EP1393827B1 - Verfahren zum Kaltziehen von Rohren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

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EP1393827B1
EP1393827B1 EP03090273A EP03090273A EP1393827B1 EP 1393827 B1 EP1393827 B1 EP 1393827B1 EP 03090273 A EP03090273 A EP 03090273A EP 03090273 A EP03090273 A EP 03090273A EP 1393827 B1 EP1393827 B1 EP 1393827B1
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amplitude
ultrasound
actual
crosshead
tool
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EP1393827A3 (de
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Heinz Dr. Schneider
Thomas Dr. Orth
Martin Kiessling
Jörg Wegener
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Vodafone GmbH
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Mannesmannroehren Werke AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES, PROFILES OR LIKE SEMI-MANUFACTURED PRODUCTS OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C1/00—Manufacture of metal sheets, wire, rods, tubes or like semi-manufactured products by drawing
    • B21C1/006—Manufacture of metal sheets, wire, rods, tubes or like semi-manufactured products by drawing using vibratory energy

Definitions

  • the invention relates to a method for cold drawing of tubes with ultrasonically excited External and / or internal tool according to the preamble of claim 1.
  • a method of the generic type is known from GB-A-1 072 726 and from: N. H. Stolberg and H. Treis “Metal Forming Using Vibrations", Ribbons, sheets, tubes, 9th year. Issue 10, October 1968, pp. 577-579).
  • the object of the invention is, in a method of the generic type, the Ultrasonic excitation of the outer and / or inner tool for a production-safe process to use.
  • At least the predetermined amplitude is kept in a narrowband range during the drawing process, the fluctuation range for the amplitude being max ⁇ 1% of the setting value.
  • the frequency can be kept in a narrowband range, with a maximum fluctuation range of ⁇ 300 Hz. Lowering to less than 15 kHz is not recommended since there is a risk of the ultrasonic stimulation reaching the audible range. Higher frequencies, ie more than 30 kHz, are more favorable for higher drawing speeds, but as the wavelength becomes shorter and shorter, the individual parts of the ultrasound transmitter are becoming ever more filigree and machine technology increasingly difficult to implement.
  • the amplitude becomes and / or the frequency changed.
  • the actual diameter and the actual wall thickness are also on the inlet side captured and set in relation to the SETPOINT adjustment on the outlet side and, depending on the tendency, at least one lead of ultrasound generation is changed.
  • the detection of the actual diameter is preferably carried out by a laser measurement and the acquisition of the actual wall thickness by ultrasound.
  • the latter measuring method is preferred carried out without coupling agent.
  • the proposed target-to-actual comparison may also include the detection of the roughness of the outside and / or inner surface of the pipe. Again, the quality characteristic of the product is determined by ultrasound-excited internal and / or external tools influenced in terms of smoothing.
  • Another characteristic is the change in the texture of the pipe after drawing.
  • the expression of the main crystal direction in the longitudinal and transverse directions of Interest You can capture the texture by means of a linearity linearly polarized Sound waves once in the longitudinal direction and once in the transverse direction.
  • Friction reduction Due to the ultrasonic excitation of the drawing tools is with a reduction of the texture effect to count.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a cold drawing process with an ultrasonically excited draw ring 1.
  • the ultrasonic excitation is indicated here by two oscillations acting on the pulling ring 1.
  • the cold-formed tube 3 can be a hot or already cold drawn Be a pipe. It is characterized on the inlet side by the outer diameter. 4 and the wall thickness 5. The roughness of the outer 6 and inner surface 7 can be an essential Feature.
  • the contour of the central opening of the pull ring 1 determines very much the degree of desired transformation.
  • the pulling direction is marked with an arrow 8.
  • the drawn Pipe 9 is on the outlet side by the outer diameter 10 and the wall thickness 11 characterized.
  • the method according to the invention is on the outlet side of the actual value of the outer Diameter 10 and the actual value of the wall thickness 11 detected and with a predetermined Target value compared. If this adjustment results in an impermissible deviation, then at least one lead of the ultrasonic excitation for the pull ring 1 influence taken.
  • the amplitude of the ultrasound excitation is changed. It can alone or in combination, the frequency can be changed. Another control option results from changing the pulling speed as a guide for the Kattzieh compiler.
  • the proposed method can still be refined by taking the actual values for Diameter 4 and wall thickness 5 on the inlet side also detected and in relation sets to target-actual comparison on the outlet side.
  • the evaluation of the surface roughness can also be important.
  • the capture of the Diameter is preferably carried out by laser and the wall thickness by a coupling agent-free Ultrasonic methods.
  • Figure 2 shows in a plan view of the details of the device according to the invention. It consists of a respective right and left arranged ultrasonic transducer 14, 14 ', which act via a mechanical transmission means 15, 15' mounted on a drawing plate 17 crosshead 16.
  • the transmission means 15, 15 ' is also referred to as a booster.
  • the crosshead 16 is designed in its dimension and contour so that in the ultrasound generator 14, 14 'generated ultrasonic waves are deflected in the drawing direction.
  • the Vibration directions are each marked by a double arrow 18, 18 '19.
  • the outer tool 20 here in the form of a drawing ring, is in a rod-shaped holding element 21 arranged. So that the antinode of the ultrasonic waves generated in Area of the outer tool 20 is, the distance between the outer tool 20th and crosshead 16 in the ideal case exactly ⁇ / 2.
  • the drawing plate 17, the crosshead 16 and the holding element 21 has a continuous channel 20.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltziehen von Rohren mit ultraschallerregtem Außen- und/oder Innenwerkzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein Verfahren der gattungsgemäßen Art ist bekannt aus der GB-A-1 072 726 sowie aus: N. H. Stolberg und H. Treis "Metallumformung unter Anwendung von Schwingungen", Bänder, Bleche, Rohre, 9. Jahrgang. Heft 10, Oktober 1968, S. 577 - 579).
Durch Überlagerung von durch Ultraschall angeregter Schwingungen beim Rohrziehen sind durch verminderte Reibung größere Einzelquerschnittsabnahmen möglich. Bessere Oberflächen, engere Toleranzen und längere Werkzeugstandzeiten sind erzielbar.
Die Reibungsverminderung ist bei konstanter Ziehgeschwindigkeit um so größer, je höher Frequenz und Amplitude der angeregten Schwingungen sind.
Bislang ist kein Verfahren vorgeschlagen worden, wie man die bekannten qualitativen Veränderungen beim Kaltziehen von Rohren mit ultraschallerregtem Außen- und/oder Innenwerkzeug für einen fertigungssicheren Prozess mit engen quantitativen Toleranzen nutzen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art, die Ultraschallanregung des Außen- und/oder Innenwerkzeuges für einen fertigungssicheren Prozess zu nutzen.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung wird während des Ziehvorganges mindestens die vorgegebene Amplitude in einem schmalbandigen Bereich gehalten, wobei der Schwankungsbereich für die Amplitude max ± 1 % des Einstellwertes beträgt.
Zusätzlich kann die Frequenz in einem schmalbandigen Bereich gehalten werden, mit einer höchsten Schwankungsbreite von ± 300 Hz. Die Absenkung auf unter 15 kHz ist nicht empfehlenswert, da die Gefahr besteht, dass die Ultraschallanregung in den hörbaren Bereich gerät. Höhere Frequenzen d. h. über 30 kHz sind zwar für höhere Ziehgeschwindigkeiten günstiger, aber da die Wellenlänge im gleichen Umfang immer kürzer wird, werden die einzelnen Teile des Ultraschallgebers immer filigraner und maschinenbautechnisch immer schwerer umzusetzen.
Ziehversuche haben bestätigt, dass der Konstanthaltung der Amplitude eine Schlüsselrolle zukommt. Aus diesem Grunde muss das mit dem Geber verbundene Steuergerät so ausgelegt sein, dass die während des Ziehens unvermeidliche sich ergebende Veränderungen der Amplitude durch eine empfindlich reagierende Nachsteuerung weitgehend egalisiert werden. Nur durch diese Maßnahme ist gewährleistet, dass die an sich bekannten qualitativen Verbesserungen durch mit Ultraschall beaufschlagte Werkzeuge voll wirksam werden. Auch ein Mindestwert der Amplitude muss erzeugt werden, um den Ziehprozess positiv zu beeinflussen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden auf der Auslaufseite mindestens der IST-Durchmesser, vorzugsweise der IST-Durchmesser und die IST-Wanddicke erfasst und mit einem SOLL-Wert verglichen. Bei unzulässiger Abweichung wird die Amplitude und/oder die Frequenz verändert.
Vorzugsweise werden auch auf der Einlaufseite der IST-Durchmesser und die IST-Wanddicke erfasst und in Beziehung zum SOLL-IST-Abgleich auf der Auslaufseite gesetzt und je nach Tendenz mindestens eine Führgröße der Ultraschallerzeugung verändert.
Je nach Anforderung kann es zweckmäßig sein, auch die wichtigste Führgröße beim Kaltziehverfahren - die Ziehgeschwindigkeit - mit anzupassen.
Diese vorgeschlagene Verfahrensweise hat den Vorteil, dass die an sich bekannte Wirkung der Reibverminderung durch die Ultraschallerregung quantitativ für das Erzeugnis genutzt wird. Unzulässige Abweichungen vom SOLL-Wert werden zurück gekoppelt auf die Führgrößen der Ultraschallerregung, wobei dies in erster Linie die Amplitude und die Frequenz sind.
Die Erfassung des IST-Durchmessers erfolgt vorzugsweise durch eine Laser-Messung und die Erfassung der IST-Wanddicke durch Ultraschall. Letzteres Messverfahren wird bevorzugt koppelmittelfrei durchgeführt.
In den vorgeschlagenen SOLL-IST-Vergleich kann auch die Erfassung der Rauheit der Außen- und/oder Innenoberfläche des Rohres mit einbezogen werden. Auch dieses, die Qualität des Erzeugnisses charakterisierende Merkmal wird durch ultraschallerregte Innen- und/oder Außenwerkzeuge in Sinne einer Glättung beeinflusst.
Ein weiteres Charakteristikum ist die Veränderung der Textur des Rohres nach dem Ziehen. Dabei ist die Ausprägung der Hauptkristallrichtung in Längs- und Querrichtung von Interesse. Erfassen kann man die Textur mittels einer Laufzeitmessung linear polarisierter Schallwellen einmal in Längs- und einmal in Querrichtung. Infolge der Reibungsminderung durch die Ultraschallerregung der Ziehwerkzeuge ist mit einer Minderung des Textureffektes zu rechnen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von einem in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
Es zeigen
Figur 1
einen Längsschnitt eines schematisch dargestellten Kaltziehprozesses,
Figur 2
eine Draufsicht der im Werkzeugbereich angeordneten US-Anlage.
In Figur 1 ist in einem Längsschnitt ein Kaltziehprozess mit einem ultraschallerregten Ziehring 1 dargestellt. Die Ultraschallerregung ist hier angedeutet durch zwei auf den Ziehring 1 einwirkende Schwingungen.
Das kalt umzuformende Rohr 3 kann ein warmgefertigtes oder ein schon kaltgezogenes Rohr sein. Es ist auf der Einlaufseite gekennzeichnet durch den äußeren Durchmesser 4 und die Wanddicke 5. Auch die Rauheit der Außen- 6 und Innenoberfläche 7 kann ein wesentliches Merkmal sein.
Die Kontur der zentralen Öffnung des Ziehringes 1 bestimmt ganz wesentlich den Grad der gewünschten Umformung. Die Ziehrichtung ist mit einem Pfeil 8 gekennzeichnet. Das gezogene Rohr 9 ist auf der Auslaufseite durch den äußeren Durchmesser 10 und die Wanddicke 11 charakterisiert.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird auf der Auslaufseite der IST-Wert des äußeren Durchmessers 10 und der IST-Wert der Wanddicke 11 erfasst und mit einem vorgegebenen SOLL-Wert verglichen. Ergibt sich bei diesem Abgleich eine unzulässige Abweichung, dann wird auf mindestens eine Führgröße der Ultraschallerregung für den Ziehring 1 Einfluss genommen.
In erster Linie wird die Amplitude der Ultraschallerregung verändert. Es kann aber allein oder auch in Kombination dazu die Frequenz verändert werden. Eine weitere Steuerungsmöglichkeit ergibt sich durch Veränderung der Ziehgeschwindigkeit als Führgröße für das Kattziehverfahren.
Das vorgeschlagene Verfahren kann man noch verfeinem, wenn man die IST-Werte für Durchmesser 4 und Wanddicke 5 auf der Einlaufseite ebenfalls erfasst und in Beziehung setzt zum SOLL-IST-Vergleich auf der Auslaufseite. Je nach Anforderung an das Erzeugnis kann auch die Bewertung der Oberflächenrauheit von Bedeutung sein. Die Erfassung des Durchmessers erfolgt vorzugsweise durch Laser und die der Wanddicke durch ein koppelmittelfreies Ultraschallverfahren.
Figur 2 zeigt in einer Draufsicht die Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Sie besteht aus je einem rechts und links angeordneten Ultraschallgeber 14, 14', die über ein mechanisches Übertragungsmittel 15, 15' auf einen an einem Ziehschild 17 befestigten Kreuzkopf 16 einwirken. Das Übertragungsmittel 15, 15' wird auch als Booster bezeichnet.
Der Kreuzkopf 16 ist in seiner Abmessung und Kontur so ausgelegt, dass die im Ultraschallgeber 14, 14' erzeugten Ultraschallwellen in Ziehrichtung umgelenkt werden. Die Schwingungsrichtungen sind durch je einen Doppelpfeil 18, 18' 19 gekennzeichnet.
Das Außenwerkzeug 20, hier in Form eines Ziehringes, ist in einem stabförmigen Halteelement 21 angeordnet. Damit der Schwingungsbauch der erzeugten Ultraschallwellen im Bereich des Außenwerkzeuges 20 liegt, beträgt der Abstand zwischen Außenwerkzeug 20 und Kreuzkopf 16 im Idealfall genau λ/2.
Zur Durchleitung des zu ziehenden Rohres 3 weist das Ziehschild 17, der Kreuzkopf 16 und das Halteelement 21 einen durchgehenden Kanal 20 auf.
Bezugszeichenliste
Nr. Bezeichnung
1 Ziehring
2 Schwingung
3 Rohr (Einlaufseite)
4 äußerer Durchmesser (Einlaufseite)
5 Wanddicke (Einlaufseite)
6 Außenoberfläche (Einlaufseite)
7. Innenoberfläche (Einlaufseite)
8 Ziehrichtung
9 Rohr (Auslaufseite)
10 äußerer Durchmesser (Auslaufseite)
11 Wanddicke (Auslaufseite)
12 Außenoberfläche (Auslaufseite)
13 Innenoberfläche (Auslaufseite)
14, 14' Ultraschallgeber
15, 15' Übertragungsmittel (booster)
16 Kreuzkopf
17 Ziehschild
18, 18', 19 Schwingungsrichtung
20 Außenwerkzeug
21 Halteelement
22 Kanal

Claims (13)

  1. Verfahren zum Kaltziehen von Rohren mit ultraschallerregtem Außen- und/oder Innenwerkzeug wobei die Erregung unter Vorgabe einer bestimmten Frequenz und Amplitude erfolgt,
    dadurch gekennzeichnet, dass während des Ziehvorganges mindestens die vorgegebene Amplitude in einem schmalbandigen Bereich gehalten wird, wobei der Schwankungsbereich für die Amplitude max ± 1 % des Einstellwertes beträgt, und der Mindestwert der Amplitude 10 µm beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Frequenz in einem schmalbandigen Bereich gehalten wird, wobei der Einstellwert 20 KHz und die Schwankungsbreite höchstens ± 300 Hz beträgt.
  3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 - 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Außen- und/oder Innenwerkzeugwerkzeug mit Ultraschall beaufschlagt wird.
  4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 - 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass auf der Auslaufseite mindestens der IST-Durchmesser des gezogenen Rohres erfasst und mit einem SOLL-Wert verglichen wird und bei unzulässiger Abweichung die Amplitude und/oder die Frequenz der Ultraschallerregung verändert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4
    dadurch gekennzeichnet, dass auf der Auslaufseite auch die IST-Wanddicke erfasst wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass auf der Einlaufseite der IST-Durchmesser und die IST-Wanddicke erfasst und in Beziehung gesetzt werden zum SOLL-IST-Abgleich auf der Auslaufseite und je nach Tendenz die Amplitude und/oder die Frequenz der Ultraschallerregung verändert werden.
  7. Verfahren nach den Ansprüchen 4 - 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Rauheit der Außen- und/oder Innenoberfläche des Rohres in den SOLL-IST-Abgleich mit einbezogen wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 - 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Textur des Rohres auf der Ein- und Auslaufseite in den SOLL IST-Abgleich mit einbezogen wird.
  9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Kaltziehen von Rohren mit ultraschallemegtem Außenwerkzeug mit einer Ziehbank und
    mindestens einem Außenwerkzeug, das in Kontakt ist mit einem mit einem Steuergerät verbundenen Ultraschallgeber,
    dadurch gekennzeichnet, dass quer zur Ziehrichtung rechts und links vom Außenwerkzeug (20) je ein Ultra schallgeber (14, 14') angeordnet ist, die auf einen in Ziehrichtung liegenden mit dem Außenwericzeug verbundenen Kreuzkopf (16) einwirken, und durch Mittel zum Hatten der Amplitude in einem Schwankungsbereich von ±1% des Einstellwertes.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kreuzkopf (16) in Abmessung und Form so gestaltet ist, dass die ursprünglich quer zur Ziehrichtung erzeugten Ultraschallwellen in Ziehrichtung umlenkbar sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Außenwerkzeug (20) in einem Abstand von ca. λ/2 vom Kreuzkopf (16) ent fernt in einem Halteelement (21) angeordnet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kreuzkopf (16) und das Halteelement (21) einen Kanal (22) zum Durchführen des zu ziehenden Rohres aufweisen.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 -12,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ultraschallgeber (14, 14') und Kreuzkopf (16) je ein Übertragungselement (15, 15) angeordnet ist.
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