DE4431391A1 - Vorrichtung zum Walzen von Rohren nach dem Pilgerwalzverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Walzen von Rohren nach dem Pilgerwalzverfahren mit einem in Walzrichtung hin- und herbewegbaren Walzgerüst mit drei in einer gemeinsamen vertikalen Ebene gleichmäßig um das Rohr verteilt angeordneten verjüngend kalibrierten Walzen, deren Kaliber das Rohr auf jeweils 120 Grad umschlingen und die mit wechselndem Drehsinn über dem Rohr abrollen, indem sich ein entsprechend kalibrierter Dorn befindet.

Üblicherweise wird in Pilgerwalzwerken über zwei kalibrierte Arbeitswalzen Rohrmaterial durch Streckung im Querschnitt reduziert. Die Walzen sind in einem Walzgerüst angeordnet, das über einen Kurbeltrieb angelenkt ist und eine Hin- und Herbewegung relativ zum Walzgut ausführt. Die Drehmomentübertragung zur Drehachse der Arbeitswalzen erfolgt über Ritzel, die sich bei der Walzgerüstbewegung über Zahnstangen abwälzen. Verfahrensbedingt wird bei diesem Auswalzprozeß in den Endlagen, in denen die Arbeitswalzen mit dem Walzgut nicht im Eingriff sind, das Rohr gedreht und vorgeschoben. Die Vorschub- und Drehbewegung des Rohres wird mittels Spannschlitten bzw. Spannfutter ausgeführt. Der Antrieb dieser Einrichtung erfolgt über ein separates Dreh-/Vorschubgetriebe.

Durch die die Gattung zur vorliegenden Erfindung bildende DE 38 44 162 ist eine Bauweise eines Kaltpilgerwalzgerüstes bekannt geworden, bei der die Verformung des Walzgutes über drei Walzen erfolgt die in einem Winkel von 120 Grad zueinander angeordnet sind.

Im Vergleich der Fig. 2 und 3 der vorliegenden Unterlagen werden die für den Umformprozeß resultierenden Vorteile der Dreiwalzenanordnung (Fig. 3) gegenüber der Zweiwalzenanordnung (Fig. 2) erkennbar. In den Figuren ist jeweils ein zur Umformrichtung senkrechter Schnitt durch das Arbeitskaliber dargestellt. Die umformtechnisch bedingten Freischnitte α und β sind für die Erklärung der walztechnischen Unterschiede in einer stark übertriebenen Weise dargestellt. Verfahrensbedingt entstehen an diesen Stellen beim Umformprozeß erhebliche Zugspannungen innerhalb der Rohrwand. Die auftretenden Zugspannungen wachsen mit der relativen Größe der Freischnittsegmente und wirken sich bei großen Rohrvorschüben durch partielle Rohrwandeinschnürungen aus. Folglich kann durch eine Reduzierung dieser Freischnittbereiche die Zugspannung im Rohr abgebaut und die Vorschub- bzw. Produktionsleistung erhöht werden. Wie in Fig. 2 verdeutlicht ist, können bei gleicher Freischnittgeometrie (vereinfacht dargestellt durch Radius R) die Segmente durch eine 120 Grad-Anordnung entscheidend verkleinert werden. Weiterhin kann durch drei Druckpunkte eine Ovalisierung des Rohres, wie es bei einer 180 Grad-Anordnung der Fall ist, reduziert bzw. komplett vermieden werden.

Wenn auch die Walzverhältnisse bei der Anwendung von Dreiwalzengerüsten wie dargestellt zu verbessern sind, so ist doch die konstruktive Ausgestaltung eines derartigen Walzgerüstes schwierig. Die doppelseitige Lagerung der Walzen und deren Antriebsverteilung erfordert einen erheblichen Bauraum, die Lebensdauer der Walzenachsenlagerung ist infolge der hohen Belastung der nicht beliebig groß zu gestaltenden Lager relativ gering. Groß dimensionierte Walzenlager würden das Gerüst selbst und die zu bewegenden Massen vergrößern und den zur Verfügung stehenden Platz verringern, der durch die Überschneidung der Achsen für die jeweiligen Lager ohnehin begrenzt ist. Bekannte Walzgerüste dieser Anordnung mit realistischen Belastungsdaten haben eine maximal zu erreichende Lagerlebensdauer (Lh) von ungefähr 550 Stunden.

Ausgehend von den beschriebenen Problemen des Standes der Technik bei Anwendung der Dreiwalzentechnik wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Walzen fliegend gelagert sind und derartig asymmetrisch kalibriert sind, daß die Umschlingungswinkel der der Antriebsseite zugewandten Kaliberflanken jeder Walze zwischen 85 und 90 Grad betragen.

Die Überlegungen zur Erhöhung der Lagerlebensdauergrenze führte zu der Lösung, die Walzenscheiben "fliegend" zu lagern und unsymmetrisch zu belasten. Die fliegende Lagerung der Walzenachsen vermeidet eine Überschneidung der Lagerstellen, bedingt jedoch durch die stärkere Belastung im Bereich der Walzenscheiben stärkere bzw. größere Wälzlager. Durch die asymmetrische Kalibrierung der Walzen in der vorgeschlagenen Art ergibt sich jedoch eine unsymmetrische Belastung mit dem Ergebnis, daß das vordere Lager radial entlastet und das hintere Lager zusätzlich axial belastet wird. So werden auf Kosten des hinteren Lagers die Lager im vorderen Bereich der Walze relativ klein gehalten.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Kaliberdruckpunkt jeder Walze ausgehend von der durch den Kalibergrund senkrecht zur Walzenachse verlaufenden Ebene um etwa 30 Grad, vorzugsweise 32 Grad in Richtung Antriebsseite verschoben ist. Bei diesem Winkel haben sich erstaunlicherweise die besten Ergebnisse hinsichtlich der Lebensdauer der beiden Lager und für die Biege- und Vergleichsspannung innerhalb der Achsen ergeben. Infolge der geringeren Spannungen ergeben sich auch kleine Durchbiegungen, so daß auf den Einsatz der sonst üblichen Pendelrollenlager verzichtet werden kann. Die theoretische Lagerlebensdauer kann mit dieser Bauweise erheblich gesteigert werden und liegt um mehr als dreifach höher.

Für die Drehmomentübertragung wären für diese Walzenausbildung zwei Alternativen denkbar, nämlich daß der Antrieb der Walzen über jeder Walze zugeordnete Ritzel und Zahnstangen erfolgt, wie dies bei Zweiwalzenkaltpilgerwalzwerken bislang üblich ist. Alternativ dazu ist denkbar, daß der Antrieb über ein Ritzel/Zahnstangen-Paar über eine weite Ebene erfolgt, die durch Stirnräder mit der Walzachsebene verbunden ist.

Bei einer exzentrischen Ausführung der Lagerung der Walzen wird es möglich, die Walzscheiben nach Verschleiß zuzustellen. Des weiteren ist es denkbar, die Walzen in ihren Lagerungen axial anstellbar zu gestalten, um ebenfalls Verschleiß ausgleichen zu können.

Eine günstige Ausführung der Lagerung der Walze ist im Anspruch 5 beschrieben.

Durchgeführte theoretische Untersuchungen haben ergeben, daß hinsichtlich der plastischen Verformung durch die unsymmetrische Anordnung der Walzenkaliber keine nennenswerten Unterschiede gegenüber der symmetrischen Kalibrierung entstehen. Bedingt durch die Verlagerung des Kaliberdruckpunktes ergibt sich darüber hinaus im Kaliber eine Verdrehung des Rohres, die benutzt werden kann, um die aufwendigen Einrichtungen zur Drehung des Rohres zu vereinfachen oder ggfs. völlig einzusparen.

Zusammenfassend ergeben sich durch die vorliegende Erfindung folgende Vorteile:

• - Entlastung der kritischen Lagerstellen durch die Kräfteverteilung mittels einer unsymmetrischen Belastung und "fliegenden" Lagerung der Walzachsen
• - gezielte Drehung des Rohres durch die aus der Bauweise resultierende Kaliberform,
• - Reduzierung der Vergleichs- und Biegespannungen auf ein relatives Minimum durch die spezielle konstruktive Ausführung der Achsenlagerung in Verbindung mit der Verschiebung des Kaliberdruckpunktes sowie
• - Zustellbarkeit der Walzscheiben durch axiale bzw. radiale Verstellung der Lagerung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 das Walzgerüst nach der Erfindung,

Fig. 2 ein senkrechter Schnitt durch das Arbeitskaliber eines bekannten Zweiwalzengerüstes,

Fig. 3 ein senkrechter Schnitt durch ein bekanntes Dreiwalzengerüst,

Fig. 4 die schematische Darstellung der Lagerung und des Antriebes eines bekannten Dreiwalzengerüstes.

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der Lagerung einer erfindungsgemäßen Walze und

Fig. 6 und 7 zwei Schaubilder der theoretischen Lagerlebensdauer und der Biege- und Vergleichsspannungen bei einer Lagerung nach Fig. 5.

In Fig. 2 ist grob vereinfacht und ausschnittsweise ein senkrechter Schnitt durch das Arbeitskaliber eines Zweiwalzengerüstes dargestellt. Das Kaliber 1 wird durch die beiden Arbeitswalzen 2 und 3 gebildet, die sich unmittelbar gegenüberliegen und auf das Rohr 4 verformend einwirken. Der umformtechnisch bedingte Freischnitt ist mit dem Winkel α bezeichnet. Beim Umformprozeß entstehen im Bereich der Freischnittwinkel erhebliche Zugspannungen innerhalb der Rohrwand, die mit der relativen Größe der Freischnittsegmente anwachsen. Besonders bei großen Rohrvorschüben wirken sich die Freischnittsegmente derartig aus, daß partielle Rohrwandeinschnürungen entstehen. Umgekehrt bedeutet das, daß durch eine Reduzierung dieser Freischnittsegmente die Zugspannung im Rohr abgebaut und dadurch die Vorschub- und Produktionsleistung erhöht werden kann.

Wie Fig. 3 verdeutlicht, können bei gleicher Freischnittgeometrie, die in den Fig. 2 und 3 durch den Radius R angedeutet ist, die Freischnittsegmente durch eine 120 Grad-Anordnung der Walzen entscheidend verkleinert werden. Das bedeutet, daß bei Anordnung von drei kalibrierten Walzen, die mit 4, 5 und 6 bezeichnet sind, und die um jeweils 120 Grad zueinander versetzt um das Rohr angeordnet sind, der Freischnittwinkel β und die Freischnittsegmente wesentlich geringer werden. Darüber hinaus wird durch nunmehr drei auf den Rohrumfang wirkenden Druckpunkten einer Ovalisierung des Rohres, wie es bei der in Fig. 2 dargestellten 180 Grad-Anordnung der Walzen der Fall ist, entgegengewirkt werden.

Fig. 4 zeigt grob schematisch die Lagerung und den Antrieb eines bekannten Dreiwalzen-Satzes mit den Arbeitswalzen 4, 5 und 6, in die die Kaliber 4a, 5a und 6a eingearbeitet sind. Die Walzen 4, 5 und 6 sind auf den 60 Grad zueinander geneigt angeordneten Achsen 8 beidseitig der Walzen bei 9 und 10 gelagert, so daß die symmetrisch in die Kaliber 4a, 5a und 6a eingeleiteten Walzkräfte von den Lagern 9 und 10 gleichmäßig aufgenommen werden. Der Antrieb der Walzen 4, 5 und 6 erfolgt von nicht dargestellten Antrieben über das Ritzel 11 über die Achse 8 der Walze 4, wobei das Antriebsmoment auf die anderen Achsen 8 der Walzen 5 und 6 über Kegelradpaare 12 verteilt wird.

Wie aus der Zeichnungsfigur 4 erkennbar, benötigt die beidseitige Lagerung 9, 10 der Walzen 4, 5 und 6 einen erheblichen Platz im Walzgerüst, besonders, wenn bei hohen auftretenden Walzkräften die Lager 9 und 10 entsprechend groß dimensioniert sein müssen. Jenseits der Lager 9 und 10 sind die Kegelradpaare 12 zur Verteilung des Antriebsmomentes erforderlich, die gleichfalls einen entsprechenden Platz im Gerüst benötigen.

Die in Fig. 1 dargestellte Erfindung löst nicht nur das Platzproblem, sondern auch die Belastungsverhältnisse im Walzgerüst in günstiger Weise, so daß die Standzeiten der Walzenlager erheblich erhöht werden.

Wie in der Zeichnungsfigur erkennbar, sind die Walzen 4, 5 und 6 fliegend auf den Walzenachsen 8 angeordnet. Darüber hinaus sind die Kaliber 4a, 5a und 6a der Walzen 4, 5 und 6 asymmetrisch derartig gestaltet, daß jeweils der Umschlingungswinkel γ der der Antriebsseite zugewandten Kaliberflanken jeder Walze 4, 5 und 6 zwischen 85 und 90 Grad beträgt. Bei einem gesamten Kaliberwinkel von 120 Grad ist somit die andere Kaliberflanke des Kalibers 4a, 5a und 6a auf einen Winkel von 30 bis 35 Grad bestimmt. Durch das derartig gestaltete Kaliber 4a, 5a und 6a jeder Walze 4, 5 und 6 ergibt sich eine Verschiebung des Kaliberdruckpunktes 13, durch die das vordere Lager 15 entlastet und das hintere Lager 16 belastet wird. Auf diese Weise können die vorderen Lager 15 kleiner ausgebildet werden, als das bei beidseitig gelagerten Walzen erforderlich war, während die hinteren Lager 16 höhere Kraftanteile übernehmen. Es hat sich gezeigt, daß bei Verschiebung des Kaliberdruckpunktes jeder Walze 4, 5 und 6 um einen Winkel δ von etwa 32 Grad günstige Werte für die Biege- und Vergleichsspannungen innerhalb der Achsen 8 ergibt. Infolge der geringen Spannungen ergeben sich kleine Durchbiegungen, so daß auf den Einsatz der sonst üblichen Pendelrollenlager verzichtet werden kann. Es hat sich gezeigt, daß sich mit der erfindungsgemäßen Bauweise die theoretische Lagerlebensdauer unter Verwendung gleicher Belastungsdaten mit der erfindungsgemäßen Walzenanordnung gegenüber konventionellen Dreiwalzenanordnungen mehr als verdreifachen läßt.

In Fig. 1 ist für die Drehmomentübertragung eine Bauform dargestellt, bei der das Drehmoment über eine zweite Ebene übertragen wird. Dabei ist die Walzenebene mit X-Y und die Drehmomentebene (Antriebsebene) mit X′-X′ bezeichnet. Die Drehmomentebene ist in der Zeichnungsfigur strichpunktiert angedeutet, wobei der Antrieb in bekannter Weise über das Ritzel 11 von der Zahnstange 17 über die Antriebswelle 18 und die Stirnradpaarung 20, 21 auf die Walzenachse 8 übertragen wird. Die Welle 18 trägt auf der dem Ritzel 11 abgewandten Seite das Kegelrad 22, welches mit Kegelrädern der in gleicher Ebene angeordneten Wellen 18 kämmen, die ebenfalls über Stirnradpaare 20, 21 mit den Walzenachsen 8 der Walzen 5 und 6 verbunden sind. Die Lager der Antriebswellen 18 sind ebenfalls strichpunktiert dargestellt.

Eine Zustellung der Walzen ist durch eine exzentrische Ausführung der Lagertöpfe (nicht dargestellt) und durch Verstellbarkeit der Lager 16 in radialer bzw. axialer Richtung möglich.

Die Abb. 5 zeigt eine mögliche konstruktive Ausführung der Walzen bzw. Walzachsenlagerung unter Berücksichtigung der vorher beschriebenen Eigenschaften. In dieser Abbildung ist die Walze mit 23 bezeichnet. Sie ist am freien Ende eines insgesamt mit 24 bezeichneten Antriebszapfens befestigt, der aus den zwei ineinandergesteckten und durch Schrumpfverband drehstarr miteinander verbundenen Teilen 24a, 24b besteht. Die Walze ist drehfest mit dem Teil 24b verbunden. Am entgegengesetzten Ende ist auf das Teil 24a des Antriebszapfens das Stirnrad 31 aufgesetzt, das mit den Antriebsstirnrad 32 kämmt. Der Antriebszapfen 24 ist in einer denselben koaxial umgebenden Buchse 25 gelagert, die im Walzgerüst 26 festgelegt ist. Die Lagerung erfolgt über ein doppeltes Kegelrollenlager 27, das zwischen dem Teil 24a des Antriebszapfens 24 und der Innenseite 25a der Buchse 25 angeordnet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Buchse 25 mehrfach im Durchmesser abgesetzt und trägt auf ihrem Außenumfang im Bereich der Walze 23 das Lager 28, an dem die Walze 23 mit dem Zapfen 24 drehbar gelagert ist. Zu diesem Zweck weist der Walzenkörper 28 bei 30 eine Hinterdrehung auf, an deren Innenumfang der Außenring des Lagers 30 anliegt. Die derartig gestaltete Lagerung der Walze 23 gestattet nicht nur eine raumsparende Bauweise, sondern auch eine besonders günstige Verteilung der Biege- und Vergleichsspannungen.

In den Fig. 6 und 7 sind die theoretische Lagerlebensdauer sowie die Vergleichs- und Biegespannungen in der Walzenachse graphisch aufgetragen. Dabei ist für das Diagramm das in Fig. 5 mit 28 bezeichnete vordere Lager des Antriebszapfens mit A und das hintere Lager 27 mit B bezeichnet. In der Graphik nach Fig. 6 wird die Lebensdauer der Lager A und B in Abhängigkeit vom Belastungswinkel Theta graphisch dargestellt, dabei ergibt sich unter einem Winkel von Theta ungefähr 32 Grad, erstaunlicherweise ein deutlich relatives Maximum.

In der Graphik nach Fig. 7 wird die Vergleichs- und Biegespannung in der Walzenachse einmal im Bereich des Lagers 28 (D) und einmal im Bereich des Lagers 27 (E) aufgetragen, sowie innerhalb der Buchse 25 (F). Auch hier ist ein deutliches Minimum im Bereich eines Walzenanstellwinkels Theta von etwa 32 Grad erkennbar. Da geringe Spannungen auftreten, bleibt auch die Durchbiegung gering, so daß auf den Einsatz der sonst üblichen Pendelrollenlager verzichtet werden kann.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Walzen von Rohren nach dem Pilgerwalzverfahren mit einem in Walzrichtung hin- und herbewegbaren Walzgerüst mit drei in einer gemeinsamen vertikalen Ebene gleichmäßig um das Rohr verteilt angeordneten verjüngend kalibrierten Walzen, deren Kaliber das Rohr auf jeweils 120 Grad umschlingen und die mit wechselndem Drehsinn über dem Rohr abrollen, in dem sich ein entsprechend kalibrierter Dorn befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzen (4, 5, 6) fliegend im Walzgerüst gelagert sind und derartig asymmetrisch kalibriert (4a, 5a, 6a) sind, daß die Umschlingungswinkel γ der der Antriebsseite (11, 21) zugewandten Kaliberflanken jeder Walze (4, 5, 6) zwischen 85 und 90 Grad betragen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaliberdruckpunkt (13) jeder Walze (4, 5, 6) ausgehend von der durch den Kalibergrund senkrecht zur Walzenachse (8) verlaufenden Ebene um etwa 30 Grad, vorzugsweise 32 Grad in Richtung Antriebsseite (11, 21) verschoben ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Walzen (4, 5, 6) über jeder Walze (4, 5, 6) zugeordnete Ritzel (11) und Zahnstangen (17) erfolgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Walzen (4, 5, 6) über ein Ritzel/-Zahnstangen-Paar (11, 17) über eine zweite Ebene (X′-Y′) erfolgt, die durch Stirnradpaare (20, 21) mit der Walzachsebene (X-Y) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzen (4, 5, 6) exzentrisch gelagert und anstellbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzen (4, 5, 6) in ihren Lagerung axial anstellbar sind.

7. Walzenlagerung in einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen an seinem freien Ende die Walze (23) tragenden und an der der der Walze (23) abgewandten Seite mit dem Antrieb (31/32) in Verbindung stehenden Antriebszapfen (24), der eine im Walzgerüst (26) fest angeordnete Buchse (25) koaxial durchgreift, wobei die Buchse (25) im walzennahen Endbereich auf ihrem Außenumfang ein Drehlager (28) für die Walze (23) trägt, die ihrerseits dieses Drehlager (28) mit dem Innenumfang einer Hinterdrehung (30) in ihrem Walzenkörper (28) umgreift und wobei der Antriebszapfen (24) in einem weiteren Drehlager (27) gelagert ist, welches im walzenfernen Endbereich der Buchse (25) zwischen deren Innenumfang und dem Antriebszapfen (24) vorgesehen ist.