DE19602951C2

DE19602951C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufweiten von Rohren oder rohrförmigen Teilen durch das Magnetfeld eines Strom-Impulses

Info

Publication number: DE19602951C2
Application number: DE19602951A
Authority: DE
Inventors: Erich Steingroever
Original assignee: Magnet Physik Dr Steingroever GmbH
Current assignee: Magnet Physik Dr Steingroever GmbH
Priority date: 1996-01-27
Filing date: 1996-01-27
Publication date: 2000-12-07
Anticipated expiration: 2016-01-28
Also published as: US5813264A; DE19602951A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufweiten von Rohren oder rohrförmigen Teilen aus elektrisch gut leitenden Werkstoffen mit niedriger Fließgrenze, wie Cu, AL oder entsprechende Legierungen, durch das in einer Hochstromschleife erzeugte Magnetfeld eines Strom-Impulses und bezieht sich außerdem auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Bei einem derartigen bekannten Verfahren (Magnetform magnetic forming machines. In: Machinery, February 6, 1963, S. 327-328) werden magnetische Formgebungs-Maschinen für eine Vielzahl von Operationen, wie Zusammendrücken und Aufweiten von Rohrteilen, zum Formen, Prägen, Zusammenfügen, Verbinden und Umhüllen von losen Teilen, zum Aufpressen, Schneiden, Scheren und ähnlichen Bearbeitungsvorgängen mit einfachen Werkzeugen eingesetzt.

Die magnetischen Formgebungs-Maschinen haben eine Anordnung von Kondensatoren, mit denen Magnetfelder mit Feldstärken bis zu 30.000 Gauß für Zeitabschnitte bis zu 20 Mikrosekunden erzeugt werden können, wenn sie durch die Hochstromschleife entladen werden. Ein Zeitabschnitt von einigen Sekunden ist dann zum Aufladen der Kondensatoren erforderlich, so daß der gesamte Bearbeitungskreislauf etwa 6 Sekunden beansprucht.

Drei Grundtypen von Hochstromschleifen oder Hochstromspulen werden dabei eingesetzt, die die meisten Anwendungen zum magnetischen Formen abdecken. Die erste Type einer Hochstromschleife oder -spule umgibt das Werkstück und dient zum Zusammendrücken von Rohrteilen, wie sie zum Beispiel zum Prägen von Einsatzstücken, für Stopfen, Fittinge, Anschlußklemmen und Verbindungsmuffen benötigt werden. Die Verformung der Rohreile durch die Magnetkraft ist so stark, daß das Metall in eine Anzahl von Ringnuten an dem Rohrteil eindringt und dadurch eine Verbindung mit hoher Zug- oder Dehnfestigkeit herstellt.

Eine Spule vom zweiten Typ wird in die Öffnung eines rohrförmigen Teiles zum Aufweiten eingeführt, wobei ein Bördeln oder beispielsweise ein Umbördeln durch Anwendung einer Magnetkraft erfolgen kann.

Dabei können Hochstromschleifen oder -spulen verschiedenster Art zum Formen von Profilen oder zum Kalibrieren mit Hilfe von Dornen oder Rohrgewinden eingesetzt werden.

Hochstromschleifen oder -spulen der dritten Type dienen zum Profilieren von flachen Werkstücken und auch zum Prägen, Schneiden und für Punz-Operationen.

Ein anderer Anwendungsfall des magnetischen Formgebungsverfahrens ist das Formen eines Aluminiumringes zum Zusammenhalten der Lagerbügel, der Ständeranordnung und des Rotors von Elektromotoren. Die verschiedenen Teile werden lose in dem Ring angeordnet, und das Ganze wird dann in die Hochstromschleife eingeführt. Wenn die Hochstromschleife oder -spule erregt wird, wird der Metallring durch die Wirkung der Magnetkraft derart verformt, daß er sich dicht um alle Vorsprünge und in alle Vertiefungen an den Stator-Blechen einfügt und sich auch um die Enden herumlegt. Hierdurch werden Bolzen und Niete ebenso wie Schweiß- und Lötvorgänge und andere Arbeitsgänge zum Zusammenbau vermieden.

Das magnetische Formgebungsverfahren kann für einen weiten Anwendungsbereich zum Verformen von leicht und mittelschweren Metallen mit guter elektrischer Leitfähigkeit einschließlich Messing, Kupfer, Aluminium und Molybdän eingesetzt werden. Nichtrostender Edelstahl, der eine geringe elektrische Leitfähigkeit hat kann mit Hilfe einer Aluminiumhülse oder -schicht verformt werden, oder nachdem Kupfer oder ein anderes Material mit guter elektrische Leitfähigkeit durch Galvanisieren auf der Oberfläche abgeschieden worden ist.

Derartige magnetische Formgebungsverfahren sind auch in den folgenden Druckschriften beschrieben.

1. US 5 457 977
2. Szilas, M.: "Magnetformverfahren" In: Technische Rundschau Nr. 22, 61. Jg., 30. Mai 1969, S. 9-11
3. "Magnetic forming" In: Metal Forming, Juni 1969, S. 163-166
4. Rafailoff, L. und Schmidt, V.: "Fügen von rohrförmigen Werkstücken aus Metall und Porzellan durch Magnetumformung" In: Industrie-Anzeiger, 97. Jg., Nr. 5 v. 22.01.1975, S. 79-82
5. Schenk, H.: "Untersuchungen an einfachen und zusammengesetzten Feldkonzentratoren für die Umformung von Rohren mit magnetischen Kräften" In: Bänder Bleche Rohre 10 (1969) Nr. 4, S. 226-230

Allen diesen bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß zum Aufweiten von rohrförmigen Werkstücken Arbeitsspulen dienen, die sich im Inneren des Werkstückes befinden. Diese sogenannten Expansionsspulen (insbesondere Aufsatz "Magneformverfahren" von M. Szilas, Bild 3) müssen entsprechend denen Durchmesser und der Arbeitslänge speziell für das Werkstück angefertigt werden. Dies ist in jeder Hinsicht kostenaufwendig und erschwert die Durchführung des Verfahrens. Außerdem ist es insbesondere bei Werkstücken mit einer im Verhältnis zum Durchmesser großen Wanddicke mitunter schwierig, die zum Aufweiten des Werkstückes notwendige Magnetkraft mittels solcher Expansionsspulen zu erzeugen, wenn diese in das Innere des Werkstückes eingeführt werden müssen.

Mit einer Arbeitsspule, die das Werkstück umgibt, lassen sich hingegen nach den bekannten Verfahren nur rohrförmige Teile einschnüren, nicht jedoch aufweiten. Daher der Name Kompressionsspulen, wenn diese Arbeitsspulen das Werkstück umgeben. In diesem Fall ist es möglich, mit Hilfe eines sogenannten Feldformers, die Feldenergie auf die zur Umformung bestimmten Zonen eines Werkstückes zu konzentrieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und auch eine zum Durchführen dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung so zu verbessern, daß Rohre oder rohrförmige Teile aus elektrisch gut leitenden Werkstoffen mit niedriger Fließgrenze, wie Cu, AL oder entsprechende Legierungen, durch das in einer Hochstromschleife erzeugte Magnetfeld eines Strom-Impulses mit höchster Formtreue und Paßgenauigkeit in einfacher Weise verformt und schnell und preiswert hergestellt und auch in Form von Steckverbindungen, insbesondere wenn die ineinandergreifenden Teile eine enge Passung haben, fest miteinander verbunden werden können, ohne daß es erforderlich ist, eine Expansionsspule der bekannten Art in das Innere des rohrförmigen Werkstückes einzuführen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Magnetfeld von außen auf ein Rohr oder einen Ring aus elek trisch leitendem Werkstoff einwirkt, und daß der Strom Impuls im Bereich (ωt = 0 . . . π) die Form einer Sinus-Halbwelle hat und dann (ωt < π . . . ∞) gedämpft oder aperiodisch abklingt oder Null ist.

Besonders vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß für das Aufweiten von Rohren oder rohrförmigen Werkstücken überraschenderweise nicht dem Rohrdurchmesser angepaßte spezielle Expansionsspulen erforderlich sind, sondern daß vielmehr Kompressionsspulen eingesetzt werden können, die das Rohr oder das rohrförmige Werkstück umgeben und erfor derlichenfalls mit einem Feldformer in einfacher Weise an den jeweiligen Rohrdurchmesser angepaßt werden können, ohne die Stärke des Magnetfeldes nachteilig zu beeinflussen.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt auch ein magnetisches Verformen von Eisen- oder Stahlhülsen, also Hülsen aus einem elektrisch schlecht leitenden Material, die mit einer Hülse aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff, wie eine Aluminium-Hülse, umgeben sind, die den für die magnetische Verformung erforderlichen Stromdurchgang erlaubt und nach dem Verformen von der Eisen- oder Stahlhülse entfernt wird. Dies kann durch Abdrehen auf der Drehbank oder auch durch eine konische Form der Hülsen durch Herausdrücken geschehen.

Ebenso ist auch das Schrumpfen von Stahlrohren, die elektrisch schlecht leitend sind, mit einem Druckring aus einem elektrisch gut leitenden Material, wie Kupfer, Aluminium oder dergleichen möglich. Dieser Druckring schiebt das Metall des Stahlrohres bei dem magnetischen Verformungsvorgang vor sich her. Der Ring kann entweder auf dem Stahlrohr bleiben oder erfindungsgemäß durch den Impuls der zweiten Viertelwelle der Sinus-Halbwelle geweitet werden, so daß er von dem Stahlrohr leicht entfernbar ist. Das Aufweiten kann aber auch alleine, also ohne einen zusätzlichen Druckring, für Rohre aus elektrisch gut leitenden Werkstoffen benutzt werden.

Eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung, bei der das verformende Magnetfeld in einem Feldkonzentrator (Feldformer) erzeugt wird, ist nach Patentanspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Feldkonzentrator in einer Hochfeldspule angeordnet ist.

Der Feldkonzentrator kann dabei vorteilhafterweise an die Sekundärseite eines Impuls- Transformators nach dem Patent 44 23 992 angeschlossen sein.

Vorteil des Impuls-Transformators nach dem Patent 44 23 992 ist die sichere Trennung der Hochspannungsseite (bei einer Ladespannung der als Energiespeicher dienenden Kondensatoren von z. B. 3000 V) von der Arbeitsseite der Vorrichtung. Bei einer Windungszahl von 30 des Impuls-Transformators ergibt sich somit eine Spannung von z. B. 3000 V/30 = 100 V.

Entsprechend hoch ist der Sekundärstrom, nämlich 30 mal höher als der Primärstrom (z. B. 300 kA bei 300000 A/30 = 10000 A).

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Impuls-Diagrammen und schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Impuls-Diagramm, bei dem der Strom-Impuls im Bereich (ωt = 0 . . . π) die Form einer Sinus-Halbwelle hat und dann (ωt < π . . . ∞) gedämpft oder aperiodisch ab klingt,

Fig. 2 ein zweites Impuls-Diagramm, bei dem der Strom-Impuls im Bereich (ωt = 0 . . . π) die Form einer Sinus-Halbwelle hat und dann (ωt < π) Null ist,

Fig. 3 einen Feldkonzentrator mit einem aufzuweitenden Rohr aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff in perspektivischer Darstellung,

Fig. 4 einen senkrechten Schnitt durch die Anordnung von Feldkonzentrator und aufzuweitendem Rohr gemäß Schnittlinie IV-IV von Fig. 3,

Fig. 5 die perspektivische Darstellung des Feldkonzentrators mit dem aufgeweiteten Rohr,

Fig. 6 die zugehörige Schnittdarstellung gemäß Schnittlinie VI-VI von Fig. 5,

Fig. 7 einen schematischen Schnitt durch einen Feldkonzentrator, der zum Aufschrumpfen eines Stahlrohrs auf ein Rohr mittels eines Druckringes aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff dient, in einem ersten Arbeitsschritt,

Fig. 8 den Aufschrumpf-Vorgang in einem zweiten Arbeitsschritt und

Fig. 9 das Aufweiten und Entfernen des Druckringes von der Rohrverbindung in einem dritten Arbeitsschritt.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in den beiden Impuls-Diagrammen von Fig. 1 und Fig. 2 der Verlauf von Stromimpulsen gezeigt, die in einem Feldkonzentrator 1 erzeugt worden sind, und zwar in Form einer Sinus-Halbwelle, die nach Erreichen des Null-Durchganges gedämpft oder aperiodisch abklingt bzw. Null ist, und zwar anhand von Kurven für den Strom verlauf und die dadurch in dem Feldkonzentrator von Fig. 3 bis Fig. 9 hervorgerufenen elektromagnetischen Kräfte.

Die Kurven a und b für den Stromverlauf, die daraus resultierende Kurve c und die im Feldkonzentrator hervorgerufenen elektromagnetischen Kräfte, die durch die Flächen d und e in Fig. 1 und Fig. 2 gekennzeichnet sind, werden nachstehend wie folgt definiert:

a: I sinωt.e^-ωt/ωτ mit ωτ = 7
b: dI/dt cosωt.e^-ωt/ωτ
c: P -I.dI/dt = Druck
d: Kompression (ωt = 0 . . . π/2)
e: Depression = Aufweiten (ωt = π/2 . . . 3π/2)

Nach Fig. 1 hat der Strom-Impuls im Bereich (ωt = 0 . . . π) die Form einer gering gedämften Sinus-Halbwelle (ωτ = 7) und klingt dann (ωt < π . . . ∞) gedämpft oder aperiodisch ab.

Dieser Stromverlauf gilt für die Ausführungsbespiele von Fig. 3 bis Fig. 6, bei denen das Verfahren zum Aufweiten von Rohren oder rohrförmigen Werkstücken 2 aus elektrisch gut lei tenden Werkstoffen mit niedriger Fließgrenze, wie CU, AL oder entsprechende Legierungen, eingesetzt wird, und für Fig. 7 bis 9, bei dem es zum Aufweiten des Druckringes 4 benutzt wird.

Wie in Fig. 3 und 4 zu erkennen ist, ist das zu verformende, aufzuweitende Rohr 2 mit einem Stützkern 3 versehen, der ein Schrumpfen während der ersten Viertelwelle des Strom-Impulses (ωt = 0 . . . π/2) verhindert.

Wie sodann in Fig. 5 und 6 gezeigt ist, wird das mit dem Stützkern 3 versehene Rohr 2 erst während der zweiten Viertelwelle (ωt = π/2 . . . π) aufgeweitet und kann dann von dem Stützkern 3 wieder gelöst werden. Auch während der dritten Viertelwelle tritt noch eine aufweitende Kraft auf; sie ist aber geringer als diejenige während der zweiten Viertelwelle.

Der Stützkern 3 besteht entweder aus einem Werkstoff mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie z. B. Messing, oder aus einem elektrisch nicht leitenden Material, wie Kunststoff, Keramik oder dergleichen. Er kann massiv oder rohrförmig ausgebildet sein, z. B. als Fitting mit Bohrung oder dergleichen.

Wie anhand der in Fig. 7 bis 9 in verschiedenen Arbeits schritten gezeigten zweiten Ausführungsform des Verfahrens aufgezeigt wird, kann dieses Verfahren auch zum Formändern von Werkstücken und zum Verbinden von Rohren 2, 2a aus elektrisch schlecht leitenden Werk stoffen, wie Stahl und ähnliche Legierungen, verwendet werden. Hierbei preßt das Magnetfeld des Strom-Impulses während der ersten Viertelwelle des Stromes (ωt = 0 . . . π/2) einen Druckring 4 aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff, wie Kupfer, auf das zu verformende Rohr oder rohrförmige Werkstück 2 (Fig. 8), so daß dieses schrumpft und mit dem eingeschobenen zweiten Rohr 2a fest verbunden wird. Während der zweiten und dritten Viertelwelle (ωt = π/2 . . . 3π/2) des Strom-Impulses (Fig. 9) wirkt das Magnetfeld dann auf den Druckring 4 in umgekehrter Richtung und weitet ihn auf, so daß er von dem verformten Rohr oder Werkstück 2 leicht wieder entfernt werden kann.

Diese drei aufeinanderfolgenden Arbeitsschritte sind in Fig. 7 bis 9 anhand einer Verbindung von zwei ineinander geschobenen Rohren 2, 2a aus elektrisch schlecht leitenden Werkstoffen, wie Stahl oder ähnliche Legierungen, gezeigt, die eine enge Passung haben und durch einen auf die beiden Rohre 2, 2a aufgeschobenen Druckring 4 aus einem elektrisch gut leitenden Werk stoff, wie insbesondere Kupfer, zusammengedrückt und auf diese Weise fest miteinander ver bunden werden.

Das verformende Magnetfeld wird bei allen Ausführungsformen des Verfahrens mit einem Feldkonzentrator 1 (Feldformer) erzeugt, der an die Sekundärseite eines Impuls-Transformators nach der Patentschrift DE 44 23 992 C2 angeschlossen ist.

Zum Aufweiten von Rohren oder eines Druckringes 4 wird die Impulsstärke so gewählt, daß das Rohr 2 in Fig. 6 oder der Druckring 4 in Fig. 9 mit Spiel in der Öffnung des Feldkonzentrators 1 sitzt und aus der Öffnung wieder herausgezogen werden kann.

Ein Feldkonzentrator kann aber auch in runder Ausführung direkt in einer Hochfeldspule ohne Zwischenschaltung eines Impuls-Transformators angeordnet sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch Anwendung finden zum Verformen von Rohren, insbesondere aus Stahl, Stahllegierungen, Leichtmetall-Legierungen und dergleichen, auf einen kleineren Durchmesser, auf ein unrundes Profil (zum Beispiel Sechskant), auf ein Gewin deprofil, auf einen Fitting, auf ein anderes kleineres Rohr oder dergleichen, wobei dann entspre chend geformte und bemessene Stützkerne in das zu verformende Rohr oder rohrförmige Werkstück eingeschoben werden.

Liste der Bezugszeichen

1

Feldkonzentrator

2

Rohr, rohrförmiges Werkstück

2

a Rohr

3

Stützkern

4

Druckring
a: I sinωt.e^-ωt/ωτ

mit ωτ = 7
b: dI/dt cosωt.e^-ωt/ωτ

c: P -I.dI/dt = Druck
d: Kompression (ωt = 0 . . . π/2)
e: Depression = Aufweiten (ωt = π/2 . . . 3π/2)

Claims

1. Verfahren zum Aufweiten von Rohren oder rohrförmigen Teilen aus elektrisch gut leitenden Werkstoffen mit niedriger Fließgrenze, wie Cu, AL oder entsprechende Legierungen, durch das in einer Hochstromschleife erzeugte Magnetfeld eines Strom- Impulses, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld von außen auf ein Rohr oder einen Ring aus elektrisch leitendem Werkstoff einwirkt, und daß der Strom-Impuls im Bereich (ωt = 0 . . . π) die Form einer Sinus-Halbwelle hat und dann (ωt < π . . . °°) gedämpft oder aperiodisch abklingt oder Null ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verformende, aufzuweitende Rohr mit einem Stützkern versehen ist, der ein Schrumpfen während der ersten Viertelwelle des Strom-Impulses (ωt = 0 . . . π/2) verhindert, und daß das Rohr während der zweiten Viertelwelle (ωt = π/2 . . . π) aufgeweitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stützkern aus einem Werkstoff mit geringer elektrischer Leitfähigkeit wie Messing, oder aus einem elektrisch nicht leitenden Material, wie Kunststoff, Keramik oder dergleichen, verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es unter Verwendung eines Druckringes aus elektrisch gut leitendem Material zum Formändern von Werkstücken aus elektrisch schlecht leitenden Werkstoffen, wie Stahl und ähnliche Legierungen, eingesetzt wird, indem das Magnetfeld des Strom-Impulses während der ersten Viertelwelle des Stromes (ωt = 0 . . . π/2) den Druckring in einem ersten Schritt auf das zu verformende Teil preßt, so daß dieses schrumpft, und daß das Magnetfeld während der zweiten Viertelwelle (ωt = π/2 . . . π) des Stromimpulses in einem zweiten Schritt auf den Druckring in umgekehrter Richtung wirkt und ihn aufweitet, so daß dieser leicht von dem verformten Werkstück entfernt werden kann.

5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das verformende Magnetfeld in einem Feldkonzentrator erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldkonzentrator in einer Hochfeld-Spule angeordnet ist.