DE10207655A1

DE10207655A1 - Spiral coil delivering powerful electromagnetic pulses to shape metal sheet, has band of variable thickness wound into clock spring-like configuration

Info

Publication number: DE10207655A1
Application number: DE2002107655
Authority: DE
Inventors: Charlotte Beerwald; Hans Beerwald
Original assignee: Moritz Beerwald & Artur Hensel
Current assignee: Moritz Beerwald & Artur Hensel
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2022-02-21
Also published as: DE10207655B4

Abstract

The coil generally resembles a clock spring, however, its band thickness (1) is not constant. It continuously thickens and thins, so that a desired, position-dependent distribution of magnetic force is promoted over the surface of the sheet.

Description

Die Erfindung betrifft eine spiralförmige Spule zur magnetischen Umformung von Blechen hoher elektrischer Leitfähigkeit, wobei die Stirnfläche der uhrfederähnlich gewickelten Spiralspule gegen das umzuformende Blech gepreßt wird und durch die Spiralspule ein starker Stromimpuls geführt wird, so daß zwischen der Spiralspule und dem Blech ein starker magnetischer Druckstoß erzeugt wird, der die gewünschte Umformung des Blechs bewirkt. The invention relates to a spiral coil for the magnetic shaping of metal sheets high electrical conductivity, with the end face of the watch spring wound Spiral coil is pressed against the sheet to be formed and through the spiral coil strong current pulse is carried, so that a strong between the spiral coil and the sheet magnetic pressure surge is generated, which causes the desired deformation of the sheet.

Derartige Spulen werden als Werkzeug für die Umformung von ebenen Aluminium- oder Kupferblechen benutzt, wobei das Blech gewöhnlich durch den magnetischen Druck in die Vertiefungen einer Matrize getrieben wird (Glomski, G. u. Dengler, K.: Die Hochleistungsimpulstechnik - eine zukünftige Hochgeschwindigkeits-Umformtechnologie, Blech Rohre Profile 38 (1991) 4, S. 636-639). Such coils are used as a tool for the shaping of flat aluminum or copper sheets, the sheet usually being driven into the recesses of a die by the magnetic pressure (Glomski, G. and Dengler, K .: The high-performance pulse technology - a future high-speed Forming technology, sheet metal tubes Profile 38 ( 1991 ) 4, pp. 636-639).

Um kompliziertere Geometriedetails, wie z. B. enge Bodenradien, vollständig auszuformen, wird üblicherweise der magnetische Druck auf der gesamten Blechoberfläche stark erhöht. Dazu werden größere Stoßstromgeneratoren benötigt, was die Investitions- und Wartungskosten der Umformanlagen deutlich in die Höhe treibt. To more complicated geometry details, such as B. tight ground radii to fully form, the magnetic pressure on the entire sheet surface is usually greatly increased. For this, larger surge current generators are required, which is the investment and Maintenance costs of the forming systems are significantly higher.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den magnetischen Druck nur an den Stellen der Blechfläche zu erhöhen, an denen erhöhter Druck benötigt wird, um so den Wirkungsgrad des Umformprozesses zu erhöhen und überflüssige Kosten zu senken. The invention has for its object the magnetic pressure only at the points of To increase the sheet area where increased pressure is required so as to increase the efficiency of the Increase the forming process and reduce unnecessary costs.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß die Dicke des gewickelten Bandes der uhrfederähnlichen Spule nicht konstant ist, sondern kontinuierlich zu- und abnimmt, so daß eine gewünschte ortsabhängige Verteilung des magnetischen Druckes über die Oberfläche des Bleches erzielt wird. This object is achieved according to the invention in that the thickness of the wound tape the coil-like coil is not constant, but increases and decreases continuously, so that a desired location-dependent distribution of the magnetic pressure over the Surface of the sheet is achieved.

Der magnetische Druck ist proportional dem Quadrat der magnetischen Feldstärke. Die magnetische Feldstärke verhält sich proportional zur Windungsdichte, das ist die Windungszahl pro Länge senkrecht zur Stromrichtung. Je dicker das im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs genannte Band ist, um so geringer ist die Windungsdichte und damit auch um so geringer die magnetische Feldstärke und der magnetische Druck. Je dünner das genannte Band ist, um so höher sind Windungsdichte, magnetische Feldstärke und magnetischer Druck. The magnetic pressure is proportional to the square of the magnetic field strength. The magnetic field strength is proportional to the winding density, that is the Number of turns per length perpendicular to the current direction. The thicker that in the characteristic part of the is called first band claim, the lower the winding density and thus also the lower the magnetic field strength and the magnetic pressure. The thinner that the band is called, the higher are winding density, magnetic field strength and magnetic pressure.

Solche erfindungsgemäßen Spulen lassen sich z. B. mittels Drahterosion aus Plattenmaterial schneiden. Als Material eignet sich die besonders feste und gut leitfähige Legierung CuCrZr. Die Schnittfuge wird mit druckfestem Isoliermaterial gefüllt. Als Isolierschicht hat sich z. B. mit Keramikpulver gefülltes Polyurethan in Kombination mit Polyimidfolie bewährt. Als dünne Isolationsschicht zwischen Spule und Werkstück ist ebenfalls Polyimidfolie geeignet. Such coils according to the invention can, for. B. by means of wire erosion from plate material to cut. The particularly strong and highly conductive alloy CuCrZr is suitable as the material. The kerf is filled with pressure-resistant insulating material. As an insulating layer z. B. Proven polyurethane filled with ceramic powder in combination with polyimide film. As thin insulation layer between coil and workpiece is also suitable polyimide film.

Zur äußeren Armierung wird die Spiralspule mit Kevlar- oder Zylongarn umwickelt, das anschließend mit Gießharz getränkt wird. For the outer reinforcement, the spiral coil is wrapped with Kevlar or zylon yarn, the is then impregnated with casting resin.

Die Höhe der so gefertigten Spiralspule entspricht der Dicke der CuCrZr-Platte. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung läßt sich die Spiralspule durch entsprechende Vorbearbeitung der CuCrZr-Platte so ausbilden, daß die Höhe der Spiralspule nicht konstant ist, sondern so variiert, daß eine dreidimensionale Stirnfläche entsteht, die an die Oberfläche eines nicht ebenen blechförmigen Werkstücks angepaßt ist. Eine Spiralspule dieser Art ist z. B. geeignet zur Erzeugung von Türgriffmulden an den gewölbten Türen von Kraftfahrzeugen. The height of the spiral coil produced in this way corresponds to the thickness of the CuCrZr plate. After a Another embodiment of the invention, the spiral coil can be made by appropriate Prepare the CuCrZr plate so that the height of the spiral coil is not constant is, but varies so that a three-dimensional front surface is created, which is to the surface a non-planar sheet-shaped workpiece is adapted. This is a spiral coil z. B. suitable for producing door handle recesses on the arched doors of Motor vehicles.

Ein altes noch nicht befriedigend gelöstes Problem bei der magnetischen Umformung ist die teilbare Spule, mit der Hohlprofile zu geschlossenen Rahmen gefügt werden können. Es gibt mehrere Vorschläge für teilbare Einwindungsspulen. Einwindungsspulen haben wegen der nicht vernachlässigbaren Eigeninduktivität der Hochstrom-Impulsgeneratoren einen wesentlich schlechteren Wirkungsgrad bei der magnetischen Umformung als Mehrwindungsspulen. Um teilbare Einwindungsspulen besser an die Hochstrom-Impulsgeneratoren anzupassen, wurde auch vorgeschlagen, solche Einwindungsspulen induktiv über Mehrwindungsspulen anzukoppeln (I. V. Belyy, S. M. Fertik, L. T. Khimenko: Electromagnetic Metal Forming Handbook, Charkov, UdSSR, 1977 und Offenlegungsschrift DE 199 19 301). Diese zusätzliche induktive Kopplung ist aber stets mit zusätzlichem Energieverlust verbunden. Besser ist es, wenn das Magnetfeld der Mehrwindungsspule direkt auf das Werkstück wirkt. An old problem that has not yet been solved satisfactorily in magnetic forming is that Divisible coil with which hollow profiles can be joined to form closed frames. There are several suggestions for divisible single-reel spools. Have winding coils because of the non-negligible self-inductance of the high-current pulse generators much worse efficiency in magnetic forming than Mehrwindungsspulen. To divisible winding coils better to the high-current pulse generators To adapt, it has also been proposed to induct such coils Coupling multi-turn coils (I.V. Belyy, S.M. Fertik, L.T. Khimenko: Electromagnetic Metal Forming Handbook, Charkov, USSR, 1977 and disclosure DE 199 19 301). This additional inductive coupling is always with additional Energy loss connected. It is better if the magnetic field of the multi-turn coil is direct acts on the workpiece.

Die spiralförmige Spule mit dreidimensionaler Stirnfläche nach Patentanspruch 2 ermöglicht auch, eine mehrwindige teilbare Kompressionsspule ohne Feldformer oder zusätzliche Einwindungsspule zum Fügen von Hohlprofilen zu realisieren. Dies wird gemäß Patentanspruch 3 dadurch gelöst, daß zwei spiralförmige Spulen mit entsprechend ausgebildeter dreidimensionaler Stirnfläche so zusammengepreßt werden, daß sie das zu komprimierende Hohlprofil umschließen. The spiral coil with three-dimensional end face according to claim 2 enables also, a multi-wind split compression coil with no field shaper or additional To realize a winding coil for joining hollow profiles. This is according to Claim 3 solved in that two spiral coils with a correspondingly trained three-dimensional face are pressed together so that they are to be compressed Enclose the hollow profile.

Die Ströme in den beiden Spulen müssen antiparallel fließen, so daß sie sich abstoßen. Grundsätzlich werden bei diesem System an zwei Stellen des Hohlprofils Ringströme induziert, die das Eindringen des magnetischen Feldes in das Innere des Hohlprofils verhindern, worauf ja die magnetische Kompression von Rohren beruht. Dort, wo das Hohlprofil magnetisch umgeformt werden soll, muß die Windungsdichte groß sein. Dort, wo sich das Hohlprofil nicht befindet, wo also die beiden Spulen aufeinander gepreßt werden, muß die Windungsdichte klein sein, um nicht unnötig magnetische Energie aufzuwenden. Soll das Hohlprofil nur an einer Stelle umgeformt werden, so muß an der zweiten Stelle, an der das Hohlprofil vom Strom umflossen wird aber nicht umgeformt werden soll, die Windungsdichte ebenfalls klein sein. Ist die Windungsdichte vier mal kleiner, so ist der magnetische Druck 16 mal kleiner, was gewöhnlich ausreicht, daß die Fließgrenze an dieser Stelle des Werkstücks nicht erreicht wird. The currents in the two coils must flow antiparallel so that they repel each other. Basically, ring currents are induced in this system at two points of the hollow profile, which prevent the magnetic field from penetrating into the interior of the hollow profile, which is the basis for the magnetic compression of pipes. Where the hollow profile is to be magnetically formed, the winding density must be high. Where the hollow profile is not located, that is to say where the two coils are pressed together, the winding density must be small in order not to use up magnetic energy unnecessarily. If the hollow profile is only to be formed at one point, the winding density must also be small at the second point at which the current flows around the hollow profile but is not intended to be formed. If the winding density is four times smaller, the magnetic pressure is 16 times smaller, which is usually sufficient that the yield point is not reached at this point on the workpiece.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist, daß man unnötige magnetische Energie vermeidet, nur dort magnetische Energie hinbringt, wo sie benötigt wird und deshalb mit kleineren und billigeren magnetischen Umformanlagen auskommt. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung erstmals die Realisierung einer direkt auf das Werkstück wirkenden, mehrwindigen, teilbaren Kompressionsspule, wie sie für die Herstellung geschlossener Rahmen benötigt wird. The main advantage of the invention is that unnecessary magnetic energy is avoided, only brings magnetic energy where it is needed and therefore with smaller and cheaper magnetic forming systems. In addition, the Invention for the first time the realization of a directly acting on the workpiece multi-turn, divisible compression coil, as used for the production of closed Frame is needed.

Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Two preferred exemplary embodiments of the invention are described below with reference to FIG Drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Spulengeometrie nach Patentanspruch 1 in perspektivischer Darstellung, Fig. 1 a coil geometry according to patent claim 1 in a perspective view;

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch ein Werkzeugsystem zur magnetischen Blechumformung, das die Spulengeometrie aus Fig. 1 enthält, Fig. 2 is a vertical section through a tool system for magnetic sheet metal forming, which contains the coil geometry of Fig. 1,

Fig. 3 in perspektivischer Ansicht zwei spiegelsymmetrische Spiralspulen, die zusammen eine teilbare Arbeitsspule für die Kompression eines Rohrabschnitts bilden, gemäß Patentanspruch 3 und Fig. 3 in perspective view two mirror-symmetrical spiral coils, which together form a divisible work coil for the compression of a pipe section, according to claim 3 and

Fig. 4 eine Draufsicht der in Fig. 3 dargestellten teilbaren Arbeitsspule. Fig. 4 is a plan view of the divisible work coil shown in Fig. 3.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 ist in Fig. 1 eine Spulengeometrie mit kontinuierlich zu- und abnehmender Dicke der Windungen 1 gezeigt und in Fig. 2 ein Werkzeugsystem, wie es sich zur Herstellung eines rotationssymmetrischen Hohlkörpers aus einem Blech 6 mit Hilfe der Matrize 7 währt hat. Die Spule ist mittels Drahterosion aus einer CuCrZr-Platte hergestellt. Auf diese Weise ist ein aufgewickeltes Band entstanden mit unterschiedlicher Dicke, so dass die Windungsdichte innen und außen groß ist und im Bereich des mittleren Radius klein. Zwischen dem Blech 6 und der Stirnfläche der Spiralspule, d. h. im Isolationsspalt 3, stellt sich ein Druckprofil entsprechend dem radialen Verlauf der Windungsdichte ein. Der durch Drahterosion erzeugte Spalt 2 ist mit druckfestem Isolierstoff gefüllt. Der Stromimpuls wird über die Doppelbandleiter 5 und die Stifte 4a, 4b zur Spule geführt. Die Hartgewebeblock 8 erleichtert das Aufbringen von Zuhaltekräften. For further explanation of the invention according to claim 1 1, a coil geometry is shown in FIG. Feed continuously and showed a decreasing thickness of the windings 1 and Fig. 2, a tool system as it is for manufacturing a rotationally symmetrical hollow body from a metal sheet 6 with the aid of the die 7 has lasted. The coil is made from a CuCrZr plate by means of wire erosion. In this way, a coiled tape with different thicknesses is created, so that the winding density is large inside and outside and small in the area of the middle radius. Between the sheet 6 and the end face of the spiral coil, ie in the insulation gap 3 , a pressure profile is established in accordance with the radial course of the winding density. The gap 2 created by wire erosion is filled with pressure-resistant insulating material. The current pulse is led to the coil via the double ribbon conductor 5 and the pins 4 a, 4 b. The hard tissue block 8 facilitates the application of locking forces.

Fig. 3 und Fig. 4 dienen der Erläuterung des Patentanspruchs 3: Die Stirnflächen der beiden spiegelsymmetrischen Spiralspulen 9 und 10 sind so geformt, daß das Hohlprofil (Rohr) 11 an zwei Stellen 12 und 13 umschlossen wird. Dabei wird in der Hochfeldzone 12 das Rohr umgeformt, während an der Stelle 13 die Fließgrenze des Rohrwerkstoffs nicht erreicht wird. Entsprechend ist die Windungsdichte an der Stelle 12 hoch und an der Stelle 13 um den Faktor 7,5 niedriger (Fig. 4). Beide Spulen 9 und 10 sind in Serie geschaltet, indem der Anschluß 14 mit dem Anschluß 15 verbunden ist, wobei dies über einen flexiblen Bandleiter geschieht, der nicht abgebildet ist. Der Stromimpuls wird über die Anschlüsse 16 und 17 eingeleitet, was auch mittels flexibler Bandleiter geschieht. Fig. 3 and Fig. 4 serve to explain the claim 3: The end faces of the two mirror-symmetrical spiral coils 9 and 10 are shaped so that the hollow profile (tube) 11 is enclosed at two points 12 and 13 . The tube is formed in the high field zone 12 , while the yield point of the tube material is not reached at point 13 . Accordingly, the winding density is high at point 12 and lower by a factor of 7.5 at point 13 ( FIG. 4). Both coils 9 and 10 are connected in series by connecting the terminal 14 to the terminal 15 , this being done via a flexible strip conductor, which is not shown. The current pulse is introduced via connections 16 and 17 , which is also done using flexible strip conductors.

Claims

1. Spiral coil for the magnetic shaping of sheets of high electrical conductivity, the end face of the coil spring-like wound coil is pressed against the sheet to be formed and a strong current pulse is passed through the coil, so that a strong magnetic pressure surge is generated between the coil and the sheet , which effects the desired forming of the sheet, characterized in that the thickness of the wound band of the clock-spring-like coil is not constant, but increases and decreases continuously, so that a desired location-dependent distribution of the magnetic pressure over the surface of the sheet is achieved.

2. Spiral coil according to claim 1, characterized in that the height of the spiral coil is not constant, but varies in such a way that a three-dimensional front surface arises, the the surface of a non-flat sheet-shaped workpiece is adapted.

3. Device for processing hollow profiles by means of magnetic forming, in particular for joining pipes to a core, characterized in that the Hollow profile is enclosed by two spiral coils pressed against each other according to claim 2.