Ziehrohr mit unterschiedlicher Wandstärke

Während das Ziehen von Rohren zur Änderung ihrer Abmessungen nichts Neues ist, ist das Ziehen mit einem streng kontrollierten dynamischen Dorn eine einzigartige Technologie, die eine unterschiedliche Wandstärke verleihen kann.

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel behandelt einen bestimmten Rohrziehprozess. Eine Übersicht über das Zeichnen finden Sie unter „Prinzipien zum Zeichnen von Rohren“.

Das Ziehen eines Rohrs auf einer Ziehbank ist nichts Neues. Unabhängig davon, ob die Werkbank einen von einer Kette gezogenen Schlitten oder ein hydraulisches System zum Betrieb des Zugschlittens verwendet, kann der Prozess den Außendurchmesser, den Innendurchmesser und die Wandstärke des Rohrs verändern. Durch Ziehen kann auch die Oberflächenbeschaffenheit verbessert und sogar die Kornstruktur verfeinert werden.

Der einfachste Ziehvorgang, das Senken, verringert den Außen- und Innendurchmesser und kann je nach Formdesign und D/t-Verhältnis des Rohrs zu einer Änderung der Wandstärke führen. Ein Gerätebediener verwendet einen Anspitzvorgang, um den Außendurchmesser des Rohrs an einem Ende zu verringern, und führt dann das spitze Ende durch die Matrize. Von dort aus erledigt die Ziehbank den Rest und zieht das Rohr über die gesamte Länge durch die Matrize.

„Gezogene Rohre gibt es schon seit hundert Jahren“, sagte Paul Russo, Präsident und Miteigentümer von George A. Mitchell Co. „Das Ziehen mit einem schwimmenden Dorn, halbschwimmend oder vollschwimmend, gibt es ebenfalls schon seit vielen Jahren.“ Andere gängige Ziehverfahren verwenden feste Dorne. Der Dorn, manchmal auch Dornstopfen genannt, wird in das spitze Rohr eingeführt, vorgeschoben, bis er sich dem Matrizenlager nähert, und sitzt zu Beginn des Ziehens in einer stationären Position.

Während diese Prozesse für viele Zeichenanwendungen mehr als ausreichend sind, sahen die Ingenieure von George A. Mitchell Co. eine Möglichkeit, eine Variation des herkömmlichen Zeichenprozesses zu entwickeln. Bei diesem innovativen Verfahren wird der Dorn bewegt, um den Innendurchmesser beim Ziehen des Rohrs zu verändern.

Obwohl viele Produkte aus Material mit konstanter Wandstärke hergestellt werden, seien es Platten, Bleche, Rohre, Röhren oder Profile, würden viele Produkte auch von einer variierenden Wandstärke profitieren. Die Verwendung des dünnsten Materials für einen Großteil eines Produkts und schwereres Material nur dort, wo es benötigt wird – für Festigkeit, zum Schweißen an ein anderes Werkstück, zum Gewindeschneiden oder für andere Designmerkmale – würde den Materialverbrauch und das Produktgewicht optimieren.

Um den Innendurchmesser eines Rohrs zu variieren, haben die Ingenieure von Mitchell einen Dorn auf einer Dornstange entwickelt, der für dynamische Bewegung programmiert ist. Die Matrize verfügt über einen eingeschlossenen Winkel und ein gerades Lager, während der Dorn über eine kritisch gestaltete Verjüngung verfügt. Die Bewegung des Dorns wird während des Ziehvorgangs präzise gesteuert und das Ergebnis ist ein Rohr, das genau auf seine Anwendung zugeschnitten ist – ein Rohr mit unterschiedlicher Wandstärke.

„Das Bewegen eines Dorns ist nichts Neues“, sagte Russo. „Die Steuerung der statischen Position eines Dorns – beispielsweise zum Ausgleich von Verschleiß – erfolgt seit langem über Dornschrauben-Einstellvorrichtungen.“

Obwohl diese Technologie in unzähligen Anwendungen Potenzial hat, haben die Mitarbeiter von Mitchell den größten Einsatz in der Automobilindustrie gefunden.

Während das Ziehen von Rohren zur Änderung ihrer Abmessungen nichts Neues ist, ist das Ziehen mit einem streng kontrollierten dynamischen Dorn eine einzigartige Technologie, die eine unterschiedliche Wandstärke verleihen kann.

„Viele Sportwagen haben Aluminium-Rohrantriebswellen“, sagte Russo. „Die Entlastung des Rohrs entlang der Länge trägt dazu bei, das Gewicht des Fahrzeugs zu reduzieren, und diese Technologie kann es an den Enden verdicken, wo es Festigkeit benötigt, um es am Getriebe und am Differenzial zu befestigen“, sagte er.

Die Verwendung eines dünnwandigen Aluminiumrohrs für eine Antriebswelle mag wie ein Rezept für eine Katastrophe klingen, insbesondere angesichts des Drehmoments, das ein Hochleistungsauto typischerweise entwickelt, aber das ist nicht der Fall.

„Die Steifigkeit ergibt sich viel mehr aus dem Durchmesser als aus der Wandstärke“, sagte Russo. „Die Steifigkeitsberechnung ergibt den Durchmesser in der vierten Potenz.“

Mindestens ein Knautschspitzendesign für Kraftfahrzeuge verwendet ein gezogenes Rohr mit unterschiedlicher Wandstärke. Die Knautschspitze, auch Crashbox genannt, befindet sich zwischen Stoßstange und Fahrgestell und absorbiert einen Teil der Energie eines Aufpralls, sodass weniger Energie auf die Fahrgastzelle übertragen wird. Es ist wie ein Stoßdämpfer, der nur einmal funktioniert.

Da die Quetschspitze stufenweise zusammengedrückt wird, wobei der dünnste Abschnitt zuerst zusammengedrückt wird, bietet sie einen abgestuften, progressiven Widerstand gegen den Aufprall. Wenn die dickeren Abschnitte komprimiert werden, absorbieren sie zunehmend größere Energiemengen. Obwohl Stöße plötzlich auftreten, komprimiert sich diese Art von Quetschspitze relativ allmählich.

Der Gedanke hinter dem Design dieser Quetschspitze ist etwas anspruchsvoll, aber diese Technologie macht die Lösung sowohl einfach als auch elegant. Und es bietet wohl einen besseren Aufprallschutz als eine Crush-Spitze mit homogenen Eigenschaften.

Auch Fahrraddesigns profitieren stark von dieser Vielfalt an speziell angefertigten Rohren mit variabler Wandung. „Einige Fahrradrahmen aus Verbundwerkstoffen werden in Unzen gewogen“, sagte Russo. „Stahlrahmen sind nicht so leicht, aber diese Technologie hilft.“ Viele Hochleistungs-Mountainbikes werden aus AISI 4130, auch bekannt als Chrom-Molybdän, hergestellt, das sich ideal für Rennen und andere Anwendungen eignet, bei denen Stabilität ohne Gewicht erforderlich ist. Es handelt sich um einen niedriglegierten Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt in Flugzeugqualität, der für die Festigkeit etwas Chrom und Molybdän enthält. Die Verstärkung an den Enden ermöglicht die Verbindung mit anderen Rohren durch Schweißen.

Die Anwendungen dieser Technologie gehen weit über die Herstellung hinaus und umfassen die Suche nach wertvollen Erzen, Edelsteinen, Erdöl und Erdgas. „Diese Rohre sind entlang ihrer Länge dünnwandig und haben an den Enden schwerere Wände für Innen- und Außengewinde“, sagte Russo.

„Einige der mit dieser Methode hergestellten Rohre mussten zu einem Erkundungsstandort gelangen, der naturgemäß abgelegen ist“, sagte Russo. Tatsächlich war es so abgelegen, dass einige der Materialien, wie zum Beispiel die Bohrrohre, per Helikopter herbeigeschafft wurden.

„Wenn man diese Rohre so leicht wie möglich macht, wird der Transport effizienter“, sagte Russo. Um einen Hubschrauber in der Luft zu halten, wird jede Stunde eine beträchtliche Menge Treibstoff benötigt, und die Beladung mit Fracht macht ihn noch viel teurer. Leichtere Schläuche bedeuten mehr pro Fahrt.

Während das Ziehen von Rohren zur Änderung ihrer Abmessungen nichts Neues ist, ist das Ziehen mit einem streng kontrollierten dynamischen Dorn eine einzigartige Technologie, die eine unterschiedliche Wandstärke verleihen kann.

Rohre mit variabler Wandung können lang sein – die längste, die Russo kennt, ist 33 Fuß – und Teilekonstrukteure haben nahezu die gleiche Freiheit wie bei herkömmlichen Ziehverfahren. Das dynamische Dornziehsystem kann runde oder ovale Innendurchmesser erzeugen, mit nur einer Einschränkung: Der Innendurchmesser muss sowohl auf der X- als auch auf der Y-Achse symmetrisch sein. Über diese Parameter hinaus ist das Potenzial für weitere Anwendungen grenzenlos.

„Der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt“, sagte Russo.