DE3742496A1

DE3742496A1 - Verfahren zur bearbeitung der enden einer stahlroehre durch stauchen und pressen

Info

Publication number: DE3742496A1
Application number: DE19873742496
Authority: DE
Inventors: Eizo Takeuchi; Hisamitsu Miyoshi; Keiichiro Mori
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-12-15
Filing date: 1987-12-15
Publication date: 1988-06-16
Anticipated expiration: 2007-12-16
Also published as: JPH0361531B2; DE3742496C2; JPS63149038A; US4845972A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur präzi sen Bearbeitung der Form von gestauchten Endbereichen einer Stahlröhre zur Verwendung in der Ölindustrie.

Bisher wurden röhrenförmige Produkte oder Halbfabrikate in der Ölindustrie durch Verbindung mehrerer Stahlrohre zusammengesetzt. Folglich wurden die Enden der Rohre mit einem Gewinde versehen oder auf andere Weise miteinander gekoppelt, um den Wirkungsgrad bei diesem Zusammensetz vorgang zu verbessern.

Es erweist sich als notwendig, die Enden einer Röhre vor einer Weiterverarbeitung dieser Röhrenenden in eine vor gegebene Gestalt zu bringen. Ein bekanntes Verfahren zur Umformung der Endbereiche einer Röhre umfaßt ein inneres stauchendes Schmieden der Endbereiche der Röhre, um diese Endbereiche in die vorgegebene Gestalt zu bringen. Ein derartiges Verfahren ist in den japanischen Offen legungsschriften Sho 2 15 221/59 und 76 638/59 vorgeschla gen.

Im folgenden wird das herkömmliche Verfahren anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 Längsschnitte durch die zu verarbeitende Stahl röhre, sowie Schnittansichten der Werkzeuge.

Bei dem bekannten Verfahren erfolgt ein inneres, an stauchendes Schmieden, wobei eine Wanddicke t ₀ eines Endbereichs 1 einer auf eine Verarbeitungstemperatur erwärmten Stahlröhre mittels eines Gesenks 2 A und eines Dorns 3 A auf eine Wanddicke t ₀ erhöht wird (Fig. 1B). Die Endbereiche 1 werden in ihre Wanddicke durch einen Wechsel des Dornes 3 A auf einen Dorn 3 B auf eine Wanddicke t ₀+a gemäß der erwünschten Wanddicke des End produktes erhöht.

Weiterhin ist aus der japanischen Patentveröffentlichung Sho 46 212/61 ein Bearbeitungsverfahren bekannt, bei wel chem eine Stahlröhre, welche einem äußeren anstauchenden Schmiedevorgang unterworfen wird, mittels eines Redu zierwerkzeuges derart reduzierend verformt wird, daß ein innenliegender verdickter Wandbereich ausgebildet wird. Die Röhre wird weiterhin einer äußeren anstauchenden Schmiedebehandlung unterworfen, um zu beiden Seiten ver dickte Wandbereiche auszubilden.

Wenn jedoch im letzteren Fall der innere, anstauchende Schmiedevorgang vorgenommen wird, ist es schwierig, die Gestalt des inneren angestauchten Bereiches, welcher eine Abschrägung 4 umfaßt, sowie die Länge dieses Bereiches (siehe Fig. 1B), welcher nicht durch den Dorn eingespannt oder gegengehalten ist, zu steuern. Weiter hin besteht die Gefahr, daß an diesem Bereich eine Knickung oder eine unzureichende Füllung des Formhohl raums auftreten. Eine unzureichende Füllung des Form hohlraumes oder ein Knicken führen zu einem beträcht lich geringeren Wirkungsgrad des Verfahrens und erfor dern eine Reparatur oder Nacharbeit durch einen Schleif vorgang, um zu nach den Vorschriften zulässigen Grenz werten zu gelangen.

Falls ein hohes Maß an unzureichender Füllung oder an Knickung auftritt, wird es notwendig, den anstauchenden Schmiedevorgang zu wiederholen oder das Material zu ver schrotten, wodurch sich erhebliche wirtschaftliche Pro bleme ergeben. Wenn weiterhin eine Stahlröhre, bei spielsweise beim Bohren eines Ölloches, einer Biegebe lastung oder einer verdrehenden Belastung unterworfen wird, führt dies leicht zu einer Spannungskonzentration, so daß an dem Bereich, welcher eine unzureichende Füllung oder Dicke aufweist, Brüche auftreten können.

Das letztgenannte Verfahren erweist sich andererseits dem erstgenannten Verfahren gegenüber deshalb als vor teilhafter, da das Material der Röhre nach einer Ausge staltung durch ein äußeres anstauchendes Schmieden zur Verdickung der Röhre nach innen versetzt wird. Es ist jedoch erforderlich, daß der Außendurchmesser des gestauchten Bereiches mit dem Außendurchmesser der Aus gangsröhre übereinstimmt, damit ein Übergangsstück ver wendet werden kann. Weiterhin ist für den Reduziervor gang eine ausreichend hohe Temperatur erforderlich, so daß eine nochmalige Erwärmung der Röhre notwendig wird. Weiterhin ergibt sich das Problem, daß in Fällen, in welchen der gestauchte Bereich eine kompliziertere Form aufweisen muß, ein zusätzliches Gesenk oder zusätzliche Arbeitsschritte notwendig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur exakten Ausgestaltung der Endbereiche einer Stahl röhre zu schaffen, bei welchem ein äußerer Stauch- und Preßvorgang vorgenommen wird und welches die beschrie benen Nachteile, welche das innere anstauchende Schmie den mit sich bringt, vermeidet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs beispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 2 Längsschnitte verschiedener Arbeits stufen, in welchen die Endbereiche eines gewalzten Rohres erfindungsgemäß einem äußeren anstauchenden Schmiedevorgang und einem daran anschließenden Preßvor gang unterworfen werden;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Endbereichs einer erfindungsgemäß äußerlich an stauchend geschmiedeten Stahlröhre;

Fig. 4 eine Schnittansicht eines Endbereiches der erfindungsgemäßen Stahlröhre nach dem Preßvorgang;

Fig. 5 Diagramme, welche vergleichend die Ver teilungen der Längenwerte der Abschrä gungen der inneren angestauchten Berei che gemäß dem erfindungsgemäßen Verfah ren (A) und einem bekannten Verfahren (B) darstellen; und

Fig. 6 eine vergleichende Darstellung der Krüm mung eines Ausgangspunktes des inneren angestauchten Bereichs, welcher die Ab schrägung aufweist, gemäß dem erfin dungsgemäßen Verfahren (A) und einem bekannten Verfahren (B).

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bearbeitung der End bereiche einer Stahlröhre durch Stauchen und Pressen umfaßt einen Bearbeitungsschritt zum Ausbilden eines gestauchten Bereichs an den Endbereichen der Röhre mittels eines äußeren anstauchenden Schmiedeverfahrens, einen Bearbeitungsschritt zum Pressen des gestauchten Bereichs mittels eines inneren Stauch-Gesenkes, welches für den nachfolgenden Verarbeitungsgang verwendet wird, um den gestauchten Bereich nach innen zu reduzieren, sowie einen Bearbeitungsschritt zur weiteren Verdickung der Wandung eines inneren Umfangsbereichs mittels des Gesenks.

Wie in den Fig. 2B und 2D dargestellt, ist erfindungs gemäß eine Stauchvorrichtung vorgesehen, welche zwei Sets von Stauchgesenken 2 A, 2 B und Dornen 3 A, 3 B um faßt. Endbereiche 1 einer Stahlröhre (Fig. 2A), welche nach dem Walzen auf eine Arbeitstemperatur erwärmt wurde, werden dem äußeren anstauchenden Schmiedevorgang unterworfen, wobei das Gesenk 2 A und der Dorn 3 A, wie in Fig. 2B dargestellt, zur Anwendung gelangen. Auf diese Weise werden die Endbereiche der Röhre, welche nachfol gend zu dem Bereich 5 des inneren angestauchten Berei ches mit der Abschrägung umgeformt werden (Fig. 2C) auf eine vorgegebene Wanddicke verdickt, wobei der äußere angestauchte Bereich die Abschrägung 4 aufweist. Da in diesem Umformschritt der äußere angestauchte Bereich, welcher die Abschrägung 4 umfaßt, durch das Gesenk 2 A und den Dorn 3 A eingespannt ist, wird verhindert, daß der abgeschrägte Bereich eine rauhe oder gefurchte Form aufweist. Erfindungsgemäß kann somit eine glatte Ober flächenform erzielt werden.

In einem nächsten Arbeitsschritt werden, wie in Fig. 2C dargestellt, die Endbereiche der Röhre mittels eines geteilten Gesenkes 2 B durch einen Preßvorgang verformt. Der Preßvorgang erfolgt in Richtung des Durchmessers der Röhre, um den Metallbereich, welcher in Umfangsrichtung verbreitert wurde, nach innen im Durchmesser zu reduzie ren. Folglich kann die in Fig. 2B gezeigte vorteilhafte Ausgestaltungsform, so wie sie ist, nach innen versetzt werden. Es ist mit anderen Worten möglich, den inneren gestauchten Bereich mit der Abschrägung 5 auszubilden und die äußere Oberfläche in eine endgültige Form zu bringen.

Die aus dem in Fig. 2C dargestellten Arbeitsschritt resultierenden Endbereiche werden daraufhin, wie in Fig. 2D gezeigt, einem Preßvorgang unterworfen, wobei bei diesem Preßvorgang mittels des Dorns 3 B das Metall der Endbereiche unmittelbar nach innen versetzt wird, wobei der Preßvorgang so abläuft, daß das Gesenk 2 B das Werk stück fest umschließt, so daß das Metall nach innen ver dickt wird. Folglich ist es möglich, die Innengestaltung der Endbereiche fertig zu bearbeiten, während die in den Arbeitsschritten gemäß den Fig. 2B und 2C erhaltene gute Ausgestaltungsform aufrechterhalten werden kann.

Im folgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben:

Bei dem nach außen gerichteten anstauchenden Schmiede vorgang gemäß Fig. 2B werden die Endbereiche der Röhre unter Verwendung eines Gesenks 2 B einem weiteren äußeren anstauchenden Schmiedevorgang unterzogen. Das Gesenk 2 B weist eine schablonenartige Vertiefung K auf, welche eine nach außen versetzte Form bildet und wirkt mit dem in Fig. 2E dargestellten Dorn 3 B zusammen. Die Enden der Röhre werden daraufhin in einander entgegen gesetzte Richtungen bezüglich des Gesenkes 2 B bewegt und zum Ausbilden von inneren, angestauchten Abschnit ten gepreßt (siehe den Pfeil in Fig. 2F). Danach werden die inneren, angestauchten Abschnitte durch einen Dorn verdickt (vgl. Fig. 2D), so daß äußere und innere Ober flächen der Röhre mit guter Formgebung erhalten werden. Das Gesenk 2 B ist in Form eines geteilten Gesenks aus gebildet.

Die oben beschriebenen Arbeitsschritte führen zu dem Ergebnis, daß eine gleichmäßige Ausgestaltung der End bereiche der Röhre, die in dem äußeren anstauchenden Schmiedevorgang ausgebildet wurden, auch nach dem Preßvorgang aufrechterhalten werden. Es ist jedoch auch dann möglich, die gleichmäßige Oberflächengestalt bei zubehalten, wenn die endgültige Ausgestaltung mittels eines inneren anstauchenden Schmiedevorganges erhalten wurde, und zwar wegen des geringen Verdickungsverhält nisses des inneren gestauchten, die Anschrägung umfas senden Bereiches.

Bedingt durch die Verbesserungen der Ausgestaltung des mit der Schräge versehenen angestauchten Endbereichs der Röhre kann ein nachfolgender Nachbearbeitungs- oder Reparaturvorgang durch ein Schleifen nach dem anstau chenden Schmieden weitgehend vermieden werden, so daß eine Verminderung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ausgeschlossen werden kann. Weiterhin kann, da die Aus gestaltung des inneren gestauchten Bereichs mit der Abschrägung 5 durch ein Pressen des äußeren gestauchten Bereichs erfolgt, die Länge des inneren gestauchten Bereichs mit der Abschrägung und der Krümmung 5 b des Ausgangspunkts des abgeschrägten Bereichs einfach und genau gesteuert werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es, wie oben beschrieben, möglich, den gestauchten Bereich der Endbereiche der Röhre, bei welchem eine exakte Ausge staltung und Länge des inneren gestauchten Bereiches mit der Abschrägung erforderlich ist, beispielsweise im Falle von röhrenförmigen Halbfabrikaten für die Öl industrie, in exakter Weise zu bearbeiten.

Im folgenden wird anhand eines Beispiels die Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Fig. 2 zeigt, wie bereits erwähnt, Längsschnitte der Endbereiche der Röhre, welche nach dem erfindungsge mäßen Verfahren einem äußeren anstauchenden Schmiede vorgang und darauffolgend einem Preßvorgang, unter Verwendung eines stauchenden Gesenkes, unterworfen werden, wobei der zweite Arbeitsschritt gleich nach dem ersten ausgeführt wird und dabei in diesem Arbeits schritt ein nach innen gerichtetes Anstauchen der in dem ersten Arbeitsschritt erhaltenen Ausgestaltungsform er folgt.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel weisen die Enden einer Stahlröhre einen Außendurchmesser von 127 mm auf, sowie eine Wanddicke von 9,19 mm. Die Röhre wird, beispielsweise durch Induktionsheizung oder in einem Gasofen auf eine Temperatur zwischen 1000°C und 1250°C erwärmt. Die Endbereiche der erwärmten Röhre werden mittels einer Stauchvorrichtung einem nach außen anstauchenden Schmiedevorgang unterworfen, beispiels weise unter Verwendung eines üblichen Gesenks und eines Dorns, um die in Fig. 2B gezeigte Ausgestaltung der End bereiche mit der Wanddicke A zu erhalten. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Bereich 5, welcher in dem später aus zubildenden, nach innen gestauchten Bereich eine Ab schrägung bildet, in Form eines nach außen gestauchten Bereichs 4 mit einer Abschrägung ausgebildet. Die Ab messungen jedes Bereichs der Endbereiche der Röhre, die in Fig. 3 dargestellt ist, sind wie folgt:

1) Außendurchmesser D der Röhre: 127,0 mm
2) Ursprüngliche Wanddicke t der Röhre: 9,19 mm
3) Wanddicke t ₀ des verdickten Wandbereichs A: 15,3 mm
4) Länge L ₁ des parallelen Bereichs des außen angestauchten Bereichs: 160 mm
5) Länge L ₂ des abgeschrägten Bereichs des nach außen gestauchten Bereichs: 100 mm
6) Außendurchmesser D ₄ des nach außen ange stauchten Bereichs: 139,2 mm

Nachfolgend werden die Endbereiche der Röhre, welche durch ein äußeres anstauchendes Schmieden umgeformt wurden, mittels der in Fig. 2C gezeigten Staucheinrich tung gepreßt, wobei das Gesenk 2 B verwendet wird, um die endgültige Gestalt der äußeren Fläche der Endbereiche der Röhre auszubilden und um eine Umformung des Metall bereichs nach innen zu erreichen. Das Gesenk 2 B ist in Form eines geteilten oder mehrteiligen Gesenks ausge bildet. Unmittelbar darauf wird die innere Form der End bereiche zu dem in Fig. 2D gezeigten Aussehen umgeformt, wobei dies mittels des Dornes 3 B erfolgt, während der Endbereich fest in dem Gesenk 2 B gehalten ist. Im nach folgenden werden die Abmessungen des in Fig. 4 darge stellten Endproduktes angegeben:

1) Außendurchmesser D der Stahlröhre: 127 mm
2) Ursprüngliche Wanddicke t der Röhre: 9,19 mm
3) Wanddicke t′₀ des verdickten Wandbereichs A: 20,8 mm
4) Länge L ₁′ des parallelen Bereichs des nach außen gestauchten Bereichs: 94 mm
5) Länge L ₂′ des nach außen gestauchten Bereichs mit der Abschrägung: 30 mm
6) Länge L ₃′ des parallelen Bereichs der inne ren Stauchung: 130 mm
7) Länge L ₄′ des nach innen gestauchten Bereichs mit der Abschrägung: 100 mm
8) Außendurchmesser D ₄′ des nach außen ge stauchten Bereichs: 132,6 mm

In Fig. 5A wird eine statistische Verteilung der Länge L ₄′ des nach innen gestauchten Bereichs mit der Ab schrägung gezeigt, wobei die Vollänge 100 mm beträgt. Dabei ist σ=4 mm und x=100 mm. Daraus folgt, daß praktisch keine Maßabweichung vorliegt.

Fig. 5B zeigt eine Längenverteilung bei einem herkömm lichen Bearbeitungsverfahren, welches in Fig. 1 darge stellt ist. Bezüglich des Ausgangspunkts 5 b der Krümmung des nach innen gestauchten Bereichs, der in Fig. 2C dar gestellt ist, werden hinsichtlich des Sollmaßes von 450 mm mit σ=58 mm und x=476 mm gute Werte erzielt (siehe Fig. 6A). Bei einem herkömmlichen Verfahren (siehe Fig. 6B) ergibt sich bezüglich der Krümmung eines Ausgangspunktes (5 b in Fig. 2C) des nach innen gestauch ten Bereichs mit der Abschrägung ein Wert von x=373 mm und ein Wert von σ=111 mm. Daraus ergibt sich, daß es nicht möglich ist, eine Ausgestaltung auszubilden, welche exakt mit dem Sollwert übereinstimmt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren treten weder eine unzureichende Füllung noch eine Knickbildung am Umfang des mit der Schräge versehenen, nach innen angestauch ten Bereiches auf, dieser Bereich ist vielmehr in jeder Querschnittsfläche rechtwinklig ausgebildet, so daß eine ideale Ausgestaltungsform erreicht werden kann. Falls nötig, kann ein nochmaliger Stauchvorgang vorgenommen werden. Da der Außendurchmesser wegen der Reduzierung nach dem Preßvorgang eine verdickte Wandstärke auf weist, ist es erfindungsgemäß möglich, den Bearbei tungsaufwand des äußeren oder nach außen vorgenommenen anstauchenden Schmiedens durch die Vorwegnahme der Verdickung der Wandung vorzubestimmen.

Weiterhin kann während des Preßvorganges zur festen Einspannung des zu formenden Bereiches ein Dorn oder ein Gesenk an den Seiten der Innenflächen der Endbereiche der Röhre und an deren Endfläche vorgesehen werden. Weiterhin kann, obwohl bei dem erfindungsgemäßen Aus führungsbeispiel sowohl ein anstauchendes Schmieden nach außen als auch nach innen erfolgte, erfindungsgemäß auch nur ein nach außen gerichtetes oder nach innen gerichte tes anstauchendes Schmieden erfolgen.

Wie oben beschrieben, erfolgt erfindungsgemäß das innere anstauchende Schmieden mittels eines Preßvorganges, nachdem die Wanddicke der Endbereiche der Röhre durch einen nach außen erfolgenden Schmiedevorgang ausgebildet wurde und weiterhin der äußere gestauchte Bereich mit der Schrägung ausgeformt wurde. Folglich ist es möglich, das Auftreten von Fehlausbildungen, wie etwa eine unzu reichende Füllung oder Knickungen von Bereichen, die zum Zeitpunkt des inneren, nach innen gerichteten anstau chenden Schmiedens nicht von dem Dorn abgestützt werden, zu verhindern.

Da der verdickte Wandbereich an den Enden der Röhren durch ein äußeres anstauchendes Schmieden ausgebildet wird und da der abgeschrägte Bereich dabei ebenfalls ausgeformt wird, kann durch das erfindungsgemäße Ver fahren auch eine genaue Berechnung des Innendurch messers zum Zeitpunkt des inneren anstauchenden Schmie dens vorgenommen werden. Weiterhin wird es möglich, die Länge und die Gestalt des mit der Abschrägung versehenen nach innen angestauchten Bereiches frei zu variieren. Wie oben beschrieben, ist es möglich, unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch eine effektive Bearbeitung der Endbereiche der Röhre ein Produkt hoher Qualität herzustellen.

Claims

1. Verfahren zur Bearbeitung der Enden einer Stahlröhre durch Stauchen und Pressen, gekennzeichnet durch eine Erhöhung der Wanddicke (t) eines Außenumfangs der Endbereiche (1) der Röhre durch ein äußeres anstau chendes Schmieden unter Verwendung eines äußeren Stauch-Gesenks (2 A) und ein Ausformen des äußeren gestauchten Bereiches, welcher eine Abschrägung (4) umfaßt, ein Pressen des äußeren gestauchten Bereichs mit der Abschrägung (4) mittels eines Innen-Stauch gesenks (2 B), um einen inneren gestauchen Bereich mit einer Abschrägung (5) auszubilden, und ein Verdicken der Wandung des inneren Umfangsbereiches unter Ver wendung des Gesenks (2 B).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere anstauchende Schmieden mittels eines äußeres Stauch-Gesenks (2 A) erfolgt und daß die End bereiche (1) der Röhre mittels dieses Gesenks (2 A) gepreßt werden.