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Verfahren zur Verformung von in fester Form vorliegenden leitenden,
insbesondere metallischen Werkstücken Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanlosen
Verformung von elektrisch leitenden Werkstoffen.
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Die Erfindung geht aus von der bekannten physikalischen Tatsache,
daß durch das Zusammenwirken magnetischer Felder und elektrischer Ströme mechanische
Kräfte erzeugt werden.
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Erfindungsgemäß werden in dem festgehaltenen Werkstück durch zeitlich
veränderliche, mittels von Stromimpulsen durchflossener Leiter erzeugte magnetische
Felder Ströme an den zu verformenden Stellen induziert. Ströme, welche in Verbindung
mit an den gleichen Stellen herrschenden magnetischen Feldern zur Verforinung dienende
Kräfte ausüben.
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Ein metallisches Werkstück kann zu einer bestimmten Form dadurch verarbeitet
werden, daß ihm ein bestimmter Betrag an Energie zugeführt wird. Bisher hat man
die zur Verformung notwendige Energie kalten Werkstücken entweder durch eine kontinuierlich
ansteigende mechanische Kraft nütgeteilt oder durch Anwendung einer Reihe mechanischer
Impulse. Letzteres Verfahren entspricht dem beim Schmieden angewandten Prinzip.
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Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Es stellt dar Fig. 1 die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Einschnürung
von Rohren, Fig. 2 ein Rohr mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten
Einschnür-ungsstelle, Fig. 3 die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Vereinigung von teleskopartig ineinandergeschobenen Rohren, Fig. 4 einen Längsschnitt
durch die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander vereinigten teleskopartig
ineinandergeschobenen Rohre, Fig. 5 die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Erzeugung von mehreren Einschnürungen in einem Rohr, Fig. 6 ein nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren mit mehreren Einschnürungen versehenes Rohr, Fig.
7 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitendes spiralförmiges Verformungswerkzeug,
Fig. 8 ein Werkstück nach Bearbeitung durch das Werkzeug der Fig.
7,
Fig. 9 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitendes Werkzeug
zur Verformung von Rohren, Fig. 10 ein mit dem Werkzeug nach Fig.
9 verforintes Rohr.
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Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Werkzeuge
umfassen elektrische Leiter zur Erzeugung wechselnder magnetischer Felder sowie
Halterungsvorrichtungen, welche die Halterung des Metalls innerhalb dieser magnetischen
Felder für eine bestimmte Zeit ermöglichen, so daß genügend Energie zugeführt werden
kann, um das Metall in der gewünschten Weise zu verformen.
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Wenn ein stromführender Leiter quer durch ein Magnetfeld verläuft,
so wird der Leiter einer Kraftwirkung ausgesetzt, welche ihn zu verschieben sucht.
Die Größe der Kraftwirkung auf den Leiter ist proportional dem Produkt aus dem durch
den Leiter fließenden Strom und der senkrecht zur Stromrichtung stehenden Komponente
des Magnetfeldes. Die Kraftwirkung auf den Leiter über eine gewisse Strecke ist
äquivalent der Energiedichte, welche dem zu verformenden Werkstück pro Flächeneinheit
des Leiters mitgeteilt wird. Wenn der stromführende Leiter in einem Magnetfeld unbeweglich
gehalten wird, so tritt, sofern der auf den Leiter einwirkende Druck groß genug
ist, eine Verforrnung in dem Leiter ein.
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Wenn ein Leiter in ein wechselndes Magnetfeld gebracht wird, so wird
in diesem Leiter ein Strom induziert. Durch die Wechselwirkung dieses Stromes und
des magnetischen Feldes wird der Leiter einer Kraft unterworfen. Die geleistete
Arbeit oder, mit anderen Worten, die von dem Leiter aufgenommene Energie hängt von
der Stellung des Leiters in dem
Magnetfeld ab, ferner von der Stärke
des Magnetfeldes, von dem in dem Leiter induzierten Strom, von der Masse innerhalb
des Leiters und von der Anderungsfrequenz des magnetischen Feldes. Es
kann also ein hoher plötzlicher Druck an dem Leiter dadurch erzeugt werden,
-daß man durch einen Stromimpuls ein Magnetfeld aufbauen läßt.
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Den Leitern kann man beliebige, dem zu erzeugenden Magnetfeld angepaßte
Form geben. Ein bestimmtes Magnetfeld läßt sich bei Durchgang eines Stromimpulses
durch einen solchen Leiter nahezu sofort, d. h. innerhalb eines Zeitraumes
von der Größenordnung Mikrosekunden, aufbauen. In einem Magnetfeld bestimmter Form
angeordnetes Metall erleidet eine Verformung, wenn ihm die hierzu notwendige Energie
mitgeteilt wird. Die Art der Verformung hängt von der Form des Magnetfeldes und
von der Lage des metallischen Körpers in dem Magnetfeld ab. Die Dauer der Krafteinwirkung
auf den in dem Magnetfeld befindlichen metallischen Körper hängt von der Impulsdauer
ab und ist durch den zulässigen Temperaturanstieg des Metalls beschränkt. Gewöhnlich
wird ein Stromimpuls angelegt, dessen Impulsdauer in der Größenordnung Mikrosekunden
liegt. Bei sehr geringer Umgebungstemperatur kann die Dauer der angelegten Impulse
aber auch wesentlich größer sein und sogar bis in der Größenordnung einer Minute
liegen. Die Form des magnetischen Feldes hängt natürlich von der Form des Werkstücks
ab und von der Verformungsarbeit, welche an dem Werkstück ausgeführt werden soll.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Verformung, Schweißung, Prägung,
Gravierung und andere Arbeiten ausgeführt werden, und zwar mit Hilfe eines einzigen
Impulses oder mit mehreren Impulsen; im letzteren Fall _entspricht der Verformungsvorgang
etwa dem bekannten Schmiedevorgang. Wegen des plötzlichen Auftretens des Drucks
auf den in dem magnetischen Feld liegenden Metallkörper wird das Metall rasch beschleunigt.
Aus diesem Grunde ist eine rasche Bewegung des Metalls in dem Feld möglich, ohne
daß die Verformungsarbeit dadurch gestört wird. Es ist deshalb z. B. möglich, mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem rasch bewegten Metallstreifen durch
kurzdauemdes Aufpressen dieses Streifens auf einen Stempel eine Prägung zu erzeugen.
Es läßt sich ein sehr großer augenblicklicher Druck nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
ausüben. Die dabei auftretenden Spannungen überschreiten die elastische Verformungsgrenze
des Metalls um ein Vielfaches, so daß eine bleibende Verformung eintritt,
d. h. daß das Metall nach Beendigung des Impulses in den Fließzustand übergeführt
ist.
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Es folgen nun einige Beispiele für die Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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In Fig. 1 ist ein Werkzeug dargestellt, welches zur Einschnürung
von rohrförmigen Werkstücken verwendet werden kann In diesem Werkzeug wird
ein veränderliches Magnetfeld dadurch erzeugt, daß man einen Stromimpuls durch eine
Spule oder einen Solenoiden 11 fließen läßt. Die Stromimpulse können auf
beliebige Weise erzeugt werden. Zum Beispiel kann für die Erzeugung der Impulse
eine Impulsschaltung 12 verwendet werden. Diese umfaßt einen Kondensator
13 hoher Kapazität in Serie zu einem Schalter 14, etwa einem IgrLitron, Thyratron
oder einer Funkenstrecke. Der Kondensator 13 wird von einer Hochspannungsversorgung
15 aus gespeist, die mit dem Kondensator über einen Schalter 16 und
einen Begrenzerwiderstand 17 verbunden ist. Eine geeignete Versorgungsleitung,
etwa ein Koaxkabel 18, verbindet die Impulsschaltung 12 mit dem Solenoid
11.
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Ein rohrförmiges Werkstück 20 aus leitendem Material, etwa aus Kupfer
oder Aluminium, ist innerhalb des Solenoids 11 befestigt, und zwar mittels
zweier Klammern 21. Wenn ein Stromimpuls durch den Solenoiden 11 geschickt
wird, so wird ein sich änderndes Magnetfeld aufgebaut, welches eine elektromotorische
Kraft in dem Werkstück 20 erzeugt. Diese elektromotorische Kraft wiederum bewirkt
einen Stromfluß von hoher Stromstärke in Umfangsrichtung durch das Werkstück. Wenn
die dem Werkstück 20 durch die Wechselwirkung des induzierten Stromes und des Magnetfeldes
mitgeteilte Energie groß genug ist, so wird die Rohrwand des Werkstücks innerhalb
des Solenoids 11 nach innen gepreßt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Nach
Wunsch kann in das Innere des Rohres ein Widerlager, etwa eine Form, eingeführt
werden, um die Deformation des Werkstücks zu definieren oder zu begrenzen. Wegen
der hohen Beschleunigung, die bei dieser Art der Verformung auftritt, ist ein Widerlager,
wie es sonst bei Verformungsarbeiten notwendig ist, nicht erforderlich. Das Widerlager
braucht keine große Festigkeit zu haben. Die Widerlagerwirkung kann viehnehr allein
durch die Masse hervorgerufen werden.
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Die Größe der dem Werkstück mitgeteilten Energie kann durch Veränderung
der an den Kondensator gelegten Spannung variiert werden, außerdem durch die Größe
des Kondensators und schließlich durch die Zahl der an das Werkstück angelegten
Impulse.
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In einer Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Werkzeugs hatte
der Solonoid zehn Windungen aus isoliertem Kupferdraht mit einem Querschnitt von
1 cm2, einem Innendurchmesser von 6 cm, und die Länge des Solenoids
war 12 cm. Als StromünpulsqueRe wurde ein 30-[tF-Kondensator verwendet, der auf
10 Kilovolt aufgeladen wurde. Dieses Werkzeug wurde dazu verwendet, Kupferrohre
mit einem Außendurchmesser von 3,5em und einer Wandstärke von annähernd 1,5mm zu
verformen.
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In Fig. 3 ist ein Werkzeug dargestellt, welches zur Vereinigung
von teleskopartig ineinandergeschobenen Rohren verwendet werden kann. Dieses Werkzeug
bewirkt eine Einschnürung der sich überlappenden Teile der Rohre. Bei diesem Werkzeug
ist eine Stange aus leitendem Material zu einer Schleife 22 verformt. Durch diese
Schleife 22 wird ein Stromimpuls gejagt, der durch ein Koaxkabel 18a von einer Impulsschaltung
12a zugeführt wird, ähnlich wie in dem Werkzeug der Fig. 1.
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Die sich überlappenden Teile 23 werden in die Schleife 22 gesteckt
und durch ein Paar Klammern 24 gehalten. Wenn ein Stromimpuls durch die Schleife
22 läuft, so wird ein konzentriertes Magnetfeld aufgebaut, welches den Rohren
23 genügend Energie mitteilt, um eine Verformung, wie sie in Fig. 4 dargestellt
ist, zu bewirken.
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Das Werkzeug der Fig. 3 kann natürlich auch dazu verwendet
werden, ein Rohr auf eine Stange aufzuschrumpfen, etwa in Anlehnung an einen Schmiedevorgang,
wobei das Werkstück und die Schleife relativ zueinander bewegt werden, während gleichzeitig
Stromimpulse die Schleife durchlaufen.
Die Wirkung des Magnetfeldes
in den erfindungsgemäßen Werkzeugen ist insofern bisher unerreicht, als die Gesamtlänge
des Rohres annähernd konstant bleibt und die Wandstärken vergrößert werden, wenn
der Durchmesser durch die Einschnür-ung verringert wird. Dies wird erreicht, ohne
daß schwere, kräftige Halterungskonstruktionen verwendet werden müssen. Bei mechanischen
Schmiedewerkzeugen konnte ein ähnlicher Effekt nur unter Verwendung schwerer Formen
und Forinpressen erzielt werden. Eine progressive Bearbeitung eines Rohres auf einer
größeren Länge bringt bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Vergrößerung
der Wandstärke mit sich, ohne daß eine Längenänderung eintritt.
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Nach einer Ausführungsform war die Schleife von einer Kupferstange
rnit 0,6cm Durchmesser gebildet. Der Innendurchmesser der Schleife war
1,5 cm. Die Impulsschaltung wies einen 30-,LuF-Kondensator auf, der an einer
10-Kilovolt-Hochspannungsversorgung lag.
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Bei der Verwendung eines Werkzeuges, wie es in Fig. 5 dargestellt
ist, können gleichzeitig mehrere Einschnürungen an einem rohrförinigen Werkstück
erzeugt werden. Es sind bei diesem Werkzeug mehrere Schleifen 25, die in
ihrer Form der Schleife 22 entsprechen, längs eines rohrförmigen Werkstücks
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aus leitendem Material angeordnet. Die Schleifen 25
sind parallel
geschaltet und hängen an einem Koaxkabel 18b, welches nach einer Impulsschaltung
12b
führt. Die Impulsschaltung 12b ist entsprechend der Schaltung 12
aufgebaut.
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In Fig. 7 ist ein weiteres Werkzeug dargestellt, das auf dem
erfindungsgemäßen Verfahren beruht. Das Werkzeug dient zur Eintragung eines Musters
in die Oberfläche eines flachen Bleches aus leitendem Metall. Ein Leiter ist zu
einer flachen Spirale gewickelt. Die Spirale 27 ist über ein Koaxkabel
18 c an eine Impulssehaltung 12 c angeschlossen. In einer Ebene parallel
zur Ebene der Spirale 27 liegt eine Matrize 28. Ein Stativ
29, 30 mit einer Plattform 31 dient dazu, die Matrize 28 und
die Spirale 27 in Abstand voneinander zu halten. Ein Werkstück
31, nämlich ein dünnes flaches Blech aus leitendem Material, z. B. Kupfer
oder Aluminium, befindet sich zwischen der Form 28 und der Spirale
27. Wenn ein Impuls durch die Spirale 27 geschickt wird, so wird ein
sich änderndes magnetisches Feld aufgebaut. Dieses magnetische Feld erzeugt eine
elektromotorische Kraft in dem Blech 32 und in der Folge lokale Ströme in
diesem. Es entsteht daher eine Kraft, welche das Werkstück 32 gegen die Matrize
28 preßt. Das Blech nimmt dann die Oberflächenforrn der Matrize an. Die Bearbeitung
kann im Vakuum erfolgen, dadurch wird die Wirksamkeit der Metallbearbeitung noch
erhöht.
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Das in Fig. 7 dargestellte Werkzeug kann zur Erzeugung von
Rippen, wie sie in Fig. 8 dargestellt sind, bei Metallblechen verwendet werden.
Man kann auf diese Weise sowohl zu Zierzwecken als auch zu Verstärkungszwecken Rippenmuster
in ein Metallblech prägen. Man kann aber auch eine metallische Schicht auf eine
nichtmetallische Schicht aufpressen.
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Nach einer Ausführungsfonn hatte eine flache Spirale annähernd 14
Windungen. Diese bestanden aus isoliertem Kupferdraht. Der Durchmesser der Spirale
war 5,5 cm. Stromimpulse wurden von einem 15-J-Kondensator geliefert, der
auf 10 Kilovolt aufgeladen wurde. Mit Hilfe dieses Werkzeugs wurde ein
0,125 mm starkes Kupferblech auf die Oberfläche eines Polyäthylenkörpers
aufgepreßt.
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In Fig. 9 ist schließlich eine weitere Anwendungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt. Das in dieser Figur dargestellte Werkzeug dient zur Anpressung
eines rohrförmigen Werkstücks an eine dieses umgebende ringförnüge Form. Ein Leiter
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von im wesentlichen halbzylindrischeni Querschnitt ist haarnadelförmig
zusammengebogen, derart, daß die ebenen Flächen des halbzyhndrischen Querschnitts
aneinanderliegen. Der Leiter 33 ist durch ein Koaxkabel 18d an eine
Impulsschaltung 12d angeschlossen. Eine geteilte ringförmige Form 34, deren
Teile lösbar miteinander verbunden sind, umgibt den Leiter 33 konzentrisch.
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Ein rohrförnüges Werkstück 35 ist zwischen dem Leiter
33 und der Form 34 angeordnet. Wenn ein Stromimpuls durch den Leiter
33 läuft, so wird ein Feld in Umfangsrichtung längs des Leiters aufgebaut.
Dieses erzeugt eine Kraft, welche das Werkstück 35
gegen die Innenfläche der
Ringform 34 preßt, so daß das Werkstück einem auf der Innentläche der Ringform aufgetragenen
Muster angepaßt wird.
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Nach einer praktischen Ausführungsform wurde ein halbzylindrischer
Leiter mit einem Durchmesser von 2,5 cm verwendet. Zwischen den einander
zugekehrten ebenen Flächen des haaruadelförmig gebogenen Ixiters befand sich ein
Spalt von 2 mm; die Länge des haarnadelförmig gebogenen Leiters war 15 cm.
Als Stromimpulsquelle wurde ein 60-j-Kondensator verwendet. Dieser war auf
10 Kilovolt aufgeladen. Die Ringforin hatte einen Innendurchmesser von solcher
Größe, daß ein Werkstück von 2,75 cm Außendurchmesser und einer Wandstärke
von 0,5 mm eingeschlossen werden konnte.