Nutzen Sie das Potenzial der automatisierten Rohrendenumformung

Jul 02, 2023

Eine Mehrstationen-Endenformmaschine schließt ihren Zyklus ab und formt eine geschlossene Sicke am Ende eines Kupferrohrs.

Stellen Sie sich einen Wertstrom vor, in dem Rohre geschnitten und gebogen werden. In einem anderen Bereich des Werks werden Ringe und andere maschinell bearbeitete Teile verarbeitet und dann zur Montage geschickt, wo sie hartgelötet oder auf andere Weise an den Rohrenden befestigt werden. Stellen Sie sich nun denselben Wertstrom vor, diesmal mit Endformung. In diesem Fall wird durch die Endformung nicht nur der Durchmesser der Rohrenden erweitert oder verringert, sondern es entstehen auch verschiedene andere Formen, von komplizierten Rillen bis hin zu Sicken, die die Ringe nachbilden, die zuvor festgelötet wurden.

Im Bereich der Rohr- und Leitungsfertigung hat sich die Endenformung stillschweigend weiterentwickelt, wobei die Fertigungstechnologie zwei Automatisierungsstufen in den Prozess einführt. Erstens können Betriebe mehrere Präzisions-Endenformungsschritte innerhalb eines Arbeitsraums kombinieren – praktisch eine „Done-in-One“-Einrichtung. Zweitens wurde diese komplexe Endformung in andere Rohr- und Leitungsherstellungsprozesse wie Schneiden und Biegen integriert.

Die meisten Anwendungen, bei denen eine solche automatisierte Endformung erforderlich ist, finden sich in der Herstellung hochwertiger Präzisionsrohre – meist aus Kupfer, Aluminium oder Edelstahl – in Branchen wie der Automobil- und Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik. Durch die Endformung entfallen maschinell bearbeitete Verbindungen, die eine leckagefreie Verbindung für den Luft- oder Flüssigkeitsstrom gewährleisten sollen. Solche Rohre haben normalerweise einen Außendurchmesser von 1,5 Zoll oder weniger.

Einige der modernsten automatisierten Zellen beginnen mit Rohren mit kleinem Durchmesser, die in einer Spule geliefert werden. Es durchläuft zunächst eine Richtmaschine und wird anschließend auf Länge geschnitten. Anschließend transportiert ein Roboter oder ein mechanisches Gerät das Werkstück zum endgültigen Formen und Biegen. Die Abfolge hängt von den Anwendungsanforderungen ab, einschließlich des Abstands zwischen der Biegung und der Endform selbst. Manchmal kann der Roboter ein einzelnes Werkstück von der Endformung über das Biegen und wieder zurück zur Endformung transportieren, wenn die Anwendung ein Rohr mit Endformungen an beiden Enden erfordert.

Die Produktivität solcher Zellen wird durch die Anzahl der Fertigungsschritte erhöht, die bestimmte High-End-Systeme zur Rohrendenumformung integrieren können. Einige Systeme transportieren Rohre durch bis zu acht Endformstationen. Um einen solchen Aufbau zu entwickeln, muss man zunächst wissen, was die moderne Endenumformung leisten kann.

Präzisionswerkzeuge zur Endenumformung gibt es in verschiedenen Ausführungen. Rammstanzen, die „harten Werkzeuge“ der Rohrendenformung, verkleinern oder erweitern ein Rohrende auf den gewünschten Durchmesser. Rotierende Werkzeuge können ein Rohr anfasen oder plandrehen, um eine gratfreie Oberfläche und einen gleichmäßigen Prozess zu gewährleisten. Andere rotierende Werkzeuge führen einen Walzprozess zur Erzeugung von Rillen, Widerhaken und anderen Geometrien durch (siehe Abbildung 1).

Eine Endformungssequenz könnte mit dem Anfasen beginnen, das für eine saubere Oberfläche sorgt und eine gleichmäßige Überstandslänge zwischen der Klemme und dem Rohrende gewährleistet. Als nächstes führt ein Stempel einen Bördelvorgang durch (siehe Abbildung 2), bei dem das Rohr expandiert und komprimiert wird, wodurch das überschüssige Material gezwungen wird, einen Ring um den Außendurchmesser (AD) zu bilden. Abhängig von der Geometrie können andere Rammstanzen Widerhaken in den Rohraußendurchmesser einbringen (die dabei helfen können, Schläuche am Rohr zu befestigen). Ein rotierendes Werkzeug kann einen Teil des Außendurchmessers rillen, gefolgt von einem Werkzeug, das Gewinde in die Oberfläche schneidet.

Die genaue Reihenfolge der verwendeten Werkzeuge und Prozesse hängt von der Anwendung ab. Und mit bis zu acht Stationen im Arbeitsbereich einer Endenumformmaschine kann die Abfolge recht umfangreich sein. Beispielsweise formt eine Reihe von Stempeln nach und nach einen Wulst am Rohrende, wobei ein Stößel das Rohrende aufweitet, gefolgt von zwei weiteren, die das Ende zusammendrücken, um den Wulst zu erzeugen. Durch die Durchführung des Vorgangs in drei Schritten kann in vielen Fällen eine Raupe mit besserer Qualität erzeugt werden, und Endformungssysteme mit mehreren Stationen ermöglichen solche fortschrittlichen Vorgänge.

Ein Endenformprogramm sequenziert den Vorgang für optimale Präzision und Wiederholbarkeit. Die neuesten vollelektrischen Endenformmaschinen können die Position ihrer Werkzeuge präzise steuern. Abgesehen vom Anfasen und Gewindeschneiden sind die meisten Verarbeitungsschritte der Endenumformung jedoch genau das – Umformen. Die Formen von Metallen können je nach Materialart und Qualität variieren.

Betrachten Sie noch einmal den Perlenprozess (siehe Abbildung 3). Wie ein geschlossener Saum im Blech weist auch eine geschlossene Sicke in der Endumformung keine Lücke auf. Dadurch kann der Stempel diese Perle an einer präzisen Stelle formen. Der Stempel „stanzt“ die Perle tatsächlich in ihre spezifische Form. Aber was ist mit offenen Sicken, analog zu offenen Säumen im Blech? Eine Lücke in der Mitte der Raupe könnte bei manchen Anwendungen zu Problemen bei der Wiederholbarkeit führen – zumindest, wenn sie auf die gleiche Weise wie die geschlossene Raupe geformt würde. Ein Stempel könnte den offenen Wulst formen, aber da nichts den Wulst am Innendurchmesser (Innendurchmesser) des Rohrs stützt, kann sich eine Wulstgeometrie leicht von der anderen unterscheiden, ein Toleranzunterschied, der akzeptabel sein kann oder auch nicht.

ABBILDUNG 1. Ein rotierendes Werkzeug formt Rillen um den Außendurchmesser eines Rohrs und erzeugt so Widerhaken für eine sichere Schlauchverbindung.

In den meisten Fällen kann die Mehrstationen-Endenformmaschine einen anderen Ansatz verfolgen. Ein Stempel erweitert zunächst den Innendurchmesser des Rohrs und erzeugt so eine wellenförmige Vorform im Material. Als nächstes klemmt ein Drei-Rollen-Endformwerkzeug, das auf die Negativform der erforderlichen Sicke ausgelegt ist, den Rohraußendurchmesser fest und rollt die Sicke.

Präzisions-Endenformmaschinen können eine Vielzahl von Formen erzeugen, auch asymmetrische. Allerdings hat die Endformung ihre Grenzen, und die meisten davon hängen mit der Art und Weise zusammen, wie sich das Material formt. Materialien können nur einem bestimmten Prozentsatz der Verformung standhalten.

Die Wärmebehandlung der Stempeloberfläche variiert je nach der Art des Materials, das sie formen sollen. Ihr Design und ihre Oberflächenbehandlung berücksichtigen die unterschiedlichen Reibungsniveaus und andere Endformungsvariablen, die sich je nach Material ändern. Ein Stempel, der für die Endformung von Edelstahlrohren entwickelt wurde, weist andere Eigenschaften auf als ein Stempel, der für die Endformung von Aluminiumrohren entwickelt wurde.

Unterschiedliche Materialien erfordern auch unterschiedliche Arten der Schmierung. Für härtere Materialien wie Edelstahl ist möglicherweise ein dickeres Mineralöl erforderlich, während für Aluminium oder Kupfer möglicherweise ein ungiftiges Öl erforderlich ist. Auch die Methoden zum Auftragen von Schmiermitteln variieren. Bei rotierenden Schneid- und Walzprozessen kommt häufig ein Nebel zum Einsatz, während beim Stempelformen ein Flut- oder Nebelschmiermittel zum Einsatz kommen kann. Bei einigen Stempeln tritt Öl direkt aus dem Stempel in den Innendurchmesser des Rohrs aus.

Mehrstationen-Endenumformmaschinen verfügen über unterschiedliche Stößel- und Spannkräfte. Wenn alle anderen Variablen gleich sind, erfordert höherfester Edelstahl mehr Klemm- und Stößelkraft als weiches Aluminium.

Sehen Sie sich eine Nahaufnahme der Rohrendenformung in Aktion an und Sie können sehen, wie die Maschine das Rohr vorschiebt, bevor die Klemme das Rohr an Ort und Stelle sichert. Es ist von entscheidender Bedeutung, einen gleichmäßigen Überstand aufrechtzuerhalten, d. h. die Länge des Metalls über die Klemme hinaus. Bei geraden Rohren, die bis zu einem definierten Anschlag bewegt werden können, ist die Aufrechterhaltung dieses Überhangs problemlos möglich.

Die Situation ändert sich, wenn das Ende eines zuvor gebogenen Rohrs umgeformt wird (siehe Abbildung 4). Durch den Biegevorgang kann sich das Rohr geringfügig verlängern, was zu einer weiteren Dimensionsvariable führt. In diesen Konfigurationen können orbitale Trenn- und Plandrehwerkzeuge das Rohrende schneiden und fertigstellen, um sicherzustellen, dass es genau dort ist, wo es laut Programm sein sollte.

Dies wirft die Frage auf, warum das Ende eines Rohrs nach dem Biegen geformt wird. Es hat mit Werkzeugen und Werkstückspannung zu tun. In vielen Fällen wird die Endform sehr nah an der Biegung selbst platziert, so dass kein gerader Abschnitt übrig bleibt, an dem sich die Biegemaschine während des Biegezyklus festklemmen kann. In diesen Fällen ist es viel einfacher, das Rohr zu biegen und zur Endformung zu übertragen, wo es in einer Klemme befestigt wird, die dem Biegeradius entspricht. Von dort aus schneidet die Endenformmaschine überschüssiges Material ab und erstellt dann die erforderlichen endgeformten Geometrien (die wiederum sehr nahe an der Biegung liegen).

In anderen Fällen kann die Endformung vor dem Biegen zu Komplikationen beim Rotationsziehprozess führen, insbesondere wenn die Endform mit den Biegewerkzeugen in Konflikt gerät. Wenn beispielsweise ein Rohr zum Biegen festgeklemmt wird, kann dies zu einer Verformung der zuvor hergestellten Endform führen. Einen Biegeaufbau zu erstellen, der die Geometrie der Endform nicht beschädigt, ist am Ende mehr Aufwand als es wert ist. In diesen Fällen ist es einfacher und kostengünstiger, das Rohr nach dem Biegen fertig zu formen.

Zellen, die eine Endformung beinhalten, können eine Vielzahl anderer Röhrenherstellungsprozesse umfassen (siehe Abbildung 5). Einige Systeme umfassen sowohl Biegen als auch Endformen, eine häufige Kombination, wenn man bedenkt, wie eng die beiden Prozesse miteinander verbunden sind. Einige Anwendungen beginnen mit der Endformung eines geraden Rohrs, das dann zum Rotations-Ziehbiegen zur Bildung eines Radius übergeht und dann zur Endenformmaschine zurückgeht, um das gegenüberliegende Ende des Rohrs zu bearbeiten.

ABBILDUNG 2. Eine Endenformmaschine mit mehreren Stationen produzierte diese endgeformten Wülste, wobei ein Stempel den Innendurchmesser erweiterte und ein anderer das Material komprimierte, um die Wulst zu formen.

In diesem Fall bestimmt die Reihenfolge die Prozessvariablen. Da beispielsweise der zweite Endformvorgang nach dem Biegen erfolgt, sorgt ein orbitaler Abschneide- und Planbearbeitungsvorgang in der Endformmaschine für eine gleichmäßige Überstandslänge und eine bessere Endform. Je gleichmäßiger das Material ist, desto besser und wiederholbarer ist der Endformungsprozess.

Welche Kombination von Prozessen eine automatisierte Zelle auch hat – sei es nur das Biegen und Formen der Enden oder eine Zelle, die mit dem Rohr in einer Spule beginnt – die Art und Weise, wie ein Rohr die Stufen durchläuft, hängt von den Anwendungsanforderungen ab. In einigen Systemen wird das Rohr direkt von einer Spule durch ein Nivelliersystem in die Klemmen einer rotierenden Zugbiegemaschine geführt. Diese Klemmen sichern das Rohr, während sich das Endformungssystem in Position bewegt. Sobald das Endformungssystem seinen Zyklus abgeschlossen hat, beginnt die rotierende Ziehbiegemaschine. Nach dem Biegen schneidet ein Werkzeug das fertige Werkstück. Das System kann für die Bearbeitung unterschiedlicher Durchmesser ausgelegt werden, mit speziellen Stempeln im Endformer und gestapelten Werkzeugen im linken und rechten Rotationszugbieger.

Wenn die Biegeanwendung jedoch einen Kugeldorn im Innendurchmesser des Rohrs erfordert, würde die Einrichtung nicht funktionieren, da das Rohr, das dem Biegeprozess zugeführt wird, direkt vom Coil kommt. Die Anordnung würde auch nicht für Rohre funktionieren, die an beiden Enden Formen erfordern.

In diesen Fällen könnte eine Zelle mit einer Kombination aus mechanischem Transfer und Robotik ausreichen. Beispielsweise könnte ein Rohr abgewickelt, ausgerichtet, geschnitten und dann für einen Roboter bereitgestellt werden, der das geschnittene Stück in eine rotierende Ziehbiegemaschine legt, wo ein Kugeldorn eingesetzt werden könnte, um eine Verformung der Rohrwand während des Biegens zu verhindern. Von dort aus könnte der Roboter das gebogene Rohr an den Endformer übergeben. Die Reihenfolge der Vorgänge kann natürlich je nach Arbeitsanforderungen variieren.

Solche Systeme können für die Produktion hoher Stückzahlen oder kleiner Losgrößen eingerichtet werden und beispielsweise fünf Teile einer Form, zehn Teile einer anderen und 200 Teile einer weiteren Form verarbeiten. Auch die Maschinenkonstruktionen können je nach Arbeitsablauf variieren, insbesondere wenn es um die Aufnahmespanner und die Bereitstellung des erforderlichen Freiraums für verschiedene Werkstücke geht (siehe Abbildung 6). Beispielsweise müssen Positionsklemmen bei der Endenumformung, die gebogene Rohre aufnehmen, ausreichend Spiel haben, damit die gebogenen Rohre gleichmäßig positioniert werden können.

Die richtige Reihenfolge kann einen gleichzeitigen Betrieb ermöglichen. Beispielsweise kann ein Roboter ein Rohr in eine Endformmaschine legen; Anschließend kann der Roboter während des Zyklus des Endformers ein weiteres Rohr zur rotierenden Ziehbiegemaschine transportieren.

Für ein neu installiertes System erstellen Programmierer Vorlagen für den Job-Mix. Bei der Endumformung kann es sich dabei um Details wie die Vorschubgeschwindigkeit des Stempelhubs, die Mitte zwischen Stempel und Klemme oder die Anzahl der Umdrehungen bei einem Walzvorgang handeln. Sobald diese Vorlagen jedoch eingerichtet sind, ist die Programmierung schnell und unkompliziert, da Programmierer die Reihenfolge anpassen und die ursprünglich eingestellten Parameter an die jeweilige Anwendung anpassen.

Solche Systeme sind auch für die Verbindung in einer Industrie 4.0-Umgebung konzipiert, mit Werkzeugen zur vorausschauenden Wartung, die Motortemperaturen und andere Details messen sowie Maschinen überwachen (z. B. wie viele Teile in einem bestimmten Zeitraum produziert werden).

Absehbar wird die Endenformung nur noch flexibler. Auch hier weist der Prozess Einschränkungen auf, wenn es um den Prozentsatz der Verformung geht. Dennoch hindert einen kreativen Ingenieur nichts daran, einen einzigartigen Endformaufbau zu entwerfen. Bei einigen Vorgängen wird der Stempel in den Innendurchmesser des Rohrs eingeführt und das Rohr gegen den Hohlraum in der Klemme selbst aufgeweitet. Bestimmte Werkzeuge können Endformen erstellen, die sich um 45 Grad erstrecken, was zu einer asymmetrischen Form führt.

Die Grundlage dafür bilden die Fähigkeiten der Mehrstationen-Endenumformmaschine. Wenn der Arbeitsgang „in einem“ erledigt werden kann, ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Endformung.