnisses.

[0020] Besonders bevorzugt wird zudem, wenn das Verfahren online mit einer Pressensteuerungseinheit verbunden ist und während des Radialschmiedevorgangs anhand von Messwerten und/oder berechneten Werten optimierte Steuerungsbefehle ausgeben kann. Eine so gestaltete Regelung des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt entweder geeignete Messergebnisse, insbesondere gemessene Oberflächentemperaturen, oder aber dort, wo keine Messungen vorgenommen werden können oder nur erschwert möglich sind, berechnete Werte zum regelmäßigen und idealerweise ständigen online-Regeln des Radialschmiedevorgangs. Hierdurch wird das Ziel eines optimierten Verfahrens zur automatischen Stichplanberechnung beim Radialschmieden von Rohren aus metallischen Werkstücken besonders vorteilhaft und mit leicht beherrschbaren Mitteln unterstützt.

[0021] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Steuerungs- und/oder Regelungseinheit einer Radialschmiedemaschine zur Verfügung gestellt, wobei die Steuerungs- oder Regelungseinheit ein Stichplanberechnungsprogramm zur Ausführung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beinhaltet oder zumindest mit diesem zusammenarbeitet.

[0022] Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Radialschmiedemaschine zum Radialschmieden von Rohren aus metallischen Werkstücken, insbesondere aus Stahl, mit wenigstens 4 über den Umfang des Werkstücks angeordneten Schmiedewerkzeugen zur Verfügung gestellt, welche eingerichtet und angepasst sind, gleichzeitig die Schmiedeoperation zumindest über eine Teillänge des Werkstücks und/oder Rohres auszuführen, wobei die Radialschmiedemaschine gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung mit einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung verbunden ist oder zumindest mit dieser zusammenarbeitet. Hierdurch wird eine Radialschmiedemaschine zur Verfügung gestellt, die in der Lage ist, sämtliche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt verbundenen technischen Effekte sicher und reproduzierbar für den Anlagenbetreiber zur Verfügung zu stellen.

[0023] Wie eingangs bereits beschrieben, ist eine solche Radialschmiedemaschine insbesondere bevorzugt dazu angepasst und ausgelegt, das Radialschmieden von Rohren auszuführen. Dies erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Mitwirkung eines in das Werkstück oder Rohr eingeführten und während des Radialschmiedens dort angeordneten Dorns.

Ansprüche

1. Verfahren zur automatischen Stichplanberechnung beim Radialschmieden von Rohren aus metallischen Werkstücken, insbesondere aus Stahl, in einer Radialschmiedemaschine mit wenigstens vier über den Umfang des Werkstücks angeordneten Schmiedewerkzeugen, die eingerichtet und angepasst sind, gleichzeitig die Schmiedeoperation zumindest über eine Teillänge des Werkstücks und/oder des Rohres auszuführen, wobei Startparameter für den Schmiedevorgang, vorzugsweise Radialschmiedevorgang in ein Stichplanberechnungsprogramm eingegeben und Zielparameter für den Radialschmiedevorgang festgelegt werden und das Stichplanberechnungsprogramm auf Grundlage dieser Start- und Zielparameter einen Stichplan oder eine Schmiedeabfolge berechnet.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stichplanberechnungsprogramm neben der Werkzeuggeometrie und der maximal mögliche Presskraft die Temperaturentwicklung sowie die Temperaturverteilung über den Querschnitt des Rohres sowie die Formänderung beim Radialschmieden, berücksichtigt.

3. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialschmieden des Rohres mit in einer Rohrluppe als Werkstück eingebrachtem Dorn erfolgt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Rohres sich während des Radialschmiedens verringert, oder bei Radialschmieden auf einem Dorn die Wandstärke des Rohres sich vergrößert.

5. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stichplanberechnungsprogramm eine optimierte Formänderungsverteilung, vorzugsweise innerhalb eines vorab festgelegten Temperaturbereichs, im Werkstück berücksichtigt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stichplanberechnungsprogramm die optimierte Formänderungsverteilung und die Temperaturentwicklung sowie die Temperaturverteilung berücksichtigt.

7. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Startparameter zumindest die Ausgangsgeometrie des Werkstücks, dessen Abmessungen, Starttemperatur und Werkstoff umfassen.

8. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielparameter zumindest die Zielgeometrie des Rohres, dessen finale Wandstärke und Abmessungen sowie Formänderungsverteilung über den Querschnitt des Rohres, und/oder die Temperaturverteilung über den Querschnitt des Rohres, umfassen.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Zielparameter Temperaturentwicklung und Temperaturverteilung eine optimierte Formänderungsverteilung, insbesondere über die einzelnen Schritte des Schmiedeprozesses, durch das Stichplanberechnungsprogramm berechnet wird, oder dass anhand des Zielparameters einer optimierten Formänderungsverteilung die Temperaturentwicklung und Temperaturverteilung, insbesondere über die einzelnen Schritte des Schmiedeprozesses, berechnet werden.

10. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Zielparameter Temperaturentwicklung und Temperaturverteilung ein optimiertes Gefüge oder eine optimierte Gefügeverteilung durch das Stichplanberechnungsprogramm berechnet wird.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Gefüges als Zielparameter die Temperaturentwicklung und Temperaturverteilung berechnet werden.

12. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stichplanberechnungsprogramm durch Umformarbeit während des Radialschmiedens in das Werkstück oder Rohr eingebrachte Umformwärme berücksichtigt.

13. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stichplanberechnungsprogramm den Vorschub und den Werkstoff des Werkstücks oder Rohres berücksichtigt.

14. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren online mit einer Pressensteuerungseinheit verbunden ist und während des Radialschmiedevorgangs anhand von Messwerten und/oder berechneten Werten optimierte Steuerungsbefehle ausgeben kann.

15. Steuerungs- und/oder Regelungseinheit einer Radialschmiedemaschine mit einem Stichplanberechnungsprogramm zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.

16. Radialschmiedemaschine zum Radialschmieden von Rohren aus metallischen Werkstücken, insbesondere aus Stahl, wobei die Radialschmiedemaschine mit wenigstens vier über den Umfang des Werkstücks angeordneten Schmiedewerkzeugen, die eingerichtet und angepasst sind, gleichzeitig die Schmiedeoperation zumindest über eine Teillänge des Werkstücks und/oder der abgesetzten Welle auszuführen, und die die Radialschmiedemaschine mit einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit gemäß Anspruch 15 versehen ist.

17. Radialschmiedemaschine gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dorn zur Einführung in das Werkstück oder Rohr vorgesehen ist und die Radialschmiedeoperation mit in dem Werkstück angeordnetem Dorn durchführbar ist.