DE102006037754B3

DE102006037754B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Explosionsumformen

Info

Publication number: DE102006037754B3
Application number: DE102006037754A
Authority: DE
Inventors: Andreas Stranz; Alexander Zak
Original assignee: Cosma Engineering Europe AG
Current assignee: Cosma Engineering Europe AG
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2026-08-12
Also published as: WO2008017444A1; KR20090047463A; DE502007006618D1; CN101516542A; US8650921B2; US9296030B2; US20140318203A1; ATE500008T1; CA2661058A1; US20100175448A1; EP2049280B1; EP2049280A1

Abstract

Mit der Erfindung soll ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Explosionsumformen von Werkstücken, wobei wenigstens ein Werkstück in wenigstens einem Werkzeug angeordnet und mittels eines zu zündenden Explosionsmittels umgeformt wird, dahingehend verbessert werden, dass ein technisch einfach handzuhabender Zündmechanismus mit möglichst geringen Rüstzeiten entsteht, welcher ein möglichst präzises Zünden des Explosionsmittels mit zeitlich wiederholbarer Genauigkeit erlaubt. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei welchem wenigstens ein Werkstück in wenigstens einem Werkzeug angeordnet und mittels eines zu zündenden Explosionsmittels umgeformt wird, gelöst, bei welchem das Explosionsmittel mit Hilfe von Induktion gezündet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Explosionsumformen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. 8.
Beim Explosionsumformen wird ein Werkstück in einem Werkzeug angeordnet und durch Zünden eines explosiven Stoffes, z.B. eines Gasgemisches in dem Werkzeug, umgeformt. In der Regel wird der explosive Stoff in das Werkzeug eingeleitet und auch hier gezündet. Dabei stellen sich zwei Probleme. Zum einen muss das Werkzeug bzw. der Zündmechanismus dazu geeignet sein, die Explosion gezielt auszulösen und den bei der Explosion auftretenden hohen Belastungen standzuhalten, zum anderen sollen wiederholbar gute Umformergebnisse in möglichst kurzen Rüstzeiten erzielt werden.
Bei einem aus der EP 0 830 907 A2 bekannten Verfahren zum Verformen von Hohlkörpern, wie z.B. Dosen, wird der Hohlkörper in ein Werkzeug eingelegt und die obere Öffnung des Hohlkörpers mit einem Stopfen verschlossen. Über eine Leitung in dem Stopfen wird ein explosives Gas in den Hohlraum eingeleitet, welches anschließend über eine in dem Stopfen angeordnete Zündkerze gezündet wird.
Bei einem in der US 3 342 048 beschriebenen Verfahren wird ein zu verformendes Werkstück ebenfalls in einem Werkzeug angeordnet und mit einem explosiven Gasgemisch gefüllt. Die Zündung erfolgt hier mittels Knallquecksilber und einem Heiz- bzw. Glühdraht. Beide Verfahren eignen sich insbesondere für die Einzelteilfertigung und konnten sich in der Praxis nicht für die Massenproduktion durchsetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, dass ein technisch einfach handzuhabender Zündmechanismus entsteht, welcher trotz geringen Rüstzeiten ein möglichst präzises Zünden des explosiven Stoffes mit zeitlich wiederholbarer Genauigkeit erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Durch die Zündung mittels Induktion, lässt sich die Explosion in dem Werkzeug gut steuern. So kann eine Spannung und die entsprechende Wärme technisch einfach und relativ präzise in einer gewünschten Zündstelle induziert werden. Je nach Flussdichte lässt sich die Zündung des Explosionsmittels auch zeitlich relativ gut und präzise steuern. Über die Variation der Flussdichte ist die induzierte Spannung und damit die entstehende Wärme technisch gut einstellbar. Diese Faktoren ermöglichen eine gute Vorhersagbarkeit und Wiederholgenauigkeit des Umformergebnisses.
In einer Variante der Erfindung kann ein Induktionselement wenigstens zeitweise gekühlt werden. Dadurch kann die Wärmeentwicklung in dem Induktionselement und damit die Zündung noch genauer gesteuert werden. Außerdem lässt sich so ein Überhitzen des Induktionselements vermeiden.
Vorteilhafterweise kann das Kühlen zwischen aufeinanderfolgenden Zündungen erfolgen. Dadurch lässt sich die Abkühlphase des Induktionselements beschleunigen. Es ist somit schneller wieder einsatzbereit. Taktzeiten lassen sich so verkürzen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Explosionsmittel an mehreren Zündstellen eines Werkzeugs gezündet werden. So lassen sich z. B. mehrere Detonationsfronten innerhalb eines Werkzeugs erzeugen. Je nachdem, an welcher Stelle sich das Explosionsmittel innerhalb des Werkzeugs befindet und an welcher Stelle es gezündet wird, kann der Verlauf der Detonationsfronten dabei den Erfordernissen des Umformprozesses angepasst werden.
Günstigerweise kann das Explosionsmittel an jeweils wenigstens einer Zündstelle mehrerer Werkzeuge gezündet werden. So können mehrere Umformprozesse gleichzeitig ablaufen, dies erhöht die Effizienz des Verfahrens bzw. der entsprechenden Vorrichtung.
In einer Variante der Erfindung kann das Explosionsmittel an mehreren Zündstellen gleichzeitig gezündet werden. Erfolgt die gleichzeitige Zündung an mehreren Stellen eines einzel nen Werkzeugs, können so mehrere Detonationsfronten innerhalb eines Werkzeugs erzeugt werden. Erfolgt die gleichzeitige Zündung dagegen an mehreren Werkzeugen, kann die Effizienz der Vorrichtung erhöht werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Explosionsmittel an mehreren Zündstellen zeitversetzt gezündet werden. Erfolgt die zeitversetzte Zündung an einem einzelnen Werkzeug der Vorrichtung, können dadurch mehrere Detonationsfronten innerhalb eines Werkzeugs erzeugt werden. Der zeitliche Versatz erlaubt dabei eine Abstimmung des zeitlichen Verlaufs der einzelnen Detonationsfronten innerhalb des Werkzeugs. Erfolgt die zeitlich versetzte Zündung an unterschiedlichen Werkzeugen der Vorrichtung, können z. B. alle Werkzeuge der Vorrichtung nacheinander gezündet werden. Dies hilft die Taktzeiten zu verkürzen, wenn sich die parallel ablaufenden Umformprozesse zeitlich überlappen.
Prinzipiell sind beliebige Kombinationen der gleichzeitigen und der zeitversetzten Zündung an einem und/oder mehreren Werkzeugen der Vorrichtung möglich. So lässt sich das Verfahren gut an unterschiedliche Produktionsanforderungen anpassen. Die Grundidee, die Ausbreitung von Detonationsfronten über eine zeitlich variable Zündung an einer oder mehreren Stellen des Werkzeugs zu steuern und so das Umformergebnis zu beeinflussen, wäre auch unabhängig von der Art der Zündung, ob mit Induktion oder anders, realisierbar.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 8.
Durch die Zündung mittels wenigstens eines Induktionselements lässt sich die Explosion in dem Werkzeug sowohl örtlich als auch zeitlich gut steuern. Das Induktionselement ist technisch gut realisierbar und erlaubt die induzierte Spannung und damit die erzeugte Wärme über die Flussdichte zu regeln. Dies ermöglicht gute Umformergebnisse mit gleichzeitig guter Vorhersagbarkeit und Wiederholgenauigkeit der Ergebnisse.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Induktionselement in einer Wandung des Werkzeugs angeordnet sein. Dies erlaubt eine kompakte Bauweise und ist technisch gut realisierbar.
Günstigerweise kann das Induktionselement wenigstens ein in einem Explosionsraum des Werkzeugs angeordnetes Zündmittel aufweisen, in welchem eine Spannung induzierbar ist. Das Zündmittel kann so an seine Aufgabe, nämlich die Induktion und die Zündung gut angepasst werden.
In einer Variante der Erfindung kann das Zündmittel Wolfram und/oder Kupfer aufweisen. Dadurch kann eine gute Induktivität des Zündmittels sowie eine gute Stabilität gegenüber den Explosionskräften erzielt werden.
In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung kann das Zündmittel wenigstens bereichsweise in den Explosionsraum hineinreichend angeordnet sein. So lässt sich die Spannung und damit die für die Zündung notwendige Wärme direkt in dem Explosionsraum induzieren.
Vorteilhafterweise kann das Zündmittel etwa ringartig um einen Explosionsraum des Werkzeugs angeordnet sein. So lässt sich eine Art Zündring in dem Explosionsraum ausbilden.
In einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung kann das Zündmittel etwa fluchtend mit der Wandung des Explosionsraums angeordnet sein. Das Zündmittel lässt sich so technisch gut und platzsparend in das Werkzeug integrieren. Durch die fluchtende Anordnung können zudem die auf das Zündmittel wirkenden Explosionskräfte gering gehalten werden.
Günstigerweise kann der Innendurchmesser des Zündmittels etwa dem Innendurchmesser des Explosionsraums entsprechen. So lässt sich das Zündmittel gut in den Explosionsraum integrieren.
In einer Variante der Erfindung kann der Innendurchmesser des Zündmittels etwa 20 bis 40 mm, vorzugsweise etwa 25 bis 35 mm und insbesondere etwa 30 mm betragen. Dies hat sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen und gewährleistet gute Umformergebnisse.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Induktionselement wenigstens eine Spulenanordnung zum Induzieren einer Spannung in einem Zündmittel aufweisen, welche außerhalb des Explosionsraums des Werkzeugs angeordnet ist. So ist die Spule von außen gut zugänglich und vor der Explosion geschützt.
Günstigerweise kann die Spulenanordnung an einem außerhalb des Werkzeugs liegenden Bereich eines Zündfingers angeordnet sein. Dies ermöglicht eine einfache Montage, z. B. durch einfaches Aufschieben der Spulenanordnung auf den Zündfinger.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Spulenanordnung etwa ringartig um einen Explosionsraum des Werkzeugs angeordnet sein. Durch die radiale Anordnung der Spule lässt sich Spannung und damit Wärme, direkt im Explosionsraum induzieren.
In einer Variante der Erfindung kann das Induktionselement einen Isolator aufweisen, welcher das Zündmittel gegenüber dem Werkzeug isoliert. Das Werkzeug bleibt somit spannungsfrei.
Vorteilhafterweise kann das Induktionselement einen Isolator aufweisen, welcher die Spulenanordnung gegenüber dem Werkzeug isoliert. Das Werkzeug wird so vor Spannungs- und Wärmeinduktion geschützt.
In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung kann das Induktionselement eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Zündmittels und/oder der Spulenanordnung aufweisen. Dadurch kann das Induktionselement vor überhitzen geschützt werden. Außerdem lassen sich so die Abkühlzeiten des Induktionselements verringern.
In einer Variante der Erfindung kann die Kühleinrichtung als Kühlmittel Wasser aufweisen. Dies ist ein günstiges und gut verfügbares Kühlmittel.
Vorteilhafterweise kann die Kühleinrichtung als Kühlmittel Stickstoff aufweisen. Dieser gewährleistet eine gute Kühlleistung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Induktionselement mit wenigstens einer Dichtung in dem Werkzeug angeordnet sein, welche den Explosionsraum gegenüber der Umgebung dichtet. So kann die Umgebung vor den direkten Auswirkungen der Explosion wie schlagartigem Druck- und Temperaturanstieg aber auch vor den Explosionsprodukten, wie z. B. Abgasen, geschützt werden.
Günstigerweise kann die Dichtung Kupfer aufweisen. Kupfer, insbesondere Kupfer-Beryllium-Legierungen, haben sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen, da sie gute Dichteigenschaften bei gleichzeitig guter Stabilität bieten.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Induktionselement wenigstens einen Heizpunkt aufweisen. So lässt sich die Induktionswärme auf einen Punkt konzentrieren, von welchem die Explosion ausgehen soll. Dies hilft die Explosion örtlich präzise zu steuern.
In einer Variante der Erfindung kann der Heizpunkt in den Explosionsraum hineinragen. Diese Ausbildung des Heizpunkts erlaubt eine größere Heiz- bzw. Zündfläche.
Vorteilhafterweise kann der Heizpunkt etwa fluchtend mit einer Wandung des Explosionsraums angeordnet sein. So können die während der Explosion auf den Heizpunkt wirkenden Belastungen gering gehalten werden.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der vorliegenden Zeichnung beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Explosionsumformen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 einen Schnitt II-II durch das Werkzeug der Vorrichtung aus 1 im Bereich des Induktionselements,
3 einen Schnitt durch das Induktionselement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
4 einen Schnitt durch das Induktionselement gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit mehreren Werkzeugen gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Explosionsumformen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 1 weist ein mehrteiliges Werkzeug 2 mit einem Umformmittel 3 und einem Zündrohr 4 auf. Das Umformmittel 3 weist eine der späteren Werkstückform entsprechende Kavität 42 auf, welche hier mit einer strichpunktierten Linie angedeutet ist. In der Kavität 42 ist ein durch eine gepunktete Linie angedeutetes Werkstück 5 angeordnet.
Das Zündrohr 4 ist aus einem schlecht oder nur mäßig wärmeleitenden Material wie z. B. aus 1.4301 Stahl gefertigt und weist in seinem Inneren einen Explosionsraum 6 auf. In dem hier gezeigten zusammengesetzten Zustand des mehrteiligen Werkzeugs 2 steht der Explosionsraum 6 mit der Kavität 42 in dem Umformmittel 3 in Verbindung.
Der Explosionsraum 6 des Zündrohrs 4 ist über einen Anschluss 7 mit einem Explosionsmittel 8 befüllbar. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist das Explosionsmittel 8 ein explosives Gasgemisch, nämlich Knallgas. Alternativ können, je nach Anwendungsfall, beliebige unterschiedliche Explosionsmittel, also auch Fluide oder Feststoffe, Verwendung finden. Der Anschluss 7 ist dann dementsprechend ausgebildet.
In der Wandung 9 des Zündrohrs 4 ist ein Induktionselement 10 angeordnet. Dieses fungiert als Zündmechanismus für das Explosionsmittel 8. Es weist ein Zündmittel 11 und eine Spulenanordnung 12 auf. In diese Ausführungsform der Erfindung ist das Zündmittel 11 aus einer Wolfram und Kupfer aufweisenden Legierung gefertigt und als Zündfinger 13 ausgebildet. Es erstreckt sich durch die Wandung 9 des Zündrohrs 4 in den Explosionsraum 6 hinein. Alternativ kann das Zündmittel 11 auch aus einem Material bestehen, welches nur eines der beiden Elemente Kupfer oder Wolfram aufweist. Prinzipiell eignen sich für das Zündmittel 11 induktiv erwärmbare Materialien, welche vorzugsweise wasserstoffbeständig und zunderfrei sind. Die Spulenanordnung 12 ist hier außerhalb des Werkzeugs, auf dem Zündfinger 13 angeordnet. 2 zeigt den Aufbau des Induktionselements 10 genauer.
In dieser Ausführungsform der Erfindung weist das Werkzeug 2 nur ein Zündrohr 4 auf. Alternativ könnte es jedoch auch mehrere Zündrohre, z. B. wie hier gestrichelt dargestellt ein zusätzliches Zündrohr 4' aufweisen. Das zusätzliche Zündrohr 4' entspricht in seinem Aufbau dem ersten Zündrohr 4. Alternativ könnte es jedoch auch davon abweichen, z. B. in dem das Induktionselement 10' an einer anderen Stelle des Zündrohrs 4' angeordnet ist oder in dem das Induktionselement 10' anders, z. B. entsprechend 3, ausgebildet ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können auch mehrere Induktionselemente an einem Zündrohr vorgesehen sein.
2 zeigt einen Schnitt II-II durch das Induktionselement 10 der Vorrichtung 1 aus 1. Die in 2 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile wie in 1, so dass diesbezüglich auf die Beschreibung der 1 verwiesen wird. Das Zündmittel 11 des Induktionselements 10 ist etwa stabartig als Zündfinger 13 ausgebildet und ist wenigstens bereichsweise in den Explosionsraum 6 hineinragend angeordnet. Der Zündfinger 13 ist an seinem, dem Explosionsraum 6 zugewandten Ende 14 etwa pilzartig ausgeformt. Über einen Absatz 15 ist der Zündfinger 13 form- und/oder kraftschlüssig in der Wandung 9 angeordnet.
Das Induktionselement 10 weist ferner einen elektrischen Isolator 19 auf, welcher den Zündfinger 13 gegenüber dem Zündrohr 4 des Werkzeugs 2 isoliert. In diesem Fall ist der Isolator 19 zwischen dem Zündfinger 13 und der Wandung 9 angeordnet und gleichzeitig als Wärmeisolator ausgebildet.
Die Spulenanordnung 12 ist in dieser Ausführungsform etwa ringartig um einen außerhalb des Werkzeugs 2 bzw. der Wandung 9 liegenden Bereich 16 des Zündfingers 13 angeordnet. Über die Spulenanordnung 12 ist eine Spannung in dem Zündfinger 13 induzierbar. Die Feldstärke der Spule ist über die Anzahl der Wicklungen 22 einstellbar.
Zwischen der Spulenanordnung 12 und dem Werkzeug 2 bzw. der Wandung 9 weist das Induktionselement 10 ebenfalls einen elektrischen Isolator 17 auf, welcher die Spulenanordnung 12 gegenüber dem Werkzeug 2 isoliert. Auch dieser Isolator kann gleichzeitig als Wärmeisolator ausgebildet sein. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Isolatoren 17, 19 auch einstückig ausgebildet sein.
Die Spulenanordnung 12 ist mittels einer Mutter 18 gegen den Absatz 15 des Zündfingers 13 kraftschlüssig verspannt. So ist das Induktionselement kraft- und/oder formschlüssig in dem Zündrohr 4 befestigt.
Das Induktionselement 10 ist mit einer Dichtung 20 in der Wandung 9 angeordnet. Diese dichtet den Explosionsraum 6 im Innern des Zündrohrs 4 gegenüber der Umgebung. Die Dichtung 20 ist kupferhaltig und in dieser Ausführungsform aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung gefertigt. Sie ist hier zwischen dem Isolator 19 und der Wandung 9 angeordnet und dichtet diese Schnittstelle gasdicht. Die Schnittstelle zwischen dem Zündfinger 13 und dem Isolator 19 weist eine Presspassung auf und ist ebenfalls gasdicht.
Das Induktionselement 10 weist in dieser Ausführungsform der Erfindung auch eine Kühleinrichtung 43 auf. Über eine Kühlleitung 44 kann der Kühleinrichtung 43 ein Kühlmittel zugeführt werden. Je nach Anwendungsfall können hierfür unterschiedliche Kühlmittel wie z. B. Wasser oder Stickstoff Verwendung finden. Auch Kühlmittelgemische oder Fluide mit einem Kühlmittelzusatz sind möglich.
3 zeigt einen Schnitt durch ein Induktionselement 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die in 3 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile wie in den 1 und 2, so dass diesbezüglich auf die Beschreibung der 1 und 2 verwiesen wird.
Das Induktionselement 10 ist hier etwa ringartig um den Explosionsraum 6 angeordnet. Es weist auch in dieser Ausführungsform ein Zündmittel 11, eine Spulenanordnung 12 sowie Isolatoren 21 auf. Das Induktionselement 10 ist hier ebenfalls mit einer Dichtung 20 in dem Werkzeug 2 bzw. der Wandung 9 des Zündrohrs 4 angeordnet, welche den Explosionsraum 6 gegenüber der Umgebung dichtet.
Das Zündmittel 11 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung etwa in Form einer Hülse ausgebildet und ringartig um den Explosionsraum 6 angeordnet. Die Längsachse 23 des Zündmittels 11 fällt dabei in etwa mit der Längsachse 24 des Explosionsraums 6 zusammen.
Die innere, dem Explosionsraum 6 zugewandte Fläche 25 des Zündmittels 11 fluchtet etwa mit der Wandung 9, welche den Explosionsraum 6 begrenzt. Das heißt der Innendurchmesser 26 des Zündmittels 11 entspricht in etwa dem Innendurchmesser 27 des Explosionsraums 6. Der Innendurchmesser 26 beträgt hier 30 mm. Dieser Durchmesser hat sich in der Praxis als günstig erwiesen. Alternativ kann der Innendurchmesser 26 im Bereich von 20 bis 40 mm und insbesondere im Bereich vom 25 bis 35 mm liegen. Auch hier ist das Zündmittel 11 aus einer Legierung gefertigt, welche Wolfram und/oder Kupfer aufweist.
Die Spulenanordnung 12 umgibt den Explosionsraum 6 ebenfalls ringartig. Sie ist etwa konzentrisch zu dem Explosionsraum 6 und dem Zündmittel 11 angeordnet.
Das Zündmittel 11 und die Spulenanordnung 12 sind mit Hilfe wenigstens eines elektrischen Isolators gegenüber der Wandung 9 elektrisch isoliert. In dieser Ausführungsform der Erfindung sind zwei Isolatoren 21 vorgesehen. Sie sind jeweils zwischen der Wandung 9 und dem Zündmittel 11 und der Spulenanordung 12 angeordnet. Das heißt das Zündmittel 11 und die Spulenanordnung 12 befinden sich zwischen den beiden Isolatoren 21.
Die Schnittstellen zwischen dem Zündmittel 11 und den Isolatoren 21 weisen jeweils eine Dichtung 37 auf, welche den Explosionsraum 6 gegenüber der Umgebung dichtet. Auch diese Dichtung ist aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung gefertigt. Alternativ kommen hierfür auch andere kupferhaltige Materialien in Frage.
Das gesamte Induktionselement 10 ist analog zu der ersten Ausführungsform mit einer Kupfer-Beryllium-Dichtung 20 in der Wandung 9 angeordnet, welche den Explosionsraum 6 gegenüber der Umgebung dichtet. Hier ist die Dichtung 20 zweitig ausgebildet. Die Dichtungsteile sind zwischen einem Isolator 21 und der Wandung 9 vorgesehen.
4 zeigt einen Schnitt durch ein Induktionselement gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die in 4 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile wie in den 1 bis 3, so dass diesbezüglich auf die 1 bis 3 verwiesen wird.
Auch in 4 ist das Induktionselement 10 über eine Kupfer-Beryllium-Dichtung 20 in der Wandung 9 des Zündrohrs 4 angeordnet. Das Zündmittel 11 ist hier mit relativ kleinen Abmaßen als Heizpunkt 28 ausgebildet. Der Heizpunkt 28 hat in dieser Ausführungsform eine etwa runde, scheibenartige Gestalt, mit relativ geringem Durchmesser. Er muss aber nicht zwangsweise diese Gestalt aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Heizpunkt 28 auch eckig, oval oder von beliebiger anderer Gestalt sein.
Die innere, dem Explosionsraum zugewandte Fläche 25 des Zündmittels 11 bzw. des Heizpunkts 28 verläuft auch in dieser Ausführungsform etwa bündig mit der Wandung 9. Alternativ könnte der Heizpunkt 28 auch wenigstens bereichsweise in den Explosionsraum 6 hineinragen. Zum Beispiel indem die Innenfläche 25 gewölbt ausgebildet ist, wie durch die gepunktete Linie angedeutet.
Die Spulenanordnung 12 ist dem Heizpunkt 28 nachgeschaltet. Sie befindet sich auf der dem Explosionsraum 6 abgewandten Seite 29 des Heizpunkts 28. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Spulenanordnung 12 etwa konzentrisch zu dem Heizpunkt 28 angeordnet. Über die Leitung 30 ist die Spulenanordnung 12 mit Energie versorgt.
Die Spulenanordnung 12 und der Heizpunkt 28 sind mit einer Isolatorschicht 31 umgeben, welche den Heizpunkt 28 und die Spulenanordnung 12 gegenüber dem Werkzeug 2 elektrisch isoliert.
Des weiteren weist das Induktionselement 10 in dieser Ausführungsform der Erfindung ein Aufnahmeelement 32 auf, welches in der Wandung 9 des Zündrohrs 4 angeordnet ist. Die oben beschriebene Anordnung aus Heizpunkt 28, Spulenanordnung 12 und Isolatorschicht 31 ist in dem Aufnahmeelement 32 angeordnet. Das Aufnahmeelement 32 weist an seinem, dem Explosionsraum 6 zugewandten Ende 33 wenigstens eine konische Fläche 34 auf, welche an wenigstens einer entsprechenden, konisch geformten Fläche 35 in der Wandung 9 des Zündrohrs 4 anliegt. Die konische Fläche 34 vergrößert den Umfang des Aufnahmeelements 32 in diesem Bereich. Die Schnittstelle zwischen den konischen Flächen 34, 35 ist mit der Kupfer-Beryllium-Dichtung 20 gedichtet, mit welcher das Induktionselement 10 in der Wandung 9 angeordnet ist.
Die beiden konischen Flächen 34, 35 bilden so eine Art Kegelsitz aus. In einer Variante der Erfindung kann das Aufnahmeelement 32 auch als Ventilelement fungieren. Dafür ist das Aufnahme- bzw. Ventilelement 32 entlang seiner Längsachse 45 beweglich in der Wandung 9 angeordnet. Durch die axiale Bewegung des Aufnahmeelements 32 in Richtung des Explosionsraums 6 lässt sich ein unter anderem aus den beiden konischen Flächen 34, 35 bestehendes Ventil öffnen. Über diesen Weg kann z. B. das Explosionsmittel 8 oder ein beliebiges anderes für den Umformprozess nötiges Material in den Explosionsraum 6 und somit in das Werkzeug 2 eingebracht werden.
Die dem Explosionsraum 6 zugewandte Fläche 33 des Aufnahmeelements 32 ist etwa fluchtend mit der Wandung 9 und der inneren Fläche 25 des Heizpunkts 28 angeordnet.
Obwohl die Vorrichtung 1 bisher anhand eines Werkzeugs beschrieben wurde kann die Vorrichtung 1 auch mehrere Werkzeuge aufweisen. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 mit mehreren Werkzeugen 2a bis 2d. Die in 5 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile wie in den 1 bis 4, so dass diesbezüglich auf die Beschreibung der 1 bis 4 verwiesen wird.
Die Werkzeuge 2a bis 2d der Vorrichtung 1 entsprechen in ihrem Aufbau dem in 1 gezeigten Werkzeug 2 und die Induktionselemente 10a bis 10d entsprechen in ihrem Aufbau dem in 2 gezeigten Induktionselement 10.
5 zeigt eine mögliche Anordnung der Werkzeuge 2a bis 2d. Diese sind hier so positioniert, dass die Induktionselemente 10a bis 10d zu einem durch die Werkzeuge 2a bis 2d eingefassten zentralen Bereich zeigen. Die Leitungen 30 sind hier an eine zentrale Energieversorgung 36 angeschlossen. So lassen sich die zur Verfügung stehenden Ressourcen wie Platz, elektrische und andere Anschlüsse usw. gut nutzen. Auch die angedeuteten Kühlleitungen 44 können so zentral versorgt werden.
Andere Varianten der Erfindung können auch eine beliebige andere Anzahl an Werkzeugen in einer beliebigen, den jeweiligen Produktionsanforderungen angepassten Anordnung aufweisen. Insbesondere können ein oder mehrere Werkzeuge auch mehrere Induktionsmittel aufweisen. Die Induktionsmittel 10 können dabei, wie in 1 gestrichelt angedeutet, an jeweils unterschiedlichen Zündrohren 4, 4' oder an einem einzelnen Zündrohr 4 angeordnet sein.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsformen beschrieben.
Das Werkstück 5 wird in der Kavität 42 des Umformmittels 3 angeordnet. Anschließend wird das Werkzeug 2 in einen in 1 dargestellten geschlossenen Zustand gebracht.
Zum Explosionsumformen des Werkstücks 5 in dem Werkzeug 2 wird das Werkzeug 2 zunächst mit dem Explosionsmittel 8 befüllt. Dies kann zum einen über den in 1 gezeigten Anschluss 7 erfolgen, über welchen in diesem Fall Knallgas in den Explosionsraum 6 des Zündrohrs 4 eingebracht wird. In anderen Ausführungsformen der Erfindung, wie z. B. der in 4 gezeigten dritten Ausführungsform, kann das Befüllen des Werkzeugs 2 mit dem Explosionsmittel 8 auch über das Induktionselement 10 erfolgen. Hierfür wird das als Ventilelement ausgebildete Aufnahmeelement 32 in Richtung des Explosionsraums 6 bewegt. Dadurch entfernt sich die konische Fläche 34 von der konischen Fläche 35 und der Dichtung 20. Durch die entstehende Öffnung kann das Explosionsmittel 8 in den Explosionsraum 6 eingebracht werden.
Ist das Werkzeug 2 mit einer vorbestimmten Menge des Explosionsmittels 8 gefüllt wird der Anschluss 7 in 1 geschlossen bzw. die Flächen 34 und 35 in 4 zur Anlage gebracht und der Explosionsraum 6 gasdicht verschlossen.
Zum Zünden des Explosionsmittels 8 in dem Explosionsraum 6, wird über die Spulenanordnung 12 eine Spannung in dem Zündmittel 11 erzeugt. Hierfür wird die Spulenanordnung 12 über die elektrische Leitung 30 mit Strom versorgt. Die in dem Zündmittel 11 induzierte Spannung führt zu einer Erwärmung des Zündmittels 11. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur, zündet das Explosionsmittel 8 bzw. das Knallgas in dem Explosionsraum 6 und explodiert.
Bei der Explosion des Explosionsmittels 8 entsteht innerhalb kurzer Zeit eine relativ große Druckänderung, welche relativ große Kräfte auf das Zündrohr 4 und das Induktionselement 10 ausübt, sowie eine relativ große Temperaturerhöhung. Die Schnittstelle des Induktionselements 10 mit dem Zündrohr 4 wird auch während dieser schlagartigen, dynamischen Belastung durch die Dichtung 20 gedichtet. Auch die Schnittstellen zwischen den einzelnen Bauteilen des Induktionselements 10 sind gasdicht gedichtet. Die Schnittstellen des Zündmittels 11 mit dem Isolator 19 in 1 wie auch die Schnittstellen des Zündmittels 11 und der Spulenanordnung 12 mit der Isolatorschicht 31 sowie der Isolatorschicht 31 mit dem Aufnahmeelement 32 in 4 sind über eine Presspassung gedichtet. Alternativ könnten die einzelnen Bauteile auch gasdicht miteinander verbunden sein z. B. durch ein Gewinde, Verkleben, Verschweißen oder Ähnliches. Die Schnittstellen des Zündelements 2 mit den Isolatoren 21 in 2 sind durch die Dichtungen 37 gedichtet. Dies gewährleistet zum einen einen guten Druckaufbau in dem Zündrohr 4 und schützt zum anderen die Umgebung außerhalb des Werkzeugs 2 vor den direkten Auswirkungen der Explosion, wie z. B. Druck- und Temperaturänderungen, sowie vor den eventuell schädlichen Explosionsprodukten, wie z. B. Abgasen.
Durch die Detonation entstehen je nach Ausbildung des Zündrohrs 4 und des Zündmittels 11 eine oder mehrere Detonationsfronten 38. Die Detonationsfront 38 breitet sich prinzipiell ausgehend von einer Zündstelle 39 sphärisch aus. Erfolgt die Zündung punktuell in der Wandung 9, wie in den 2 und 4 dargestellt, heißt das, dass sich ein Teil 40 der Detonationsfront 38 ausgehend von der Zündstelle 39 in Richtung des Werkstücks 5 bewegt. Ein anderer Teil 41 der Detonationsfront 38 bewegt sich dagegen von dem Werkstück 5 weg, wie in 2 dargestellt. Die Ausbreitung und der Verlauf der Detonationsfronten kann über die Ausformung und die Position des Zündmittels 11 in dem Werkzeug 2 bzw. in dem Zündrohr 4 mitbestimmt werden.
Ist das Zündrohr 5 so ausgebildet, dass der zweite Teil 41 der Detonationsfront 38 reflektiert wird, wenn er am Ende des Zündrohrs 4 angelangt ist, lassen sich so z. B. zwei Detonationsfronten 40, 41 erzeugen, welche sich zeitlich versetzt über das Werkstück 5 hinwegbewegen. Der zeitliche Versatz der beiden Detonationsfronten 40, 41 lässt sich über die Position des Zündmittels 11 und die Form des Zündrohrs 4 steuern.
Weist das Werkzeug 2 dagegen mehrere Induktionsmittel 10 und damit Zündmittel 11 auf, wie in 1 gestrichelt angedeutet, kann die Zündung des Explosionsmittels 8 an mehre ren Stellen des Werkzeugs 2 erfolgen. Hierfür können alle Induktionselemente 10 gleichzeitig oder zeitversetzt bestromt werden. So lassen sich z. B. mehrere Detonationsfronten innerhalb eines Werkzeugs 2 erzeugen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform mit dem gestrichelt angedeuteten zusätzlichen Zündrohr 4', können so z. B. zwei Detonationsfronten erzeugt werden, die sich aufeinander zu bewegen und sich an einer vorbestimmten Stelle in dem Werkzeug 2 treffen. So lässt sich das Umformergebnis beeinflussen.
Durch die Explosion wird das Werkstück 5 in die Kavität 42 des Umformmittels 3 des Werkzeugs 2 gepresst und so umgeformt. Die Explosionsprodukte, wie z. B. Abgase, können anschließend über den Anschluss 7 bzw. über ein als Ventilelement ausgebildetes Aufnahmeelement 32 oder über einen separaten Anschluss aus dem Explosionsraum 6 abgeführt werden.
Zwischen den einzelnen Zündvorgängen kann das Induktionselement 10 über die Kühlvorrichtung 43 gekühlt werden. Hierfür wird ein Kühlmittel durch die Kühlleitung 44 in die Kühleinrichtung 43 geleitet. Die Kühlung kann z. B. schon direkt nach dem Zünden des Explosionsmittels 8 erfolgen. Dadurch lässt sich die Abkühlzeit des Induktionsmittels 10 verkürzen und es ist schneller wieder einsatzbereit. So kann die Zeit, innerhalb welcher zwei aufeinanderfolgende Zündungen möglich sind, verkürzt werden. Je nach Ausführungsform der Erfindung wird dabei das Zündmittel 11 und eventuell auch die Spulenanordnung 12 gekühlt.

Claims

Verfahren zum Explosionsumformen, wobei wenigstens ein Werkstück (5) in wenigstens einem Werkzeug (2) angeordnet und mittels eines zu zündenden Explosionsmittels (8) umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Explosionsmittel (8) mit Hilfe eines Induktionselements (10) gezündet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktionselement (10) wenigstens zeitweise gekühlt wird.
Verfahren wenigstens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlen zwischen aufeinander nachfolgenden Zündungen erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Explosionsmittel (8) an mehreren Zündstellen (39) eines Werkzeugs (2) gezündet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Explosionsmittel (8) an jeweils wenigstens einer Zündstelle (39) mehrerer Werkzeuge (2) gezündet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Explosionsmittel (8) an mehreren Zündstellen (39) gleichzeitig gezündet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Explosionsmittel (8) an mehreren Zündstellen (39) zeitversetzt gezündet wird.
Vorrichtung (1) zum Explosionsumformen, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit wenigstens einem Werkzeug (2), in welchem wenigstens ein Werkstück (5) anordenbar ist, und einer Zündanordnung (10), mit welcher ein Explosionsmittel (8) in dem Werkzeug (2) entzündbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündanordnung (10) mindestens ein Induktionselement (10) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionselement (10) in einer Wandung (9) des Werkzeugs (2) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionselement (10) wenigstens ein in einem Explosionsraum (6) des Werkzeugs (2) angeordnetes Zündmittel (11) aufweist, in welchem eine Spannung induzierbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündmittel (11) Wolfram und/oder Kupfer aufweist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündmittel (11) wenigstens bereichsweise in den Explosionsraum (6) hineinreichend angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündmittel (11) etwa ringartig um einen Explosionsraum (6) des Werkzeugs (2) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündmittel (11) etwa fluchtend mit der Wandung (9) des Explosionsraums (6) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (26) des Zündmittels (11) etwa dem Innendurchmesser (27) des Explosionsraums (6) entspricht.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (26) des Zündmittels (11) etwa 20 bis 40 mm, vorzugsweise etwa 25 bis 35 mm und insbesondere etwa 30 mm beträgt.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionselement (10) wenigstens eine Spulenanordnung (12) zum Induzieren einer Spannung in einem Zündmittel (11) aufweist, welche außerhalb des Explosionsraums (6) des Werkzeugs (2) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (12) an einem außerhalb des Werkzeugs (2) liegenden Bereich (16) eines Zündfingers (13) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (12) etwa ringartig um einen Explosionsraum (6) des Werkzeugs (2) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionselement (10) einen Isolator (19, 21, 31) aufweist, welcher das Zündmittel (11) gegenüber dem Werkzeug (2) isoliert.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionselement (10) einen Isolator (17, 21, 31) aufweist, welcher die Spulenanordnung (12) gegenüber dem Werkzeug (2) isoliert.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionselement (10) eine Kühleinrichtung (43) zum Kühlen des Zündmittels (11) und/oder der Spulenanordnung (12) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (43) als Kühlmittel Wasser aufweist
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (43) als Kühlmittel Stickstoff aufweist
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionselement (10) mit wenigstens einer Dichtung (20) in dem Werkzeug (2) angeordnet ist, welche den Explosionsraum (6) gegenüber der Umgebung dichtet.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (20) Kupfer aufweist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionselement (10) wenigstens einen Heizpunkt (28) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizpunkt (28) in den Explosionsraum (6) hineinragt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizpunkt (28) etwa fluchtend mit einer Wandung (9) des Explosionsraums (6) angeordnet ist.