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Dokumentenidentifikation DE69933209T2 13.09.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001080799
Titel EICHUNG EINES INSTRUMENTS FÜR DAS KALTWALZEN VON ROHREN
Anmelder Otkrytoe Aktsionernoe Obschestvo "Chepetsky Mekhan Ichesky Zavod", Glazov, RU
Erfinder ZAVODCHIKOV, Sergei Jurievich, Glazov, 427600, RU;
LOSITSKY, Anatoly Frantsevich, Glazov, 427600, RU;
KOTREKHOV, Vladimir Andreevich, Glazov, 427600, RU;
KOMISSAROV, Vladimir Arsenievich, Glazov, 427600, RU;
SAFONOV, Vladimir Nikolaevich, Glazov, 427600, RU;
KROTKIKH, Sergei Valerievich, Glazov, 427600, RU;
DEVYATIKH, Vasily Gennadievich, Glazov, 427600, RU;
VERETENNIKOV, Vladimir Alekseevich, Glazov, 427600, RU;
BOCHAROV, Oleg Viktorovich, Moscow, 109429, RU;
BUKHOVTSEV, Viktor Fedorovich, Moscow, 123063, RU;
SHIKOV, Alexandr Konstantinovich, Moscow, 115573, RU
Vertreter Kador & Partner, 80469 München
DE-Aktenzeichen 69933209
Vertragsstaaten DE, FR, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 05.07.1999
EP-Aktenzeichen 999351984
WO-Anmeldetag 05.07.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/RU99/00219
WO-Veröffentlichungsnummer 2000038852
WO-Veröffentlichungsdatum 06.07.2000
EP-Offenlegungsdatum 07.03.2001
EP date of grant 13.09.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.09.2007
IPC-Hauptklasse B21B 21/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf die plastische Metallverarbeitung und insbesondere auf die Rohrwalzproduktion und kann auf das Kaltpilgern eines Rohrs auf Walzmaschinen angewendet werden.

Stand der Technik

Die Realisierung eines effizienten Verformungsschemas für ein Walzverfahren, das die Stabilität von physikalisch-mechanischen Parametern und geometrischen Abmessungen von gewalztem Material gewährleistet, wird wesentlich durch die Fertigungsqualität der Arbeitsoberflächen von Formungswerkzeugen, die Glätte ihrer Arbeitsteilekonjugation und die Möglichkeiten der Maschinenausrüstung zum Reproduzieren der tatsächlichen Form der Arbeitsoberfläche, die der Form der berechneten Kurve am stärksten angenähert ist, definiert.

Es sind Pilgerwerkzeuge verfügbar, die aus Walzrollen, wobei der Rücken der Walzenkaliber in einer Parabel ausgeführt ist, und einem Dorn von abnehmendem Querschnitt mit einer parabolischen Mantellinie bestehen, wobei der Walzenkaliberrücken einen Parabelfaktor aufweist, der eine Einheit höher als der Faktor der Mantellinienparabel des Dorns ist (Erfinderzertifikat der UdSSR Nr. 534261, internationale Klassifikation B 21 B 21/02, I. E. Nr. 41, 1976).

Es sind Pilgerwerkzeuge verfügbar, die einen Kegeldorn und Pilgerwalzen mit einem Walzenkaliber enthalten, das entlang der Entwicklungslänge den Reduzierungsbereich, den Tiefziehbereich mit einem Neigungswinkel seiner Mantellinie zu der Dornachse, der größer als der Neigungswinkel der Dornmantellinie ist, den Vorbehandlungsbereich und den Kalibrierungsbereich aufweist. Damit weist die Mantellinie des Vorbehandlungsbereichs den Neigungswinkel zu den Dornachsen auf, der 0,5–0,9 des Neigungswinkels der Dornmantellinie bildet, wobei die Länge des Vorbereitungsbereichs 0,3–0,6 der Länge des Tiefziehbereichs bildet (Erfinderzertifikat der UdSSR Nr. 822937, internationale Klassifikation B 21 B 21/02, 1. B. Nr. 15, 1981).

Es sind Pilgerwerkzeuge für Zirkaloy-Hüllrohre verfügbar (S. Reschke, A. Schaa und T. Grimmelsmann "VERBESSERUNG DES HERSTELLUNGSVERFAHRENS FUR ZIRCALOY-HULLROHRE", Metall, 1986, H, Nr. 4, S. 338–346), die durch Folgendes gekennzeichnet sind:

  • – der Anfang des Ringwerkzeugs umfasst den Bereich schwacher Reduzierung;
  • – die maximale Verformung tritt in der ersten Entwicklungshälfte auf;
  • – der Kegelwinkel am Ende des Arbeitsabschnitts ist minimal (0,04 mm pro 10 Grad des Walzenballenumfangs).

Wie aus dem Text hervorgeht, ist es bei Verwendung dieser Werkzeuge nicht vollständig möglich, die Bildung kleiner Rohrfehler zu vermeiden.

Die nahe liegende technische Entscheidung zu dem Behaupteten ist ein Entwurf von Pilgerwerkzeugen, bei denen die Entwicklung der Kalibrierung des äußeren Werkzeugs und des Profils des inneren Werkzeugs die Form einer stetig konkaven, hauptsächlich parabolischen Kurve längs der ganzen Arbeitungslänge aufweist.

In diesem Fall:

  • – wird die stetige, hauptsächlich parabolische Kurve des inneren Werkzeugs und die Entwicklung des äußeren Werkzeugs durch ein und dieselbe mathematische Funktion beschrieben und besitzt völlig gleiche Parabelzahlen:
  • – Der Kurveneingang in den Kalibrierungsabschnitt ist tangential fortgeführt und überlappt die zylindrische und kegelförmige Hauptform (BRD-Patent Nr. 1777043, 1971).

Die Geometrie der parabolischen Kurven der inneren und äußeren Werkzeuge hängt nicht von den physikalisch-mechanischen Eigenschaften eines gewalzten Materials ab. Die stetig konkave Form der Entwicklung des inneren und des äußeren Profils der Werkzeuge entlang ihrer gesamten Arbeitslänge kompliziert die Bildung kegelförmiger Werkzeuge oder innerer Werkzeuge anderer Form (Z. A. Koff, P. M. Soloveytchik, V. A. Aljoshin, M. I. Grishpun "Tube Cold Pilgering", Metallurgizdat, Swerdlowsk, 1962; Glen Stapleton "COLD PILGER TECHNOLOGY", 1683 W. 216th Street, USA, 1996).

Offenbarung der Erfindung

Die beanspruchte Erfindung löst das Problem mit der Verbesserung der Genauigkeit der geometrischen Abmessungen, der Oberflächenqualität und der Stabilität der mechanischen Eigenschaften und mit der Verringerung der Fehlerhaftigkeit der Rohre.

Die vorliegende Aufgabe wird gelöst, indem die besten Verformungsschemata der Rohrluppe durch Anwendung eines Arbeitswerkzeugentwurfs erzeugt werden, der mit Bezug auf physikalisch-mechanische Metalleigenschaften und Walzschemata der Rohrluppe berechnet wird.

Ein technisches Ergebnis wird durch die Tatsache erreicht, dass im Gegensatz zu dem bekannten Werkzeugentwurf, der in Form äußerer und innerer formbildender Werkzeuge ausgeführt ist, die längs der Arbeitslänge in Form parabolischer Kurven profiliert werden, die auf der Grundlage mathematischer Berechnungen erzeugt werden, die Geometrie von Kurven der Entwicklung des Profils eines äußeren Werkzeugs und des Profils eines inneren Werkzeugs durch Hauptpunkte verschiedener Spline-Funktionen erzeugt wird (I. N. Bronshtein, K. A. Semendjaev "Handbook in mathematics", Moskau, Nauka, 1986; Seite 504; K. De Bor "Spline practical manual", Moskau, Radio and Communication, 1985).

Ein technisches Ergebnis wird auch durch die Tatsache erreicht, dass auf jeder Walzstufe der Entwurf jedes getrennten äußeren oder inneren Werkzeugs in Form einer vereinigten Kurve ausgeführt wird. Dies ermöglicht ein Automatisieren des Herstellungsprozesses von Werkzeugprofilen (um z. B. CNC zu verwenden).

Die bestehenden Prozesse zur Herstellung von formbildenden Profilen von Werkzeugen für das Kaltpilgern von Rohren, die gemäß den berechneten Kurven des zweiten Faktors und höherer Faktoren aufgetragen werden, erzielen nicht den idealen glatten Übergang in den Punkten ihrer gegenseitigen Konjugation.

Eine Anwendung von Spline-Funktionen zur Berechnung ermöglicht es, eine Übergangsglätte auf verarbeiteten Oberflächen bei angegebenen Punkten auf der vorhandenen Ausstattung zu erzielen.

Da eine Spline-Funktion mit einem Faktor k mit einer Hauptpunktefolge t irgendeine Linearkombination von B-Splines mit einem Faktor k für eine Hauptpunktefolge t(S k, t) zu sein scheint, ermöglicht ein Auswählen der Menge und der Folge oft ein Kombinieren des bevorzugten Glättungsniveaus im Knickpunkt mit der Menge an Hauptpunkten in diesem Punkt. Trotz alledem entspricht die kleinere Menge an Hauptpunkten der größeren Anzahl an Kontinuitätsbedingungen.

Um die Stabilität der physikalisch-mechanischen Eigenschaften gewalzter Rohre zu erzielen, werden dann, wenn die Hauptpunkte der Kurven als Berechnungsparameter von Spline-Funktionen berechnet werden, Faktoren, die physikalisch-mechanische Eigenschaften von gewalztem Material berücksichtigen, z. B. der Elastizitätsmodul, die Fließgrenze und der Reibungsfaktor, und außerdem Walzschemata zusammen mit geometrischen Parametern verwendet: Verformungsgeschwindigkeit über Wanddicke und Rohrinnendurchmesser, Vorschubvolumen usw.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die Zeichnung stellt die Entwicklung des Profils des Kaliberrückens eines äußeren Werkzeugs und des Profils eines inneren Werkzeugs 2 dar, wobei

  • – AB – der Tiefziehabschnitt des äußeren Werkzeugs ist;
  • – BC – der Kalibrierungsabschnitt des äußeren Werkzeugs ist;
  • – A1B1 – der Tiefziehabschnitt des inneren Werkzeugs ist;
  • – B1C1 – der Kalibrierungsabschnitt des inneren Werkzeugs ist;
  • – die Punkte 1, 2, 3, ..., n-1, n – die Hauptpunkte der Spline-Funktion sind, die das äußere Werkzeugprofil bildet;
  • – die Punkte 1*, 2*, 3*, ..., n*-1, n* – die Hauptpunkte der Spline-Funktion sind, die das innere Werkzeugprofil bildet.

Die Entwicklung des Profils des Kaliberrückens des äußeren Werkzeugs AC wird in Form einer Spline-Funktion S(x) mit einem Modul k > 3, die n Hauptpunkte enthält, ausgeführt. Das Profil des inneren Werkzeugs A1C1 wird in Form von Spline-Funktionen S1(x) mit einem Modul k1 > 3, die n* Hauptpunkte enthalten, ausgeführt.

Die Menge an Hauptpunkten der Spline-Funktionen S(x) und S1(x) wechselt von 10 bis 10000 je nach den Typen der angewendeten Walzmaschinen und dem Typ des äußeren Werkzeugs: Segment, Ringwerkzeug.

Im Fall des Walzens gering verformbarer Metalle weisen die Spline-Funktionen S(x) und S1(x) Krümmungsfaktoren auf, die auf einen maximalen Wert gesetzt werden, wobei sie im Fall des Walzens verformbarer Metalle auf einen minimalen Wert gesetzt werden.

Um die stabilen physikalisch-mechanischen Eigenschaften eines gewalzten Materials zu erzielen, werden die Spline-Funktionen S(x) und S1(x) entsprechend den Bedingungen der Verringerung der Verformungsrate längs der Länge des äußeren und des inneren Werkzeugs berechnet.

Varianten der Realisierung der Erfindung Variante 1. Herstellung von Rohren mit 9,13-mm-Durchmesser aus einer Zirkoniumlegierung Zr-1,0 Nb.

Die Luppe wurde einer Kaltverformung in drei Stufen unterworfen, um Rohre der Endgröße zu erhalten. Der erste Walzvorgang wurde auf einer Walzmaschine HPT-55 durchgeführt, deren äußere Werkzeuge in Form von Halbscheiben ausgeführt waren. Der zweite Walzvorgang erfolgte auf einer Walzmaschine KPW-25, wobei die äußeren Werkzeuge in Form von Ringwerkzeugen ausgeführt waren, während der dritte Walzvorgang auf einer Walzmaschine KPW-18 erfolgte, deren äußere Werkzeuge in Form der Ringwerkzeuge ausgeführt waren.

Die Entwicklung des Profils des Walzenkaliberrückens der äußeren Werkzeuge und des Profils der inneren Werkzeuge der Walzmaschine HPT-55 wurde durch verschiedene Spline-Funktionen gebildet: S(x) mit einem Faktor k = 6 und 50 Hauptpunkte enthaltend sowie S1(x) mit einem Faktor k1 = 4 und 48 Hauptpunkte enthaltend.

Die Entwicklung des Profils des Walzenkaliberrückens der äußeren Werkzeuge und des Profils der inneren Werkzeuge der Walzmaschine KPW-25 wurde durch verschiedene Spline-Funktionen gebildet: S(x) mit einem Faktor k = 4 und 100 Hauptpunkte enthaltend sowie S1(x) mit einem Faktor k1 = 4 und 80 Hauptpunkte enthaltend.

Die Entwicklung des Profils des Walzenkaliberrückens der äußeren Werkzeuge und des Profils der inneren Werkzeuge der Walzmaschine KPW-18 wurde durch verschiedene Spline-Funktionen gebildet: S(x) mit einem Faktor k = 6 und 300 Hauptpunkte enthaltend sowie S1(x) mit einem Faktor k1 = 5 und 250 Hauptpunkte enthaltend. Die Berechnung der Hauptpunktefolge wurde ausgeführt gemäß der Formel: Dn = Kt/[(Kt – K)/Dn-1 + K – 1] wobei

Dn
– der innere Werkzeugdurchmesser im Abschnitt n ist,
Kt
= f(G, &sgr;0,2, E) – ein von den physikalisch-mathematischen Eigenschaften von Metall abhängiger Faktor ist,
G
– der Schermodul ist,
&sgr;0,2
– die Fließgrenze ist,
E
– der Elastizitätsmodul ist,
K
= f(m, &mgr;, Q, ...) – ein von den Walzbedingungen abhängiger Faktor ist,
m
– das Metallvorschubvolumen ist,
&mgr;
– die Verlängerung pro Kaliber ist und
Q
– das Verhältnis von Wanddicken-Verformungsrate zu Rohrinnendurchrmesser-Verformungsrate ist.

Nach der Herstellung der Rohre mit 9,13-mm-Durchmesser, wurde eine Prüfung der geometrischen Größen durchgeführt: Die Abweichung des Außendurchmessers stellte sich mit bis zu 30 mkm dar, während die Abweichung des Innendurchmessers 25 mkm nicht überschritt. Auf den äußeren und inneren Oberflächen wurden keine Fehler festgestellt. Eine Auswertung der mechanischen Eigenschaften längs der Länge und des Schnitts der gewalzten Rohre zeigte, dass die Werteverteilung 2 % nicht überschritt. Bei Rohren, die gemäß den bestehenden technologischen Prozessen hergestellt werden, erreichte diese Werteverteilung 10 %.

Variante 2. Herstellung von Rohren mit 25,4-mm-Durchmesser aus einer Titanlegierung VT1-0.

Die Luppe wurde einer Kaltverformung in zwei Stufen unterworfen, um Rohre der Endgröße zu erhalten. Der erste Walzvorgang wurde auf einer Walzmaschine HPT-55 durchgeführt, deren äußere Werkzeuge in Form von Halbscheiben ausgeführt waren. Der zweite Walzvorgang erfolgte auf einer Walzmaschine HPT-32, wobei die äußeren Werkzeuge in Form von Halbscheiben ausgeführt waren.

Die Entwicklung des Profils des Walzenkaliberrückens der äußeren Werkzeuge und des Profils der inneren Werkzeuge der Walzmaschine HPT-55 wurde durch verschiedene Spline-Funktionen gebildet: S(x) mit einem Faktor k = 4 und 80 Hauptpunkte enthaltend sowie S1(x) mit einem Faktor k1 = 6 und 80 Hauptpunkte enthaltend.

Die Entwicklung des Profils des Walzenkaliberrückens der äußeren Werkzeuge und des Profils der inneren Werkzeuge der Walzmaschine HPT-32 wurde durch verschiedene Spline-Funktionen gebildet: S(x) mit einem Faktor k = 5 und 120 Hauptpunkte enthaltend sowie S1(x) mit einem Faktor k1 = 4 und 200 Hauptpunkte enthaltend.

Nach der Herstellung der Rohre mit 25,4-mm-Durchmesser, wurde eine Prüfung der geometrischen Größen durchgeführt: Die Abweichung des Außendurchmessers stellte sich mit bis zu 150 mkm dar, während die Abweichung des Innendurchmessers 120 mkm nicht überschritt. Auf den äußeren und inneren Oberflächen wurden keine Fehler festgestellt. Eine Auswertung der mechanischen Eigenschaften längs der Länge und des Schnitts der gewalzten Rohre zeigte, dass die Werteverteilung 5 % nicht überschritt. Bei Rohren, die gemäß den bestehenden technologischen Prozessen hergestellt werden, erreichte diese Werteverteilung 10 %.

Gewerbliche Verwertbarkeit

Anhand der oben erwähnten Beispiele ist klar, dass es auf Grund der Auswahl der besten berechneten Kurvenform, die die Kalibrierungs- und Tiefziehabschnitte der äußeren und inneren Werkzeuge glatt verbindet sowie die Eigenschaften gewalzten Metalls und Walzschemata berücksichtigt, möglich wird, die Qualität eines Walzprozesses stark zu verbessern. Programme, die ein Reproduzieren berechneter Profile äußerer und innerer technologischer Werkzeuge der vorhandenen Ausrüstung erlauben, wurden zurzeit bei JSC "Chepetsky Mechanical Plant" erzeugt und erfolgreich geprüft.

Die Software wurde mittels eines CVMAC-Moduls in einem CADDS5-System entwickelt. Zur Herstellung von Arbeitswerkzeugen für Walzmaschinen wurden dreifach koordinierte und fünffach koordinierte CNC-Maschinen verwendet – Fanuk und GG-52, die die maximale Übereinstimmung von berechneten und tatsächlichen Werkzeuggeometrieparametern erzielten.


Anspruch[de]
Verfahren zum Entwerfen von Kaltpilgerwerkzeugen, das umfasst: Entwickeln des Entwurfs der äußeren Werkzeuge und des Profils der inneren Werkzeuge, der in Form von Kurven ausgeführt ist, die auf der Grundlage mathematischer Berechnungen aufgetragen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilkurven der äußeren und der inneren Werkzeuge den geometrischen Ort von Hauptpunkten verschiedener Spline-Funktionen bilden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Tiefzieh- und Kalibrierungsabschnitte jedes getrennten äußeren oder inneren Werkzeugs in Form einer vereinigten Kurve ausgeführt werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusammen mit geometrischen Parametern von Spline-Funktionen berechneter Kurven Faktoren verwendet werden, die physikalisch-mathematische Eigenschaften von gewalztem Material und Walzschemata definieren.






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