DE1452889B1 - Vorrichtung zum elektrodynamischen Umformen fester metallischer Werkstücke - Google Patents

Description

Auf dem Gebiet der Metallumformung wurden in den letzten Jahren neue Verfahren entwickelt, bei denen die Umformgeschwindigkeiten wesentlich höher sind als bei konventionellen Methoden. Sie werden deshalb auch als Hochgeschwindigkeits-Umformverfahren bezeichnet. Durch den Einsatz dieser neuen Bearbeitungsverfahren können Fertigungsvorgänge in vielen Fällen vereinfacht und verbessert werden. Darüber hinaus können mit diesen Verfahren Werkstoffe umgeformt werden, die auf konventionelle Art schwer bearbeitbar sind.

Zu den Umformungsverfahren mit hohen Geschwindigkeiten gehört das Magneform-Verfahren.

Bei der Anwendung hoher gepulster Magnetfelder zur Umformung von Metallen nach dem Magneform-Verfahren (deutsche Patentschrift 1 122188) werden Kompressionsspulen, Aufweitungsspulen und Flachspulen als Arbeitsspulen verwendet. Bei diesem Verfahren wird ein Kondensator über eine Spule entladen. Der in diesem Schwingkreis entstehende Wechselstrom erzeugt in der Spule ein zeitlich veränderliches Magnetfeld. Dieses wiederum induziert Wirbelströme in einem metallischen Werkstück, das im Inneren der Spule angeordnet ist. Die Kraftwirkung zwischen dem magnetischen Feld und den Wirbelströmen, nämlich der Maxwellsche Druck, kann zu einer Umformung des Werkstückes verwendet werden. Dabei können Drücke bis zu mehreren lOOOkp/cm² erzielt und Umformgeschwindigkeiten von mehreren lOOm/sec erreicht werden.

Bei der Kompression zylindrischer Metallkörper mit dem Magneform-Verfahren wird im Raum zwischen Arbeitsspule und Werkstück ein hohes Magnetfeld von mehreren 100000 G kurzzeitig aufgebaut. Der durch den impulsfönnigen Zeitverlauf des Magnetfeldes auftretende Skineftekt läßt den Innenraum des Werkstückes feldfrei. Es entsteht daher ein einseitiger magnetischer Kompressionsdruck, der nur dann eine bleibende Umformung des Werkstückes zur Folge hat, wenn die Fließgrenze des Werkstoffes überschritten wird. Aus der Differenz zwischen dem magnetischen Druck und dem der Fließspannimg entsprechenden Gegendruck des Materials resultiert eine Beschleunigung des Werkstückes. Die'bewegte Rohrwand kommt beim Aufschlag auf einen Dorn oder bei freier Umformung nach Aufzehrung der kinetischen Energie durch die Umformarbeit wieder zum Stillstand. Der bei freier Umformung zurückgelegte Uniformweg ist ein MaB für die Umformwirkung.

Zur Umformung starkwandiger Werkstücke oder solcher mit schlechter elektrischer Leitfähigkeit mit Hilfe des Magnefonn-Verfahrens wird bisher der Weg beschriften, daß man bei unveränderter oder abnehmender Entladefrequenz die Energie durch Steigerung der Kapazität des Stoßkondensators erhöht. Dieses Vorgehen erfordert große Kondensatorbatterien, die über mehrere Kabel mit der Arbeitsspule verbunden werden müssen. Eine solche Anordnung ist im Fertigungsprozeß schwer zu handhaben und besitzt außerdem einen sehr ungünstigen Wirkungsgrad. Um bei niedrigen Entladefrequenzen auch schlecht leitende Werkstücke umformen zu können, behilft man sich bisher mit sogenannten TreiberscbJchten, das sind Hüllschichten aus gut leitendem Material. Alle diese Lösungen sind jedoch aufwendig oder sehr umständlich. Bisher wurden die Vorrichtungen zum Umformen mittels impulsiörmiger Magnetfelder an die jeweiligen Umformprobleme dadurch angepaßt, daß man die aufzuwendende Energie variierte entweder durch Veränderung der Kapazität des Stoßkondensators 5 oder durch Veränderung der angelegten Spannung. Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, daß zwar das jeweilige Uniformproblem gelöst werden kann, jedoch nicht unbedingt mit einem minimalen Energieaufwand. Das bedeutet, daß oft mit einer wesentlich höheren Energie gearbeitet wird, ohne daß dieses erforderlich gewesen wäre. Man hat auch versucht, den Umformprozeß mittels impulsförmiger Magnetfelder durch eine Energiebilanz näher zu beschreiben. Bei dieser Untersuchung wird die im Kondensator is gespeicherte Gesamtenergie aufgeteilt in die Energieanteile für die am Werkstück geleistete Arbeit, in die Energie des magnetischen Feldes, in die ohmsche Verlustenergie und in einen restlichen Feldenergieanteil am Ende der Umformung. Alle diese Anteile enthalten entweder die magnetische Induktion oder den Spulenstrom. Diese beiden Größen werden als gegeben angenommen. Sie hängen jedoch entschei-. dend von den Daten des Entladekreises ab, insbe- M sondere von der durch den Skineftekt und das Werk- ™ stück wesentlich beeinflußten Induktivität der Spule und damit auch von der Entladefrequenz. Bei dieser bekannten Untersuchung ist die Frequenz, obwohl sie alle diese Größen entscheidend beeinflußt, nicht berücksichtigt und ihr Zusammenhang mit den obengenannten Daten nicht untersucht worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum elektrodynamischen Umformen fester metallischer Werkstücke mit Hilfe von zeitlich veränderlichen Magnetfeldern zu schaffen, bei der die Magnetfelder in einem Entladekreis durch Stoßentladung eines Kondensators in einer Spule erzeugt werden und im festgehaltenen Werkstück Wirbelströme induzieren mit einem für den Umformprozeß optimalen Wirkungsgrad bei einem minimalen Energieaufwand.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelößt, daß die Entladekreisdaten des Entladekreises derart bemessen sind, daß bei vorgegebener Gesamtenergie die Frequenz des Entladekreises der jeweiligen Umformaufgabe optimal angepaßt ist. U

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß zu jeder vorgegebenen Energie eine optimale Frequenz existiert, für die der Umformweg ein ausgeprägtes Maximum aufweist. Dieses Verhalten kommt dadurch zustande, daß zwar der magnetische Druck mit steigender Frequenz zunimmt, jedoch einem Grenzwert zustrebt, während die Einwirkungszeit des Druckes umgekehrt proportional mit der Frequenz abnimmt. Das bedeutet, daß bei richtiger Frequenzwahl der Umformprozeß mit einem optimalen Wirkungsgrad bei einem minimalen Energieaufwand durchgeführt werden kann. Hiervon macht die Erfindung Gebrauch.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Wahl der optimalen Frequenz für einen vorgegebenen Bearbeitungsvorgang die Gesamtenergie gesenkt und dadurch entweder die Taktzeit erhöht oder der Aufwand zur Kühlung der Arbeitsspule reduziert werden kann. Zur näheren Erläuterung des Begriffes »optimale Frequenz«: sei folgendes ausgeführt:

Der Umformweg u hängt ab vom einwirkenden Druck p_m und von der Zeitdauer T der Einwirkung.

T selbst ist der Frequenz des Magnetfeldes umgekehrt proportional, als T ~ . . Der Umformweg ii

wächst mit dem einwirkenden Druck p_w und wächst auch mit der Zeitdauer T der Einwirkung.

Der Druck p„ entsteht durch den Druck des Magnetfeldes. Die Kraftwirkung des Magnetfeldes ist um so größer, je kleiner der Raum ist, auf den sich die Kondensatorenergie verteilt. Der Raum ist bestimmt durch die Geometrie der Anordnung, durch die Breite der Luftspalte zwischen Arbeitsspule, Feldkonzentratoren und Werkstück und durch die Eindringtiefe der Wirbelströme im Werkstück, Spule und Konzentrator. Für die Eindringtiefe der Wirbelströme gilt folgende Beziehung:

dimensionieren, daß einerseits H^₁., erfüllt ist und andererseits

r ' f

.v =

l.T · //„ · J · χ

Hierin bedeutet

s = Eindringtiefe der Wirbelströme im Werkstück,

/ = -T^ "j/^Tf — Frequenz des Magnetfeldes,

χ = spezifische elektrische Leitfähigkeit des
Werkstückes,

H₀ = magnetische Permeabilität des Vakuums.

Weiterhin gilt für den einwirkenden Druck p_w in erster Näherung:

(2)

Es bedeutet

W₉C₃ = — CU² = Gesamtenergie,
i\ — Luftspaltbreite,
s = Etndringtiefe der Wirbelströme.

Gleichung (1) zeigt, daß die Eindringtiefe der Wirbelströme mit wachsendem/sinkt. Das bedeutet wiederum unter Berücksichtigung von Formel (2), daß p„ mit wachsendem / wächst. Es ist aber auch verständlich, daß bei hohen Frequenzen, also für sehr kleines s, die Größe <)₀ bestimmend wird und damit p_w nur noch langsam wächst. Hieraus ergibt sich, daß p_w für kleine Frequenzen stark mit / und für große Frequenzen nur noch schwach mit / anwächst. Die Zeitdauer Γ fällt mit /. Da der Umformgrad vom Produkt aus wirksamem Druck und Einwirkungszeit abhängt, existiert wegen der beschriebenen Frequenzabhängigkeit beider Größen eine optimale Frequenz, bei der der Umformweg für eine gegebene Geometrie der Anordnung, ein gegebenes Material des Werkstückes und einer gegebenen Gesamtenergie W^. ein Maximum aufweist. Das bedeutet, daß bei einer Frequenzänderung gegenüber der optimalen Frequenz.J_atH der Umformweg» immer abnimmt, gleichgültig, ob die Frequenz erhöht oder verkleinert wird. Für eine vorgegebene

Gesamtenergie W_4n — -, CU¹ sind U und C so m wird. Die Bedingungen für f_lip, lassen sich durch wenige Testversuche leicht ermitteln.

An Hand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung noch näher erläutert ίο werden. Das Ausführungsbeispiel soll zeigen, wie in der Praxis für ein bestimmtes Umformproblem eine Magneformmaschine dimensioniert werden muß, damit der Umformprozeß mit einem optimalen Wirkungsgrad durchgeführt werden kann.

Beispiel

Es soll ein Stahlrohr mit einer Fließgrenze n_d = 70 kp/mm², einer Länge / = 7 cm, einem Durchmesser D = 3 cm und einer Wandstärke Λ =0,1 cm in einer Kompressionsspule mit einer Induktivität L = 0,68 aH und einer Windungszahl η = 8 Windungen komprimiert werden. Der Umformweg u soll etwa 2 mm betragen. Die spezifische elektrische

Leitfähigkeit χ des Stahls beträgt ~ von der des

Kupfers (x_Cu = 5,56 · 10⁵ A/Vcm). Als Feldkonzentrator dient ein Kupfer-Beryllium-Rohr mit einer radialen Dicke von 1,5 cm. Der mittlere radiale Luftspalt h_R zwischen Kompressionsspule, Feldkonzentrator und Stahlrohr beträgt 0,1 cm. Die aufzuwendende Gesamtenergie W_gus soll 25 kWs betragen. Für die Ladespannung steht eine Spannungsquelle zur Verfügung, die maximal 40 kV liefert. Es werden nun mit Ladekondensatoren verschiedener Kapazität mehrere Testversuche durchgeführt. Dabei ist immer darauf zu achten, daß die Bedingung für die Gesamtenergie W_ges = \ CU² = 25 kWs erfüllt

bleibt.

In dem Kurvenblatt ist das Ergebnis der Testversuche für das vorliegende Umformproblem graphisch dargestellt. Auf der Abszisse ist die Entladefrequenz/ in Hz und auf der Ordinate der Umformweg μ in Millimeter aufgetragen. Der Verlauf

der Kurve zeigt, daß bei der Frequenz von 3 · 10* Hz der maximale Umformweg von etwas mehr als 2 mm erzielt wird. Die optimale Entladefrequenz f_opl beträgt somit im vorliegenden Fall 3 - 10* Hz. Dieser Frequenz entspricht ein Ladekondensator mit einer Kapazität C = 40 μΡ und einer Ladespannung von 35 kV.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zum elektrodynamischen Umformen fester metallischer Werkstücke mit Hilfe von zeitlich veränderlichen Magnetfeldern, die in einem Entladekreis durch Stoßentladung eines Kondensators in einer Spule erzeugt werden und im festgehaltenen Werkstück Wirbelströme induzieren mit einem für den Umformprozeß optimalen Wirkungsgrad bei einem minimalen Energieaufwand, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladekreisdaten des Entladekreises derart bemessen sind, daß bei vorgegebener f>5 Gesarutenergie die Frequenz des Entladekreises der jeweiligen limformaufgabe optimal angepaßt ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen