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Grundlagen des Rohrbiegens: Eine Kurzanleitung

Zuletzt aktualisiert:
1. April 2024

Inhaltsverzeichnis

Biegen von Rohren Die Technologie hat sich parallel zum Aufstieg des Schiffbaus, der Petrochemie und anderer Industrien entwickelt. In den letzten Jahren gab es eine rasante Entwicklung in der Motorrad-, Fahrrad- und Metallmöbelindustrie.

Krümmungs- und Biegemethoden

Krümmung

Beim Rohrbiegen wird das Verhältnis der halben Breite des Rohres in Biegerichtung zum Biegeradius als Krümmung bezeichnet.

Krümmung

Wo:

  • D - der Rohrdurchmesser (mm)
  • B - die Breite des Rechteckrohrs in Biegerichtung (mm)

Es ist offensichtlich, dass die Krümmung umso größer ist, je größer das B oder D und je kleiner das R ist.

Biegeverfahren

Die Rohrbiegetechniken lassen sich nach dem Verfahren in Rotationsbiegen, Druckbiegen, Pressbiegen und Walzbiegen, nach der Temperatur in Kaltbiegen und Warmbiegen und nach dem Vorhandensein eines Dorns in Dornbiegen und Freiformbiegen einteilen.

Aussehen der Rohrbiegung und Mindestbiegeradius

Beim Biegen von Rohren wird das Material auf der Außenseite der Verformungszone tangential gestreckt und gedehnt, während das Material auf der Innenseite tangential zusammengedrückt und verkürzt wird. Die primäre Erscheinung ist die Ausdünnung des Rohrmaterials auf der Außenseite aufgrund der Dehnung, und wenn die Dehnung die Dehnungsrate des Materials übersteigt, reißt das Rohr.

Auf der Innenseite führt die Kompression zu einem Materialüberschuss; wenn dieser Überschuss die Kriechfähigkeit des Materials übersteigt, kommt es auf der Innenseite des gebogenen Rohrs zu Faltenbildung. Um die Qualität des Rohrbiegens zu gewährleisten, ist es wichtig, den Grad der Verformung innerhalb eines akzeptablen Bereichs zu kontrollieren.

Der Grenzwert für die Biegeverformung, d. h. der zulässige Grad der Verformung beim Biegen von Rohren, hängt von Faktoren wie den mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs, den strukturellen Abmessungen der Rohrformstücke, der Wandstärke und dem Biegeverfahren ab. In Tabelle 3-11 ist der Mindestbiegeradius für kohlenstoffarmen Stahl aufgeführt, vorausgesetzt, das Verhältnis von Wanddicke zu Durchmesser ist größer als 0,1.

Tabelle 3-11: Mindestbiegeradius für Rohre aus niedriggekohltem Stahl (t/D ≥ 0,1)

BiegeverfahrenMinimaler BiegeradiusBiegeverfahrenMinimaler Biegeradius
Rotationsbiegen(2 bis 2,5) x DurchmesserBiegen mit der Presse≥16D
Biegen mit der Presse(2,5 bis 3) x DurchmesserWalzenbiegen12D

Auswahl an Biegewerkzeugen für dünnwandige Rohre

1) Bei Stahlrohren mit starker Krümmung (B/R) und einem t/B-Verhältnis von über 0,2 wird das Schubbiegeverfahren zum Biegen oder zur Bogenbearbeitung eingesetzt.

2) Für Werkstücke mit einer kleinen Krümmung (B/R) und einem kleinen zentralen Winkel des Bogens kann ein Pressbiegeverfahren mit Ober- und Unterstempel in Betracht gezogen werden. Das Pressbiegen erfordert in der Regel t/B > 0,1.

3) Für Werkstücke mit einer kleinen Krümmung (B/R), aber einem großen zentralen Winkel, ist das Biegen auf einer einfachen Rohrbiegemaschine empfehlenswert. Der Klemmmechanismus einer einfachen Rohrbiegemaschine, die an der Dornmatrize befestigt ist, ist nicht wie bei einer hydraulischen Rohrbiegemaschine durch die Länge des Dreharms begrenzt.

4) Für Werkstücke mit einem großen Biegeradius R, aber auch einem großen zentralen Winkel, kann eine Dreiwalzen-Biegemaschine zum Umformen verwendet werden. Die Werkzeuge sind einfach und vielseitig. Ringförmige Werkstücke können in mehreren Ringen auf einmal gebogen und dann in einzelne Stücke geschnitten werden.

5) Für Werkstücke mit einem Biegeradius R von weniger als 350 mm kann das Wickelverfahren auf einer hydraulischen Rohrbiegemaschine in Betracht gezogen werden. Dies liegt daran, dass der maximale Durchmesser des Dornrads einschließlich des Flansches ≤800 mm beträgt, der auf einer Standarddrehbank bearbeitet werden kann, was die Materialkosten und damit die Gesamtkosten erheblich senkt.

Bei großen Produktionsmengen und starken Verarbeitungsmöglichkeiten kann der Biegeradius R auf 1000 mm erhöht werden. Mehrere inländische Hersteller können jetzt automatische Rohrbiegemaschinen mit einem Biegeradius von 1000 mm herstellen.

6) Bei der Konstruktion von Biegestempeln für Rechteckrohre, wenn 2,5 ≤ R/B ≤ 10, sollten zusätzlich zum Wickelverfahren andere Hilfsmittel in Betracht gezogen werden, wie z. B. das Überstehen der Arbeitsfläche des Dornrades oder das Füllen des Rohrhohlraums mit Sand oder anderen Füllstoffen.

Der Grund dafür ist, dass beim Biegen von Rohren mit hoher Krümmung andere Methoden als die Verwendung eines Kettendorns nicht garantieren können, dass die Innen- und Außendurchmesser des Rohrs nach der Verformung vollständig sind, und dass Kettendorne in der Verarbeitung sehr teuer sind.

7) Bei der Auswahl von Biegewerkzeugen sollte auch das Verhältnis der Wanddicke t zur Breite B des Rechteckrohrs in Biegerichtung berücksichtigt werden. Ein größeres Verhältnis erleichtert das Umformen, während ein kleineres Verhältnis das Umformen erschwert.

Die oben genannten Auswahlmethoden, mit Ausnahme der zweiten, basieren auf einem t/B-Verhältnis von ≥0,05. Abbildung 3-73 zeigt den Biegeeffekt mit einem vorstehenden Dornrad, das links mit gelbem Sand gefüllt ist, und rechts ohne Sand. Biegebedingungen: rechteckiges Rohr 30mm×20mm×1mm, Breite in Biegerichtung 20mm, Radius der Mittellinie des Rohres nach dem Biegen 60mm, mit einem Feuchtigkeitsgehalt des gelben Sandes von etwa 1,5%.

Abbildung 3-73 Vergleich der Biegeeffekte an rechteckigen Rohren vor und nach dem Füllen mit Sand
Abbildung 3-73: Vergleich der Biegeeffekte bei rechteckigen Rohren vor und nach dem Füllen mit Sand

Berechnung der Überstandshöhe im Kern eines Rechteckrohr-Biegemodells

Formel zur Berechnung der Kernradüberstandshöhe

Rechteckige Rohre werden in der Regel nicht als Leitungen für Flüssigkeiten verwendet, sondern eher in den Tragkonstruktionen von Gebäudezubehör. Im Allgemeinen werden nur der Außendurchmesser und das glatte Aussehen der beiden Seitenflächen gefordert, während die Verformung der Innenflächen nicht im Vordergrund steht. Dieser Ansatz ermöglicht Maßnahmen zur Vermeidung von Faltenbildung an den Sichtflächen.

Die Verwendung eines überstehenden Kernrads im Biegemodell für quadratische und rechteckige Rohre ist ein wirksames Mittel zur Vermeidung von Faltenbildung an den Seitenwänden. Durch langjährige Praxis und Datenakkumulation wurde festgestellt, dass die Höhe des Vorsprungs berechnet werden kann. Die Kernidee besteht darin, den Betrag der Druckverformung innerhalb der Mittellinie des Rohrs in die Höhe des Kernüberstands umzurechnen.

Die Berechnung sieht folgendermaßen aus:

Der Druckverformungskoeffizient innerhalb der Mittellinie multipliziert mit der Verformungsbreite innerhalb der Mittellinie, abzüglich der Kriechfähigkeit des Materials unter natürlichen Bedingungen (natürliche Bedingungen beziehen sich auf Raumtemperatur ohne jeglichen Über- oder Unterdruck) und dem Vergleichswert (der Vergleichswert bezieht sich auf das Verhältnis zwischen der Materialdicke und dem Verformungsdurchmesser unter drucklosen Bedingungen, d. h. die inhärente Kriechfähigkeit des Materials).

Der sich daraus ergebende Wert, multipliziert mit zwei, stellt die zunehmende Länge dar, wenn die komprimierte Kante des Rohrs von einer geraden Linie in eine Kurve übergeht.
Die Gleichgewichtsbedingung für eine faltenfreie Biegung des Rohrs ist:

In der Formel,

  • L - die Druckverformung (mm);
  • R - der Biegeradius (mm);
  • t - die Wandstärke des Rohrs (mm);
  • B - die Breite des Rohrs in Biegerichtung (mm).

Wenn der berechnete Wert größer als Null ist, muss ein Dornüberstand eingestellt werden.

An diesem Punkt kann das berechnete Ergebnis zur Länge der Arbeitslinie des Dornrads addiert werden, wodurch das gerade Segment zu einem Bogen wird. Wenn der resultierende Bogen zu groß ist und die Formung der Wände auf beiden Seiten des Rohrs beeinträchtigt, kann ein guter Effekt durch Ausklinken von (2-4)t von jeder Seitenwand erzielt werden (siehe Abbildung 3-74c).

Durch Berechnungen wissen wir, dass der Wert des Materialkriechens (2t/B×0,03) eigentlich recht klein ist. Bei relativ geringen Dicken reicht es aus, das berechnete Ergebnis entsprechend abzurunden.

Dornrad-Überstandstypen

Die Querschnittsform des Dornradvorsprungs kann trapezförmig (siehe Abbildung 3-74a), bogenförmig (siehe Abbildung 3-74b, c) oder halbkreisförmig (siehe Abbildung 3-74d) sein. Diese drei Formen eignen sich zum Biegen von Werkstücken mit kleinen bis großen Krümmungen.

Abbildung 3-74 Querschnittansichten von Kernrädern in verschiedenen Ausführungen
Abbildung 3-74: Querschnittsansichten von Kernrädern in verschiedenen Ausführungen

In der Prototyp-Phase können an den vorhandenen Flachboden-Kernrädern Stahlstreifen in der entsprechenden Höhe oder Rundstahlstangen mit dem geeigneten Durchmesser für das Probeformen angebracht werden. Nach der Datenerfassung kann durch eine Modifizierung der Kernräder eine deutlich höhere Effizienz erreicht werden. Diese Berechnungsmethode eignet sich gut für rechteckige Rohre, bei denen die Außenebene als Erscheinungsfläche dient.

Eine Ausweitung der Anwendung auf das Biegen von Rund- und Sechskantrohren sowie auf das Walzprofilieren von Vierkantrohren ist ebenso sinnvoll und effektiv, wie in Abbildung 3-75 dargestellt.

Nehmen wir zum Beispiel ein rechteckiges Rohr mit den Außenabmessungen 20 mm x 30 mm und einer Wandstärke von 1 mm, das entlang der Breite von 20 mm auf einen Radius von R=50 mm gebogen wird. Das Halbfabrikat nach der Bearbeitung ist in Abbildung 3-76 dargestellt. Berechnen Sie die überstehende Höhe im Kernrad.

Abbildung 3-75 Vorsprünge an Kernrädern für Rund- und Sechskantrohre.
Abbildung 3-75 Vorsprünge an Kernrädern für Rund- und Sechskantrohre.

Gegeben: R = 50mm, B = 20mm, t = 1mm.
Setzt man die Werte in die Formel ein, erhält man
2 × (0,2 × 9 - 0,006) mm = 3,588 mm, mit einer Sehnenhöhe von 6,42 mm, wie in Abbildung 3-77 gezeigt.

Abbildung 3-76 Biegeergebnisse für Rechteckrohre
Abbildung 3-76: Ergebnisse der Biegung eines Rechteckrohrs
Abbildung 3-77 Nockenprofil Raddesign
Abbildung 3-77: Nockenprofil Rad Design

Wenn der relative Biegeradius des Rohrs zu klein ist (B/R ≤ 5), ist das überschüssige Material auf der Innenseite der Mittellinie zu groß, um von einer einzigen Kurve aufgenommen zu werden. In solchen Fällen wird die Doppelkurventechnik, auch als Doppelrippenmethode bekannt, zur Bearbeitung des Dornrads eingesetzt, wie in Abbildung 3-78 dargestellt.

Die in Abbildung 3-79 dargestellten Umformbedingungen sind wie folgt: eine zentrale Rippe aus einer Aluminiumlegierung mit einer Materialstärke von 1,2 mm, einer Breite von 50 mm und einer Biegerichtung B von 25 mm; der Arbeitsdurchmesser des Dornrads beträgt 100 mm. Das Rohr ist mit Sand gefüllt, der einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 1,5% aufweist.

Bild 3-78 Doppelrippen-Kernrad
Abbildung 3-78: Doppelrippen-Kernrad
Abbildung 3-79: Doppelrippen-Kernbiegerohr.

Die Biegung, die eine 360-Grad-Drehung überschreitet.

Das Bild in Abbildung 3-80 zeigt eine Art Feuerstellenfuß aus kaltgewalztem Hohlprofilrohr 40×8×0,8. Dieses Teil wird aufgrund der Rotationsbewegung der Form unter Biegeformen eingeordnet. Nach dem anfänglichen Biegevorgang, wie in Abbildung 3-81 dargestellt, wird das Material in einer manuellen Walzform durch eine kurvenförmige Vorrichtung 13 im Spalt des Dorns 5 fixiert und das Werkstück durch Drehen des Griffs 12 geformt, wie in Abbildung 3-82 dargestellt.

Der Vorteil dieser Form besteht darin, dass sie einen Umformwinkel von mehr als 360 Grad ermöglicht.

Biegeverfahren: Walzbiegen mit großem Radius (Dreiwalzenbieger) → Erste Biegung (mechanische Presse) → Walzen (manuell).

Abbildung 3-80 Füße der Feuerstelle
Abbildung 3-80: Beine der Feuerstelle
Abbildung 3-81 Biegestempel für den ersten Durchgang der Feuerstelle
Abbildung 3-81: Biegestempel für den ersten Durchgang des Schenkels der Feuergrube
Abbildung 3-82 Zusammenbau der sekundären Biegematrize des Lötkolbenschenkels
Abbildung 3-82 Zusammenbau der sekundären Biegematrize des Lötkolbenschenkels

1-Mutter 2-Unterlegscheibe 3-Welle 4-Lager 5-Stempelkern 6-Stempelkernsockel 7-Lagerhülse 8-Säulenständer 9-Hauptspindel 10-Kraftarmhülse 11-Stift 12-Griff 13-Nockenschelle

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