DE2139054A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Materialverteilung an einem dünnwandigen Metallkörper - Google Patents

Description

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Patentanwälte Dr. Ing. H. Negendank

Dipl. Ing. H. Hsuck Dipl. Phys. W. SrSwite

Tu. j it · -5 ob

Secretary of State for Defence in Her

Brittanic Majesty's Government of the

United Kingdom of Great Britain and

Northern Ireland 4. August 1971

Whitehall, London, S.W.I, England Anwaltsakte M-I711

Verfahren und Vorrichtung zur Materialverdickung an einem dünnwandigen Metallkörper

Gasturbinen für Flugzeuge ;^eisen Bauteile auf, welche von zylindri scher oder konischer Form sind, großen Durchmesser aufweisen und deren Wand im Verhältnis zum Durchmesser des Bauteiles dünn dimensioniert ist. Es ist erforderlich, daß diese Bauteile in einem oder in mehreren Bereichen zusätzliches Metall aufweisen, d.h. daß beispielsweise an den Enden dieser Bauteile Flansche erforderlich sind, um einen Bauteil mit einem anderen zu verbinden. Es kann sich auch als erforderlich erweisen, an den Bauteilen ein Paar um den Umfang verlaufender Flansche anzuordnen, so daß in die zwischen den Flanschen befindliche Nut ein Dichtungskörper eingelegt werden kann.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, durch welche diese Bauteile aus einem eilstückigen

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Rohteil gefertigt werden können, ohne daß es erforderlich wäre, große Metallmengen vom Rohteil abzuführen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialverdickung an einem dünnwandigen Metallkörper kreisförmigen Querschnitts , wobei das Metall in der zu verdickenden Zone bis zu einer Temperatur erhitzt wird ,bei weicheres plastisch verformbar ist. Erfindungsgemäß wird das Verfahren so durchgeführt, daß ein erster Flächenteil in der zu verdickenden Zone auf den Metallkörper eine axiale Kraft ausübt, wobei der erste Flächenteil unter Rollkontakt am Metallkörper anliegt und sich relativ zu diesem entlang dessen Umfang bewegt, während weitere, gleichfalls unter Rollkontakt am Metallkörper anliegende Flächenteile eine radiale Abstützung bilden, um das verdickete Metall in seier Lage zum übrigen Metallkörper festzulegen.

Der Metallkörper kann aus einem rohrförmigen Rohteil bestehen, welches aus einem Metallblech gefertigt und in zylindrische oder konische Form gewalzt wurde; die Längsnaht des Zylinders oder Kegels wurde dabei stumpfgeschweißt.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung weist im Vergleich mit bislang üblichen Verfahren viele Vorteile auf. Nach bekannten Verfahren wurde bisher der Hauptteil des zu fertigenden Bauteiles durch Walzen von Metallblech geformt, wonach die benötigten Flansche durch Anschweißen von ringförmigen Teilen angesetzt wurden. Diese ringförmigen Teile wurden getrennt vom Bauteil gefertigt, so durch Schmieden.

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Demgegenüber sind die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung wie folgt-:

1. Die Materialkosten werden wesentlich reduziert. Den teueren Flanschschmiedeteilen steht nur eine geringe Zunahme billigen Metallbleches gegenüber.

2. Die mechanische Festigkeit und die betriebliche Zuverlässigkeit wurden verbessert, da auf schwierig zu schweißende Verbindungen verzichtet werden kann. Zudem wird ein verbesserter Faserverlauf im Metallteil erreicht.

3. Die maschinelle Bearbeitung ist vereinfacht. Auf die dem Schweißen vorangehende Teilbearbeitung in Form von Schmieden kann verzichtet werden. Die Möglichkeiten der Verformung sind reduziert und die Endbearbeitung der Flansche kann in einheitlicher Form vorgenommen werden.

4. Die indirekten Kosten sind wesentlich herabgesetzt. Es kann also mit reduzierter Bevorratung von Rohmaterialien und teilbearbeiteten Elementen gearbeitet werden; gleichzeitig ist weniger betriebliche Handhabung erforderlich. Es sind weniger Spannvorrichtungen und; Befestigungen erforderlich. Die Untersuchung teilgefertigter Bauteile und großer Schweißverbindungen ist nicht erforderlich.

Es gilt als bekannt, Rohrenden zu stauchen, indem man sie erhitzt und Druck anlegt. Dieses Verfahren arbeitet jedoch ohne Drehung und ist nicht auf Metallkörper großen Durchmessers anwendbar.

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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 der Zeichnungen ist eine Perspektivansicht einer Anordnung von Rollen zum Anlegen axialer Kraft und zur radialen Abstützung; >.

Fig. 2 ist eine vertikale Schnittansicht der gleichen Anordnung ;

Fig. 3 ist ein im Schnitt wiedergegebenes Schaubild einzelner Verfahrensstufen bei der Verformung einer Endzone eines rohrförmigen Rohteils;

Fign. 4

und 5 stellen zwei weitere Ausführungsformen von Rollen dar ;

Fig. 6 ist eine Schnittansicht unter Darstellung zweier Flansche an einem Bauteil; und

Fig· 7 der Zeichnungen ist eine Teilansicht einer Vorrichtung zur Formung eines der beiden in Fig. 6 dargestellten Flansche«

In den Fign. 1-3 der Zeichnungen ist die Herstellung eines Außenflansches an einem Ende eines zylindrischen, rohrförmigen Rohteils 1 dargestellt. Das verwendete Gerät wird durch eine gewöhnliche Vertikalbohrmaschine gebildet, an welcher geringe bauliche Veränderungen vorgenommen sind. Der Rohteil ist mit seiner

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Achse vertikal auf dem Tisch der (nicht dargestellten) Maschine befestigt , welcher sich um diese Achse drehen kann.

Wie sich aus Fign. 1 und 2 der Zeichnungen ergibt besteht die Vca?-

eine richtung, um am oberen Ende des Rohteils/nach unten gerichtete Axialkraft auszuüben,aus einer Rolle 4, während die Vorrichtung zur radialen Abstützung bzw. Gegenlagerung aus zwei Rollen 6 und 8 besteht. Die Arbeitsflächen 10 und 12 der Rollen 6 und 8 sind von Teil-Kugelform; die Rollen befinden sich auf einer gemeinsamen Achse und werden von einer sich nicht drehenden Welle 14 getragen, welche in einem Bügel 15 an den üblichen Werkzeugschlitten 16 und 18 der Bohrmaschine gehalten ist.

Die Rolle 4 wird durch den Mittelteil einer Hülse 20 gebildet, welche sich auf der Welle 14 drehen kann. Die RoBe 6 ist an der Hülse fixiert und stützt sich über ein Drucklager 22 an einem Arm 23 des Bügels 15 ab. Die Rolle 8 kann bei Drehen einer Mutter 24 axial entlang der Hülse 20 bewegt werden. Die Mutter 24 ist

zweiten bei 26 auf die Welle 14 aufgeschraubt.Sie ist in einem/Arm 27 des Bügels 15 gelagert und enthält ein Lager 28 für die Hülse 20. Die Mutter liegt an einem Drucklager 30 für die Rolle 8 an. Sie kann mit Hilfe einer Kurbel 32 gedreht und durch eine weitere Mutter 34 abgesichert werden.

Bei Betrieb wird der Tisch der Maschine gedreht, um den Rohteil 1 in Umdrehung zu versetzen. Die Rollen werden horizontal auf dem Schlitten 16 verschoben, um die Arbeitsfläche 10 der Rolle 6 in eine Position zu bringen, in welcher sie die innere, zylindrische

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Fläche des Rohteils tangiert. Dann werden die Rollen auf dem Schlitten 18 nach unten bewegt, um die Rolle 4 an das obere Ende des Rohteils anzulegen.

Die obere Endzone des Rohteils wird durch ein Induktionsheizelement 2 mit mehreren Windungen erhitzt. Dieses Heizelement ist mittels nicht dargestellter Einrichtungen am Bügel 15 befestigt. Wie sich aus Fig. 1 der Zeichnungen eigibt erstreckt sich das Heizelement über einen Bogen am Umfang des Rohteils, während die Rollen eine Position einnehmen, inweicher sie an dem Bereich des Rohteils einwirken, welcher zuvor durch das Heizelement erhitzt wurde. Um jedoch das Verständnis für die Funktion des Heizelementes zu erleichtern, ist die Positon des Rohteils in Fig. 3A der Zeichnungen an der durch Bezugsnummer 2 bezeichneten Stelle in gestrichelter Weise wiedergegeben und zwar so, als wäre das Heizelement am Umfang nicht bezüglich der Rollen versetzt ausgerichtet.

Um den Flansch am Rohteil zu fertigen wird der die Rollen und das Heizelement tragende Bügel 15 allmählich nach unten bewegt, wie durch die Pfeile 36 in Fig. 3 der Zeichnungen dargestellt ist. In dem außerdem die Mutter 24 gedreht wird, wird die Rolle 8. allmählich radial nach außen verlagert, wie durch die Pfeile 38 dargestellt ist.

Die Ausgangsform des Rohteils ist in Fig. 3A der Zeichnungen ersichtlich. Zu diesem Zeitpunkt besteht ein radialer Abstand 40 zwischen der Außenseite des Rohteils und der Rolle 8. Die Rollen werden nach unten bewegt; wenn sich das Metall soweit verformt hat, daß es den Zwischenraum 40 füllt, beginnt die nach

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außen gerichtete Bewegung 38 der Rolle 8» Das Metall wird fortschreitend verformt und durchläuft die Situationen, welche in Fig. 3B und 3C der Zeichnungen dargestellt sind. Die fertige Form des Rohteils ist aus Fig. 3D der Zeichnungen ersichtlich. Eine verhältnismäßig kleine Menge von Metall wird dann gemäß der Umrißlinie 42 in maschineller Weise abgenommen, um die Endform des Flansches festzulegen.

In der dargestellten Ausführungsform beträgt die Dicke des Materials des Rohteils 5,0 mm.

Die Rohabmessungen des Flansches in Fig. 3D betragen 25,4 mm X 12,7 mm.

Die axiale Bahn der Rollen und des Heizelementes beträgt etwa 51 mm. Größere Flansche können aus dem gleichen Material hergestellt werden.

Falls nicht rostender Stahl verwendet wird wird die elektrische Einspeisung am Heizelement so eingestellt, daß das Metall auf J 1120⁰C erhitzt wird.

Für einen Rohteil mit einem Durchmesser von 305 mm beträgt die geeignete Drehgeschwindigkeit etwa 11 Umdrehungen pro Minute. Die Geschwindigkeit der axialen Zuführung der Rollen und des Heizelementes beträgt 1,27 mm pro Umdrehung. Das heißt, daß 40 Umdrehungen erforderlichbind, um das Verfahren durchzuführen. Nach'dem Einschalten des Heiselementes erreicht das Metall seine

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- 8 Arbeitstemperatur innerhalb von 10 bis 15 Sekunden.

Die Erfindung kann innerhalb eines großen Bereiches verschiedener Baugrößen der Metallkörper zur Anwendung gebracht werden, beispielsweise von Teilen mit einem Durchmesser von etwa 100 mm bis zu den Größen, welche die zur Veifiigung stehenden Maschinen gerade noch bearbeiten undv aufnehmen können. Die Vorteile gegenüber dem Stauchverfahren verringern sich, wennlder Durchmesser auf 100 mm absinkt. Je nach dem Durchmesser des Metallteiles ist es erforderlich, die Lage des Heizelementes, in Draufsicht gesehen, so nahe als möglich zu dem zu bearbeitenden Teil zu legen, ohne daß die Gefahr eines Kurzschlusses besteht. Für Teile kleiner Abmessungen kann die Rolle 6 durch eine andere Rolle mit einer teilkugeligen Arbeitsfläche eines kleineren Radius ersetzt werden, da dieser Radius kleinerlsein muß als der Innenradius des Teils selbst.

Es ist nicht erforderlich, daß die Rolle 8 eine Arbeitsfläche mit Teil-Kugelform besitzt; diese Fläche kann auch flach ausgebildet sein.

In Fig. 4 der Zeichnungen ist eine weitere Ausführungsform von

den

Rollen dargestellt, welcheJn ihrer Wirkung durcli/in I-'ig. 1 der Zeichnungen dargestellten Rollen insofern gleichen, als drei Arbeitsflächen an der Oberseite des Flansches und an den radial inneren und äußeren Flächen desselben anliegen.

Am oberen Ende des Rohteils wird durch die Fläche 44 einer RoIIe 4b

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eine axiale Kraft ausgeübt. Die Achse der Rolle 46 liegt in einer radialen Ebene des Rohteiles, schräg zur Achse desselben. Die radiale Abstützung geschieht mit Hilfe einer zweiten Fläche 48 an der Rolle 46 uni durch eine Fläche 50 an einer Rolle 52. Die Rolle 52 ist von zylindrischer Form und ihre vertikal sich erstreckende Achse liegt in gleicher Ebenewie die Achse der Rolle 46. Die Rollen 46 und 52 und das Heizelement 2 werden insgesamt mit gleicher Geschwindigkeit axial nach unten bewegt„ wie durch den Pfeil 54 angedeutet ist. Gleichzeitig wird die Rolle 52 allmählich radial nach außen verlagert, wie durch den Pfeil 56 angezeigt ist. In Fig. 4 der Zeichnungen liegt die Achse der Rolle unter 45° zur Vertikalen. Der Winkel hängt von der Größe des Rohteiles ab und wird so gewählt, daß die Rolle zu jedem Zeitpunkt unter Rollkontakt anliegt. Somit muß die Achse der Rolle durch den Schnitt der Achse des Rohteiles mit der Ebene der Oberseite des Flansches verlaufen.

In den Fign. 1 und 4 der Zeichnungen ist die Unterseite des Flansches nicht wirksam bestimmt. In Fig. 5 der Zeichnungen ist dargestellt, wie die Formgestaltung an der Unterseite der Flansches vorgenommen werden kann. Gemäß Fig. 5 der Zeichnungen kommen drei voneinander getrennte zylindrische Rollen 58, 6o und 62 zur Anwendung, wobei die Achse der Rolle 58 horizontal liegt, während die Achsen der Rollen 60 und 62 vertikal in einer Ebene liegen, welche radial zum Rohteil 1 liegt. Die Achse der Rolle 58 ist parallel zu dieser Ebene, liegt jedoch etwas versetzt dazu, so daß der unterste Teil der Rolle 58 nicht die Wirkung der Rollen und 62 beeinträchtigt. -10-

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Die Rolle 62 weist eine im Schnitt rechtwinklige Nut 64 am Außenumfang auf. In diese Nut wird Metall verlagert, wenn die drei Rollen nach unten bewegt werden. Die Rolle 62 bewegt sich nicht in von der Rolle 60 abgewandter Richtung, d.h. daß die radiale Abstützung durch die Rolle 62 nur am Ende des Verfahrens wirksam wird.Falls ein Flansch großer radialer Ausdehnung zu fertigen ist, kann das Verfahren in zwei Stufen durchgeführt werden. Die Rolle 62 wird dann während der zweiten Verfahrensstufe durch eine Rolle ersetzt, deren Nut größere radiale Abmessung aufweist.

In Fig. 6 der Zeichnungen ist ein Rohteil dargestellt, welcher mit zwei Flanschen versehen ist, nämlich mit einem Endflansch 65 und mit einem Zwischenflansch 66. Zwischen diesen Flanschen befindet sich eine Nut 68, welche zur Aufnahme-ines Dichtungselementes dient.

Der Flansch 66 wird zunächst geformt. Das geeignete Gerät hierfür ist in Fig. 7 der Zeichnungen ersichtlich. In diesem Fall erweist es sich nicht als praktisch, mit Induktionsheizung zu arbeiten. Anstelle dessen wird die Widerstandsheizung verwendet. Eine Elektrode besteht aus zwei konzentrischen, zylindrischen Körpern 70 und 72. Die andere Elektrode besteht aus einer Rolle 74, welche eine Nut 76 aufweist. Die Nut 76 dient zur Aufahme von Metall, welches später zur Formung der Basis der Nut 68 und zur Formung des Flansches 64 erforderlich ist. In der Elektrode 72 befindet sich gleichfalls eine Nut, die Nut 78, in welche das Metall bei Verformung gepreßt wird, wenn ein axialer Druck mit Hilfe der Rolle 74 ausgeübt wird, Dieser axiale Druck führt zur Herstellung

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des Zwischenflansches 66. Das Metall des Flansches wird sowohl durch die Unterseite als auch durch die Außenwand der Nut 78 und durch den Flansch 80 der Rolle 74 abgestützt.

Nachdem der Zwischenflansch 66 auf diese Weise gefertigt wurde werden die Elelctrodenteile 70 und 72 abgenommen_s wonach der Endflansch 64 in der unter Bezugnahme auf die Fign» 1-3 der Zeichnungen erläuterten Weise hergestellt wird.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur Materialverdickung an einem dünnwandigen Metallkörper kreisförmigen Querschnittes unter Erhitzen des in der zu verdickenden Zone befindlichen Metalls bis zu einer Temperatur, bei welcher es plastisch verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Flächenteil in der zu verdatenden Zone auf den Metallkörper eine axiale Kraft ausübt, wobei der erste Flächenteil unter Rollkontakt am Metallkörper anliegt und sich relativ zu diesem entlang dessen Umfang bewegt, während weitere, gleichfalls unter Rollkontakt am Metallkörper anliegende Flächenteile eine radiale Abstützung bilden, um das verdickte Metall in seiner Lage zum übrigen Metallkörper festzulegen.

   ί 2./Vorrichtung zur Materialverdickung an einem dünnwandigen Metallkörper kreisförmigen Querschnittes, mit einer Vorrichtung, um das Metall in der zu verdickenden Zone bis zu einer Tem-

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   peratur zu erhitzen ,bei welcher das Metall plastisch verformbar ist, mit einer Auflage für den Körper, mit einer Halterung und mit einer Vorrichtung, um die Auflage und die Halterung relativ zu drehen, gekennzeichnet durch eine erste Rollenfläche (4,44,58}, welche von der Halterung getragen ist, um eine axiale Kraft auf den Körper (1) auszuüben, eine Vorrichtung, um die erste Rollenfläche relativ in Richtung der Auflage zu bewegen, eine zweite Rollenfläche (10,48,60) und eine dritte Rollenfläche (12,50,64), welche beide durch die Halterung getragen sind und an gemeinsamer Stelle an den Innen- und Außenflächen der zu verdickenden Zone anliegen.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten, zweiten und dritten Rollenflächen auf der Halterung um eine gemeinsame Achse drehbar sind.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (24,30,32), um die zweiten und dritten Rollenflächen entlang der gemeinsamen Achse relativ zueinander zu bewegen.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten und dritten Rollenflächen auf Achsen drehbar sind, welche parallel zur Achse der Relativdrehung der Auflage und der Halterung liegen.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Rollenfläche die Basis einer rechtwinkligen Nut (64) in einer Rolle (62) bildet.

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   7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Flächen (44,48) auf einer Rolle vorgesehen sind, deren Achse schräg zur Achse der Relativdrehung der Auflage und der Halterung liegt.

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