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Verfahren zur Verminderung der bei der Metallumformung durch Magnetfelder
erforderlichen Kräfte Daß der elektrische Strom in der Umgebung des Leiters Kräfte
ausübt, ist seit langem bekannt. Die praktische Ausnutzung dieser physikalischen
Gegebenheit stellt der Elektromotor dar. In der jüngsten Zeit ist aber ein weiteres
Anwendungsgebiet bekanntgeworden, das darin besteht, daß unter Ausnutzung der Kraftwirkung,
die ein Magnetfeld in seiner Umgebung ausüben kann, Umformungen von Metallen durchgeführt
werden. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß zwischen zwei elektrisch leitfähigen
Stoffen Kräfte wirksam werden, wenn sie beide von einem elektrischen Strom durchflossen
werden. Wird von einem Leiter ein elektrisch leitfähiges Werkstück induziert, so
fließt in dem Werkstück ebenfalls ein Strom. Der Primär- und der im Werkstück hervorgerufene
Sekundärstrom üben eine mechanische Wirkung aufeinander aus, die bei geeigneter
Dimensionierung dazu führen kann, daß Veränderungen in der Gestalt des Werkstückes
die Folge sind, daß das Metall also umgeformt wird. Solche Umformungen werden in
der Praxis bereits durchgeführt dadurch, daß in Rohre z. B. kleine Induktionsspulen
eingeführt werden und diese Induktionsspulen mit einem Entladestrom, beispielsweise
einer Kondensatorbatterie sehr hoher Stromstärke, beaufschlagt werden. Durch die
plötzliche Stromänderung wird in dem die Spule umgebenden Rohr eine Spannung induziert,
die ebenfalls einen hohen Strom treibt, der dazu führt, daß das Rohr auf Grund der
magnetomechanischen Kraftwirkung sich ausdehnen möchte. Geschieht dieser Vorgang
in einem die Formänderung beeinflussenden Gesenk, so können gewünschte Veränderungen
der äußeren Gestalt dieses Rohres erzielt werden.
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Die Anwendung dieser Technik hat noch keinen allgemeinen Eingang bei
Fertigungsverfahren gefunden, weil erhebliche Schwierigkeiten aufgetreten sind.
Auf Grund der Festigkeit der zur Umformung vorgesehenen Materialien ist die Anwendung
großer Kräfte notwendig. Diese Kräfte können aber nur erzeugt werden, wenn die Induktionsspulen
mit sehr hohen Strömen beaufschlagt werden. Diese Ströme wirken ihrerseits in gleichem
Maße auf die Induktionsspule mechanisch ein und führen meistens zur Zerstörung dieser
Spulen.
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Diese Schwierigkeiten zu überwinden, ist das Ziel der vorliegenden
Erfindung. Der Erfinder schlägt zu diesem Zwecke vor, die Kräfte, die zur Metallumformung
erforderlich sind, dadurch zu vermindern, daß der Formänderungswiderstand des Metalls
in seinem umzuformenden Teil durch induktive Erwärmung reduziert wird. Die Erfindung
bietet über die Kombination dieser beiden an sich bekannten Verfahren der magnetomechanischen
Umformung und der induktiven Erwärmung hinaus den Vorteil, daß die wesentlichen
verfahrensbedingten Teile der Anlage, wie Induktionsspule und Kondensatorenbatterie,
in beiden Anlagen gleich sein können.
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Durch die Aufwärmung des Materials auf Temperaturen, bei denen sich
das Material im plastischen Bereich befindet, werden die erforderlichen Uniformkräfte
auf ein Fünftel bis ein Zehntel des Wertes bei Raumtemperatur reduziert. Die Reaktionskräfte,
die in der Spule auftreten, sind damit ebenfalls erheblich geringer, wodurch die
Befestigung und mechanische Stabilität dieser Spulen den praktischen Bedürfnissen
gegenüber angepaßt werden kann und ihre laufende Zerstörung vermieden wird. Andererseits
werden auch geringere Anforderungen an die Leitungsführung zur Spule und eine geringere
Gesamtkapazität der Kondensatorenbatterie erreicht.
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Durch geeignete Abstimmung zwischen der Temperatur, auf die das Werkstück
erhitzt wird, und den daraus resultierenden Uniformkräften ist es möglich, den Gesamtenergiebedarf,
der für Aufheizung und Umformung notwendig ist, zu einem Minimum werden zu lassen.
In Abhängigkeit von der Temperatur ergibt sich der notwendige Leistungsbedarf für
die Induktionserwärmungsanlage, der also mit steigender Temperatur laufend ansteigt.
Mit zunehmenden Temperaturen fällt aber der Leistungsbedarf für die Umformung. Aus
diesen unterschiedlich verlaufenden
Tendenzen ist zu ersehen, daß
für jede spezifische Umformung ein Minimum für den Gesamtleistungsbedarf ermittelt
werden kann.
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Die Auslegung des Schwingkreises bei Induktionserwärmungsanlagen,
bestehend aus Induktionsspule und Kondensatorenbatterie, geschieht rein nach den
Gesichtspunkten der induktiven Erwärmung. Bei Mittelfrequenzanlagen wird der Schwingkreis
frequenzmäßig auf den einzuspeisenden Generator ausgelegt, bei Hochfrequenzanlagen
auf die für die Behandlung zweckmäßige Frequenz. Das Verhältnis von Induktivität
zu Kapazität ist so ausgelegt, daß die durch das Werkstück bedingte Dämpfung des
Kreises einen Energieentzug ermöglicht, der für die Rufheizung notwendig ist. Bei
dieser Art der Auslegung sind aber die magnetomechanischen Kräfte, die von der Induktionsspule
auf das Werkstück ausgehen, zu klein, um Verformungen durchzuführen. Ohne daß die
Kondensatorenbatterie in ihrer Kapazität verändert wird, wird nun gemäß der Erfindung
vorgeschlagen, die Kondensatorenbatterie aus der übrigen Schaltung zu trennen und
mit einer Gleichspannung aufzuladen auf ein Potential, welches einen Energieinhalt
der Kondensatorenbatterie ergibt, der ausreicht, um bei der Entladung der Batterie
über die Induktionsspule die notwendigen Umformkräfte zu erzeugen. Diese Art der
Auslegung ermöglicht, die gleiche Kondensatorenbatterie wie bei der induktiven Erwärmung
zu verwenden, nur daß die Spannungsfestigkeit der Kondensatorenbatterie im Hinblick
auf den zweiten Verwendungszweck ausgelegt wird. In manchen Fällen wird die kurzzeitig
erfolgende Belastung beim Umformungsvorgang es ermöglichen, die ohnehin kurzzeitig
zugelassene spannungsmäßige überbelastung der Kondensatoren gegenüber normalem Nennbetrieb
für diesen Stoßeinsatz auszunutzen, ohne daß eine höhere Spannungsdimensionierung
der Kondensatoren notwendig wird.
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Wenn in bestimmten Fällen der Aufwand für die höhere Spannungsfestigkeit
der Kondensatoren zu groß ist, so kann gemäß einem weiteren Vorschlag zu der für
die induktive Erwärmung vorgesehenen Kondensatorenbatterie eine Zusatz-Kondensatorenbatterie
hinzugesetzt werden, die zur erstgenannten parallel geschaltet wird. Diese Erhöhung
der Kapazität ist insofern besonders vorteilhaft, weil durch sie die Frequenz des
Schwingkreises herabgesetzt und dadurch die auftretenden mechanischen Kräfte erhöht
werden.
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Die Kombination der beiden Anlagen bietet weiterhin die Möglichkeit,
die bei Induktionserwärmung vorhandenen Anlagenteile auch für die Uniformanlage
auszunutzen. Die Rufladung der Kondensatorenbatterie auf die notwendige Gleichspannung
kann erfolgen aus dem den Schwingkreis der Induktionserwärmungsanlage einspeisenden
Netz. Dieses kann bei Netzfrequenzanlagen unmittelbar das Netz selbst sein. Bei
Mittelfrequenzanlagen ist es der Mittelfrequenzgenerator, bei Hochfrequenzanlagen
ist es der Hochspannungsgleichrichterteil des Röhrengenerators selbst. Die Erzeugung
der hochgespannten Gleichspannung zur Rufladung der Kondensatorenbatterie kann bei
den Netz- und Mittelfrequenzanlagen erfolgen durch das Einschalten eines Transformators
mit Hochspannungsausgang, der sekundärseitig über Gleichrichter und Ladewiderstand
die Kondensatorenbatterie auflädt. Gerade bei Mittelfrequenzanlagen werden infolge
der erhöhten Frequenz diese genannten Einzelteile sehr klein werden. Andererseits
besteht aber auch die Möglichkeit, durch an sich bekannte Spannungsverdoppler oder
Vervielfacherschaltungen hinter dem Wechselstromgenerator die geforderte Hochspannung
zu erzeugen.
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Nach Beendigung der induktiven Erwärmung wird der Schwingkreis durch
normale Schaltelemente abgetrennt und der Kondensator von der Induktionsspule wie
auch vom Generatorkreis getrennt. Der Kondensator wird daraufhin mit der Ladeeinrichtung,
wie vorangehend beschrieben, verbunden. Nach Rufladung auf die vorgesehene Spannung
kann er über Schaltelemente mit der Induktionsspule verbunden werden. Er entlädt
sich dann über dieses Schaltelement. Vorteilhafter ist es jedoch, wenn entsprechend
einem weiteren Merkmal der Erfindung eine selbsttätige Entladung dadurch erfolgt,
daß als Schaltelement z. B. eine Funkenstrecke oder ein Entladegefäß (Ionenstrecke)
od. ä. vorgesehen wird, welches in. seiner Durchbruchsspannung oder Zündspannung
so dimensioniert wird, daß, wenn die Ladespannung des Kondensators die notwendige
Spannung für die Umformung erreicht hat, diese Entladestrecke automatisch zündet
und dadurch die Entladung erfolgt. Damit können besondere Schaltelemente für die
Einhaltung der Ladespannung und auch für die Zuschaltung der Kondensatorenbatterie
auf die Induktivität erübrigt werden.
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Wie oben ausgeführt, sind zur Formgebung der umzuformenden Metallteile
in den meisten Fällen die Form beeinflussende Gesenke erforderlich. Diese Gesenke
werden zweckmäßig magnetisch leitfähig, d. h. aus Eisen oder Stahl hergestellt und
so ausgebildet, daß diese Teile, wenn sie das Werkstück umgeben, gleichzeitig einen
magnetischen Rückschluß für das von der Induktionsspule ausgehende Magnetfeld bilden.
Dadurch werden die Wirksamkeit und der Wirkungsgrad der Anlage erheblich verbessert,
weil eine intensivere magnetische Kopplung zwischen der Induktionsspule und dem
Werkstück erzielt werden kann. Um einen Stromfluß in dem Gesenk selbst zu unterbinden,
wird das Gesenk zweckmäßigerweise auch aus elektrischen Gründen geteilt und die
einzelnen Gesenkhälften so isoliert, daß beim Schließen des Gesenkes ein umschließender
Stromfluß vermieden wird. Zu diesem Zwecke werden die Gesenkhälften an ihren Berührungsflächen
isoliert oder beispielsweise auch oxydiert.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform einer Vorrichtung zur induktiven
Erwärmung und gleichzeitigen magnetomechanischen Umformung ist ein Magnetjoch, bei
dem z. B. Hohlkörper, speziell Ringe, äußerlich verformt werden sollen. Zu diesem
Zwecke wird gemäß der Erfindung durch den Ring ein magnetisch leitfähiger Kern hindurchgesteckt,
auf dem die Erregerspule für die Erregung des magnetischen Flusses zur induktiven
Erwärmung und magnetomechanischen Umformung aufgebracht ist. Dieser Kern wird zweckmäßig
zusätzlich mit einem Magnetjoch ausgebildet, um den äußeren Streufluß zu führen.
Diese Einrichtung ist besonders für kleine Teile zweckmäßig und wird weiter unten
in der Beschreibung zu den Zeichnungen erläutert werden.
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Die Zeichnungen dienen der Erläuterung des vorgeschlagenen Verfahrens
und der Vorrichtungen.
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In Fig. 1 ist eine Prinzipanordnung dargestellt. Die Induktionsspule
1 wird von dem zu verformenden
Werkstück 2 dicht umgeben. Die Induktionsspule
wird an ihren Anschlußklemmen 3 an eine Induktionserwärmungsanlage angeschlossen.
Der Metallring, z. B. Aluminium, wird auf eine Temperatur, beispielsweise 400° C,
erwärmt. Nach Beendigung der Erwärmung wird über die Anschlußklemmen 3 die inzwischen
aufgeladene, nicht dargestellte Kondensatorenbatterie entladen und von der Spule
1 in dem Metallring 2 ein Strom erzeugt, der eine Ausweitung des Metallringes 2
bewirkt. Bei dieser Ausweitung legt sich der Metallring in die Ausnehmungen des
den Metallring umgebenden Gesenkes 4 und wird so verformt. Das Gesenk ist geteilt,
so daß nach der Verformung der Metallring der Vorrichtung entnommen werden kann.
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Fig.2 zeigt die Gesamtschaltungsanordnung bei Anwendung z. B. einer
Mittelfrequenzanlage. Die Induktionsspule 1 ist über einen üblichen Schalter 5 mit
der Kondensatorenbatterie 6 elektrisch verbunden. Ein elektrischer Umschalter 7
verbindet den so gebildeten Schwingkreis mit dem Mittelfrequenzgenerator /3, der
z. B. auch bei Netzfrequenzanlagen durch das normale Wechselstromnetz ersetzt werden
kann. Nach Beendigung der Aufheizung wird der Schalter 5 geöffnet und der Umschalter
7 in die Stellung gebracht, daß er eine Aufladung des Kondensators 6 über den Transformator
9, Ladegleichrichter 10 und Ladewiderstand 11 bewirkt. Sobald der Kondensator 6
die für die Umformung notwendige Spannung erreicht hat, entlädt sich der Kondensator
über die Funkenstrecke 12 auf die Induktionsspule 1 und bewirkt die Verformung des
Werkstückes.
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In Fig. 3 ist in abgewandelter Form die gleiche Schaltung wiedergegeben,
wenn es sich um einen Hochfrequenzgenerator handelt. Der Unterschied der Schaltung
besteht lediglich darin, daß der in Fig. 2 gezeigte Transformator 9 und Gleichrichter
10 hier entfällt und die Aufladung unmittelbar aus dem hochgespannten Gleichstromkreis
des Hochfrequenzgenerators über den Ladewiderstand 11 erfolgt.
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In Fig. 4 ist die Prinzipskizze wiedergegeben für die vorteilhafte
Anordnung der Aufheizung und Umformung mit einem Magnetjoch. Das zu verformende
Werkstück 2 befindet sich auf dem mittleren Schenkel des Magnetkerns 13 und ist
von dem Gesenk 4 umgeben. Die Induktionsspule 1 ist seitlich neben dem Werkstück
angebracht. Der Streufluß dieser Spule wird durch die Schenkel des Kernmaterials
14 auf das Joch 15 geleitet. Das Joch 15 ist zum Zwecke des Ein- und Ausbringens
des Werkstückes beweglich und kann entfernt werden.
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In Fig. 5 ist die gleiche Anordnung der Fig. 4 in perspektivischer
Form dargestellt. Die Bezugszeichen sind die gleichen wie in Fig. 4 und lassen die
Wirksamkeit erkennen. Aus Gründen der besseren Erkennbarkeit ist das Joch 15 in
dieser Abbildung fortgelassen.
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In Fig.6 ist die Ermittlung der zweckmäßigen Temperatur zur Erzielung
eines Minimums der Gesamtleistung dargestellt. Die erforderliche Leistung wird aufgetragen
über der Temperatur. Zunächst wird die für die Umformung des zu behandelnden Metalls
notwendige elektrische Anschlußleistung der Umformanlage in Abhängigkeit von der
Temperatur des Metalls in einer Kurve 16 aufgetragen. Diese elektrische Anschlußleistung
ergibt sich einerseits aus der notwendigen Größe der Kondensatorenbatterie und der
notwendigen Ladespannung. Beide Werte zusammen ergeben die notwendige Ladeenergie.
Für eine wirtschaftliche Fertigung ist aber ein bestimmter Aufladetakt der Kondensatorenbatterie
notwendig. Dieser Aufladetakt bestimmt die Aufladezeit, die ihrerseits mit den vorerwähnten
Größen die Anschlußleistung einer solchen Anlage ergibt.
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Zum andern wird dann die beim induktiven Erwärmen notwendige Leistung
in Abhängigkeit wiederum der Temperatur des Metalls ermittelt und in Kurve 17 aufgetragen.
Auch hier ist die erforderliche Leistung nicht nur eine Funktion der Temperatur,
sondern auch der gewünschten Aufheizzeit, die sich aus dem Fertigungstakt ergibt.
Beide Kurven 16 und 17 werden jetzt in dem Diagranen addiert, daraus ergibt sich
die resultierende Leistung Kurve 18 in Abhängigkeit von der Temperatur, die bei
19 ein ausgesprochenes Minimum hat. Bei dieser Temperatur ergibt sich die für die
Kompensation des Verfahrens erzielbare minimale Leistung als Addition der beiden
Leistungswerte von induktiver Erwärmung und nachfolgender magnetomechanischer Umformung.