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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Aufbringen von Druck- und/oder Zugkräften auf ein im wesentlichen
stabförmiges
Werkstück
aus elektrisch leitfähigem
und/oder magnetisierbarem Material, wobei an das Werkstück ein Magnetfeld
anlegbar ist, welches in Richtung der aufzubringenden Kraft einen
Gradienten aufweist.
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Im wesentlichen stabförmige Werkstücke im Sinne
dieser Erfindung sind solche Werkstücke, deren Ausdehung in axialer
Richtung die Abmessungen in den lateralen Richtungen deutlich übersteigen. Dies
können
beispielsweise Rohren, Stäbe,
Stangen, Profilstreben oder Flachbänder sein.
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Um derartige Werkstücke beispielsweise
im Rahmen einer Bearbeitungs- oder Fertigungsanlage fortzubewegen
ist es erforderlich, auf diese Werkstücke Druck- und/oder Zugkräfte aufzubringen. Gleichermaßen sind
derartige Kräfte
insbesondere bei Umformvorgängen
erforderlich, bei denen die Werkstücke beispielsweise durch formgebende
Matrizen zur Profilbildung oder Durchmesserveränderung gedrückt oder
gezogen werden. Dies ist beispielsweise beim Ziehen von Rohren erforderlich,
wobei ein Rohr mit einem Durchmesser D1 vor dem Ziehen durch Hindurchziehen
durch eine Matrize bzw. einen Ziehstein unter Materialverformung
zu einem Rohr mit einem kleineren Durchmesser D2 als der Durchmesser D1
verformt wird. Für
einen solchen Vorgang ist es erforderlich, das zu verformende Werkstück, im genannten
Beispiel also das zu ziehende Rohr mit einer entsprechenden Zugkraft
zu beaufschlagen, um einerseits die Verformung und andererseits
den Weitertransport des umzuformenden Werkstückes zu erreichen. Bei bekannten
Umformanlagen, beispielsweise zum Ziehen von Rohren, wird dies üblicherweise
mechanisch erreicht. Ein Greifer greift an einem durch die Umformvorrichtung,
beispielsweise den Ziehstein, hindurchgeführten Ende des Werkstückes an
und wird über
einen mechanischen Antrieb, beispielsweise einen Elektromotor, in
die Zugrichtung bewegt. Auf diese Weise werden die benötigten Zugkräfte zum
Umformen aufgebracht, welche beispielsweise 10 Tonnen betragen können. Bei
den bekannten, mechanischen Anlagen ist jedoch von Nachteil, daß an das
umzuformende, stabförmige
Werkstück stets
ein Zugelement mechanisch anzukoppeln ist, was mit einem nicht unerheblichen
Arbeitsaufwand verbunden ist. Auch ist bei derartigen mechanischen Zugelementen
aufgrund der Mechanik die Geschwindigkeit des Ziehens beschränkt. Bei
typischen Rohrziehanlagen beträgt
diese beispielsweise maximal 300 m Rohrmaterial pro Minute. Dies
ist insbesondere bei sogenannten Kontiziehanlagen, bei denen ein quasi
endloses Werkstück,
beispielsweise ein aufgewickeltesRohr von großer Länge, kontinuierlich zum Umformen
gezogen wird, von Nachteil.
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Bekannt ist aus der
DE 951 407 eine Vorrichtung sowie ein
Verfahren zum Vorwärtsbewegen
von Drähten,
Stangen oder Rohren beliebigen Materials, insbesondere in Metallspritzpistolen.
Vorgesehen sind zu diesem Zweck zwei Schwingspulen, zwischen deren
Pole zwei Anker angeordnet sind, die durch einen Greifer miteinander
verbunden sind. Zusammen mit einer Feder bildet diese Anordnung
ein Ankersystem, welches zwischen den Polen der Schwingspulen hin
und herschwingen kann und welches durch die Feder zur Eigenschwingung
gebracht wird. In Folge der Schwingbewegung des Ankersystems kann
auf einen durch einen Greifer hindurchgeführten Draht eine translatorische
Vorschubbewegung übertragen
werden, wobei eine mechanische Krafteinleitung in den zu transportierenden
Draht mittels des im Ankersystem vorgesehenen Greifers erfolgt.
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Bekannt ist aus dem Stand der Technik
gemäß der
US 3,557,598 des weiteren
eine Einführvorrichtung
für zylindrische,
becherähnliche
Werkstücke,
die einen mit von Strom durchflossenen Metallkernen versehenen Schacht
aufweist. In diesen Schacht hinein werden die Werkstücke gegeben,
die dann einer unterhalb des Schachtes angeordneten und nicht weiter
erläuterten
Kaltverformungseinrichtung zugeführt
werden. Die im Schacht angeordneten und von Strom durchflossenen
Metallkerne sorgen dabei dafür,
daß die
im Schacht befindlichen Werkstücke
nach unten in Richtung auf die Kaltverformungseinrichtung geführt werden.
Erreicht wird dies dadurch, daß mittels
der stromdurchflossenen metallischen Kerne ein Magnetfeld erzeugt
wird, das über
einen in Richtung auf die Kaltvertormungseinrichtung weisenden Gradienten
verfügt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik
ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Aufbringen von
Druck- und/oder Zugkräften
auf ein im wesentlichen stabförmiges
Werkstück
anzugeben, bei welcher unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile
auf den Einsatz mechanischer Greifelemente verzichtet werden kann.
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Zur Lösung der eingangs genannten
Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zum Aufbringen von
Druck- und/oder Zugkräften
auf ein im wesentlichen stabförmiges
Werkstück
aus elektrisch leitfähigem
und/oder magnetisierbarem Material vorgeschlagen mit mit einer Strom
beaufschlagbaren Spulenanordnung zur Ausbildung eines einen in Richtung
der aufzubringenden Kraft weisenden Gradienten aufweisenden Magnetfeldes
auf das Werkstück.
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Die Spulenanordnung kann dabei eine
einzige, inhomogen ausgebildete Spule umfassen, sie weist jedoch
bevorzugt mindestens zwei Spulen auf, welche mit einem über eine
Steuerung individuell für jede
der Spulen einstellbaren Strom beaufschlagbar sind. Unter Spulen
im Sinne dieser Erfindung werden nicht nur Spulen mit mehreren Wicklungen
verstanden, sondern auch einzelnen Leiterschleifen. Die einzelnen
Spulen sind gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung konzentrisch und axial
voneinander beabstandet um eine Werkstückbahn herum angeordnet, entlang
derer das Werkstück
mit einer Druck- und/oder
Zugkraft beaufschlagt werden soll.
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Weiterhin wird mit der Erfindung
eine Vorrichtung vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist,
daß das
Magnetfeld durch eine Spulenanordnung aus mindestens zwei um das
stabförmige
Werkstück herum
und axial voneinander beabstandet angeordneten Spulen erzeugbar
ist, die das Werkstück
ringartig umgeben, wobei die Spulen jeweils zur Erzeugung unterschiedlicher
Magnetfelder von einem Strom durchströmbar sind, wobei die durch
die einzelnen Spulen fließenden
Ströme
alternierend und/oder zwischen zwei benachbarten Spulen phasenverschoben
sind und/oder unterschiedliche Stromstärken aufweisen.
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Durch Anlegen eines mit einem in
Richtung der aufzubringenden Kraft weisenden Gradienten versehenen
Magnetfeldes an das stabförmige
Werkstück
wird in dem elektrisch leitfähigen
und/oder magnetisierbaren Material über einen durch Induktion initiierten
Stromfluß bzw. über eine
Ausrichtung magnetischer Pole ein Magnetfeld erzeugt. Aufgrund dieses
induzierten Magnetfeldes und des Gradienten des äußeren Magnetfeldes wirkt auf
das stabförmige Werkstück eine
in Richtung des Gradienten des äußeren Magnetfeldes
weisende Kraft. Je nach Ausrichtung des Gradienten des äußeren Magnetfeldes kann
somit auf das Werkstück
eine in eine Richtung wirkende Druckkraft bzw. eine in die entgegengesetzte
Richtung wirkende Zugkraft aufgebracht werden. Das Aufbringen der
Kräfte
erfolgt nicht mechanisch, sondern rein über die Wechselwirkung des äußeren Magnetfeldes
mit dem aufgrund dieses Feldes in dem Material des Werkstückes induzierten
Magnetfeld.
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Da bei einer solchen Form des Aufbringens von
Druck- bzw. Zugkräften
eine mechanische Bewegung nicht erforderlich ist, ist bei dieser
Vorrichtung beispielsweise eine Vortriebsgeschwindigkeit beim Umformen
nicht aufgrund mechanischer Vorgaben beschränkt. Es können somit wesentlich höhere Geschwindigkeiten
erreicht werden, als mit den aus dem Stand der Technik bekannten
Anlagen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung kann das einen Gradienten aufweisende Magnetfeld durch
eine stomdurchflossene Spulenanordnung erzeugbar sein, welche einen
inhomogenen Aufbau hat. Ein inhomogener Aufbau einer Spulenanordnung
im Sinne dieser Erfindung kann durch eine einzige Spule verwirklicht
werden, welche eine inhomogene Form aufweist, beispielsweise einen
sich in Längsrichtung
der Spule konisch verjüngenden
Innenraum oder eine sich in Längsrichtung
der Spule verändernde
Wicklungsdichte, und so ein inhomogenes Magnetfeld generiert. Unter
einem inhomogenen Aufbau einer Spulenanordnung soll aber auch eine aus
mehreren Spulen bestehende Spulenanordnung aus mehreren, in ihren
Eigenschaften voneinander abweichenden Spulen verstanden werden.
Mit einer solchen Spulenanordnung ist auf einfache Weise ein mit
einem Gradienten versehenes Magnetfeld erzeugbar, wobei die Spulenanordnung
selbst im Raum feststehend und das Magnetfeld durch Leiten eines
Stromflusses durch die Spulenanordnung erzeugbar ist. Eine solche
Spulenanordnung erfordert keinerlei mechanisch bewegliche Teile,
das Aufbringen von Druck- und/oder Zugkräften auf das Werkstück erfolgt
ausschließlich
aufgrund der durch die Spulenanordnung erzeugten magnetischen Felder.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das einen Gradienten aufweisende
Magnetfeld durch mindestens zwei um das stabförmige Werkstück herum
angeordnete Spulen erzeugbar ist, wobei die Spulen jeweils zur Erzeugung
unterschiedlicher Magnetfelder stromdurchflossen sind. Als Spule
im Sinne dieser Erfindung sollen dabei auch einzelne Leiterschleifen verstanden
werden. Im Rahmen dieser Weiterbildung der Erfindung können zwei
gleichartig aufgebaute Spulen axial voneinander beabstandet um das
Werkstück
herum angeordnet sein, wobei zur Erzeugung unterschiedlicher Felder
Ströme
unterschiedlicher Stärke
und/oder Phase durch die Spulen leitbar sind. Erzeugt man das mit
einem Gradienten versehene Magnetfeld mit einer derartigen Anordnung,
so kann bei einer großen
Anzahl von Spulen und einer geeigneten Steuerung ein sehr genau
zu kontrollierender Verlauf des Magnetfeldes erreichbar sein, womit
eine sehr dosierte Aufbringung von Druck- und/oder Zugkräften auf
das stabförmige
Werkstück
möglich
ist.
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Um Druck- und/oder Zugkräfte auf
das stabförmige
Werkstück
kontrolliert aufzubringen, kann gemäß der hier beschriebenen Vorrichtung
in einer vorteilhaften Weiterbildung derselben der durch die Spulen
bzw. Spulenanordnung fließende
Strom in Abhängigkeit
von der Zeit veränderbar
sein. Dies kann dabei periodisch erfolgen, wobei die gewählte Frequenz
vorzugsweise entsprechend einer abhängig von den Materialeigenschaften
und den Abmessungen des stabförmigen
Werkstücks
ausgebildeten Resonanzfrequenz ausgesucht ist. Als eine solche Resonanzfrequenz
wird die Frequenz bezeichnet, bei der mit der gewählten Spulenanordnung
die effezienteste Umsetzung von elektrischer Energie in Druck- bzw.
Zugkräfte
unter Zwischenschaltung der magnetischen Felder erfolgt.
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Um ein Überhitzen der Spulenanordnung
zu verhindern, können
die Spulen gemäß einem
Vorschlag der Erfindung kühlbar
sein, falls erforderlich.
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Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Unterstützung
des Aufbringens von Druck- und/oder Zugkräften auf das stabförmige Werkstück, zur
Aufnahme elektrisch leitfähiger,
mit Strom durchflossener Werkstücke
geeignet. Indem das Werkstück
selbst mit einer äußeren Stromquelle
verbunden und damit stromdurchflossen ist, wird um das Werkstück herum
zusätzlich
zu dem durch das äußere Magnetfeld
induzierten Magnetfeld ein weiteres Magnetfeld erzeugt. Je nach
Richtung des Stromflusses und Polung des äußeren Magnetfeldes kann somit
eine Verstärkung
der auf das Werkstück
aufgebrachten Kraft erreicht werden.
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Um ein Überhitzen des Werkstückes aufgrund
des äußeren Magnetfeldes,
wie es inbesondere bei periodisch wechselndem Magnetfeld erfolgen kann,
zu verhindern, kann gemäß einem
weiteren vorteilhaften Vorschlag der Erfindung eine Werkstückkühlung vorgesehen
sein.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
stabförmige
Werkstücke
transportiert oder zum Umformen durch entsprechende Umformwerkzeuge gezogen
bzw. gedrückt
werden. Die stabförmigen Werkstücke müssen lediglich
aus einem elektrisch leitfähigen
und/oder magnetisierbarem Material gebildet sein. Hierbei kommen
alle elektrisch leitfähigen Metalle
in Betracht, aber auch magnetisch polarisierbare bzw. magnetisierbare
Kunststoffe oder ähnliche Materialien.
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Weitere Vorteile und Merkmale der
Erfindung erschließen
sich einem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand
der einzigen beigefügten
Figur. Dabei zeigt:
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1 in
schematischer Darstellung eine Anordnung zum Ziehen eines Rohres,
wobei die zum Ziehen erforderliche Zugkraft mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf das Rohr aufgebracht wird.
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In 1 schematisch
dargestellt ist ein Ausschnitt aus einem Rohr 1. Das Rohr 1 ist
dargestellt, wie es in Richtung des Pfeils 8 zum Reduzieren
des Rohrdurchmessers durch eine Matrize 4 gezogen wird.
Ein Rohrabschnitt 2 mit dem Ausgangsdurchmesser des Rohres
befindet sich in der Figur linksseitig der Matrize 4. In
der Figur rechts von der Matrize 4 dargestellt ist ein
Rohrabschnitt 3, der einen gegenüber dem Durchmesser des Rohrabschnittes 2 verringerten
Durchmesser aufweist. Weiterhin kann eine Spulenanordnung 5 erkannt
werden, welche sich aus insgesamt vier gleichartigen Spulen 5a bis 5d zusammensetzt,
welche in axialer Richtung des Rohres 1 voneinander beabstandet
und konzentrisch zu dem Rohrabschnitt 3 um diesen herum
angeordnet sind. Die Spulen 5a bis 5d der Spulenanordnung 5 sind
zur Stromversorgung jeweils über
elektrische Leitungen 6a bis 6d mit einer steuerbaren
Stromquelle 7 verbunden.
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Mittels der steuerbaren Stromquelle 7 können über die
elektrischen Leitungen 6a bis 6d auf die Spulen 5a bis 5d der
Spulenanordnung 5 kontrolliert jeweils individuell verschiedende
Ströme
gegeben werden, um so im Bereich der Spulenanordnung 5 ein
Magnetfeld mit einem in Richtung des Pfeils 8 verlaufenden
Gradienten auszubilden. Ein solches mit einem Gradienten versehenes
Magnetfeld induziert in dem Rohrabschnitt 3 des Rohrs aus
einem elektrisch leitfähigen
und/oder magnetisierbaren Material ein sekundäres Magnetfeld. Aufgrund der Wechselwirkung
zwischen dem durch die Spulen 5a bis 5d erzeugten,
mit einem Gradienten versehenen Magnetfeld und dem sekundären Magnetfeld
wird eine Kraft erzeugt, die im gezeigten Ausführungsbeispiel in Richtung
des Pfeils 8 auf den Rohrabschnitt 3 und somit
auf das Rohr 1 wirkt. Mit Hilfe dieser Kraft wird das Rohr 1 durch
die Matrize 4 gezogen und verformt.
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Die gesteuerte Stromquelle 7 kann
dabei so betrieben werden, daß die
durch die Spulen 5a bis 5d jeweils fließenden Ströme zeitlich
veränderbar
sind, wobei die in den Leitungen 6a bis 6d geführten Ströme jeweils
unterschiedlich groß und/oder
phasenverschoben sein können.
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Mit der im Ausführungsbeispiel schematisch dargestellten
Anordnung kann zum Ziehen eines Rohres ohne mechanische Hilfsmittels
eine Zugkraft auch auf das Rohr aufgebracht werden. Einzig aufgrund
des mittels der Spulenanordnung erzeugten primären Magnetfeldes und des in
dem elektrisch leitfähigen
und/oder magnetisierbarem Material des Rohres induzierten sekundären Magnetfeldes
wird die zum Ziehen des Rohres erforderliche Zugkraft ausgebildet.
An Stelle eine Zugkraft auf das Rohr aufzubringen, könnte eine
der Spulenanordnung 5 entsprechende Spulenanordnung an
dem in der Figur links dargestellten Rohrabschnitt 2 angeordnet
werden, wobei die Spulen 5a bis 5d so zu beschalten
wären,
daß eine
ebenfalls in Richtung des Pfeils 8 wirkende Druckkraft
auf das Rohrende 2 ausgeübt wird.
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Das gezeigte Ausführungsbeispiel dient lediglich
der Erläuterung
und ist nicht beschränkend. Insbesondere
kann die Spulenanordnung 5 eine andere Zahl als die vier
dargestellten Spulen 5a bis 5d aufweisen. Auch
kann zur Verstärkung
der zu erzeugenden Druck- bzw. Zugkraft ein Rohr aus leitendem Material
mit der Stromquelle verbunden und so stromdurchflossen sein.
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Bezugszeichenliste
- 1
- Rohr
- 2
- Rohrabschnitt
- 3
- Rohrabschnitt
- 4
- Matrize
- 5
- Spulenanordnung
- 5a
- Spule
- 5b
- Spule
- 5c
- Spule
- 5d
- Spule
- 6a
- elektrische
Leitung
- 6b
- elektrische
Leitung
- 6c
- elektrische
Leitung
- 6d
- elektrische
Leitung
- 7
- gesteuerte
Stromquelle