Der Dornbiegevorgang beginnt. Der Dorn wird in den Innendurchmesser des Rohrs eingeführt. Die Biegematrize (links) bestimmt den Radius. Die Klemmmatrize (rechts) führt das Rohr um die Biegematrize, um den Winkel festzulegen.
In allen Branchen besteht weiterhin ein ungebrochener Bedarf an komplexen Rohrbiegearbeiten. Ob es sich um Strukturbauteile, mobile medizinische Geräte, Rahmen für ATVs oder Nutzfahrzeuge oder sogar Metall-Sicherheitsstangen in Badezimmern handelt – jedes Projekt ist anders.
Um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, bedarf es guter Ausrüstung und vor allem des richtigen Fachwissens. Wie jede andere Fertigungsdisziplin beginnt auch das effiziente Rohrbiegen mit der Kernkompetenz, den grundlegenden Konzepten, die jedem Projekt zugrunde liegen.
Einige grundlegende Faktoren tragen dazu bei, den Umfang eines Rohr- oder Rohrbiegeprojekts zu bestimmen. Faktoren wie Materialart, Endverwendung und geschätzter Jahresverbrauch beeinflussen direkt den Herstellungsprozess, die anfallenden Kosten und die Lieferzeiten.
Der erste kritische Parameter ist der Krümmungsgrad (DOB), also der Winkel der Biegung. Als Nächstes kommt der Mittellinienradius (CLR), der sich entlang der Mittellinie des zu biegenden Rohrs erstreckt. Typischerweise beträgt der kleinstmögliche CLR das Doppelte des Rohrdurchmessers. Durch Verdoppeln des CLR lässt sich der Mittelliniendurchmesser (CLD) berechnen. Dieser entspricht dem Abstand von der Rohrmittellinie durch eine weitere Mittellinie einer 180°-Rückbiegung.
Der Innendurchmesser (ID) wird an der breitesten Stelle der Öffnung im Inneren des Rohrs gemessen. Der Außendurchmesser (AD) wird über die breiteste Fläche eines Rohrs einschließlich der Wandstärke gemessen. Die nominelle Wandstärke wird schließlich zwischen der Außen- und Innenfläche des Rohrs gemessen.
Die branchenübliche Toleranz für den Biegewinkel beträgt ±1 Grad. Jedes Unternehmen hat einen internen Standard, der auf den verwendeten Geräten sowie der Erfahrung und dem Wissen des Maschinenbedieners basieren kann.
Rohre werden nach ihrem Außendurchmesser und ihrer Wandstärke (Gauge) gemessen und angeboten. Gängige Gauge-Werte sind 10, 11, 12, 13, 14, 16, 18 und 20. Je niedriger der Gauge-Wert, desto dicker die Wand: 10-Gauge: Das Rohr hat eine Wandstärke von 0,134 Zoll (3,4 mm), 20-Gauge: Das Rohr hat eine Wandstärke von 0,035 Zoll (0,89 mm). Rohre mit 1½ Zoll (38 mm) und 0,035 Zoll (0,89 mm) Außendurchmesser. Die Wandstärke wird in der Teilezeichnung als „1½ Zoll“ angegeben. 20-Gauge-Rohr.
Rohre werden anhand ihrer Nennweite (NPS), einer dimensionslosen Zahl, die den Durchmesser (in Zoll) beschreibt, und einer Wandstärkentabelle (oder Sch.) spezifiziert. Je nach Verwendungszweck sind Rohre in verschiedenen Wandstärken erhältlich. Gängige Wandstärken sind beispielsweise Sch. 5, 10, 40 und 80.
Ein Rohr mit 1,66 Zoll Außendurchmesser und 0,140 Zoll Nennweite (NPS) ist in der Teilezeichnung markiert, gefolgt von der Wandstärkeangabe – in diesem Fall „1¼ Zoll, 0,40 Zoll Rohre“. Die Rohrleitungsplantabelle gibt den Außendurchmesser und die Wandstärke des zugehörigen Nenndurchmessers (NPS) und des Plans an.
Der Wandstärkefaktor, also das Verhältnis von Außendurchmesser zu Wandstärke, ist ein weiterer wichtiger Faktor für Rohrbögen. Bei dünnwandigen Materialien (bis 18 ga.) kann eine stärkere Abstützung im Biegebereich erforderlich sein, um Faltenbildung oder Absacken zu verhindern. In diesem Fall sind für ein präzises Biegen Dorne und weitere Werkzeuge notwendig.
Ein weiteres wichtiges Element ist der Biegeradius D, das Verhältnis des Rohrdurchmessers zum Biegeradius. Dieser wird oft als um ein Vielfaches größer als der Wert von D bezeichnet. Beispielsweise beträgt der Biegeradius bei einem 3-Zoll-Rohr (Außendurchmesser) 6 Zoll. Je größer der Biegeradius D ist, desto einfacher lässt sich die Biegung herstellen. Und je kleiner der Wandkoeffizient ist, desto einfacher ist das Biegen. Dieser Zusammenhang zwischen Wandkoeffizient und Biegeradius D hilft dabei, die Voraussetzungen für den Beginn eines Rohrbiegeprojekts zu bestimmen.
Abbildung 1. Zur Berechnung der prozentualen Ovalität dividiert man die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Außendurchmesser durch den nominalen Außendurchmesser.
Manche Projektspezifikationen fordern dünnwandigere Rohre, um die Materialkosten zu senken. Dünnere Wände können jedoch einen höheren Produktionsaufwand erfordern, um die Form und Konsistenz des Rohrs an Biegungen zu gewährleisten und Faltenbildung zu vermeiden. In manchen Fällen übersteigen diese höheren Arbeitskosten die Materialeinsparungen.
Beim Biegen eines Rohres kann dieses seine runde Form in der Nähe der Biegung vollständig verlieren. Diese Abweichung wird als Ovalität bezeichnet und ist definiert als die Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten Durchmesser des Rohraußendurchmessers.
Beispielsweise kann ein Rohr mit 2 Zoll Außendurchmesser nach dem Biegen einen Durchmesser von bis zu 1,975 Zoll aufweisen. Diese Differenz von 0,025 Zoll ist der Ovalitätsfaktor, der innerhalb zulässiger Toleranzen liegen muss (siehe Abbildung 1). Je nach Verwendungszweck des Bauteils kann die Ovalitätstoleranz zwischen 1,5 % und 8 % liegen.
Die wichtigsten Faktoren, die die Ovalität beeinflussen, sind der Durchmesser des Rohrbogens (D) und die Wandstärke. Das Biegen kleiner Radien in dünnwandigen Materialien kann schwierig sein, um die Ovalität innerhalb der Toleranz zu halten, aber es ist möglich.
Die Ovalität wird durch Einlegen des Dorns in das Rohr während des Biegevorgangs kontrolliert, oder, bei einigen Bauteilspezifikationen, durch die Verwendung von (DOM-)Rohren, die von Anfang an auf den Dorn gezogen werden. (DOM-Rohre weisen sehr enge Toleranzen für Innen- und Außendurchmesser auf.) Je geringer die Ovalitätstoleranz, desto mehr Werkzeuge und potenziell längere Produktionszeiten sind erforderlich.
Beim Rohrbiegen werden spezielle Prüfgeräte eingesetzt, um sicherzustellen, dass die geformten Teile den Spezifikationen und Toleranzen entsprechen (siehe Abbildung 2). Alle erforderlichen Anpassungen können bei Bedarf an die CNC-Maschine übertragen werden.
Walzenbiegen. Ideal zur Herstellung von Biegungen mit großem Radius: Beim Walzenbiegen wird das Rohr oder der Schlauch durch drei Walzen in dreieckiger Anordnung geführt (siehe Abbildung 3). Die beiden äußeren Walzen, die in der Regel feststehen, stützen die Unterseite des Materials, während die innere, verstellbare Walze auf die Oberseite des Materials drückt.
Druckbiegen. Bei dieser relativ einfachen Methode bleibt die Biegematrize stationär, während die Gegenmatrize das Material um die Vorrichtung herum biegt oder staucht. Diese Methode benötigt keinen Dorn und erfordert eine präzise Abstimmung zwischen Biegematrize und dem gewünschten Biegeradius (siehe Abbildung 4).
Verdrehen und Biegen. Eine der gebräuchlichsten Formen des Rohrbiegens ist das Rotationsstreckbiegen (auch Dornbiegen genannt), bei dem Biege- und Druckwerkzeuge sowie Dorne zum Einsatz kommen. Dorne sind Metallstäbe oder -kerne, die das Rohr beim Biegen stützen. Durch die Verwendung eines Dorns wird verhindert, dass das Rohr beim Biegen zusammenfällt, sich abflacht oder Falten wirft, wodurch die Form des Rohrs erhalten und geschützt wird (siehe Abbildung 5).
Diese Disziplin umfasst das Mehrradiusbiegen für komplexe Teile, die zwei oder mehr Mittellinienradien erfordern. Das Mehrradiusbiegen eignet sich auch hervorragend für Teile mit großen Mittellinienradien (bei denen die Verwendung von Hartwerkzeugen möglicherweise keine Option ist) oder für komplexe Teile, die in einem einzigen Arbeitsgang geformt werden müssen.
Abbildung 2. Spezialisierte Ausrüstung ermöglicht die Echtzeitdiagnose, um den Bedienern zu helfen, Teilespezifikationen zu bestätigen oder während der Produktion notwendige Korrekturen vorzunehmen.
Für diese Art des Biegens wird eine Rotationsbiegemaschine mit zwei oder mehr Werkzeugsätzen ausgestattet, je einem für jeden gewünschten Radius. Kundenspezifische Einstellungen an einer Doppelkopf-Abkantpresse – einer zum Biegen nach rechts und der andere zum Biegen nach links – ermöglichen sowohl kleine als auch große Radien am selben Werkstück. Der Übergang zwischen linken und rechten Rohrbögen kann beliebig oft wiederholt werden, sodass komplexe Formen vollständig ausgebildet werden können, ohne das Rohr zu entnehmen oder weitere Maschinen einzusetzen (siehe Abbildung 6).
Zunächst richtet der Techniker die Maschine gemäß der Rohrgeometrie im Biegedatenblatt oder der Fertigungszeichnung ein. Dazu gibt er die Koordinaten aus der Zeichnung sowie die Daten zu Länge, Drehung und Winkel ein oder lädt sie hoch. Anschließend wird eine Biegesimulation durchgeführt, um sicherzustellen, dass das Rohr während des Biegevorgangs nicht an der Maschine oder den Werkzeugen vorbeikommt. Zeigt die Simulation eine Kollision oder Behinderung an, korrigiert der Bediener die Maschine entsprechend.
Dieses Verfahren ist zwar typischerweise für Teile aus Stahl oder Edelstahl erforderlich, kann aber für die meisten Industriemetalle, Wandstärken und Längen angewendet werden.
Freibiegen. Eine interessantere Methode ist das Freibiegen mit einer Matrize, die die gleichen Abmessungen wie das zu biegende Rohr hat (siehe Abbildung 7). Diese Technik eignet sich hervorragend für Winkel- oder Mehrfachradiusbiegungen mit mehr als 180 Grad und wenigen geraden Abschnitten zwischen den Biegungen (herkömmliche Rotationsbiegeverfahren benötigen einige gerade Abschnitte, damit das Werkzeug greifen kann). Beim Freibiegen ist kein Einspannen erforderlich, wodurch jegliche Beschädigung von Rohren vermieden wird.
Dünnwandige Rohre – die häufig in Lebensmittel- und Getränkemaschinen, Möbelkomponenten und medizinischen Geräten verwendet werden – eignen sich ideal zum freien Biegen. Teile mit dickeren Wänden sind hingegen möglicherweise nicht geeignet.
Für die meisten Rohrbiegeprojekte werden Werkzeuge benötigt. Beim Rotationsstreckbiegen sind die drei wichtigsten Werkzeuge Biegebacken, Druckbacken und Spannbacken. Je nach Biegeradius und Wandstärke können auch ein Dorn und eine Abstreifbacke erforderlich sein, um zufriedenstellende Biegungen zu erzielen. Teile mit mehreren Biegungen benötigen eine Spannzange, die das Rohr greift und sich sanft an die Außenseite anlegt, sich bei Bedarf dreht und das Rohr zur nächsten Biegung bewegt.
Kern des Prozesses ist das Biegen der Matrize, um den Mittellinienradius des Werkstücks zu formen. Die konkave Kanalform der Matrize passt sich dem Außendurchmesser des Rohrs an und hält das Material während des Biegevorgangs. Gleichzeitig fixiert und stabilisiert die Druckmatrize das Rohr, während es um die Biegematrize gewickelt wird. Die Klemmmatrize arbeitet mit der Druckmatrize zusammen, um das Rohr während der Bewegung gegen das gerade Segment der Biegematrize zu pressen. Gegen Ende des Biegevorgangs wird bei Bedarf eine Abstreifmatrize eingesetzt, um die Materialoberfläche zu glätten, die Rohrwandungen zu stützen und Faltenbildung sowie Bänderbildung zu vermeiden.
Dorne, Einsätze aus Bronzelegierung oder verchromtem Stahl, dienen zur Unterstützung von Rohren, verhindern deren Zusammenfallen oder Abknicken und minimieren Ovalität. Der gebräuchlichste Typ ist der Kugeldorn. Er eignet sich ideal für Biegungen mit mehreren Radien und für Werkstücke mit Standardwandstärken und wird zusammen mit Abstreifer, Vorrichtung und Druckmatrize verwendet. Gemeinsam erhöhen sie den Druck, der zum Halten, Stabilisieren und Glätten der Biegung erforderlich ist. Der Formdorn ist eine massive Stange für große Radien in dickwandigen Rohren, die keine Abstreifer benötigen. Formdorne sind massive Stangen mit gebogenen (oder geformten) Enden, die zur Unterstützung des Inneren dickwandiger Rohre oder Rohre mit einem mittleren Radius verwendet werden. Projekte mit Vierkant- oder Rechteckrohren erfordern zudem spezielle Dorne.
Für präzises Biegen sind geeignete Werkzeuge und eine korrekte Einrichtung erforderlich. Die meisten Rohrbiegebetriebe haben die benötigten Werkzeuge auf Lager. Sollten diese nicht verfügbar sein, müssen sie für den jeweiligen Biegeradius beschafft werden.
Die Kosten für die Herstellung eines Biegewerkzeugs können stark variieren. Diese einmalige Gebühr deckt die Material- und Produktionskosten für die benötigten Werkzeuge ab, die üblicherweise auch für Folgeprojekte verwendet werden. Ist das Bauteil hinsichtlich des Biegeradius flexibel, können Produktentwickler ihre Spezifikationen anpassen und die vorhandenen Biegewerkzeuge des Lieferanten nutzen (anstatt neue Werkzeuge anfertigen zu lassen). Dies trägt zur Kostenkontrolle und kürzeren Lieferzeiten bei.
Abbildung 3. Ideal für die Herstellung von Biegungen mit großem Radius, Walzenbiegen zur Formung eines Rohres oder Rohres mit drei Walzen in dreieckiger Anordnung.
Bestimmte Bohrungen, Schlitze oder andere Merkmale an oder nahe der Biegung erfordern einen zusätzlichen Arbeitsschritt, da das Laserschneiden nach dem Biegen des Rohrs erfolgen muss. Toleranzen beeinflussen auch die Kosten. Sehr anspruchsvolle Aufträge können zusätzliche Dorne oder Matrizen erfordern, was die Rüstzeit verlängern kann.
Bei der Beschaffung von kundenspezifischen Rohrbögen oder Rohrverzweigungen müssen Hersteller viele Variablen berücksichtigen. Faktoren wie Werkzeuge, Materialien, Menge und Arbeitskräfte spielen dabei eine Rolle.
Obwohl sich die Techniken und Methoden des Rohrbiegens im Laufe der Jahre weiterentwickelt haben, bleiben viele Grundlagen des Rohrbiegens unverändert. Das Verständnis der Grundlagen und die Beratung durch einen sachkundigen Lieferanten helfen Ihnen, die besten Ergebnisse zu erzielen.
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