DE10108861B4

DE10108861B4 - Einrichtung zur Herstellung eines nahtlosen Hohlkörpers mit Boden oder eines nahtlosen Rohres aus Stahl

Info

Publication number: DE10108861B4
Application number: DE2001108861
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Nickel; Theodor Schmitz; Hans-Jürgen Schlüssel; Alexander Dr. Borowikow; Holger Blei
Original assignee: V&M Deutschland GmbH
Current assignee: Vallourec Deutschland GmbH
Priority date: 2001-02-15
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: DE10108861A1

Abstract

Einrichtung zur Herstellung eines nahtlosen Hohlkörpers mit Boden oder eines nahtlosen Rohres aus Stahl im Abmessungsbereich von 200 bis 1550 mm Außendurchmesser und einer Wanddicke von 20 bis 250 mm mittels eines Zieh-Press-Verfahrens bestehend aus einer Matrize und einem damit zusammenwirkenden zylindrischen Lochdorn sowie einem Ziehdorn mit Kugelkappe und mindestens einem damit zusammenwirkenden Ziehring, dadurch gekennzeichnet, dass, im Bodenbereich der Matrize, der Übergangsabschnitt (16) vom zylindrischen Abschnitt (14) zum Boden (15) einem Parabelast entspricht und der Übergangsabschnitt (16) zum Boden (15) hin in Form einer Tangente anschließt und der Anschluss zum zylindrischen Abschnitt (14) unter einem Winkel α erfolgt, der im Bereich von 28–35° liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Herstellung eines nahtlosen Hohlkörpers mit Boden oder eines nahtlosen Rohres aus Stahl im Abmessungsbereich von 200 bis 1550 mm Außendurchmesser und einer Wanddicke von 20 bis 250 mm gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Das bekannte Zieh-Press-Verfahren ist beispielsweise im Stahlrohr-Handbuch, 10. Auflage (Oktober 1987), Vulkan-Verlag, Seite 138 – 140 und im Firmenprospekt der Mannesmannröhren-Werke (Seamless Hollow Bodies for High-Pressure Engineering, manufactured by the Pierce and Draw Process, Issue Feb. 1972) veröffentlicht. Bei diesem im Jahre 1899 von Heinrich Ehrhardt entwickelten Verfahren wird ein Gussblock, heutzutage kann dies auch ein Stranggussblock sein, in einem Tiefofen auf Umformtemperatur erwärmt und nach Einsetzen in eine Matrize einer vertikalen Lochpresse mittels eines Lochdornes zu einem Hohlblock mit einem kegelstumpfartig ausgebildeten Boden gepresst. Nach dem Ausstoßen aus der Matrize wird der Hohlblock abgestreckt, indem er mittels eines in den Hohlblock eingeschobenen Ziehdornes durch mindestens einen, im Regelfall mehrere, im Durchmesser sich werkleinernde Ziehringe gestoßen wird. Je nach Werkstoff und Anzahl der Züge kann es erforderlich sein, zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zügen eine Nacherwärmung vorzusehen.

Den Skizzen auf Seite 7 und 8 des genannten Firmenprospektes ist zu entnehmen, dass die äußere Kontur des angepressten Bodens einem Kegelstumpf entspricht. Dies hat zur Folge, dass nach einem Abstrecken, beispielsweise über mehrere Ziehringe, sich eine Querschnittskonfiguration im Bodenbereich einstellen kann, bei der der Durchmesser des zylindrischen Teiles des Hohlblockes in etwa dem Durchmesser der stirnseitig angepressten geraden Bodenfläche entspricht. Bei einer solchen Konstellation ist nicht auszuschließen, dass der in den Hohlblock eingeschobene Ziehdorn beim nächsten Ziehring den Baden durchstößt oder Kräfte so stark ansteigen, dass die Presskraft der Ziehpresse nicht mehr ausreicht, um den Hohlblock durch den nächst kleineren Ziehring zu stoßen.

Diesem Umstand hat man bisher dadurch Rechnung getragen, dass kurz vor Erreichen dieses Zustandes der Hohlblock von der Ziehlinie genommen und unter eine separate Schmiedepresse gelegt wurde. Mit Hilfe dieser Schmiedepresse wurde der Bodenbereich beigehalten, oder anders ausgedrückt: eine dickwandige Angel angeformt. Da der Hohlblock sich bei diesem Prozess stark abkühlt, ist nach diesem Beihalteprozess eine Nacherwärmung von mindestens 60 Minuten erforderlich.

Nachteil dieser Verfahrensweise ist zum einen die Unterbrechung der Fertigung mit einem einhergehenden Zeitverlust sowie der Energieverbrauch für das lange Nacherwärmen. Zum anderen besteht die Gefahr des Verschmiedens, d. h. dass die Mittelachse der angeschmiedeten Angel nicht mit der Mittelachse des Hohlblockes fluchtet. Dies führt dann zu starken Exzentrizitäten im Hohlblock, die unter Umständen den Ausschuss des Teiles bedeuten können. In jedem Fall wird aber der spätere Bearbeitungsaufwand erheblich erhöht und erschwert.

In der DE 198 52 537 A1 ist ebenfalls ein Zieh-Press-Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen Hohlkörpers mit Boden oder eines nahtlosen Rohres offenbart. Bei diesem Verfahren wird beim Lochen zum Hohlblock ein Boden angeformt, dessen Material vom Randbereich mehr zur Mitte hin verlagert ist und beim Abstrecken des so hergestellten Hohlblockes wird ein Dorn mit einem keglig ausgebildeten Ende verwendet. Im Bodenbereich der Matrize entspricht der Übergangsabschnitt vom Boden zum zylindrischen Abschnitt in erster Näherung einem Hyperbelast, wobei der konkav ausgebildete mittlere Abschnitt jeweils mittels eines daran angrenzenden konvexen Abschnittes in den Boden bzw. in den zylindrischen Abschnitt übergeht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Herstellung eines nahtlosen Hohlkörpers mit Boden oder eines nahtlosen Rohres der gattungsgemäßen Art anzugeben, mit dem die zuvor geschilderten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Nach der Lehre der Erfindung wird beim Lochen an den Blockboden eine kugelkappenförmige Außenkontur angepresst, wobei die Flanken der Außenkontur einen Parabelast darstellen. Beim nachfolgenden Abstrecken des Hohlblockes wird ein Ziehdorn mit einem Endbereich verwendet, der einer Kugelkappe entspricht.

Die vorgeschlagene Verfahrensweise hat den Vorteil, dass der bisher erforderliche Zwischenschritt des Beihaltens des Bodens entfallen und die Nacherwärmung sich auf eine übliche Zeit von 20 Minuten statt bisher 60 Minuten reduziert. Außerdem wird die Gefahr eines Bodendurchreißens oder eines Steckers vermieden. Die Produktivität wird mit diesem Verfahren erheblich gesteigert und es wird eine signifikante Menge an Energie eingespart.

Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der zylindrische Lochdorn mit einer konkav eingezogenen Stirnfläche und einem scharfkantigen Übergang zwischen Mantellinie und Stirnfläche versehen ist. Diese Ausbildung erleichtert den Materialfluss beim Lochen und die gewünschte Anformung der kugelkappenförmigen Außenkontur des Bodens des Hohlblockes.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung soll der Radius der Kugelkappe des Ziehdornes in einem bestimmten Verhältnis zum Radius des Hohlblockbodens stehen, damit während des Ziehens beim Strecken des Bodens durch den radialen Materialfluss eine Mindest-Wanddicke eingehalten wird, die größer ist als die für ein Bodenreißen kritische Wanddicke. Vorzugsweise soll das genannte Verhältnis ≤ 0,75 sein. Eine weitere Verbesserung beim Ziehprozess wird dadurch erreicht, dass auf der Kugelkappe des Ziehdornes in unterschiedlich, senkrecht zur Mittelachse liegenden Durchmesserebenen umlaufende Ausnehmungen mit einer Tiefe im Bereich von 10 – 50 mm angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen als Hohlkehle ausgebildet.

Wertere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von einer in Prinzipskizzen dargestellten Verfahrensweise. Es zeigen:

1a Lochen zum Hohlblock nach neuer Verfahrensweise

1b Einschieben des Ziehdornes mit Kugelkappe in den Hohlblock

1c Abstrecken

2 einen halbseitigen Querschnitt einer Matrize mit neuer Mantellinienkontur

3a im Längsschnitt den Endbereich eines Ziehdornes mit Kugelkappe

3b Schnitt A-A in 3a

In den 1a – 1c ist die vorgeschlagene Verfahrensweise im Einzelnen dargestellt.
1a zeigt den ersten Arbeitsschritt – Lochen des zuvor auf Umformtemperatur erwärmten Blockes – mittels einer vertikalen Lochpresse. Die Hauptbestandteile der Lochpresse sind ein Lochdorn 2, eine Matrize 3, die in einem Matrizenhalter 4 angeordnet ist, sowie ein unten in der Matrize 3 angeordneten Auswerfer 5. Der Auswerfer 5 dient zum Ausschieben des fertiggepressten Hohlblockes 1. Charakteristisch für den hier verwendeten Lochdorn 2 ist die konkave Ausnehmung 8 im Stirnflächenbereich und der scharfkantige Übergang 9 von der Stirnfläche 13 zur Mantellinie 10 des Lochdornes 2. Die Einzelheiten der konstruktiven Gestaltung der Matrize 3 sind in 2 erläutert. Das Zusammenwirken der vorgeschlagenen Form der Matrize 3 und des Lochdornes 2 bewirkt die Erzeugung einer bestimmten Außenkontur 11 des Bodens 6. Wein 1b zu erkennen ist, entspricht die Außenkontur 11 des Bodens 6 einem Parabelast.
Der so erzeugte Hohlblock 1 wird durch wenigstens einen Ziehring 7 gestoßen und dafür in den Hohlblock 1 ein Ziehdorn 12 mit einem als Kugelkappe 18 ausgebildeten Endbereich eingeschoben. Die näheren Einzelheiten sind in den 3a und 3b erläutert. Das Ergebnis eines ersten Abstreckstiches zeigt 1c. Die vorgepresste Bodenform 6 des Hohlblockes 1 bildet zusammen mit dem Ziehdorn 12 einen Boden 6', der in etwa einer Halbkugel entspricht. Diese Form ist besonders geeignet, um ein Abstrecken durch weitere Ziehringe ohne Gefahr eines Bodenreßens oder eines Steckers zu ermöglichen.
In 2 ist in einem halbseitigen Querschnitt der Bodenbereich einer erfindungsgemäß ausgebildeten Matrize 3 dargestellt. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass der Übergangsabschnitt 16 vom zylindrischen Abschnitt 14 zum Boden 15 einem Parabelast entspricht, dessen Parameter sich aus den konkreten Matrizenabmessungen ergeben. Der Übergangsabbschnittt 16 schließt sich zum Boden 15 hin in Form einer Tangente an, während der Anschluss zum zylindrischen Abschnitt 14 unter einem Winkel α erfolgt. Dieser Winkel α beträgt vorzugsweise 28 – 35 Grad. Charakteristisch ist auch noch das Verhältnis des Durchmessers D1 des Bodens 15 zum Durchmesser D2 des zylindrischen Abschnittes 14 der Matrize 3. Dieses Verhältnis sollte ≤ 0,5 sein. Der Schnittpunkt 17 zwischen dem Übergangsabschnitt 16 und dem zylindrischen Abschnitt 14 definiert eine Höhe H, die vorzugsweise in einem Bereich von 160 bis 320 mm liegt und eine Funktion des Verhältnisses Matrizendurchmesser D₂ zum Lochdorndurchmesser darstellt.
3 zeigt eine Möglichkeit der Herstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Ziehdornes 12 mit einer im Endbereich 19 angeordneten Kugelkappe 18. Um den vorhandenen Bestand an Ziehdornen auch für das neue Verfahren nutzen zu können, wird an den konisch ausgebildeten Endbereich 19 eine Kugelkappe 18 befestigt. Dabei geht der konisch ausgebildete Endbereich 19 nahezu absatzlos in die Kugelkappe 18 über Die Kugelkappe 18 weist einen Zapfen 20 auf, der mit einer Nut 21 versehen ist. In diese Nut 21 greifen zwei Bolzen 22, 22' ein, die mit Schrauben 23 und Verschlussteilen 24 gehalten sind. Erfindungsgemäß sind auf der Kugelkappe 18 in verschiedenen, senkrecht zur Mittelachse 25 stehenden Durchmesserebenen Ausnehmungen 26 angeordnet. Vorzugsweise sind diese als Hohlkehlen ausgebildet.
Bezugszeichenliste

Claims

Einrichtung zur Herstellung eines nahtlosen Hohlkörpers mit Boden oder eines nahtlosen Rohres aus Stahl im Abmessungsbereich von 200 bis 1550 mm Außendurchmesser und einer Wanddicke von 20 bis 250 mm mittels eines Zieh-Press-Verfahrens bestehend aus einer Matrize und einem damit zusammenwirkenden zylindrischen Lochdorn sowie einem Ziehdorn mit Kugelkappe und mindestens einem damit zusammenwirkenden Ziehring, dadurch gekennzeichnet, dass, im Bodenbereich der Matrize, der Übergangsabschnitt (16) vom zylindrischen Abschnitt (14) zum Boden (15) einem Parabelast entspricht und der Übergangsabschnitt (16) zum Boden (15) hin in Form einer Tangente anschließt und der Anschluss zum zylindrischen Abschnitt (14) unter einem Winkel α erfolgt, der im Bereich von 28–35° liegt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Lochdorn (2) mit einer konkaven Ausnehmung (8) im Stirnflächenbereich und einem scharfkantigen Übergang zwischen Mantellinie (10) und Stirnfläche (13) versehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zylindrischen Schaft des Ziehdornes (12) und der Kugelkappe (18) ein konischer sich in Richtung der Kugelkappe verjüngender Abschnitt (19) vorgesehen ist, der nahezu absatzlos in die Kugelkappe (18) übergeht.
Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Radius der Kugelkappe (18) des Ziehdornes (12) zum Radius des Hohlkörperbodens ≤ 0,75 ist, so dass während des Ziehens beim Strecken des Bodens durch den radialen Materialfluss eine Mindest Wanddicke eingehalten wird, die größer ist als die für ein Bodenreißen kritische Wanddicke.
Einrichtung nach den Ansprüchen 3 – 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kugelkappe (18) des Ziehdornes (12) in unterschiedlichen, senkrecht zur Mittelachse liegenden Durchmesserebenen umlaufende Ausnehmungen (26) angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (26) als Hohlkehlen ausgebildet sind.