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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umformung metallisch
leitfähiger
Werkstücke
mit Hilfe magnetischer Felder.
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Die
magnetische Umformung metallisch leitfähiger Werkstücke mit
Hilfe magnetischer Felder („Magnetoform") beruht darauf,
dass impulsförmige Ströme hoher
Amplitude durch eine Spule geführt werden,
welche dem umzuformenden Werkstück
in geringem Abstand gegenübersteht.
Durch die dadurch im Werkstück
induzierte Magnetfeldänderung wird
dort ebenfalls – bei
ausreichend hoher elektrischer Leitfähigkeit des Werkstückes – ein Kreisstrom mit
entgegengesetztem Vorzeichen und dementsprechend ein entgegengesetzt
gepoltes Magnetfeld erzeugt. Diese beiden Magnetfelder, d. h. das
Primärfeld
der Spule und das Sekundärfeld
des Werkstückes,
erzeugen eine abstoßende
Kraftwirkung zwischen Spule und Werkstück, so dass das Werkstück gezielt
verformt werden kann.
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Beispielsweise
kann ein flächiges
Werkstück,
insbesondere ein Blech, bei Verwendung einer flächenhaften Spule mit hoher
Geschwindigkeit in eine Umformmatrize beschleunigt werden, wo es beim
Auftreffen auf die Matrize entsprechend geformt wird. Ebenso können Umformungen
rohrförmiger Bauteile,
insbesondere eine Aufweitung oder eine Verjüngung, vorgenommen werden,
die auch zur Herstellung von mechanisch hoch belastbaren Verbindungen
geeignet sind.
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In
der Praxis der Magnetoform-Technologie besteht ein Problem darin,
dass die Antriebsspule gleich großen Rückstoßkräften ausgesetzt ist wie das
Werkstück.
Da die Spule mit Impulsströmen
von typischerweise einigen 100 kA/Amplitude und Spannungen im Bereich
von 10 kV bis 20 kV belastet wird, muss gleichzeitig mit der mechanischen
Belastbarkeit für
eine aus reichende und dauerhafte elektrische Belastbarkeit gesorgt
werden.
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Zur
Verwendung in industriellen Prozessen, insbesondere in Fertigungsprozessen
mit großer Stückzahl,
wird durch die hohe mechanische Belastung der Spule deren mechanischer
Aufbau nach und nach überlastet,
was beispielsweise zur Rissbildung in den Kraft aufnehmenden Bereichen
führt,
so dass bei Anlagen des Standes der Technik keine ausreichende Lebensdauer
der Antriebsspulen erreicht wird. Die Standzeit der Werkzeuge ist
dadurch also zu gering. Insbesondere wird aber auch durch die Rissbildung
die elektrische Isolationsfähigkeit
beeinträchtigt,
so dass oftmals bereits vor massiven mechanischen Beschädigungen
eine irreversible Beeinträchtigung
des elektrischen Isolationsvermögens
die Lebensdauer der Spule beendet.
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Beim
Stand der Technik ist meist die aus Kupfer gefertigte Spule so ausgeführt, dass
die Kraft auf die Spule von einem mechanisch hoch belastbaren, die
Kräfte
aufnehmenden Stützkörper umgeben ist.
Dies ist beispielsweise in der Veröffentlichung „Proceedings
International Conference of High Speed Forming", Dortmund, 20. bis 21. März 2006, ISBN
3-00-018432-5, beschrieben.
Insbesondere bei zylindrischen oder annähernd zylindrischen Spulen für Rohrumformungen
wird dazu die Spule insbesondere mit einer stützenden Bandagierung umgeben und
mit dieser verklebt oder mit einem Kunstharz vergossen. Dadurch
soll einer Verformung der Spule entgegengewirkt werden.
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Bei
Antriebsspulen für
die Umformung von flächigen
Bauteilen werden ein- oder mehrwindige Flachspulen eingesetzt, deren
Windungen zum einen in axialer Richtung durch eine elektrisch nicht
oder sehr schlecht leitende Rückstoßplatte
abgestützt werden.
Da die Spule neben den axial wirkenden Kräften auch radial wirkenden
Kräften
ausgesetzt ist, welche die Spule selbst verformen wollen, muss die Spule
aber auch in radialer Richtung gestützt werden. Dies erfolgt entweder
durch eine mechanische Einspannung der Spulenwindungen mit mechanischer Verspannung,
oder aber durch Verklebung bzw. Verguss der Spule in einem isolierenden
Grundkörper.
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Letzteren
Problemlösungen
ist gemeinsam, dass insbesondere im Bereich der Verklebungen/Vergussverbindungsbereiche
die auftretenden impulsförmigen
starken mechanischen Spannungen die Verbindungsbereiche nach und
nach schädigen, so
dass es schließlich
zum mechanischen und/oder elektrischen Versagen in diesen Bereichen
kommt. Insbesondere sind die in solchen Verbünden auftretenden Zugspannungen
verantwortlich für
ein vorzeitiges Altern und von Verbindungsstellen. Beim Stand der
Technik erreichen daher die für
Fertigungszwecke relevanten Spulen Lebensdauern von maximal wenigen
1000 Umformvorgängen,
wogegen in der Praxis beispielsweise im Automobilbau, Standzeiten von
einigen 105 bis 106 gefordert
werden.
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Daneben
ist aus der
DE 12 79
619 B eine Vorrichtung zur Umformung zylindrischer Hohlkörper mit
Hilfe gepulster Magnetfelder bekannt, bei der zur Magnetfelderzeugung
eine starr angeordnete bifilar gewickelte Spule vorhanden ist, deren
gegenläufige Windungen
durch eine Isolationsschicht gegeneinander isoliert sind, und bei
der zur Pulseinkopplung auf den zu verformenden Körper Wasser
verwendet wird.
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Ausgehend
von obigem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der Erfindung,
eine Vorrichtung zu schaffen, die es erlaubt, Spulen mit großer Anzahl von
Umformvorgängen
zu belasten, ohne dass es zu mechanischen und/oder elektrischen
Beschädigungen
der Spulenkonstruktion kommt.
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Die
Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen
der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei
der Erfindung wird auf die bisher verwendete starre Lagerung der
Spule und eine Pulseinkopplung über
ein flüssiges
Medium verzichtet, da das Magnetfeld im zu verformenden Werkstück erzeugt
wird, wobei die magnetfelderzeugende Spule in einem elektrisch isolierenden
flüssigen
Medium schwimmend gelagert ist. Da die Spule wegen der hohen mechanischen
Kräfte
und hohen Impulsströme
einen Windungsquerschnitt von typisch mindestens mehreren Millimetern
bis zu Zentimetern aufweist und damit große Kon taktflächen mit
der Flüssigkeit
in allen Richtungen hat, stützt
sich die Spule während
der impulsförmigen
Kraftwirkung und wegen der geringen Kompressibilität der Flüssigkeit
an der Flüssigkeit
ab und ändert
dadurch ihre Lage des Umformvorganges nur wenig.
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Vorzugsweise
befindet sich die Spule in einem dicht geschlossenen Gehäuse, welches
die Lagerungsflüssigkeit
enthält,
und gegebenenfalls mit Zu- und Rückleitungen
für den
Anschluss einer Kühleinrichtung
versehen ist. Insbesondere kann das für die Spulenlagerung verwendete
flüssige
Medium dabei selbst als primäres
Kühlmittel
genutzt werden.
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Im
Rahmen der Erfindung eignen sich als flüssige Isoliermedien insbesondere
schwach leitfähiges
Wasser und Isolieröle,
aber auch ausreichend gereinigter Alkohol, wie insbesondere Glycerin,
Glykole od. dgl. Dabei wird erfindungsgemäß die Eigenschaft von Flüssigkeiten
genutzt, dass sie – ähnlich wie
Festkörper – bei stoßförmiger Belastung
praktisch inkompressibel sind und den Rückstoß in Form einer Druckwelle
gleichmäßig an ein
einfach zu gestaltendes, mechanisch hoch belastbares Gehäuse übertragen.
Somit werden in vorteilhafter Weise die Kraftspitzen abgebaut und
wird somit die Lebensdauer der mechanischen Gehäusestruktur erheblich erhöht.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Figurenbeschreibung von Beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung
mit den weiteren Patentansprüchen.
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Es
zeigen jeweils in perspektivischer Darstellung
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1 eine
Vorrichtung zur Blechumformung entsprechend dem Stand der Technik,
und
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2 eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
zur Verformung von Blechen.
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In 1 ist
ein Grundkörper 1 dargestellt, der
beispielsweise aus einer Platte aus bekanntem glasfaserverstärkten Kunststoff
(so genannte GFK-Platte) besteht. Im Grundkörper 1 ist eine Spule 2 eingebracht,
die beispielsweise aus Kupferblech gefräst ist. Mit 3 ist
ein Vergussmaterial, z. B. Epoxid- oder Silikonharz, bezeichnet.
Weiterhin ist eine Bandage 4 vorhanden, die vorteilhafter
Weise radiale Kräfte
aufnehmen kann. Die Bandage 4 ist eine Kohlefaserbandage
mit Epoxidharz.
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Mit
vorstehendem Aufbau wird also eine in eine steife Grundplatte eingeklebte
und vergossene Flachspule gebildet. Die die Spule 2 überdeckende Schicht
aus Isoliermaterial, beispielsweise ebenfalls eine dünne GFK-Platte,
ein Silikon- oder
Epoxidharz-Verguss oder eine Glasfaser-Harz-Deckschicht bzw. eine
Kunststoffplatte, ist in der 1 nicht
im Einzelnen dargestellt.
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In 2 bedeuten 11 der
Grundkörper, 12 die
Spule, 13 eine isolierende Flüssigkeit, 14 eine Isolierstoffplatte
zur frontseitigen Abdichtung, 15 Rückstellelemente, z. B. Elastomere
oder Federn, und 16 bzw. 16' der Zu- bzw. Rücklauf der Flüssigkeit zu
einem Kühlsystem.
In Abwandlung zur 1 ist hier also eine in der
Isolierflüssigkeit 13 schwimmende
Flachspule 12 mit mechanischen Rückstellelementen gebildet.
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Wie
eingangs bereits erwähnt,
sind als flüssiges
Isoliermedium insbesondere schwach leitfähiges Wasser und Isolieröle geeignet.
In Frage kommen beispielsweise mineralische, biologische, synthetische
oder andere Silikonöle.
Möglich
sind auch deionisierte Alkohole, wie Glycerin oder Glykole. Dabei wird
die Eigenschaft der Inkompressibilität der Flüssigkeit ausgenutzt, wobei
der Rückstoß in Form
einer Druckwelle gleichmäßig an das
mechanisch belastbare Gehäuse übertragen
wird.
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Der
Einsatz der Flüssigkeiten
als Übertragungsmedium
für den
mechanischen Impuls hat auch zur Folge, dass die Grenzfläche: Flüssigkeit/Wand
selbstheilend ist in mechanischer Hinsicht.
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Bei Überlastung
an einer Stelle, z. B. überhöhte Zugspannungen
aufgrund reflektierter Stoßwellen,
werden schlimmstenfalls Gasblasen durch Kavitation erzeugt, welche
jedoch wieder in sich zusammenfallen und damit die Integrität des flüssigen Mediums
wieder herstellen.
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Von
letzterem abgesehen sind flüssige
Medien im Allgemeinen auch elektrisch selbstheilend, sofern nur
Teilentladungen mit geringem Energieinhalt auftreten.
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Die
Rückstellvorrichtungen
haben die Aufgabe, nach erfolgtem Umformvorgang die Spule wieder in
die vorgesehene Arbeitsposition innerhalb des Gehäuses zurückzuführen und
zwar im Vergleich zum Umformvorgang langsam, d. h. typischerweise
in ein Zehntel bis mehreren Sekunden. Dies ist sinnvoll, da die
Spule in schwimmender Ausführung
unterschiedliche räumliche
Lage im Gehäuse
einnehmen kann. Die Rückstellung
erfolgt dabei sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung.
Die Rückstellung
erfolgt im dargestellten Beispiel durch den Einsatz von elastischen
Rückstellelementen 15,
die beispielsweise als Spiral- oder Tellerfedern ausgebildet sein
können.
Die Rückstellung
kann auch durch Elastomere erfolgen, welche offen- oder geschlossenporig
ausgeführt
werden können.
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Die
anhand 2 beschriebene Vorrichtung stellt ein schwingungsfähiges mechanisches
System dar. Die Bedämpfung
dieses Systems erfolgt wiederum über
die Flüssigkeit
selbst, indem alle eine Strömung
zulassende Flüssigkeitsbereiche
so schmal ausgeführt
sind, dass die erzwungene Strömung
aufgrund der Viskosität
der Flüssigkeit
die mechanische Schwingung annähernd
kritisch bedämpft.
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Die
hohen mechanischen Kräfte
während des
Kraftstoßes
beim Umformvorgang können
zu inhomogenen mechanischen Belastungen der Spule selbst führen, welche
die Spule, die aus gut leitefähigem
hochfesten Kupfer- oder Aluminiumlegierungen besteht, verformen
können.
Um diese Verformungen zu vermeiden, können für die Spule auch mehrschichtige
Verbundwerkstoffe einge setzt werden. Beispielsweise sind hochfeste
Stähle
mit schlechter elektrischer Leitfähigkeit einsetzbar, um der
Spule eine ausreichende mechanische Festigkeit zu geben, wobei dann
eine damit kraftschlüssig
verbundene Beschichtung aus Kupfer die elektrische Funktion der Spule übernimmt.
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Wird
als flüssiges
Medium ein sog. Magnetofluid eingesetzt, tritt beim Aufbau des Magnetfeldes eine
starke Erhöhung
der Viskosität
der Flüssigkeit ein,
wodurch die dämpfende
Wirkung verstärkt
wird.
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Der
Aufbau der neuen Vorrichtung gemäß 2 kann
in vielen Einzelheiten verändert
werden. Gemeinsames Merkmal ist dabei die auf der Flüssigkeit
gelagerte Flachspule. Damit ergeben sich für die technische Anwendung
beachtliche Vorteile. Diese sind:
- – eine verbesserte
Kühlung,
da die Spule durch das flüssige
Medium gut gekühlt
wird und somit bei großen
Folgeraten betrieben werden kann,
- – die
Selbstheilung, da die Grenzflächen
und das zur Isolation verwendete Flüssigkeitsvolumen mechanisch
und elektrisch weitestgehend selbstheilend sind, so dass große Standzeiten
ohne Alterungserscheinungen erzielt werden können,
- – eine
gleichmäßige Druckverteilung,
da die Flüssigkeiten
als Kraftübertragungsmedium
die Eigenschaft haben, bei impulsförmiger Belastung wegen der
Schwerviskosität
lokale Kraftspitzen abzubauen und dadurch eine lokale Belastung von
Strukturelementen vermieden wird, womit insgesamt die Lebensdauer
verlängert
wird,
- – eine
geringe Anforderung an Toleranzen, da durch die schwimmende Lagerung
der Spule im Spulengehäuse
in Verbindung mit selbstrückstellenden
Komponenten die Anforderungen an Fertigungstoleranzen gering bleiben.
Dadurch werden insbesondere die Fertigungskosten verringert.
- – eine
kostengünstige
Fertigung, da die Antriebsspulen für die Magnetumformung für industrierelevante
Fertigungseinrichtungen bei Impulsfolgeraten von einigen Impulsen pro
Minute betrieben werden müssen,
so dass eine Kühlung
notwendig ist. Diese Kühlung
kann bei dem beschriebenen Beispiel mit geringsten Kosten integriert
werden.
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Insgesamt
ist nunmehr mit dem neuen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung
ein großes Spektrum
an Spulenformen möglich.
Mit der schwimmenden Bauweise der Spule ist eine breitere Palette an
Bauformen realisierbar. Dadurch sind prozessspezifische Modifikationen
leicht durchführbar.
Vorteilhafterweise kann ein Bausteinprinzip realisiert werden.