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Verfahren zur Steuerung der Verstellung der Biegewalzen einer Schraubennahtrohrmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Verstellung der Biegewalzen
einer Schraubennahtrohrmaschine.
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Das Biegesystem derartiger Schraubennahtrohrmaschinen besteht aus
mehreren, radial zur Rohrachse verschiebbaren Rollen, die in Reihen je auf einem
Balken abgestützt
sind und zum Biegen des einlaufenden ebenen Bandes
in die Kreisrohrform in dreieckförmiger Anordnung oberhalb und unterhalb an dem
Band angreifen und mit einer nachgeordneten Außen-oder Innenführung für das rohrförmig
gebogene Band zusammenwirken. Durch entsprechende radiale Einstellung der Biegewalzen
lassen sich Rohre unterschiedlichen Durchmesssers herstellen.
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Es ist eine Methode bekannt (DT-OS 2 253 025), der die Aufgabe zugrundeliegt,
Abweichungen in dem gewünschten Rohrdurchmesser zu vermeiden, die durch Dickenunterschiede
in Längs-und Querrichtung des Bandes entstehen. Zu diesem Zwecke wird hierbei das
Band vor seinem Eintritt in die Biegewalzen hinsichtlich seiner Breite und seiner
Stärke laufend vermessen, um aus den ermittelten Meßwerten Steuerimpulse zum Einstellen
der Biegewalzen und zur Lageveränderung der diesen nachgeschalteten Führung zu erhalten.
Diese bekannte Methode hat also den Zweck, unabhängig von den durch die schwankende
Banddicke und Bandbreite gegebenen Verhältnissen den Durchmesser des durch Schweißung
des Bandes erhaltenen Rohres konstant zu halten.
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Seitens des Kundenkreises für Schraubennahtrohrmaschinen wird gelegentlich
die Forderung erhoben, daß das durch Schweißung hergestellte Rohr praktisch kein
Aufspringmaß besitzt, d.h.,
daß ein aus dem Rohr entnommener, in
axialer Richtung aufgetrennter Probering nach erfolgter Auftrennung seinen Durchmesser
nicht verändert. Bei einem Aufspringmaß Null, das einerseits durch die Materialeigenschaften
des Bandes und andererseits durch die Einstellung der Biegewalzen auf den Verformungsdurchmesser
bestimmt wird, müssen also die in dem zu einem Rohr geformten Band gegebenen Druck-
und Zugspannungen bzw. die daraus resultierenden inneren Momente im Gleichgewicht
stehen, da andernfalls der aufgeschnittene Probering seinen Durchmesser in der einen
oder anderen Richtung solange verändern würde, bis diese Spannungen sich im Gleichgewicht
befinden.
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Die Einhaltung eines Aufspringmaßes Null bzw. eines eingegrenzten
Aufspringmaßes kann auch dann vorteilhaft und wünschenswert sein, wenn das Band
in der Rohrformmaschine nur durch eine Heftschweißung zum Rohr verschweißt wird
und die schnell gefahrene, dünne Heftnaht während des Erkaltens keinen unzulässigen
Kräften und Spannungen ausgesetzt werden soll.
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Die eingangs geschilderte bekannte Methode ist zur Herstellung von
Rohren mit dem Aufspringmaß Null bzw. mit eingegrenztem Aufspringmaß nicht geeignet,
da sie nicht die Materialeigenschaften
des Bandes, nämlich seine
vor dem Fließen auftretende elastische Spannung, berücksichtigt und zum anderen,
weil die Vermessung des Bandes auf mechanischem Wege erfolgt, wobei die auf den
beiderseitigen Oberflächen des Bandes durch Zunder gebildeten Schichten in die Stärkemessung
eingehen, was zwangsläufig zu fehlerhaften Meßwerten führen muß, da für die elastische
Spannung des Bandes ausschließlich die metallische Banddicke maßgebenrlist und schließlich,
weil eine mechanische Abtastung, die für den Rohrwerksbetrieb hinreichend robust
ist, hinsichtlich der einerseits möglichen und der andererseits erforderlichen Genauigkeit
problematisch ist.
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Ein Rohr besitzt dann das Aufspringmaß Null, wenn der Durchmesser
des fertig verschweißten Rohres derjenigen Bandkrümmung entspricht, auf die das
aus dem Dreiwalzen-Biegesystem austretende Band frei zurückfedern will, um die in
ihm befindlichen Spannungen zum Ausgleich zu bringen. In den Biegewalzen muß daher
das Band auf eine Krümmung gebracht werden, die kleiner ist als die Krümmung des
fertigen Rohres, und der beim Austritt aus den Biegewalzen sich frei einstellende
Durchmesser muß dem gewünschten Fertigdurchmesser des Rohres entsprechen, d.h.,
der Einstellung des anschlieRenden äußeren oder inneren Führungssystems.
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Die das Aufspringmaß bestimmenden Bandeigenschaften sind die Banddicke
s und die maximale vor dem Fließen auftretende elastische Spannung 8 max. Wenn die
Werte s und tr max konstant bleiben, bleibt auch der Wert d des Verformungsdurchmessers
(Einstelldurchmesser des Dreiwalzen-Biegesystems) konstant. Dann würde es ausreichen,
beim Beginn der Rohrherstellung durch mehrere Proberinge und entsprechendes Nachjustieren
der Einstellung der Biegewalzen, d. h. durch Nachjustieren der Einstellung des Wertes
d, das Aufspringmaß auf den Wert praktisch Null einzugrenzen. Da aber sowohl der
Wert s wie auch der Wert 6 max nicht über die gesamte Bandlänge konstant sind, sondern
innerhalb genormter Toleranzgrenzen schwanken, wird entweder bei gleichbleibendem
Wert d das Aufspringmaß entsprechend schwanken oder aber, um das Aufspringmaß auf
dem Wert Null zu halten, muß der Wert d durch entsprechende Einstellung der Biegewalzen
verstellt werden.
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Durch die Anmelderin, die sich mit der Herstellung von Schraubennahtrohrmaschinen
für Röhre mit dem Aufspringmaß Null befaßt, ist es bekannt (DT-AS 2 212 744), die
beim Biegen des Bandes zum Rohr an wenigstens einer Biegewalze auftretende Belastung
zu messen und bei sich ändernder Belastung die Verstellung der Biegewalze um ein
bestimmtes Wegstück zu steuern, dessen Größe zuvor aus der Beziehung zwischen den
Bandbedingungen,
insbesondere Materialart, Dicke und Breite einerseits und der daraus resultierenden
Belastung auf die Biegewalze andererseits, ermittelt worden ist. Bei dieser bekannten
Methode sollen zwar schon die Werte 6 max und s durch Messung der Belastung berücksichtigt
werden, da diese an den Biegewalzen gemessene Belastung durch den Wert < max
und auch durch den Wert s beeinflußt wird.
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Bei ihren späteren Untersuchungen hat die Anmelderin jedoch festgestellt,
daß die Messung der an den Biegewalzen auftretenden Belastung zu keiner eindeutigen
Einstellung des Wertes d und damit zu keinem Rohr führt, das über seine gesamte
Länge das Aufspringmaß Null besitzt, angesichts der Erkenntnis, daß die Werte 8
max und s in unterschiedlichem Maße in die an den Biegewalzen gemessene Belastung
eingehen, so daß diese gemessene Belastung bei Änderung des Wertes § max und/oder
des Wertes s keinen eindeutigen Parameter für die Einstellung des Wertes d durch
die Biegewalzen bietet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Methode
so auszubilden, daß die das Aufspringmaß bestimmenden Werte tP max und s so ausgewertet
werden, daß das Aufspringmaß durch entsprechende Einstellung des Wertes d so gesteuert
werden kann, daß es bei beliebigen Schwankungen der Werte
8 max
und s den Wert Null erhält.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in an sich
bekannter Weise fortlaufend die an der ersten und/oder zweiten undtoder dritten
Biegewalze auftretende Belastung gemessen wird, daß gleichzeitig die metallische
Dicke des Bandes gemessen wird und daß bei sich ändernder Belastung und/oder bei
sich ändernder Bandstärke die Verstellung der Biegewalzen um ein Wegstück gesteuert
wird, das zuvor nach der Formel
ermittelt worden ist, wobei d dem Biegedurchmesser des Bandes (Einstelldurchmesser
des Dreiwalzen-Biegesystems), D dem Fertigdurchmesser des Rohres, k2 einer Konstanten,
P der gemessenen Belastung einer Biegewalze und s der Bandstärke entspricht.
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Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch die erfindungsgemäße gleichzeitige und fortlaufende Messung
der an den Biegewalzen auftretenden Belastung einerseits und der echten metallischen
Stärke des Bandes andererseits und durch ihre Auswertung in der Formel nach dem
Hauptanspruch
ist gewährleistet, daß die Belastung und die Bandstärke
unabhängig voneinander ausgewertet werden, so daß unabhängig von der Änderung dieser
gemessenen Werte immer ein Wert d ermittelt wird, bei dem das Aufspringmaß Null
ist. Die Formel nach dem Hauptanspruch kann gegebenenfalls durch Erfahrungswerte
korrigiert werden.
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Der theoretische Zusammenhang zwischen der Einstellung der Krümmung
d in dem System der Biegewalzen, dem Durchmesser D des fertigen Rohres, der Bandfestigkeit
oder elastischen Spannung e max und der Bandstärke s ist durch die folgende Formel
gegeben:
wobei E der Elastizitätsmodul des Bandes ist. Der Wert s kann auf unterschiedliche
Weise unmittelbar gemessen werden, wobei lediglich die metallische Stärke des Bandes
ohne die seine Stärke vergrößernden Zunderungen zu messen ist, um Verfälschungen
des Wertes s zu vermeiden, die zu einem unrichtigen Wert d führen würden. Aus diesem
Grund ist die Messung durch Ultraschall vorzuziehen; es können jedoch auch andere,
an sich beliebige Verfahren verwendet werden, sofern sie in der Lage sind, die bloße
metallische Stärke des Bandes hinreichend genau zu ermitteln. Vorteilhaft ist weiterhin,
die
Messung der Bandstärke s unmittelbar an der bzw. in der größtmöglichen
Nähe zur Biegestelle vorzunehmen, da hierdurch zusätzliche Maßnahmen zur richtigen
Eingabe des ermrttelten Wertes s überflüssig sind. Der Wert cm max ist unmittelbar
nicht meßbar, sondern nur mittelbar über die zur plastischen Verformung des Bandes
erforderliche Kraft, d.h.
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über die Belastung derjenigen Biegewalzen, die das Band plastisch
verformen; dies sind insbesondere die Rollen des Dreiwalzen-Biegesystems.
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Die meßbare Belastung P der Biegewalzen hängt von den Werten des Bandes
i max und s entsprechend folgende Formel ab: P = kl . # max # s² (2) Aus dieser
Formel ergibt sich der Wert 8 max wie folgt: P max = k k1 # s² Hierbei ist kl eine
Konstante, die insbesondere die gleichbleibende Bandbreite und die ebenfalls gleichbleibenden
geometrischen Abmessungen des Dreiwalzen-Biegesystems berUcksichtigt.
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Wenn man aus der Formel (1) den nicht meßbaren Wert t max entfernt
und durch die Formel (3) ersetzt, um in der Formel
(1) die unmittelbar
meßbaren Werte P und s einzusetzen, ergibt sich die eingangs erwähnte Formel:
wobei der Wert k2 ebenfalls eine Konstante ist, die sich ergibt aus der Konstanten
kl und dem gleichbleibenden Elastizitätsmodul E.
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Durch die Formel (4) ist es möglich, die kontinuierlich zu messenden
Werte P und s in den Sollwert für den Wert d umzusetzen. Diese Umsetzung kann entweder
von Hand mit Hilfe von Tabellen oder Diagrammen oder auch automatisch über Kurvenscheiben
oder einen Rechner erfolgen. Wie die Formel (4) zeigt, geht der Wert P linear in
den Wert d ein, während der Wert s in der dritten Potenz eingeht, da der Wert e
max nur über den Wert P meßbar ist und der Wert P in der zweiten Potenz von dem
Wert s abhängt, wie die Gleichung (2) zeigt.
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Eine Messung des Wertes P allein ermöglicht keine eindeutigen Rückschlüsse
für die Einstellung des Wertes d der Biegewalzen, wie die folgenden Ausführungen
zeigen. Wenn beispielsweise jederder Werte § max und s eine Toleranz von + 10 haben,
die
in dem zulässigen Toleranzbereich liegt, bleibt-nach der Formel (l) der Wert d unverändert,
da sich der Faktor 1,1 für die Werte s max und s herauskürzt. Der nach der Formel
(2) gemessene Wert P würde sich jedoch vergrößern, 3 und zwar um den Faktor 1,1
. Bei diesen Gegebenheiten der Werte 6 max und s zeigt also der Wert P eine nicht
unwesentliche Änderung und würde daher bei alleiniger Berücksichtigung eine falsche
Einstellung des Wertes d zur Folge haben, der sich für dieses Beispiel gemäß Formel
(l) nicht ändern darf. Andererseits kann der Wert P konstant gemessen werden, wenn
beispielsweise der Wert 6 max eine Minustoleranz aufweist und der Wert s eine Plustoleranz
besitzt derart, daß das Produkt aus e max und s2 konstant bleibt; gleichzeitig muß
aber gemäß Formel (1) der Wert d vergrößert werden.
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Entsprechend der erfinderischen Erkenntnis der Anmelderin ist es also
zwingend erforderlich, sowohl den Wert P als auch den Wert s fortlaufend zu messen
und für die Einstellung des Wertes d einzeln und unabhängig voneinander zu berücksichtigen.
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Die Messung des Wertes P erfolgt zweckmäßigerweise über elektrische
Druckmeßdosen, die eine genaue Messung gewährleisten; hierbei kann für jede Biegerolle
eine Dose oder für einen
eine Reihe von Biegerollen tragenden Biegebalken
wenigstens eine Dose Anwendung finden. Die Belastung der Biegerollen kann auch gemessen
werden über den Reaktionsdruck in hydraulischen Positionierungszylindern oder durch
an geeigneten Stellen angeordnete Dehnungsmeßstreifen und dergleichen.