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Dokumentenidentifikation DE10311144B3 28.10.2004
Titel Verfahren zum Herstellen eines Rohres mit einer Innenprofilierung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder SMS Meer GmbH, 41069 Mönchengladbach, DE
Erfinder Stinnertz, Horst, 47877 Willich, DE
Vertreter Hemmerich und Kollegen, 57072 Siegen
DE-Anmeldedatum 14.03.2003
DE-Aktenzeichen 10311144
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.10.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.10.2004
IPC-Hauptklasse B21B 21/00
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Rohres (1) mit einer gewindeförmig oder wendelförmig verlaufenden Innenprofilierung (2) durch Kaltpilgern, bei dem das Rohr (1) in einem Kaltpilgerwalzwerk in Richtung (L) der Rohrachse (3) translatorisch bewegt wird und bei dem das Rohr (1) mit seiner inneren Mantelfläche (4) über einen ein der herzustellenden Innenprofilierung (2) entsprechendes Negativprofil (5) aufweisenden Stopfen (6) gewalzt wird. Um kaltgepilgerte Rohre mit der genannten Innenprofilierung verbessert herstellen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Stopfen (6) während des Kaltpilgerprozesses so rotatorisch angetrieben wird, dass die axiale Fortschreitgeschwindigkeit des Gewindes oder der Wendel seines Negativprofils (5) in Richtung (L) der Rohrachse (3) der axialen Fortschreitgeschwindigkeit des Gewindes oder der Wendel der herzustellenden Innenprofilierung (2) in Richtung (L) der Rohrachse (3) entspricht. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen eines Rohres mit einer gewindeförmig oder wendelförmig verlaufenden Innenprofilierung durch Kaltpilgern, bei dem das Rohr in einem Kaltpilgerwalzwerk in Richtung der Rohrachse translatorisch bewegt wird und bei dem das Rohr mit seiner inneren Mantelfläche über einen ein der herzustellenden Innenprofilierung entsprechendes Negativprofil aufweisenden Stopfen gewalzt wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen eines Rohres mit einer gewindeförmig oder wendelförmig verlaufenden Innenprofilierung in der das Rohr in Richtung der Rohrachse translatorisch bewegt wird und in der das Rohr mit seiner ihneren Mantelfläche über einen ein der herzustellenden Innenprofilierung entsprechendes Negativprofil aufweisenden Stopfen gewalzt wird, zur Durchführung des Verfahrens.

Ein solches Kaltpilgerwalzverfahren ist beispielsweise aus der DE 43 36 422 C2 bekannt. Zur Durchführung des Kaltpilgerprozesses ist ein mit einem Kaltpilgerwalzenpaar ausgestattetes Walzgerüst vorgesehen, das oszillierend angetrieben wird. Hierzu wird ein Kurbeltrieb eingesetzt, der von einem Motor angetrieben wird. Der Kurbeltrieb ist zum Ausgleich der Massenkräfte des Walzgerüsts mit einem Ausgleichsgewicht versehen. Die Produktivität eines Kaltpilgerwalzwerks ist dabei direkt von der Hubzahl des Walzgerüsts pro Zeiteinheit abhängig, weshalb es aus Wirtschaftlichkeitsgründen angestrebt wird, eine möglichst große Anzahl an Arbeitshüben pro Minute zu bewerkstelligen. In der genannten Schrift ist des weiteren vorgesehen, dass der Kurbeltrieb über Verzahnungen weitere Wellen antreibt, auf denen Gegenmassen hinsichtlich des Schwerpunkts exzentrisch angeordnet sind. Diese Gegenmassen laufen bei Drehung des Kurbeltriebs gleich- und gegensinnig um und sind so in der Lage, ausgleichende Massenkräfte bzw. Massenmomente zu erzeugen, so dass sich insgesamt ein Massenkraftausgleich im gesamten Antriebssystem ergibt.

Aus der DE 962 062 C ist ferner ein Kaltpilgerwalzwerk bekannt, bei dem die Kurbelwelle zum Antrieb des Walzgerüsts mit Fliehgewichten und einem vertikal oszillierenden Ausgleichsgewicht zum Ausgleich der Massenkräfte erster Ordnung sowie der Massenmomente im Antrieb ausgestattet ist.

Die DE 36 13 036 C1 offenbart einen Antrieb für das Walzgerüst eines Kaltpilgerwalzwerks, wobei ein Planetkurbeltrieb zum Antrieb und Ausgleich von Massenkräften und Massenmomenten zum Einsatz kommt.

Für verschiedene Anwendungsfälle werden kaltgepilgerte Rohre aus metallischen Werkstoffen benötigt, deren innere Mantelfläche eine gewindeförmige bzw. wendelförmige Innenprofilierung aufweist. Diese Innenprofilierung kann beispielweise für Kräfte- und Momentenübertragung im Maschinen- oder Fahrzeugbau zum Einsatz kommen; sie werden auch zur Optimierung von Strömungsverhältnissen und Wärmeübergängen in Leitungen und bei Wärmetauschern benötigt.

Durch die DE 697 06 275 T2 ist ein Kaltpilgerwalzverfahren mit einem gezielt axial und rotatorisch verfahrbaren Dorn bekanntgeworden, wodurch sich eine Innenprofilierung eines Rohres erzeugen lässt.

Um ein kaltgepilgertes Rohr mit der genannten gewendelten Innenprofilierung herzustellen, ist es weiterhin bekannt, einen Walzdorn mit einem nachgeschalteten frei drehbaren Stopfen einzusetzen, wobei der Stopfen das Negativprofil der gewünschten Innenprofilierung aufweist. Die dem Drall der Innenprofilierung entsprechende Drehbewegung des Stopfens muss dabei durch die Vorschubbewegung des Walzgutes bewirkt werden. In nachteiliger Weise ist hierdurch der mögliche Drallwinkel stark eingeschränkt, und auch die Profiltiefe ist aufgrund der hiermit zusammenhängenden Vorschubkraft begrenzt.

Nachteilig ist es weiterhin, dass die zugbeanspruchte Drehverbindung zwischen Walzdorn und Stopfen die übertragbaren Kräfte begrenzt. Der Stopfen muss zur Anordnung eines Drucklagers hohl ausgebildet sein. Hierdurch ist auch die Radialbelastung für den Stopfen begrenzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, durch das bzw. durch die es möglich wird, die genannten Nachteile zu überwinden. Insbesondere soll die dem Drall entsprechende Drehbewegung des Stopfens nicht mehr ausschließlich über die Vorschubbewegung erzeugt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Stopfen während des Kaltpilgerprozesses so rotatorisch angetrieben wird, dass die axiale Fortschreitgeschwindigkeit des Gewindes oder der Wendel seines Negativprofils in Richtung der Rohrachse der axialen Fortschreitgeschwindigkeit des Gewindes oder der Wendel der herzustellenden Innenprofilierung in Richtung der Rohrachse entspricht.

Bevorzugt wird dabei der Stopfen während des Kaltpilgerprozesses – in Richtung der Rohrachse betrachtet – axial stationär gehalten.

Eine gute Synchronisation der den Walzprozess bestimmenden Mechanismen wird dadurch erreicht, dass weiterbildungsgemäß vorgesehen wird, dass das Rohr während des Kaltpilgerprozesses sowohl translatorisch als auch rotatorisch angetrieben wird, wobei die translatorische und die rotatorische Antriebsbewegung des Rohres mit der rotatorischen Antriebsbewegung des Stopfens gesteuert oder geregelt abgeglichen wird.

Umformtechnische Vorteile werden erzielt, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen wird, dass die Kalibrierung der Kaltpilgerwalzen und die Kalibrierung des Negativprofils des Stopfens so gewählt sind, dass beim Kaltpilgern keine Streckung des Rohres im axialen Bereich des Negativprofils des Stopfens erfolgt.

Des weiteren wird die Erfindung durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Rohres mit einer gewindeförmig oder wendelförmig verlaufenden Innenprofilierung, in der das Rohr in Richtung der Rohrachse translatorisch bewegt wird und in der das Rohr mit seiner inneren Mantelfläche über einen ein der herzustellenden Innenprofilierung entsprechendes Negativprofil aufweisenden Stopfen gewalzt wird, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst, bei der der Stopfen mit einem Drehantrieb in Verbindung steht.

Vorzugsweise ist dabei der Stopfen axial ortsfest gelagert. Mit Vorteil weist das Kaltpilgerwalzwerk einen Drehantrieb für die Drehung des Rohres sowie einen translatorischen Antrieb für die translatorische Bewegung des Rohres auf, wobei der Drehantrieb des Stopfens, der Drehantrieb des Rohres und der translatorische Antrieb des Rohres von einer gemeinsamen Steuerung oder Regelung angetrieben werden.

Gute umformtechnische Verhältnisse lassen sich erzielen, wenn gemäß einer Weiterbildung vorgesehen wird, dass der Stopfen eine Außenkontur aufweist, die – abgesehen vom Negativprofil – im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.

Eine vorteilhafte Glättung der Vorrohrinnenoberfläche lässt sich erzielen, wenn der Stopfen einen in Vorschubsrichtung des Rohres betrachtet vorgelagerten zylindrischen Abschnitt aufweist.

Maschinentechnisch einfach lässt sich das vorgeschlagene Kaltpilgerwalzwerk realisieren, wenn der Drehantrieb des Stopfens, der Drehantrieb für die Drehung des Rohres und/oder der translatorische Antrieb für die translatorische Bewegung des Rohres als Servomotor ausgebildet ist bzw. sind.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird die dem Drall der Innenprofilierung entsprechende Drehbewegung des Stopfens aktiv durch einen Drehantrieb erzeugt. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass es keine Begrenzung des möglichen Drallwinkels ergibt. Weiterhin kann damit auch die Profiltiefe vergrößert werden. Möglich wird dies dadurch, dass die dem Drall entsprechende Drehbewegung des Stopfens nicht mehr nur durch die Vorschubbewegung des Rohres erzeugt werden muss.

Damit ist es möglich, dass Rohre mit einer gewindeförmig bzw. wendelförmig verlaufenden Innenprofilierung quasi ohne Restriktionen in Bezug auf die Größe des Drallwinkels wirtschaftlich erzeugt werden können.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

1a schematisch die Seitenansicht eines Kaltpilgerwalzenpaars während des Vorhubs des Kaltpilgerwalzprozesses;

1b die entsprechende Ansicht gemäß 1a während des Rückhubes;

2 schematisch das Antriebskonzept eines kaltzupilgernden Rohres in einem Kaltpilgerwalzwerk; und

3 das kaltzupilgernde Rohr samt sich in diesem befindlichen Stopfen zur Erzeugung einer Innenprofilierung.

In 1a und 1b ist schematisch der Kaltpilgerwalzprozess als solcher dargestellt. Er dient zur Fertigung bzw. Umformung eines Rohres 1 mittels eines Paares Kaltpilgerwalzen 12 und 13, wobei das Paar in einem – nicht dargestellten – Walzgerüst gelagert ist. Das zu bearbeitende Rohr 1 ist auf einem Stopfen (Walzdorn) 6 geführt. Das Walzgerüst vollzieht während des Walzprozesses eine oszillierende Bewegung, wobei Hubfrequenzen bis zu 300 pro Minute und mehr möglich sind.

Das Rohr 1 wird während des Walzprozesses in Förderrichtung L – entsprechend der Richtung der Rohrachse 3 – bewegt. Während des Vorhubs, der in 1a schematisch skizziert ist, rollt das Kaltpilgerwalzenpaar 12, 13 in Förderrichtung L auf dem Rohr 1 ab; während des Rückhubes, der in 1b skizziert ist, erfolgt das Abrollen des Walzenpaares 12, 13 auf dem Rohr 1 entgegen der Förderrichtung L (s. Pfeile für Drehrichtung und Translationsrichtung).

Zum Durchführen des Kaltpilger-Walzprozesses muss das Walzgerüst eine oszillierende Bewegung – also eine hin- und hergehende Bewegung – ausführen. Um dies zu bewerkstelligen, ist meist ein Kurbeltrieb vorgesehen, der einen Kurbelarm mit mindestens einer Kröpfung und mit einem in Bezug auf den Lagerpunkt exzentrisch angeordneten Ausgleichsgewicht aufweist.

In 2 ist schematisch der Aufbau eines Kaltpilgerwalzwerkes zu sehen, wobei allerdings lediglich die Kaltpilgerwalzen 12, 13 sowie die Elemente zum translatorischen und rotatorischen Antrieb des Rohres 1 angedeutet sind.

Das Rohr 1 wird in bekannter Weise durch die Kaltpilgerwalzen 12 und 13 gewalzt, wie dies im Zusammenhang mit den 1a und 1b erläutert wurde. Das fertig gewalzte Rohr 1 soll eine Innenprofilierung 2 aufweisen, die sich schraubenförmig bzw. wendelförmig in Richtung L der Rohrachse 3 erstreckt.

Um dies zu erreichen, wird die innere Mantelfläche 4 des Rohres 1 über einen als Walzdorn fungierenden Stopfen 6 gewalzt, der im wesentlichen zylindrische Außenkontur hat, jedoch an seinem Außenumfang mit einem Negativprofil 5 versehen ist, das demjenigen der herzustellenden Innenprofilierung 2 entspricht.

Die translatorische und rotatorische Bewegung des Rohres 1 erfolgt durch einen Drehantrieb 8 für die Drehung des Rohres 1 bzw. durch einen translatorischen Antrieb 9 für die translatorische Bewegung des Rohres 1. In 2 sind die Elemente nur sehr schematisch skizziert.

Der sich im Inneren des Rohres 1 befindliche Stopfen 6 ist gleichermaßen mit einem Drehantrieb 7 versehen. Alle drei Antriebe – nämlich der Drehantrieb 7 für die Drehung des Stopfens 6, der Drehantrieb 8 für die Drehung des Rohres 1 und der translatorische Antrieb 9 für die translatorische Bewegung des Rohres 1 – werden von einer gemeinsamen Steuerung bzw. Regelung 10 gesteuert bzw. geregelt. Dabei erfolgen die jeweiligen Antriebe so, dass der Stopfen 6 während des Walzprozesses so rotatorisch angetrieben wird, dass die axiale Fortschreitgeschwindigkeit des Gewindes bzw. der Wendel des Negativprofils 5 des Stopfens 6 in Richtung L der Rohrachse 3 der axialen Fortschreitgeschwindigkeit des Gewindes bzw. der Wendel der herzustellenden Innenprofilierung 2 in Richtung L der Rohrachse 3 entspricht.

Der als Innenwerkzeug fungierende Stopfen 6 wird – wie in den Figuren nicht näher illustriert ist – mittels einer Stange in einem Dornwiderlager axial stationär gehalten. Der Drehantrieb 7 des Stopfens 6 erfolgt also in der Weise, dass die Tangentialkomponente des Negativprofils 5 derjenigen der Innenprofilierung 2 am Ort des Stopfens 6 entspricht, unter Berücksichtigung der translatorischen Bewegung des Rohres 1 sowie dessen Drehbewegung.

Die Zuordnung der Kalibrierung der Kaltpilgerwalzen 12 bzw. 13 einerseits und der Kalibrierung des Negativprofils 5 des Stopfens 6 andererseits sind dabei so gewählt, dass im wesentlichen keine Streckung des Walzgutes im Bereich des Negativprofils 5 des Stopfens 6 erfolgt.

Die Antriebe 7, 8 und 9 weisen dabei Servomotoren auf, die von der Steuerung bzw. Regelung 10 angesteuert werden.

Die Drehung des Rohres 1 durch den Drehantrieb 8 kann dabei so gewählt werden, dass sie von der Drehung des Stopfens 6 mittels des Drehantriebs 7 subtrahiert wird, wodurch sich eine Minimierung des erforderlichen Drehwinkels bzw. der erforderlichen Drehgeschwindigkeit des Stopfens 6 ergibt.

Die Kalibergrundabwicklung der Walzen 12, 13 kann dabei so gewählt werden, dass die Profilgebung der Innenprofilierung in mehreren Walzschritten erfolgt.

Dem Negativprofil 5 am Stopfen 6 ist ein zylindrischer Abschnitt 11 ohne Profil vorgeschaltet, der eine Glättung der Vorrohrinnenoberfläche im wesentlichen ohne Streckung bewirkt.

Der im Kaltpilgerwalzwerk ablaufende Arbeitszyklus wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 erläutert: Im Bereich des Einlauftotpunktes ET wird das Rohr 1 bei jeder Kurbelwellenumdrehung des Kaltpilgerwalzwerk-Antriebs vorgeschoben. Da das Rohr 1 während des Walzprozesses praktisch nicht gestreckt wird, entspricht die Vorschubgröße der erzeugten Rohrlänge je Hub. In diesem Bereich gibt es keinen Kontakt zwischen Walzgut und Walzwerkzeug. Gleichzeitig wird das Rohr 1 um einen üblichen Drehwinkel (z. B. 31°) um seine Rohrachse 3 gedreht. Synchron mit der Vorschubbewegung wird die Dornstange 14 mit dem mit dieser fest verbundenen Stopfen 6 so gedreht, dass die Überlagerung von Vorschubbewegung des Rohres, Drehung des Rohres und Drehung des Stopfens der Steigung des Gewindes bzw. der Wendel folgt.

Es folgt der Walzbereich, in dem die sich verjüngende Walzenkalibrierung das Walzgut zunehmend in das Negativprofil 5 drückt, wobei sich der Rohrquerschnitt nicht vermindert, d. h. es erfolgt keine Streckung des Walzgutes.

Am Ende der Umformstrecke erweitert sich das Walzgut wieder und gibt das Walzgut frei, wobei kurz hinter der Ablösestelle auch das Stopfenprofil endet.

Im nun folgenden Bereich um den Auslauftotpunkt AT werden das Rohr 1 und der Stopfen 6 gemeinsam um einen Drehwinkel (z. B. 70°) gedreht, so dass auf dem Rückhub des Walzgerüstes in der Umformzone die Breitung ausgeglichen und ein Löseeffekt erzielt wird.

Bei längeren, relativ dünnen Dornstangen wird hierbei schon die Drehung der Dornstange 14 begonnen, damit eine gewisse Torsionsvorspannung erzielt wird. Damit ist ein Arbeitszyklus beendet; der nächste schließt sich an.

1Rohr 2Innenprofilierung 3Rohrachse 4inneren Mantelfläche des Rohres 5Negativprofil 6Stopfen 7Drehantrieb für die Drehung des Stopfens 8Drehantrieb für die Drehung des Rohres 9translatorischer Antrieb für die translatorische Bewegung des Rohres 10Steuerung oder Regelung 11zylindrischer Abschnitt des Stopfens 12Kaltpilgerwalze 13Kaltpilgerwalze 14Dornstange LFörderrichtung/Richtung der Rohrachse ETEinlauftotpunkt ATAuslauftotpunkt

Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Herstellen eines Rohres (1) mit einer gewindeförmig oder wendelförmig verlaufenden Innenprofilierung (2) durch Kaltpilgern, bei dem das Rohr (1) in einem Kaltpilgerwalzwerk in Richtung (L) der Rohrachse (3) translatorisch bewegt wird und bei dem das Rohr (1) mit seiner inneren Mantelfläche (4) über einen ein der herzustellenden Innenprofilierung (2) entsprechendes Negativprofil (5) aufweisenden Stopfen (6) gewalzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (6) während des Kaltpilgerprozesses so rotatorisch angetrieben wird, dass die axiale Fortschreitgeschwindigkeit des Gewindes oder der Wendel seines Negativprofils (5) in Richtung (L) der Rohrachse (3) der axialen Fortschreitgeschwindigkeit des Gewindes oder der Wendel der herzustellenden Innenprofilierung (2) in Richtung (L) der Rohrachse (3) entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (6) während des Kaltpilgerprozesses in Richtung (L) der Rohrachse (3) betrachtet axial stationär gehalten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) während des Kaltpilgerprozesses sowohl translatorisch als auch rotatorisch angetrieben wird, wobei die translatorische und die rotatorische Antriebsbewegung des Rohres (1) mit der rotatorischen Antriebsbewegung des Stopfens (6) gesteuert oder geregelt abgeglichen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung der Kaltpilgerwalzen (12, 13) und die Kalibrierung des Negativprofils (5) des Stopfens (6) so gewählt sind, dass beim Kaltpilgern keine Streckung des Rohres (1) im axialen Bereich des Negativprofils (5) des Stopfens (6) erfolgt.
  5. Vorrichtung zum Herstellen eines Rohres (1) mit einer gewindeförmig oder wendelförmig verlaufenden Innenprofilierung (2), in der das Rohr (1) in Richtung (L) der Rohrachse (3) translatorisch bewegt wird und in der das Rohr (1) mit seiner inneren Mantelfläche (4) über einen ein der herzustellenden Innenprofilierung (2) entsprechendes Negativprofil (5) aufweisenden Stopfen (6) gewalzt wird, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (6) mit einem Drehantrieb (7) in Verbindung steht.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (6) axial ortsfest gelagert ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen Drehantrieb (8) für die Drehung des Rohres (1) sowie einen translatorischen Antrieb (9) für die translatorische Bewegung des Rohres (1), wobei der Drehantrieb (7) des Stopfens (6), der Drehantrieb (8) des Rohres (1) und der translatorische Antrieb (9) des Rohres (1) von einer gemeinsamen Steuerung oder Regelung (10) angetrieben werden.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (6) eine Außenkontur aufweist, die im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (6) einen in Vorschubsrichtung des Rohres (1) betrachtet vorgelagerten zylindrischen Abschnitt (11) aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehantrieb (7) des Stopfens (6), ein Drehantrieb (8) für die Drehung des Rohres (1) und/oder ein translatorischer Antrieb (9) für die translatorische Bewegung des Rohres (1) als Servomotor ausgebildet ist oder sind.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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