DE102010047868B4

DE102010047868B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Hohlblocks aus einem Block

Info

Publication number: DE102010047868B4
Application number: DE102010047868.7A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Pehle; Matthias Krahn; Christoph Horst
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2030-10-08
Also published as: DE102010047868A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Hohlblocks (1) aus einem Block (2) aus metallischem Material zur weiteren Verarbeitung zu einem nahtlosen Rohr, wobei ein Walzen des Materials über einem Lochdorn (3) erfolgt, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Treiben des Blocks (2) in einer Transportzone (4) in axiale Richtung (a) auf den Lochdorn (3) durch Ausübung einer in axiale Richtung (a) wirkenden Kraft (F); b) Walzen des Materials durch mindestens zwei um den Umfang des Blocks (2) herum angeordnete Walzen (5), so dass das Material gegen die radial außenliegende Oberfläche (6) des Lochdorns (3) gepresst wird und diesen kontaktiert, wobei die Schritte a) und b) simultan ablaufen und das Walzen so erfolgt, dass das Material in Umfangsrichtung aufgeweitet wird, jedoch in axiale Richtung (a) nicht gestaucht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlblocks aus einem Block aus metallischem Material zur weiteren Verarbeitung zu einem nahtlosen Rohr, wobei ein Walzen des Materials über einem Lochdorn erfolgt. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen eines Hohlblocks.
Bei der Herstellung nahtloser Rohre aus metallischem Werkstoff wird in einem Lochvorgang zunächst ein gegossener oder gewalzter Stahlblock zu einem dickwandigen Hohlkörper (Rohrluppe) ausgebildet. Dieser ersten Stufe des Lochprozesses schließt sich das Walzen in einem Schrägwalzwerk an.
Ein solches Walzverfahren in einem Planetenschrägwalzwerk ist beispielsweise aus der DE 101 07 567 A1 bekannt. Dabei wird dem Planetenschrägwalzwerk eine Rohrluppe zugeführt, die in einem Spalt zum fertigen nahtlosen Rohr gewalzt wird; der Spalt ist dabei zwischen einer Anzahl Planetenschrägwalzen und einem dornförmigen Innenwerkzeug ausgebildet.
Zum Lochen des metallischen Blocks sind das Pressen und das Schrägwalzen bekannt. Bei z. B. durch die EP 1 388 378 A1 oder US 6 089 066 A1 bekannt gewordenen Drei-Walzen-Schrägwalzverfahren ist zum Lochen des Ausgangsmaterials bzw. Blocks ein axial festgelegter Lochdorn vorgesehen, über den der Block durch die Walzen mit Vorschub auf den Block bzw. das sich ausbildende Rohr gewalzt wird.
Nachteilig ist bei der Technik des Lochpressens die Beschränkung der Länge des eingesetzten Materials aufgrund der damit steigenden Exzentrizität. Außerdem ist hier ein zusätzlicher Streckwalzprozess erforderlich.
Auch das Lochen von Blöcken durch Schrägwalzen hat Nachteile: Bei diesem Verfahren handelt es sich um einen Walzvorgang, der zwischen zueinander geneigt stehenden Walzen mit gleichem Drehsinn stattfindet; hierbei bewirkt die Schräglage der Walzen eine axiale Bewegung des Hohlblockes. Um beispielsweise mit dem Zweiwalzen-Schragwalzverfahren außerhalb der Umformzone eine freie Walzgutbewegung zu vermindern, kommen beim Schrägwalzlochen Führungsleisten bzw. -scheiben zum Einsatz, die den Walzspalt an den offenen Seiten begrenzen.
Problematisch ist dabei allerdings, dass – um schädigungsfrei lochen zu können – an die Herstellung bestimmter austenitischer Stähle hohe Anforderungen bezuglich der Metallurgie, der Gefüge und der Seigerungsausbildung gestellt werden müssen, die nur aufwändig zu erfüllen sind. Außerhalb der Umformzonen kommt es durch den Werkstofffluss in Umfangsrichtung des Walzguts zu einer Biegewechselbeanspruchung, die bei diesen Stahlgruppen zu Rissbildungen führen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlblocks aus einem Block sowie eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen, mit dem bzw. mit der es möglich ist, den Lochvorgang mit geringerer Materialbelastung durchzuführen, d. h. es soll verhindert werden, dass es zu einer materialschädlichen freien Werkstoffbewegung während des Lochvorgangs kommt.
Die Lösung dieser Aufgabe durch Erfindung ist verfahrensgemäß gekennzeichnet durch die Schritte:

a) Treiben des Blocks in einer Transportzone in axiale Richtung auf den Lochdorn durch Ausübung einer in axiale Richtung wirkenden Kraft;
b) Walzen des Materials durch mindestens zwei um den Umfang des Blocks herum angeordnete Walzen, so dass das Material gegen die radial außenliegende Oberfläche des Lochdorns gepresst wird und diesen kontaktiert,

Durch das Walzen des Materials im Bereich des Lochdorns wird bevorzugt eine axiale Vorschubkraft auf das Material ausgeübt.
Beim Walzen des Materials wird mit Vorteil ein Walzspalt zwischen der radial äußeren Oberfläche des Lochdorns und den Walzen aufrecht erhalten, der sich in fortschreitende axiale Richtung radial vergrößert mit gleichzeitig abnehmender Wanddicke des Walzguts.
Im Bereich des Lochdorns kann an unterschiedlichen axialen Positionen der Querschnitt des Walzguts in einem Schnitt senkrecht auf die axiale Richtung gleich groß sein. Es ist also bevorzugt vorgesehen, dass in allen Querschnitten senkrecht zur Längsachse des Hohlblocks im Bereich des Lochdorns jeweils gleiche Querschnittsflächen vorliegen. Das zu walzende Material wird in axiale Richtung dann weder beschleunigt noch verzögert, womit sich erreichen lässt, dass der fertige Hohlblock dieselbe axiale Länge hat wie der Block vor dem Lochen.
In der Transportzone kann das Walzgut über eine vorgegebene axiale Erstreckung zylindrisch gewalzt werden.
Eine spezielle Ausführungsform sieht vor, dass das Ausmaß einer Triangulationsbildung oder einer Ovalbildung gemessen wird, wobei auf mindestens einen Prozessparameter Einfluss genommen wird, wenn ein vorgegebenes Ausmaß überschritten wird. Bei diesem Prozessparameter handelt es sich beispielsweise und bevorzugt um die Vorschubgeschwindigkeit des Blocks.
Die Vorrichtung zum Herstellen eines Hohlblocks aus einem Block aus metallischem Material zur weiteren Verarbeitung zu einem nahtlosen Rohr, die einen Lochdorn aufweist sowie mindestens zwei Walzen am Umfang des Walzguts, sieht erfindungsgemäß Mittel zum Aufbringen einer axialen Kraft auf den Block simultan zum Walzen und zum Pressen desselben gegen den Lochdorn vor, wobei der Lochdorn und die Walzen so ausgebildet sind, dass sie zum Aufrechterhalten des Kontakts zwischen Walzgut und radial außenliegender Oberfläche des Lochdorns geeignet sind.
Es soll somit stets Kontakt des Walzguts an der radial außenliegenden Oberfläche des Lochdorns vorliegen, so dass dieser eine Führungsfunktion für das zu walzende Material hat.
Um den Umfang des Walzguts können drei oder vier Walzen angeordnet sein, wobei die Walzen insbesondere als Planetwalzen ausgebildet sind, wobei deren Achsen zur Längsachse des Walzguts einen Winkel einschließen.
Der Lochdorn und die Walzen sind bevorzugt so ausgebildet, dass der Walzspalt zwischen der radial äußeren Oberfläche des Lochdorns und den Walzen in fortschreitende axiale Richtung radial größer wird mit gleichzeitig abnehmender Wanddicke des Walzguts.
Die Walzen können ortsfest gelagert sein und mit einem Antrieb in Verbindung stehen.
Die Erfindung stellt also auf das Lochen eines Hohlblocks bevorzugt durch das Schrägwalz-Verfahren ab.
Gemäß der Erfindung wird zur Verhinderung der angesprochenen freien Werkstoffbewegung, die die schädigende Biegewechselbeanspruchung zur Folge hat, der Block bei der Herstellung des Hohlblocks über das Innenwerkzeug, d. h. den Lochdorn, getrieben. Dies erfolgt bevorzugt mit einem über eine Transportzone den Vorschub bewirkenden Stempel. Hierbei ist weiter vorgesehen, dass das Umformgut (d. h. der Block bzw. der Hohlblock) durch die Rotationsbewegung von zwei oder mehr schräg gestellten Walzen so umgeformt wird, dass das Walzgut in Axialrichtung transportiert und in Umfangsrichtung gestreckt, d. h. aufgeweitet wird.
Der durch die Dorngeometrie teilweise zwangsgeführte Materialfluss in Umfangsrichtung verhindert die freie Werkstoffbewegung und die damit ansonsten einhergehende Biegewechselbeanspruchung des Materials. Die gesamte Umformung geht in die Aufweitung des Hohlblocks, der nach dem Lochen die Länge des Ausgangsblocks aufweist, d. h. die Blocklänge und die Hohlblocklänge sind gleich.
Es lassen sich damit warm gefertigte nahtlose Rohre aus hoch legiertem Stahl durch Schrägwalzen herstellen, wobei auch bei Verhältnissen des Außendurchmessers zur Wandstärke von mehr als 5 eine Materialbewegung außerhalb der Zone des unmittelbaren Walzkontaktes schädigungsfrei kontrolliert werden kann.
Im Blockkern wird vorteilhaft im wesentlichen ein Druckspannungszustand bewirkt, der einem Aufreißen im Kern entgegenwirkt. Durch die vom Dorn bzw. dessen Geometrie aufgeprägte Materialbewegung sind beim Dreiwalzen-Schrägwalzprozess zum Schließen des Umformraumes keine wie beim Zweiwalzen-Schrägwalzverfahren verwendeten Einbauten notwendig.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
1 einen Radialschnitt durch einen Teil eines Dreiwalzen-Schrägwalzwerk, mit dem ein Block zu einem Hohlblock gewalzt wird;
2 den Schnitt A-B gemäß 1; und
3 den Schnitt C-D gemäß 1.
In 1 ist ein Drei-Walzen-Schrägwalzwerk angedeutet, das nicht näher beschrieben werden muss, da es als solches bekannt ist. Ein Lochdorn 3, der am axialen Ende einer Dornstange 8 befestigt ist, ist ortsfest in axialer Richtung a angeordnet. Ein massiver Block 2 wird zu einem Hohlblock 1 verarbeitet, indem der Block 2 über den Lochdorn 3 gewalzt wird. Das Walzen erfolgt mit drei um den Umfang gleichförmig herum angeordneten Walzen 5, von denen nur eine skizziert ist. Es handelt sich um Schrägwalzen, d. h. deren Achse b und die axiale Richtung a sind windschief (d. h. sie sind nicht parallel und sie schneiden sich nicht).
Wesentlich ist, dass ein Mittel 7 zum Aufbringen einer axialen Kraft vorhanden ist, nämlich ein Pressstempel, der mit seiner stirnseitigen Endfläche auf den Block 2 presst und so mit einer Kraft F gegen den Lochdorn 3 drückt. Der Block 2 wird über eine Transportzone 4, die an der axialen Position endet, an der der Lochdorn 3 beginnt, durch den Pressstempel 7 in den sich ergebenden Walzspalt zwischen den Walzen 5 und der radial außenliegenden Oberfläche 6 des Lochdorns 3 eingeführt. Im Bereich der Transportzone 4 haben die Walzen 5 einen Walzenabschnitt 9, der den Block 2 zylindrisch walzt. Aufgrund der Schrägstellung der Walzachse zur axialen Richtung a hat dies allerdings eine Förderung des Blocks 2 in axiale Richtung a zur Folge.
Wie gesehen werden kann, wächst in axiale Richtung a der Walzspalt zwischen der Walze 5 und der radial außenliegenden Oberfläche 6 des Lochdorns radial stetig an, während die Wanddicke s kontinuierlich abnimmt. Die entsprechenden Schnitte A-B und C-D sind in 2 bzw. in 3 gezeigt.
Die Konturierung der Walze 5 im Bereich des Walzspalts und der radial außenliegenden Oberfläche 6 des Lochdorns 3 ist dabei fachmännisch so gewählt, dass das zu walzende Material stets am Lochdorn 3 anliegt. Weiterhin weitet sich der Walzspalt über die axiale Richtung a aber radial so auf, dass bei entsprechender Abnahme der Wanddicke s weder eine Streckung noch eine Stauchung des Materials erfolgt. Dies hat zur Folge, dass die Länge des Walzguts in axiale Richtung a unverändert bleibt.
Der Umformprozess kann durch ein Mess- und Regelsystem unterstützt werden, das die Ovalisierung oder Triangilisierung des Walzgutes direkt oder indirekt misst und die Vorschubgeschwindigkeit oder einen anderen Umformparameter so steuert bzw. regelt, dass eine maximale Ovalisierung nicht überschritten wird.
Der Umformprozess kann zusätzlich durch Führung zwischen den Walzen unterstützt werden, die eine Ovalisierung ver- bzw. behindern.
Das Walzgut wird also in einem an sich bekannten Schrägwalzwerk zwischen den schräg gestellten Walzen über den Lochdorn gelocht. Von der dem Lochdorn 3 gegenüberliegenden Seite wird das Walzgut vom Pressstempel 7 über den Lochdorn 3 getrieben, wobei der Stempel den Vorschub über die Transportzone 4 mit einer für den Transport benötigten Reduktion bewirkt. Das Walzgut wird dabei von der Geometrie des Dorns im Zusammenspiel mit den Walzen lediglich aufgeweitet bzw. nur in Umfangsrichtung zunehmend gestreckt, wie es den Schnittdarstellungen gemäß 2 und 3 entnommen werden kann.
Der vorgeschlagene Prozess vermindert somit die schädliche Belastung des Materials beim Lochen, indem es im Blockkern im wesentlichen einen Druckspannungszustand bewirkt, der einem Aufreißen im Kern entgegenwirkt. Durch die aus der Dorngeometrie aufgeprägte Materialbewegung kann auf ein Schließen des Umformraums durch spezielle Einbauten verzichtet werden, wie sie für Zwei-Walzen-Verfahren bekannt sind.
In vorteilhafter Weise wird so ein Hohlblock erzeugt, der optimale Materialeigenschaften aufweist, da eine sehr materialschonende Umformung ermöglicht wird.
Bezugszeichenliste

1: Hohlblock
2: Block
3: Lochdorn
4: Transportzone
5: Walze
6: radial außenliegende Oberfläche
7: Mittel zum Aufbringen einer axialen Kraft (Pressstempel)
8: Dornstange
9: Walzenabschnitt
a: axiale Richtung
b: Achse der Walze
F: Kraft
s: Wanddicke

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Hohlblocks (1) aus einem Block (2) aus metallischem Material zur weiteren Verarbeitung zu einem nahtlosen Rohr, wobei ein Walzen des Materials über einem Lochdorn (3) erfolgt, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Treiben des Blocks (2) in einer Transportzone (4) in axiale Richtung (a) auf den Lochdorn (3) durch Ausübung einer in axiale Richtung (a) wirkenden Kraft (F); b) Walzen des Materials durch mindestens zwei um den Umfang des Blocks (2) herum angeordnete Walzen (5), so dass das Material gegen die radial außenliegende Oberfläche (6) des Lochdorns (3) gepresst wird und diesen kontaktiert, wobei die Schritte a) und b) simultan ablaufen und das Walzen so erfolgt, dass das Material in Umfangsrichtung aufgeweitet wird, jedoch in axiale Richtung (a) nicht gestaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Walzen des Materials im Bereich des Lochdorns (3) eine axiale Vorschubkraft auf das Material ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Walzen des Materials ein Walzspalt zwischen der radial äußeren Oberfläche des Lochdorns (3) und den Walzen (5) aufrecht erhalten wird, der sich in fortschreitende axiale Richtung (a) radial vergrößert und gleichzeitig eine abnehmende Wanddicke (s) des Walzguts zur Folge hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Lochdorns (3) an unterschiedlichen axialen Positionen der Querschnitt des Walzguts in einem Schnitt senkrecht auf die axiale Richtung (a) gleich groß ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Transportzone (4) das Walzgut über eine vorgegebene axiale Erstreckung zylindrisch gewalzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausmaß einer Triangulationsbildung oder einer Ovalbildung gemessen wird, wobei auf mindestens einen Prozessparameter Einfluss genommen wird, wenn ein vorgegebenes Ausmaß überschritten wird, wobei insbesondere auf die Vorschubgeschwindigkeit des Blocks (2) Einfluss genommen wird.
Vorrichtung zum Herstellen eines Hohlblocks (1) aus einem Block (2) aus metallischem Material zur weiteren Verarbeitung zu einem nahtlosen Rohr, die einen Lochdorn (3) aufweist sowie mindestens zwei am Umfang des Walzguts angreifende Walzen (5), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Mittel (7) zum Aufbringen einer axialen Kraft (F) auf den Block (2) simultan zum Walzen und zum Pressen desselben gegen den Lochdorn (3), wobei der Lochdorn (3) und die Walzen (5) so ausgebildet sind, dass sie zum Aufrechterhalten des Kontakts zwischen Walzgut und radial außenliegender Oberfläche (6) des Lochdorns (3) geeignet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass um den Umfang des Walzguts drei oder vier Walzen (5) angeordnet sind, deren Achsen zur Längsachse des Walzguts einen Winkel einschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochdorn (3) und die Walzen (5) so ausgebildet sind, dass der Walzspalt zwischen der radial äußeren Oberfläche des Lochdorns (3) und den Walzen (5) in fortschreitende axiale Richtung (a) radial größer wird mit gleichzeitig abnehmender Wanddicke (s) des Walzguts.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzen (5) ortsfest gelagert sind und mit einem Antrieb in Verbindung stehen.