Rohrziehen: Verfahren und Anwendung

Der Begriff Rohrziehen fasst Verfahren zusammen, mit deren Hilfe Rohre ihre Endabmessungen bekommen. Das Ausgangsmaterial für diese Prozesse sind im Walzwerk vorgefertigte Hohlzylinder aus Stahl, sogenannte Luppen, geschweißtes Rohrmaterial oder Halbzeuge aus Nichteisenmetallen. Informieren Sie sich hier darüber, wie hohe Zugkräfte im Zusammenspiel mit ausgefeilten Werkzeugen das Ausgangsmaterial zu einsatzbereiten Rohren verarbeiten und wie Umformschmierstoffe dabei helfen.

Einordnung des Rohrziehens in die Fertigungsverfahren

Durchziehen

Das Rohrziehen ist ein Verfahren, das zur Gruppe des Umformens zählt. Bei diesen Prozessen erfolgt eine zielgerichtete Veränderung der Geometrie des Ausgangsmaterials. Unter der Einwirkung großer Kräfte beginnt der Werkstoff zu fließen und eine neue Form anzunehmen. Die neue Form wird durch die Konturen von Werkzeugen bestimmt. Die Werkzeuge zwingen das Material, den Raum auszufüllen, der zwischen den Konturen frei bleibt. Geschieht das bei gleichzeitiger Wirkung von Zug- und Druckkräften, wird das Fertigungsverfahren als Zugdruckumformen bezeichnet. In diese Kategorie fallen unter anderem das Durchziehen, das Tiefziehen, das Kragenziehen und das Gesenkschmieden. Beim Durchziehen greift die äußere Antriebskraft direkt am Material an. Es wird durch den Hohlraum zwischen den Werkzeugen hindurchgezogen und nimmt dessen Kontur an. Je nach Ausführung der Werkzeuge lassen sich lange Werkstücke mit unterschiedlichen Profilen erzeugen. Entsteht beim Umformen ein Rohr, handelt es sich um das Rohrziehen.

Kaltumformung

Zu Anfang des Umformprozesses hat das Ausgangsmaterial die Umgebungstemperatur. Das Verfahren ist deshalb eine Kaltumformung. In diesem Zustand ist das Formänderungsvermögen des Werkstoffs relativ gering. Das bedeutet, es werden hohe Zugkräfte benötigt, um das Material zum Fließen zu bringen, und umfangreiche Formänderungen benötigen mehrere Umformstufen. Der Vorteil der Kaltumformung besteht in der hohen erreichbaren Maßgenauigkeit. Außerdem geht die Umformung mit einer Verfestigung des Werkstoffes einher, die für viele Einsatzzwecke nützlich ist. Sind bis zum Erreichen der Endmaße mehrere Umformschritte erforderlich, muss die Kaltverfestigung zwischen den einzelnen Stufen durch eine entsprechende Wärmebehandlung rückgängig gemacht werden.

Rohre ziehen

Übersicht über die Fertigungsverfahren

Für das Rohrziehen sind unterschiedliche Verfahren im Einsatz, die auf die Rohrdurchmesser und auf die Toleranzen der Endmaße abgestimmt sind. Stahlrohre entstehen aus Luppen, das sind warmgewalzte Hohlzylinder, oder aus geschweißten Rohren. Das Ausgangsmaterial für Aluminium- oder Kupferrohre ist häufig Rohrmaterial mit größeren Durchmessern und weiten Maßtoleranzen, das durch Strangpressen oder im Schleudergussverfahren hergestellt wurde. Im Hohlzug, Stopfenzug mit einem festen oder einem fliegenden Stopfen und im Stangenzug entstehen fertige Rohre. Speziell gestaltete Innen- und Außenwerkzeuge ermöglichen es, auf die gleiche Weise Profile mit teils komplexen Geometrien herzustellen.

Vorbereitung des Ausgangsmaterials

Bevor die Werkzeuge zum Einsatz kommen, muss das Ausgangsmaterial gründlich von anhaftendem Zunder, Rost und anderen Verschmutzungen befreit werden. Die Reinigung erfolgt in der Regel durch Strahlen oder Beizen. Zur Unterstützung des Ziehvorgangs können die Oberflächen des Rohmaterials vor der Umformung mit Konversionsschichten versehen werden. Für Stahlwerkstoffe bietet sich dafür beispielsweise das Zinkphosphatieren an. Die Phosphatschicht erleichtert das Entlanggleiten des Materials an den Werkzeugen. Die sich beim Phosphatieren einstellende Oberflächenstruktur eignet sich zudem sehr gut dafür, Schmierstoffe aufzunehmen.

Schmierung

Umformschmierstoffe dienen zur Reduzierung der Reibung und zur Kühlung. Sowohl die äußere Reibung zwischen Material und Werkzeugen als auch die innere Reibung durch den Materialfluss würden ohne Schmierung und Kühlung so viel Wärme freisetzen, dass der Umformprozess zum Erliegen käme. Umformschmierstoffe bilden einen Film zwischen den Oberflächen von Werkzeugen und Material, der den direkten Kontakt der Werkstoffe verhindert. Um den beim Rohrziehen auftretenden Bedingungen gerecht zu werden, müssen die Schmierstoffe temperaturbeständig sein und auch bei hohen Temperaturen und Drücken eine ausreichende Viskosität beibehalten.

Da beim Rohrziehen die Schmierwirkung gegenüber der Kühlung im Vordergrund steht, kommen hauptsächlich nichtwassermischbare Schmierstoffe mit hoher Viskosität zum Einsatz — sogenannte Ziehöle. Basisbestandteile sind in der Regel Mineralöle. Es gibt aber auch Schmierstoffe auf der Basis sogenannter Hybase-Öle, die aus Altöl gewonnen werden. Durch den Einsatz dieser Schmierstoffe kann der Anwender erheblich zur Ressourcenschonung beitragen. Zwischen der Ziehoperation und einer eventuellen Wärmebehandlung müssen die Oberflächen zunächst entschichtet werden, bevor sie nach der Wärmebehandlung erneut beschichtet werden.

Hohlzug

Ein beim Rohrziehen bevorzugtes Verfahren ist der Hohlzug. Das ist die einfachste Form, Rohre zu ziehen. Als Werkzeug kommt lediglich ein feststehender Ziehring zum Einsatz, dessen Innendurchmesser den Außendurchmesser des Rohres bestimmt. Während der Umformung verringert sich die Wanddicke des Rohres. Der Innendurchmesser bleibt nahezu unverändert. Das Fertigungsverfahren eignet sich für Metallrohre, bei denen dieses Maß von untergeordneter Bedeutung ist (Stahlbauelemente, Gerüstbau, Gestelle). Es wird auch für das Ziehen von Draht und Stangen eingesetzt. Durch Variationen des Ziehrings lassen sich unterschiedliche Profile, beispielsweise Führungsschienen, erzeugen.

Stopfenzug mit festem oder fliegendem Stopfen

Sollen hohe Maßgenauigkeiten von Wanddicke, Innen- und Außendurchmesser der Rohre erreicht werden, wird ein Innenwerkzeug benötigt. Für das Rohrziehen bietet sich als Innenwerkzeug ein Stopfen an, der mit seinem zylinderförmigen Teil den Innendurchmesser des Rohres bestimmt. Den Außendurchmesser erhält das Rohr wie beim Hohlzug durch einen Ziehring. In der Regel ist der Stopfen fest mit einer Stange verbunden. Vor dem Umformprozess wird er mithilfe der Stange in die Luppe eingeführt und vor dem Ziehring fixiert. Bei sehr kleinen Rohrdurchmessern ist eine Stange unpraktisch. Dann ist das Ausgangsmaterial oft auf einen Coil gewickelt. In diesen Fällen hilft ein fliegender Stopfen weiter. Dieses Innenwerkzeug ist am vorderen Ende zylinderförmig ausgeführt. Dem Zylinder schließt sich ein konischer Bereich mit wachsendem Durchmesser an. Die Bauform bewirkt, dass sich der Stopfen vor dem Ziehring selbständig zentriert. Auch bei diesem Verfahren lassen sich durch Variationen der Geometrie von Stopfen und Ziehring unterschiedliche Profile herstellen.

Stangenzug

Beim Rohrziehen im Stangenzug ist das Innenwerkzeug eine Stange, deren Durchmesser dem Innendurchmesser des fertigen Rohres entspricht. Die Stange befindet sich beim Umformen innerhalb der Luppe und wird gemeinsam mit dieser durch den Ziehring gezogen. Dabei verringert sich der Innendurchmesser der Luppe auf den Außendurchmesser der Stange und der Außendurchmesser der Luppe auf den Innendurchmesser des Ziehringes. Die maximale Länge des fertigen Rohres ist durch Stangenlänge begrenzt. Nach der Umformung muss das Rohr durch Walzen etwas aufgeweitet werden, um die Stange aus der Bohrung lösen zu können. Dadurch verringert sich die Maßgenauigkeit.

Der Vorteil vom Rohrziehen im Stangenzug gegenüber dem Stopfenzug liegt darin, dass sich in einer Umformstufe größere Querschnittsänderungen realisieren lassen. Um Arbeitsschritte zu sparen, können Rohre zunächst im Stangenzug umgeformt werden. Die letzte Umformung erfolgt dann im Stopfenzug, der die genauen Maßtoleranzen liefert.

Weiterverarbeitung nach dem Rohrziehen

Nach dem Ziehen hat das Rohr seine Endabmessungen, ist aber in den meisten Fällen noch nicht fertig für den Einsatz. In der Weiterverarbeitung folgen Prozessschritte wie Ablängen, Biegen oder Schweißen, die jeweils eigene Anforderungen an die eingesetzten Schmierstoffe stellen.

Beim Ablängen — also dem Zusägen auf die gewünschte Länge — spielt neben der Viskosität des Schmierstoffs auch die Kühlung während des Trennprozesses eine wichtige Rolle. Daher sollten hier Kühlschmierstoffe zur Anwendung kommen, die beide Funktionen erfüllen.

Beim Rohrbiegen kommen je nach Anforderung unterschiedliche Verfahren zum Einsatz: das Pressbiegen arbeitet mit zwei Gegenrollen, gegen die das Biegewerkzeug gepresst wird, das Kompressionsbiegen nutzt eine feststehende Biegerolle, und beim Rotationszugbiegen wird das Rohr um eine rotierende Biegeschablone gezogen. Alle drei Verfahren erzeugen hohe Drücke in der Kontaktzone. Die eingesetzten Umformschmierstoffe für Rohre müssen daher extrem druckbeständig sein und auch bei hohen Flächenpressungen eine zuverlässige Schmierung gewährleisten. Umformschmierstoffe mit einem hohen Anteil an mineralischen Ölen sind in diesen Prozessen Standard.

Beim Schweißen der gebogenen Rohrsegmente werden ebenfalls hochviskose Öle eingesetzt. Dabei ist entscheidend, dass der Schmierstoff keine Dämpfe freisetzt, die den Schweißprozess beeinträchtigen könnten. Nach dem Schweißen folgt in vielen Fällen eine Nachbehandlung der Oberfläche, etwa durch Korrosionsschutzmittel, um das fertige Rohrsystem für den Einsatz vorzubereiten.

So alltäglich Rohrsysteme erscheinen, so umfangreich sind die Bearbeitungsmethoden und Prozessschritte vom Rohling bis zum fertigen Produkt. Schmierstoffe spielen in jedem dieser Schritte eine wichtige Rolle — vom Ziehen über das Biegen bis zum Schweißen — und ihre Auswahl sollte gut durchdacht sein.