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Verfahren und Einrichtung zum Formen von Werkstücken Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Formen von Werkstücken, bei welchem
ein sich änderndes Magnetfeld von zur gewünschten Verformung ausreichender Intensität
und Gestalt an der Werkstückfiäche aufgebaut wird, in der Weise, daß das Werkstück
vor der Formung mit durchfließendem Strom vorerwärmt wird.
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Man läßt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch das Werkstück
zur Vorerwärmung desselben einen Strom fließen und baut dann an der Oberfläche des
Werkstückes ein sich änderndes Magnetfeld von solcher vorbestimmten Intensität und
solchem Verlauf auf, daß das Werkstück in einer gewünschten Weise verformt wird.
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Die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht darin,
daß ein Magnetfeld von vorbestimmtem Verlauf erzeugender Leiter selektiv an einen
Energiespeicher und an eine Wechselstromquelle anschließbar ist, wobei die gespeicherte
Energie ausreicht, daß das in dem Magnetfeld angeordnete Werkstück nach Vorerwärmung
desselben durch ein magnetisches Wechselfeld verformt wird.
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In der amerikanischen Patentschrift 2 976 907 vom 28. März 1961 sind
ein Verfahren und eine Einrichtung beschrieben zur Verformung von Material durch
Anwendung eines magnetischen Feldes von hoher Feldstärke. Bei der dort beschriebenen
Einrichtung wird ein Magnetfeld von hoher Feldstärke um einen geformten Leiter dadurch
aufgebaut, daß man durch diesen Leiter einen Stromimpuls hoher Stromstärke gibt.
Das Feld hoher Dichte induziert in dem metallischen Werkstück, welches sich in dem
magnetischen Feld befindet, einen Strom. Durch Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld
hoher Dichte und dem durch den induzierten Strom in dem Werkstück erzeugten Magnetfeld
wird an dem Werkstück ein Impuls erzeugt, der, wenn er groß genug ist, das metallische
Werkstück verformt.
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Zwar hat sich das erwähnte bekannte Verfahren in der Praxis bei der
Verformung von aus. bestimmten Metallen bestehenden Werkstücken bewährt; jedoch
hat es sich als schwierig oder sogar unmöglich erwiesen, andere Metalle' wegen deren
relativ geringer Verformbarkeit oder Ziehbarkeit zu verformen. Auch ist in bestimmten
Anwendungsfällen die strukturelle Festigkeit des Leiters nicht ausreichend, um bestimmte
metallische Werkstücke zu verformen, und/oder es ist die Quelle der Stromimpulse
sehr teuer in der Herstellung.
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Die Erfindung befaßt sich mit einem zusätzlichen Verfahren und einem
zur Durchführung desselben geeigneten Gerät zum Verformen von Werkstücken unter
Anwendung der Energie eines hochintensiven magnetischen Feldes. Ferner betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum Verformen von Werkstoff, bei welchem dieser vorerwä.rmt
wird, bevor die Verformung durch ein magnetisches Feld stattfindet. Vorzugsweise
erfolgt die Vorerwärmung durch induktive Erhitzung. Die Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens ist dauerhaft, zuverlässig im Betrieb und wirtschaftlich in der Herstellung.
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Andere Merkmale der Erfindung ergeben. sich an Hand der Beschreibung
und Figuren, die Ausführungsbeispiele zeigen. Es stellt dar F i g. 1 eine Einrichtung
zum magnetischen Verformen gemäß der Erfindung, schematisch im Aufriß, F i g. 2
eine vergrößerte Stirnansicht dieser Einrichtung, F i g. 3 den Schnitt nach Linie
3-3 zu F i g. 2, F i g. 4 einen Einzelteil der F i g. 1 im vergrößerten Maßstab,
teilweise geschnitten, F i g. 5 den Querschnitt durch eine andere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung zum magnetischen Verformen von Werkstücken.
Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das zu verformende Werkstück in einem Bearbeitungsraum
gehalten und durch Aufbau eines magnetischen Wechselfeldes in diesem Bearbeitungsraum
vorerwärmt. Hierauf wird in diesem Raum ein sich änderndes Magnetfeld von vorbestimmter
Intensität und vorbestimmtem Verlauf derart aufgebaut, daß auf das Werkstück genügend
Energie zur Verformung desselben in der gewünschten Weise übertragen wird.
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Zur Erläuterung wird das erfindungsgemäße Verfahren nachstehend in
Verbindung mit einer Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens beschrieben.
Die Einrichtung umfaßt ein Gerät 10 zum Aufbau eines magnetischen Wechselfeldes
in einem Bearbeitungsraum 12; dieses Feld durchsetzt ein Werkstück 14, das sich
in dem Bearbeitungsraum befindet, so daß das Werkstück durch Induktionsheizung vorerwärmt
wird. Gemäß Ausführungsbeispiel besteht das Gerät 10 aus einem Transformator mit
einer Primärwicklung 16 und einer Sekundärwicklung 18.
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Die Primärwicklung 16 ist in Form einer Wendel oder eines Solenoids
ausgebildet, dessen Windungen aus einem rohrförmigen Leiter 20 bestehen. Durch den
Hohlraum 22 des rohrförmigen Leiters 20 läßt man ein Kühlmittel, z. B. Wasser, fließen.
Zu diesem Zweck sind die Enden der Wicklung an flexible Rohre 24 und 26 angeschlossen,
die mit einer Kühlmittelquelle (nicht gezeichnet) in Verbindung stehen.
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Durch die Wicklung schickt man einen Hochfrequenzwechselstrom durch
Anschluß der Wicklung 16 über Leiter 28 und 30 an eine Wechselstromquelle
32, z. B. einen umlaufenden Generator, einen Konverter, eine Vakuumröhre, einen
Oszillator od. dgl. In Reihe mit der Wechselstromquelle 32 liegt ein Schalter 34
zur Regelung des Durchgangs von hochfrequentem Strom durch die Wicklung. In Reihe
mit dem Schalter 34 befindet sich ein isolierender Kondensator 35, dessen Zweck
später beschrieben wird.
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Wie aus F i g. 4 ersichtlich, erfolgt der Anschluß des Leiters
28 an ein Ende 20 der Wicklung durch einen T-förmigen Verbinder 36.
In gleicher Weise ist der Leiter 30 mit dem anderen Ende der Wicklung verbunden.
Jedes der Verbindungsstücke 36 besitzt einen Teil von hohlem Querschnitt, der auf
das zugehörige Ende der Wicklung 20 konzentrisch aufgepaßt ist.
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Die zweite Wicklung 18 des Transformators ist eine Einfachwindung,
bestehend aus einem geschlitzten hohlen Körper aus leitendem Werkstoff, z. B. Messing,
Berylhum-Kupfer od, dgl., und liegt in dem magnetischen Feld, das durch die Wicklung
16 aufgebaut wird. Das magnetische Feld schneidet oder durchdringt den Körper 18
und induziert in demselben einen Strom, welcher längs der Oberfläche dieses Körpers
fließt, wobei diese Oberfläche als einzige Sekundärwindung dient.
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Der Hohlkörper 18 besteht aus einem hohlen zylindrischen Kern
38 und einem äußeren konzentrischen Ringteil 40. Der durch die Innenoberfläche
des Kerns 38 bestimmte Hohlraum bildet den Bearbeitungsraum 12. Zwischen dem Bearbeitungsraum
12 und der Umfangsfläche des Körpers 18 erstreckt sich radial ein Schlitz oder Spalt
42, so daß der in dem Körper 18 induzierte Strom über die äußere Oberfläche des
genannten Körpers, längs den Wandungen des Spaltes oder Schlitzes 42 rund um die
Oberfläche des Bearbeitungsraumes 12 fließt. An jedem Ende des Kernteils
38 befindet sich eine sich konisch nach innen verjüngende Ausnehmung
44. Es ist somit die axiale Länge des Bearbeitungsraumes 12 kürzer als die
Länge der Umfangsoberfläche des Körpers 18. Dadurch ergibt sich eine vergrößerte
Stromdichte in den Wandungen des Bearbeitungsraumes zu einem später zu beschreibenden
Zweck.
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Der Körper 18 ist koaxial zur Wicklung 16 angeordnet, wobei der Außenteil
40 die Wicklung umschließt. Letztere ist zu diesem Zweck in eine schraubenlinienförmig
verlaufende Ausnehmung 46 im Außenteil der Sekundärwicklung 18 angeordnet.
Die Wicklung 16 ist gegen den Körper 18 elektrisch isoliert durch ein über die leitenden
Rohrwindungen gezogenes Isolierrohr 48. Zur Erzielung eines größtmöglichen Wirkungsgrades
wird die Stärke der Isolierung 48 so klein gehalten, als es mit ihrer Aufgabe
der elektrischen Isolierung verträglich ist.
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Zur Vereinfachung des Aufbaues und der Herstellung besteht der Außenteil
40 aus zwei ineinandergepaßten Elementen 50 und 52. Um die Wicklung 16 in den Außenteil
40 einzulegen, werden die Stoßflächen der Elemente 50 und 52 mit einem geeigneten
Lötmittel überzogen. Das Lötmittel wird geschmolzen und gekühlt. Hierauf wird die
Wicklung 16 in die schraubenlinienförmig verlaufende Ausnehmung 46 eingeschraubt.
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Gemäß dem gezeichneten Ausführungsbeispiel ist der Kern 38 von dem
Außenteil 40 getrennt, so daß ein anderer Kern unterschiedlicher Größe und/oder
Form eingesetzt werden kann. Der Kern 38 besitzt einen solchen Durchmesser,
daß zwischen ihm und dem Außenteil 40 elektrisch leitende Verbindung besteht.
Es kann aber auch der innere Kernteil kleiner im Durchmesser gehalten und von dem
Außenteil 40 isoliert sein; dann wird Strom in dem Kern induziert und nicht direkt
übergeleitet.
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Der innere Kernteil 38 wird in seiner Stellung durch ein Paar
kreisförmiger Stirnplatten 54 aus leitendem Material, wie Messing oder Beryllium-Kupfer,
gehalten, und zwar mit Hilfe von Schrauben 56, die an dem Teil 50 angreifen.
An jeder Stirnplatte 54
sind eine Öffnung 58 und ein Schlitz
60 vorgesehen, entsprechend der Basis der konisch verlaufenden Ausnehmung
44 bzw. dem Schlitz 60 in dem Körper 18.
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Bei dem gezeichneten Beispiel dient die erfindungsgemäße Einrichtung
zur Verkleinerung des Durchmessers eines rohrförmigen Werkstückes aus elektrisch
leitendem Material.
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Das Werkstück 14 befindet sich in dem Bearbeitungsraum 12 und ist
von dem Körper 18 durch eine Büchse 62 aus Isoliermaterial isoliert. Der induzierte
Wechselstrom, der durch die Wandungen des Bearbeitungsraumes geht, baut ein magnetisches
Wechselfeld in dem Raum 12 auf, das seinerseits in dem Werkstück Wirbelströme induziert,
wodurch das Werkstück erwärmt wird. Infolge des Skin-Effektes konzentrieren sich
in dem Werkstück induzierte Ströme nahe der Oberfläche desselben. Für eine wirksame
induktive Erwärmung ist die Frequenz der Wechselstromquelle 32 hoch genug gewählt,
um die Eindringungstiefe des Stromes kleiner zu halten als die Wandstärke des rohrförmigen
Werkstückes. Der Wechselstrom wird so lange Zeit angelegt, daß die Erwärmung des
Werkstückes ausreicht, um dieses
knetbar oder ziehbar zu machen,
jedoch nicht so lange, daß das Werkstück schmelzen würde.
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Nachdem das Werkstück durch den Wechselstrom vorerwärmt worden ist,
wird in dem Bearbeitungsraum 12 ein hochintensives Feld aufgebaut, indem man durch
die Wicklung 16 einen Stromimpuls hoher Amperezahl schickt. Der Stromimpuls wird
erzeugt durch Anschluß der Wicklung 16 an eine Stromquelle 64, z. B. ein Kondensatorpaket
oder einen Motor-Generator, mittels Leitungen 66 und 68. Zwischen der Wicklung 16
und dem Kondensatorpaket liegt ein Schalter 70, z. B. ein Ignitron, Thyratron usw.
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Das Kondensatorpaket 64 wird mit hoher Spannung durch eine Hochspannungsquelle
72 aufgeladen. In Reihe mit der Hochspannungsquelle 72 liegen ein Widerstand 74
und ein Schalter 76. Der begrenzende Widerstand 74 kann auf irgendeine Weise abgeschaltet
werden.
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Zur Erzielung eines größtmöglichen Wirkungsgrades sind die Stromquelle
64 und der Widerstand und die Induktanz der Wicklung so gewählt, daß das magnetische
Feld, verglichen mit der Zeit, in welcher es zusammenfällt, sehr kurzzeitig aufgebaut
wird. Vorzugsweise erfolgt der Aufbau des gewünschten magnetischen Feldes in weniger
als ungefähr 20 Mikrosekunden.
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Das zu verformende Werkstück wird in den Bearbeitungsraum 12 eingebracht
und hierauf das Kondensatorpaket 64 durch Schließen des Schalters 76 aufgeladen.
Anschließend wird der Schalter 76 geöffnet; sodann wird Schalter 34 geschlossen
und hierauf Hochfrequenzwechselstrom an die Wicklung 16 gelegt. Rings um diese Wicklung
baut sich ein Wechselfeld auf, das in dem Körper 18 einen Strom induziert, der im
allgemeinen längs der Oberfläche dieses Körpers fließt. Dieser an der Oberfläche
des Körpers 18 fließende Strom baut seinerseits ein magnetisches Wechselfeld in
dem Bearbeitungsraum 12 auf. Dieses Wechselfeld durchsetzt das Werkstück und induziert
in demselben Wirbelströme, welche das Werkstück auf die gewünschte Temperatur erwärmen.
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Nach genügender Erwärmung wird der dem Kondensatorpaket 64 zugeordnete
Schalter 70 geschlossen, so daß ein Stromimpuls hoher Amperezahl durch die Wicklung
16 fließt. Am Zurückströmen zu der Wechselstromquelle wird dieser Stromimpuls durch
den isolierenden Kondensator 35 gehindert, welcher von solcher Kapazität ist, daß
der Hochfrequenzstrom leicht passiert, jedoch kein großer Energiebetrag von dem
Kondensatorpaket auf die Wechselstromquelle übertragen werden kann.
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Auf diese Weise wird rings um die Wicklung 16 ein hochintensives Feld
aufgebaut, welches den Körper 18 durchsetzt und in demselben einen Strom induziert.
Da die Länge des Bearbeitungsraumes 12 kleiner ist als jene der Umfangsfläche des
Körpers 18, wird der durch die Wandung des Bearbeitungsraumes 12 fließende Strom
in seiner Dichte erhöht. Diese hohe Stromdichte baut ihreseits ein hochintensives
Feld in dem Bearbeitungsraum auf. Dieses Feld wirkt auf das Werkstück im Sinne der
Verkleinerung des Durchmessers desselben.
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Bei einem Ausführungsbeispiel besteht die Wicklung aus acht Windungen
eines Kupferrohres von 1/4 Zoll (0,6 cm) Durchmesser. Das Kupferrohr liegt in einer
Vinylröhre einer Wandstärke von 0,020 Zoll (0,05 cm). Die Wicklung hat ungefähr
4 Zoll (10 cm) Durchmesser und ist ungefähr 4 Zoll (10 cm) lang. Der Hohlkörper
besteht aus Beryllium-Kupfer, hat ungefähr 5 Zoll (l2,5 cm) Durchmesser und ist
4 Zoll (10 cm) lang. Der Bearbeitungsraum ist etwas größer als 1 Zoll (2,5 cm) im
Durchmesser und ungefähr 1 Zoll (2,5 cm) lang. Man läßt ungefähr 1/4 Gallone (1
Liter) Wasser pro Minute durch die Wicklung strömen, um sie zu kühlen. Eine Asbesthülse
dient zur Isolierung des Bearbeitungsraumes gegen den Hohlkörper.
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Eine Molybdänröhre von 1 Zoll (2,5 cm) Durchmesser und einer Wandstärke
von ungefähr 0,01 Zoll (0,025 cm) wird durch die erfindungsgemäße Einrichtung auf
ungefähr 0,7 Zoll (1,75 cm) im Durchmesser verringert unter Anwendung einer Wechselstromquelle
mit einer Frequenz von 100 000 Perioden pro Sekunde bei einer Spannung von ungefähr
5 Kilovolt, und zwar während einer Zeitspanne von ungefähr 10 Sekunden. Es geht
ein Stromimpuls von 50 000 Ampere durch die Wicklung bei Anschluß derselben an ein
Kondensatorpaket von 700 Mikrofarad, das auf 8 Kilovolt aufgeladen wird. Dieser
Strom erzeugt ein Feld von ungefähr 150 000 Gauss in dem Bearbeitungsraum
an der'. Werkstückoberfläche.
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Es kann erwünscht sein, das Werkstück gegen die umgebende Atmosphäre
zu schützen. Dies erreicht man bei Anwendung der in den F i g. 1 bis 4 gezeigten
Einrichtung in Vakuum oder einer inerten Atmosphäre. Wirkungsvoller ist es, wenn
man gemäß F i g. 5 das Werkstück in einen umhüllenden Mantel einschließt, dem inertes
Gas zugeführt wird.
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Bezüglich F i g. 5 handelt es sich um die Verschweißung zweier teleskopartig
ineinander gesteckter Werkstücke 78 und 80. Die Verformungseinrichtung besteht aus
einer wassergekühlten Wicklung 82 aus leitendem Material, die in einem ringförmigen
Tragkörper 84, beispielsweise aus Glasfaserstoff, angeordnet ist. Die Wicklung 82
wird an eine Hochfrequenzstromquelle (nicht gezeichnet) und, an eine Starkstromquelle
(nicht. gezeichnet) angeschlossen, ähnlich der Anordnung der F i g. 1.
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Die Werkstücke 78 und 80, welche in der Wicklung 82 durch geeignete
Halterungen 86 axial zueinander ausgerichtet liegen, werden gegen die .umgebende
Atmosphäre geschützt durch einen rohrförmigen Mantel 88 aus thermisch und
elektrisch isolierendem flexiblen Material, wie Asbest; dieser Mantel, der zugleich
die Wicklung 82 gegen die in den Werkstücken 78 und 80 entwickelte Wärme schützt,
umschließt die Teleskopenden der Werkstücke 78 und 80. Der Mantel 88 ist an seinen
Enden an den Werkstücken 78 und 80 durch geeignete Bindeglieder 90, wie Drahtklemmen,
festgespannt. Außerdem besitzt der Mantel einen Einlaß 92 und einen Auslaß 94 für
inertes Gas.
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Die Werkstücke 78 und 80 werden in der gleichen Weise zusammengeschweißt,
wie an Hand der F i g. 1 bis 4 erläutert. Wegen der kurzen Zeit, welche die Verformung
in Anspruch nimmt, genügt der Mantel 88 zur Aufrechterhaltung der inerten Atmosphäre
um die Werkstücke 78 und 80, selbst wenn er aus porösem Material besteht.
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Die Größe und die Form des Bearbeitungsraumes hängen von der Ausgangsform
und von der endgültigen Form des Werkstückes ab. In dem Bearbeitungsraum können
geeignete Gesenke vorgesehen sein. Die Anordnung kann auch umgekehrt getroffen
sein
in der Weise, daß das magnetische Feld an der Innenseite eines hohlen Werkstückes
angelegt wird, wobei dann das Metall durch das magnetische Feld expandiert, statt
komprimiert wird. Zum Beispiel ist in einem solchen Fall der Körper 18 entbehrlich;
das rohrförmige Werkstück wird um die Wicklung 16 gelegt.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der zur Durchführung
desselben vorgeschlagenen Einrichtung können Werkstücke verformt, geprägt, graviert
oder sonstwie bearbeitet werden. Als Mittel zum Aufbau des magnetischen Feldes können
flache Wicklungen, haarnadelförmig verlaufende Wicklungen, spiralenförmig verlaufende
Wicklungen usw. Anwendung finden. Umüberhitzungen zu verhindern, wird gekühlt. Durch
die Vorerwärmung des Werkstückes wird die Bearbeitbarkeit desselben verbessert,
auch wird der zur Verformung erforderliche Kraftaufwand verkleinert. Dies führt
zu einer Verringerung der Beanspruchung der Einrichtung und auch zu einer Verringerung
der Größe des Kondensatorpakets.
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Die Vorerwärmung und die Verformung der Werkstücke in der gleichen
Einrichtung vermeidet Zeitverlust, der in Kauf zu nehmen ist, wenn das Werkstück
zwischen getrennten Apparaturen umgesetzt werden muß. Ein mechanischer Kontakt zwischen
den die Verformung bewirkenden Kräften und dem Werkstück ist nicht vorhanden. Die
erfindungsgemäße Einrichtung ist daher im besonderen Maße dazu geeignet, das vorerwärmte
Werkstück zu verformen.