DE10337769B3 - Vorrichtung und Verfahren zur elektromagnetischen Hochenergieimpulsumformung von Werkstücken, insbesondere Blechen, aus elektrisch leitfähigem Material - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur elektromagnetischen Hochenergieimpulsumformung von Werkstücken, insbesondere Blechen, aus elektrisch leitfähigem Material Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur elektromagnetischen Hochenergieimpulsumformung von Werkstücken, insbesondere Blechen, aus elektrisch leitfähigem Material, mit einem Umformwerkzeug (2), das aus einem Spulenträger (3) und mindestens zwei Teilspulen (4) besteht, die an dem Spulenträger angeordnet und an mindestens einen Stoßstromgenerator (5) derart angeschlossen sind, dass sich die Magnetfelder der einzelnen Teilspulen (4) zu einem resultierenden, auf das Werkstück wirkenden Magnetfeld überlagern. Die Teilspulen (4) sind Spiralspulen, die bezüglich Induktivität, elektrischem Widerstand, Windungszahl und Formgebung identisch ausgebildet sind, wobei jede Teilspule (4) an dem Spulenträger (3) von einem inneren Startpunkt (7) in identischer Form ausgeht und in einem jeweils gleichen Abstand zu benachbarten Teilspulen (4) spiralförmig nach außen geführt ist. Jede Teilspule (4) weist vorzugsweise mindestens zwei volle Windungen über jeweils 360 DEG auf. Hierdurch ist es in besonders einfacher Weise möglich, mit kleinen Kondensatorspannungen von z. B. 3000 V bzw. 3 kV hohe Impulsströme fließen zu lassen und somit mit einem geringen elektrischen Aufwand hohe Impulsfelder zu erzeugen. Kondensatorspannungen von z. B. 3 kV liegen noch im Niederspannungsbereich und sind daher mit handelsüblichen Stoßstromgeneratoren und handelsüblichen Schaltgeräten, wie z. B. handelsüblichen Kondensatoren, Dioden, Thyristoren und Halbleiter-Bauelementen sowie üblichen Isolationswerkstoffen ...

Description

  • Die. Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Hochenergieimpulsumformung von Werkstücken, insbesondere Blechen, aus elektrisch leitfähigem Material nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur elektromagnetischen Hochenergieimpulsumformung von Werkstücken mit einer derartigen Vorrichtung gemäß Patentanspruch 16.
  • Aus DD 146 403 ist eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Hochenergieimpulsumformung bekannt, die aus einer Magnetumformspule als Umformwerkzeug und „n" Stoßstromgeneratoren besteht. Damit soll eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Hochenergieimpulsumformung geschaffen werden, deren Anwendungsbereich gegenüber den vorbekannten Vorrichtungen ohne schaltungs- und anlagentechnischen Mehraufwand erweitert ist. Die Vorrichtung soll so ausgebildet sein, dass bei ihr mit einfachen Mitteln große Speicherenergien ohne Verringerung der Frequenz des Entladestromes erzielt werden können.
  • Dies wird bei der bekannten Vorrichtung dadurch erreicht, dass das Umformwerkzeug der Vorrichtung aus mehreren Teilspulen besteht, wobei jede Teilspule nur wenige Windungen, im Extremfall nur eine Windung, aufweist und potentialgetrennt von den anderen Teilspulen an jeweils einen zusammen mit den anderen Stoßstromgeneratoren gleichzeitig zündbaren Stoßstromgenerator angeschlossen ist. Die einzelnen Teilspulen sind mechanisch so zusammengesetzt, dass sich die Magnetfelder der einzelnen Teilspulen zu einem resultierenden auf das Werkstück wirkenden Magnetfeld überlagern. Dies soll den Vorteil haben, dass die durch die unterschiedlichen Streuzeiten der Schaltmittel auftretenden Verzögerungen der Teilströme der einzelnen Stoßstromgeneratoren durch die genügend große stromverzögernde Wirkung der Induktivitäten der Teilspulen von untergeordneter Bedeutung sind. Die Entladefrequenzen der einzelnen Stoßstromkreise sollen sich durch die Wahl der Leitungslänge zwischen dem Stoßstromgenerator und der jeweiligen Teilspule des Umformwerkzeuges leicht in Übereinstimmung bringen lassen. Durch die Verwendung eines aus mehreren Teilspulen geringer Windungszahl zusammengesetzten Umformwerkzeuges und mehrerer Stoßstromgeneratoren soll es möglich sein, sehr hohe Entladefrequenzen und sehr hohe auf das umzuformende Werkstück wirkende magnetische Feldstärken zu realisieren.
  • Die bekannte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Umformwerkzeug und vier Stoßstromgeneratoren, wobei als Umformwerkzeug eine Kompressionsspule vorgesehen sein kann, die aus vier gegeneinander elektrisch isolierten einwindigen Teilspulen zusammengesetzt ist. Jede der vier Teilspulen des Umformwerkzeuges ist jeweils an einen der Stoßstromgeneratoren angeschlossen, so dass vier separate Stoßstromkreise bestehen.
  • An Stelle der Kompressionsspule kann auch eine Flachspule aus vier einwindigen Teilspulen verwendet werden. Ebenso ist es denkbar, eine Expansionsspule oder eine beliebige andere Spulenform mit aufgeteilten Windungen zu verwenden.
  • Bei der bekannten Ausführungsform als Flachspule sind die in DD 146 403 dargestellten Teilspulen mit unterschiedlichen Durchmessern im wesentlichen derart konzentrisch zueinander angeordnet, dass die weiter innen angeordnete Spule einen anderen Durchmesser als die jeweils benachbarte nächst äußere Spule hat. Dies hat zur Folge, dass alle Teilspulen unterschiedliche Widerstände und Induktivitäten aufweisen, die nur durch zusätzliche Maßnahmen, wie Windungszahl oder unterschiedlich lange Anschlusskabel ausgeglichen werden können. Hierdurch wird die Ausbildung, und die Energieversorgung solcher Flachspulen jedoch äußerst kompliziert und erfordert einen erhöhten Schaltungsaufwand, wenn eine gleichmäßige Verformung der zu bearbeitenden Werkstücke erzielt werden soll.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art in einer sowohl mechanisch äußerst stabilen als auch schaltungstechnisch besonders einfachen Weise dahingehend weiterzuentwickeln, dass ein möglichst homogenes symmetrisches radiales elektromagnetisches Feld mit einem möglichst geringen Schaltungsaufwand erzeugt werden kann. Weiterhin soll ein vorteilhaftes Verfahren unter Verwendung dieser Vorrichtung angegeben werden.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der gattungsgemäßen Art gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst:
    • a) die Teilspulen sind Spiralspulen, die bezüglich Induktivität, elektrischem Widerstand, Windungszahl und Formgebung identisch ausgebildet sind, und
    • b) jede Teilspule geht an dem Spulenträger von einem inneren Startpunkt in identischer Form aus und ist in einem jeweils gleichen Abstand zu benachbarten Teilspulen spiralförmig nach außen geführt.
  • Besonders vorteilhafte Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 15 gekennzeichnet. An diese schließen sich Verfahrensansprüche 16 bis 23 für den Einsatz einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 an.
  • Dadurch, dass gemäß der Erfindung die Teilspulen an dem Spulenträger bezüglich Induktivität, elektrischem Widerstand, Windungszahl und Formgebung identisch ausgebildet sind und jede Teilspule von einem inneren Startpunkt in identischer Form ausgeht und in einem jeweils gleichen Abstand zu benachbarten Teilspulen spiralförmig nach außen geführt ist, entstehen miteinander verknüpfte spiralförmige Teilspulen mit kleinerer Induktivität und einem wesentlich geringeren elektrischen Widerstand als bei herkömmlichen Flachspulen, so dass es in besonders einfacher Weise möglich ist, mit kleinen Kondensatorspannungen von z.B. 3000 V bzw. 3 kV hohe Impulsströme fließen zu lassen und somit mit einem geringen elektrischen Aufwand hohe Impulsfelder zu erzeugen. Kondensatorspannungen von z.B. 3 kV liegen noch im Niederspannungsbereich und sind daher mit handelsüblichen Stoßstromgeneratoren und handelsüblichen Schaltgeräten, wie z.B. handelsüblichen Kondensatoren, Dioden, Thyristoren und Halbleiter-Bauelementen sowie üblichen Isolationswerkstoffen ohne weiteres beherrschbar. Dadurch ist auch eine bessere Personensicherheit gewährleistet als bei den sonst erforderlichen Hochspannungen von z.B. 20 bis 30 kV und mehr.
  • Die aus identisch ausgebildeten spiralförmigen Teilspulen zusammengesetzte Flachspule kann beispielsweise eine Aufteilungstechnik von 3 × 6 kV, insgesamt also 18 kV haben und mit einem elektromagnetischen Generator für schnelle Strom- und Magnetfeld-Impulse nach DE 44 23 992 C2 betrieben werden.
  • Außer der gezeigten spiralförmigen Anordnung der einzelnen Teilspulen können diese auch in einer vier-, sechs- oder mehrteiligen Spulenkonfiguration je nach Anzahl und Anordnung der inneren Startpunkte an dem Spulenträger ausgebildet werden.
  • Zur Erzeugung eines gleichmäßigen Magnetfeldes sollten die Teilspulen je nach verwendetem Spulenmaterial und Spulenform möglichst dicht aneinanderliegend ausgeführt werden. Dies lässt sich insbesondere durch verwirklichen, wenn jede Teilspule vorzugsweise mindestens zwei volle Windungen über jeweils 360° aufweist. Die Teilspulen können an dem Spulenträger entweder elektrisch voneinander getrennt oder im Zentrum des Spulenträgers elektrisch miteinander verbunden sein.
  • Zur Erzeugung eines möglichst gleichmäßigen Magnetfeldes ist es auch vorteilhaft, dass die innenliegenden und/oder die außenliegenden Anschlüsse von „n" Teilspulen an dem Spulenträger über eine entsprechende Anzahl von „n" gleich großen Sektoren in jeweils gleichen Winkelabständen versetzt angeordnet sind. Die Teilspulen sollen mit ihren Windungen in jeweils gleichen Abständen an dem Spulenträger dicht nebeneinander angeordnet sein. Die Teilspulen können aber auch mit einem unterschiedlichen oder sich ändernden, z.B. radial wachsenden oder abnehmenden Abstand der Windungen ausgeführt sein.
  • Eine besonders präzise Ausbildung der Teilspulen kann auch dadurch erreicht werden, dass die inneren Startpunkte der einzelnen Teilspulen und die außenliegenden Anschlusspunkte auf vom Zentrum des Spulenträgers in jeweils gleichen Abständen strahlenförmig ausgehenden Verbindungslinien liegen. Alle Teilspulen können je nach Bedarf und Einsatzzweck entweder an einen gemeinsamen Stoßstromgenerator angeschlossen oder mit jeweils einzelnen Stromversorgungen verbunden sein, die in der Spannung und im Zeitpunkt der Zündung einzeln programmierbar sind.
  • In einer Ausführungsform können die Teilspulen in an sich bekannter Weise aus Leitern mit rundem Querschnitt gewickelt sein. Die Teilspulen können an dem Spulenträger aber auch als Flachspulen mit einem rechteckigen Leiterquerschnitt ausgebildet sein. Dies ist fertigungstechnisch insofern besonders vorteilhaft, da die Teilspulen dann aus einem einzigen Blechzuschnitt herausgeschnitten und als fertige Montageeinheit an dem Spulenträger befestigt werden können.
  • Je nach Einsatzzweck kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Teilspulen an dem Spulenträger mit einem konischen oder trichterförmigen Profil ausgeführt sind. Für eine möglichst einwandfreie Verformung der mit der Vorrichtung verarbeiteten Blechzuschnitte ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Matrize in der der Spulenanordnung gegenüberliegenden Matrizenaufnahme des Formwerkzeuges von Entlüftungskammern umgeben ist, in die die beim Formvorgang zwischen Werkstück oder Blech und Matrizenhohlraum eingeschlossene Luft entweichen kann. Die erzeugten Werkstücke können auch ohne die sonst übliche Nachbearbeitung in einem einzigen Fertigungsschritt dadurch fertiggestellt werden, dass die Matrize an ihrem Außenumfang und an Stellen, an denen lochförmige Ausstanzungen oder Öffnungen an dem Werkstück oder Blech erzeugt werden sollen, als Trennwerkzeug scharfkantig ausgebildet und/oder mit eingelegten Schneid- und/oder Umformkanten bzw. -sicken oder -stegen versehen ist.
  • Weitere besonders vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den auf ein Verfahren zur elektromagnetischen Hochenergieumformung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichteten Ansprüchen 16 bis 23.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigen
  • 1 eine Spulenkonfiguration aus insgesamt sechs identischen spiralförmigen Teilspulen, deren Verlauf in Form von Mittellinien der Leiter prinzipiell dargestellt und die im Spulenmittelpunkt elektrisch miteinander verbunden sowie an außenliegenden Anschlusspunkten mit einer entsprechenden Anzahl von Stromversorgungen in Form von Stoßstromgeneratoren verbunden sind,
  • 2 eine weitere derartige Spulenkonfiguration aus sechs spiralförmigen Teilspulen, bei denen die Leiter selbst dargestellt und durch eine dünne Isolationsschicht voneinander getrennt sind, und zwar zur besseren Übersichtlichkeit mit einer geringeren Anzahl von flachen Windungen, wobei die einzelnen Teilspulen aber ebenso wie die Teilspulen von 1 an mehrere Stoßstromgeneratoren angeschlossen sind,
  • 3 eine gegenüber 1 und 2 abgewandelte Spulenkonfiguration, bei der die einzelnen Teilspulen elektrisch voneinander getrennt sind und jede Teilspule von einem inneren Startpunkt in jeweils gleichem radialen Abstand vom Zentrum des Spulenträgers ausgeht,
  • 4 einen schematischen senkrechten Schnitt durch ein Formwerkzeug zum Formen von Werkstücken oder Blechen mit einer Spulenkonfiguration von 1 und 2 oder 3 im geschlossenen Zustand des Formwerkzeuges vor der Formgebung und
  • 5 einen Schnitt durch das Formwerkzeug von 4 nach erfolgter Formgebung des Werkstückes oder Bleches.
  • In 1 bis 5 sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen von Vorrichtungen 1 zur elektromagnetischen Hochenergieimpulsumformung von Werkstücken, insbesondere Blechen, aus elektrisch leitfähigem Material gezeigt mit einem Umformwerkzeug 2 gemäß 4 und 5, das aus einem Spulenträger 3 und mindestens zwei Teilspulen 4 gemäß 1 und 2 oder 3 besteht, die an dem Spulenträger 3 angeordnet und an mindestens einen Stoßstromgenerator 5 derart angeschlossen sind, dass sich die Magnetfelder der einzelnen Teilspulen 4 zu einem resultierenden, auf ein Werkstück 6 wirkenden Magnetfeld überlagern.
  • Alle Teilspulen 4 an dem Spulenträger 3 sind Spiralspulen, die bezüglich Induktivität, elektrischem Widerstand, Windungszahl und Formgebung völlig identisch ausgebildet und durch eine dünne Isolationsschicht 4a, die in 2 und 3 jeweils durch eine Schraffur zwischen zwei Teilspulen 4 angedeutet ist, voneinander getrennt sind.
  • Jede Teilspule 4 ist von einem im Zentrum des Spulenträgers 3 oder in einem jeweils gleichen radialen Abstand von diesem angeordneten inneren Startpunkt 7 in identischer Form und in einem jeweils gleichen Abstand zu der oder den benachbarten Teilspulen 4 spiralförmig nach außen geführt. Außerdem weist jede Teilspule 4 in der bevorzugten Ausführungsform mindestens zwei volle Windungen über jeweils 360° auf, wie dies in 1 dargestellt ist. In 2 und 3 sind die Teilspulen 4 nur zur besseren Übersichtlichkeit mit weniger Windungen ausgeführt, was jedoch nicht der Praxis entspricht.
  • Wie in 1 und 2 weiterhin gezeigt ist, können die Teilspulen 4 im Zentrum des Spulenträgers 3 elektrisch miteinander verbunden sein. Dies bewirkt eine gegenüber mechanischen Beanspruchungen besonders stabile Spulenkonfiguration, insbesondere wenn auch die Teilspulen 4 aus einem mechanisch besonders festen, elektrisch gut leitfähigem Material, wie z.B. Kupfer bzw. aus einer besonders festen Legierung aus Kupfer, Chrom und Zirkon oder dergleichen bestehen.
  • Die Teilspulen 4 können bei Bedarf an dem Spulenträger 3 aber auch jeweils elektrisch voneinander getrennt sein, wie dies in 3 gezeigt ist. Die Leiter oder Windungen der einzelnen spiralförmigen identischen Teilspulen 4 gehen dabei ebenfalls jeweils von einem inneren Startpunkt 7 aus, wobei die einzelnen Startpunkte jedoch in einem geringen jeweils gleichen radialen Abstand rings um das Zentrum des in 1 bis 3 nicht dargestellten Spulenträgers 3 angeordnet sind.
  • Wie in 1 bis 3 weiterhin zu erkennen ist, sind bei beiden Ausführungsformen die innenliegenden und/oder die außenliegenden Anschlüsse 8 von „n" Teilspulen 4 an dem Spulenträger 3 zweckmäßigerweise über eine entsprechende Anzahl von „n" gleich großen Sektoren in gleichen Winkelabständen von jeweils 60° versetzt angeordnet. Dies schafft die Voraussetzungen für eine einwandfreie Zuordnung der einzelnen Teilspulen 4 zu den jeweiligen Stromversorgungen 5.
  • Die Teilspulen 4 sind bei beiden Ausführungsformen mit ihren Windungen in jeweils gleichen Abständen an dem Spulenträger 3 dicht an dicht nebeneinander angeordnet. Sie können aber auch mit einem unterschiedlichen oder einem sich ändernden, z.B. radial wachsenden oder abnehmenden Abstand der Windungen ausgeführt sein.
  • Zweckmäßig liegen die inneren Startpunkte 7 der einzelnen Teilspulen 4 und die außenliegenden Anschlusspunkte 8 auf vom Zentrum des Spufenträgers 3 in jeweils gleichen Abständen strahlenförmig ausgehenden gedachten Verbindungslinien.
  • Alle Teilspulen 4 können aber auch an einen gemeinsamen Stoßstromgenerator 5 angeschlossen sein, ohne dass dafür besondere Maßnahmen für die Bemessung der Anschlussleitungen getroffen werden müssen. Eine Anpassung an besondere Formgebungen kann auch dadurch erfolgen, dass die Teilspulen mit verschiedenen Stromversorgungen 5 verbunden sind, die in der Spannung und im Zeitpunkt der Zündung einzeln programmierbar sind und dadurch eine gleichmäßige Beaufschlagung der einzelnen Teilspulen in einfacher Weise ermöglichen.
  • Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen von 2 und 3 sind die Teilspulen 4 an dem Spulenträger 3 als Flachspulen ausgebildet. Die Teilspulen 4 können aber auch mit konischem Profil ausgeführt sein, und die Leiter der einzelnen Teilspulen 4 können einen runden oder rechteckigen Querschnitt haben. Im letzteren Falle ist es besonders gut möglich, die Teilspulen 4 aus einem einzigen Blechzuschnitt herauszuschneiden und an einem Spulenträger 3 mittels eines geeigneten Isolierwerkstoffs zu vergießen.
  • Wie in den Schnittdarstellungen von 4 und 5 gezeigt ist, ist eine Matrize 10 in der Matrizenaufnahme 11 eines Formwerkzeuges 9 von Entlüftungskammern 12 mit Unterdruckanschluss 13 umgeben, in die die beim Formvorgang zwischen Werkstück 6 oder Blech und Matrizenhohlraum 14 eingeschlossene Luft entweichen kann. Außerdem ist die Matrize 10 an ihrem Außenumfang 15 und an weiteren Stellen 16, an denen lochförmige Ausstanzungen oder Öffnungen an dem Werkstück 6 oder Blech erzeugt werden sollen, als Trennwerkzeug scharfkantig ausgebildet. Hierfür können auch geeignete Schneid- und/oder Umformkanten bzw. -sicken oder -stege in die Matrize 10 eingelegt werden.
  • Dadurch ist es möglich, dass Teile des Werkstückes 6 oder Bleches beim Auftreffen auf die Matrize 10 gemäß 5 und/oder beim Hineinformen in den Formhohlraum 14 der Matrize durch die scharfkantigen Randbereiche sowohl am Außenumfang 15 als auch im innenliegenden Bereich des Formhohlraumes 14 abgetrennt werden, so dass nach dem Formvorgang das gewünschte Fertigerzeugnis aus dem Umformwerkzeug ausgeworfen werden kann.
  • Bei dem Verfahren zur elektromagnetischen Hochenergieimpulsumformung von Werkstücken 6, insbesondere Blechen, aus leitfähigem Material, mit einem Umformwerkzeug 2 gemäß der vorstehenden Beschreibung werden alle Teilspulen 4 von dem oder den Stoßstromgeneratoren 5 gleichzeitig bzw. synchron derart beaufschlagt, dass sich die Strommaxima aller Teilspulen 4 gleichzeitig einstellen.
  • Dies kann dadurch erreicht werden, dass alle Teilspulen 4 von einem gemeinsamen Stoßstromgenerator 5 beaufschlagt werden. Die Teilspulen 4 können aber auch von jeweils einzelnen Stromversorgungen 5 beaufschlagt werden, die in der Spannung und im Zeitpunkt der Zündung entsprechend einzeln programmierbar sind.
  • So kann beim Verformen des Werkstückes 6 oder Bleches durch eine entsprechende elektronische Steuerung der Stoßstromgeneratoren 5 mit zunehmender Energieabgabe zunächst ein geringer, dann hoher Andruck erzeugt werden, so dass zuerst die bei der Formgebung zwischen Werkstück 6 oder Blech und Matrizenhohlraum 14 eingeschlossene Luft entweichen kann und das Werkstück 6 oder Blech anschließend die Gestalt der Matrize 10 annimmt.
  • Die Steuerung kann zum Beispiel so erfolgen, dass die beim schnellen Verformen zwischen Werkstück 6 oder Blech und Matrizenhohlraum 14 eingeschlossene Luft durch gesteuerte, radial nach außen gerichtete Krafteinwirkung des Magnetfeldes zum äußeren Rand der Matrize 10 abgeführt wird. Im Hohlraum 14 der Matrize 10 kann außerdem bei der Formung des Werkstückes 6 oder Bleches ein Unterdruck erzeugt werden, um den Aufbau eines unerwünschten Gegendruckes im Formhohlraum 14 auszuschalten.
  • Schließlich lassen sich besonders vorteilhafte Fertigungsergebnisse erzielen, wenn das Werkstück 6 oder Blech an seinem Außenumfang 15 zwischen dem Spulenträger 3 und der Matrizenaufnahme 11 oder einem Niederhalter in der Funktionsebene der Arbeits- oder Flachspule in einem axialen Abstand 17 von der Matrize 10 derart eingespannt wird, dass es beim Formvorgang durch die Wirkung des Magnetfeldes zuerst gegen den Außenumfang der Matrize 10 geschleudert und erst anschließend in den Formhohlraum 14 der Matrize hineingeformt wird.
  • Außerdem kann die Matrize 10 auch so ausgebildet sein, dass Teile des Werkstückes 6 oder Bleches beim Auftreffen auf die Matrize 10 und/oder beim Hineinformen in den Formhohlraum 14 der Matrize durch scharfkantige Randbereiche am Außenumfang 15 bzw. im innenliegenden Bereich des Formhohlraumes 14 derart abgetrennt werden, dass nach dem Formvorgang das gewünschte Fertigerzeugnis 18 aus dem Umformwerkzeug 2 ausgeworfen werden kann.
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Umformwerkzeug
    3
    Spulenträger
    4
    Teilspulen
    4a
    Isolationsschicht
    5
    Stoßstromgeneratoren, Stromversorgungen
    6
    Werkstück
    7
    innerer Startpunkt
    8
    außenliegende Anschlüsse
    9
    Formwerkzeug
    10
    Matrize
    11
    Matrizenaufnahme
    12
    Entlüftungskammern
    13
    Unterdruckanschluss
    14
    Matrizenhohlraum, Formhohlraum
    15
    Außenumfang
    16
    weitere Stellen
    17
    axialer Abstand
    18
    Fertigerzeugnis

Claims (23)

  1. Vorrichtung zur elektromagnetischen Hochenergieimpulsumformung von Werkstücken, insbesondere Blechen, aus elektrisch leitfähigem Material, mit einem Umformwerkzeug, das aus einem Spulenträger (3) und mindestens zwei Teilspulen (4) besteht, die an dem Spulenträger angeordnet und an mindestens einen Stoßstromgenerator (5) derart angeschlossen sind, dass sich die Magnetfelder der einzelnen Teilspulen (4) zu einem resultierenden, auf das Werkstück wirkenden Magnetfeld überlagern, gekennzeiehnet durch folgende Merkmale: a) die Teilspulen (4) sind Spiralspulen, die bezüglich Induktivität, elektrischem Widerstand, Windungszahl und Formgebung identisch ausgebildet sind, und b) jede Teilspule (4) geht an dem Spulenträger (3) von einem inneren Startpunkt (7) in identischer Form aus und ist in einem jeweils gleichen Abstand zu benachbarten Teilspulen (4) spiralförmig nach außen geführt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Teilspule (4) mindestens zwei volle Windungen über jeweils 360° aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen (4) an dem Spulenträger (3) elektrisch voneinander getrennt sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen (4) im Zentrum des Spulenträgers (3) elektrisch miteinander verbunden sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 4, dadurch gekennzeiehnet, dass die innenliegenden und/oder die außenliegenden Anschlüsse (8) von „n" Teilspulen an dem Spulenträger (3) über eine entsprechende Anzahl von „n" gleich großen Sektoren in jeweils gleichen Winkelabständen versetzt angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen (4) mit ihren Windungen in jeweils gleichen Abständen an dem Spulenträger (3) dicht nebeneinander angeordnet sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen (4) mit einem unterschiedlichen oder sich ändernden, radial wachsenden oder abnehmenden Abstand der Windungen ausgeführt sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Startpunkte (7) der einzelnen Teilspulen (4) und die außenliegenden Anschlusspunkte (8) auf vom Zentrum des Spulenträgers (3) in jeweils gleichen Abständen strahlenförmig ausgehenden gedachten Verbindungslinien liegen.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teilspulen (4) an einen gemeinsamen Stoßstromgenerator (5) angeschlossen sind.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen (4) mit jeweils einzelnen Stromversorgungen (5) verbunden sind, die in der Spannung und im Zeitpunkt der Zündung einzeln programmierbar sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen (4) an dem Spulenträger (3) als Flachspulen mit einem rechteckigen Leiterquerschnitt ausgebildet sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen (4) aus einem einzigen Blechzuschnitt herausgeschnitten sind.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen (4) an dem Spulenträger (3) mit einem konischen oder trichterförmigen Profil ausgeführt sind.
  14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 mit einem Umformwerkzeug mit einer Matrize, die in einer Matrizenaufnahme an dem Umformwerkzeug angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (10) in der der Spulenanordnung gegenüberliegenden Matrizenaufnahme (11) von Entlüftungskammern (12) umgeben ist, in die die beim Formvorgang zwischen Werkstück (6) oder Blech und Matrizenhohlraum (14) eingeschlossene Luft entweichen kann.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 14 mit einem Umformwerkzeug mit einer Matrize, die in einer Matrizenaufnahme an dem Umformwerkzeug angeordnet ist, dadurch gekennuzeichnet, dass die Matrize (10) an ihrem Außenumfang (15) und an weiteren Stellen (16), an denen lochförmige Ausstanzungen oder Öffnungen an dem Werkstück (6) oder Blech erzeugt werden sollen, als Trennwerkzeug scharfkantig ausgebildet und/oder mit eingelegten Schneid- und/oder Umformkanten bzw. -sicken oder -stegen versehen ist.
  16. Verfahren zur elektromagnetischen Hochenergieimpulsumformung von Werkstücken, insbesondere Blechen, aus elektrisch leitfähigem Material, mit einem Umformwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 mit mindestens zwei Teilspulen, die an einem Spulenträger als Flachspule gegenüber einer Matrize mit einem Formhohlraum angeordnet und an mindestens einen Stoßstromgenerator derart angeschlossen sind, dass sich die Magnetfelder der einzelnen Teilspulen zu einem resultierenden, auf das Werkstück wirkenden Magnetfeld überlagern, wobei das Werkstück an seinem Umfang zwischen dem Spulenträger und einer Matrizenaufnahme oder einem Niederhalter eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teilspulen (4) synchron derart beaufschlagt werden, dass sich die Strommaxima aller Teilspulen gleichzeitig einstellen.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teilspulen (4) von einem gemeinsamen Stoßstromgenerator beaufschlagt werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen (4) von jeweils einzelnen Stromversorgungen beaufschlagt werden, die in der Spannung und im Zeitpunkt der Zündung einzeln programmierbar sind.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verformen des Werkstückes oder Bleches durch eine elektronische Steuerung der Stoßstromgeneratoren mit zunehmender Energieabgabe zunächst ein geringer, dann hoher Andruck erzeugt wird, so dass zuerst die bei der Formgebung zwischen Werkstück oder Blech und Ma trizenhohlraum eingeschlossene Luft entweichen kann und das Werkstück oder Blech anschließend die Gestalt der Matrize annimmt.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die beim schnellen Verformen zwischen Werkstück oder Blech und Matrizenhohlraum eingeschlossene Luft durch gesteuerte radiale nach außen gerichtete Krafteinwirkung des Magnetfeldes zum äußeren Rand der Matrize abgeführt wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum der Matrize vor der Formung des Werkstückes oder Bleches ein Unterdruck erzeugt wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück oder Blech an seinem Außenumfang zwischen dem Spulenträger und der Matrizenaufnahme oder dem Niederhalter in der Funktionsebene der Arbeits- oder Flachspule in einem axialen Abstand von der Matrize derart eingespannt wird, dass es beim Formvorgang durch die Wirkung des Magnetfeldes zuerst gegen den Außenumfang der Matrize geschleudert und erst anschließend in den Formhohlraum der Matrize hineingeformt wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass Teile des Werkstückes oder Bleches beim Auftreffen auf die Matrize und/oder beim Hineinformen in den Formhohlraum der Matrize durch scharfkantige Randbereiche am Außenumfang bzw. im innenliegenden Bereich des Formhohlraumes derart abgetrennt werden, dass nach dem Formvorgang das gewünschte Fertigerzeugnis aus dem Umformwerkzeug ausgeworfen werden kann.
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