DE212020000712U1

DE212020000712U1 - Einrichtung zur Entkopplung des elektrischen Effekts bei elektromagnetischer Umformung

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Publication number: DE212020000712U1
Application number: DE212020000712.8U
Authority: DE
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2022-05-06
Anticipated expiration: 2030-12-04
Also published as: CN111014419A; CN111014419B; WO2021129338A1

Abstract

Einrichtung zur Entkopplung des elektrischen Effekts bei elektromagnetischer Umformung, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Pulsentladungskreis, eine Magnetfelderzeugungseinrichtung, einen Feldformer, ein elektromagnetisches Abschirmmodul und einen Antriebsring umfasst;
wobei der Pulsentladungskreis mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung verbunden ist und zum Bereitstellen eines Pulsstroms für die Magnetfelderzeugungseinrichtung dient;
wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Antriebsmagnetfelds in Abhängigkeit von dem Pulsstrom dient;
wobei der Feldformer zum Konzentrieren des Antriebsmagnetfelds auf die Nähe des Antriebsrings dient;
wobei das elektromagnetische Abschirmmodul zum Abschirmen gegen ein Magnetfeld eines Werkstücks in einer axialen Richtung dient;
wobei der Antriebsring dazu dient, eine Abschirmung gegen ein Magnetfeld des Werkstücks in einer radialen Richtung zu bewirken und mittels der Wechselwirkung seines eigenen Induktionsstroms mit dem Antriebsmagnetfeld eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, um somit ihn selbst und das Werkstück gleichzeitig zur radialen Dehnung anzutreiben;
wobei beim Betrieb durch das elektromagnetische Abschirmmodul und den Antriebsring effektiv eine Abschirmung gegen einen induzierten Wirbelstrom eines elektromagnetischen Felds an dem Werkstück und somit eine Entkopplung der Wirkung des elektrischen Stroms und der Wirkung der durch den elektrischen Strom erzeugten Wärme von dem Werkstück bewirkt werden und somit eine Entkopplung des elektrischen Stroms bei elektromagnetischer Umformung erreicht wird, um Wirkungen des elektrischen Stroms und der Hochgeschwindigkeitsverformung bei elektromagnetischer Umformung voneinander zu trennen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung gehört zu dem Gebiet der Umformungstechnologie und betrifft konkret eine Einrichtung zur Entkopplung des elektrischen Effekts bei elektromagnetischer Umformung.
STAND DER TECHNIK
Bei der elektromagnetischen Umformungstechnologie handelt es sich um ein neuartiges Hochgeschwindigkeitsumformverfahren, bei dem in einer Umgebung bei der Raumtemperatur hohe Geschwindigkeit, hoher Temperaturanstieg und starker elektrischer Strom miteinander zusammenwirken. Durch elektromagnetische Umformung kann die Formbarkeit der Aluminiumlegierung, der Magnesiumlegierung und der anderen bei der Raumtemperatur schwer umzuformenden Leichtmetalle erheblich verbessert, der Anwendungsbereich der Leichtmetalle bei den Gebieten Verkehr und Transport, Luft- und Raumfahrt usw. erweitert und der Leichtbau auf den betroffenen Gebieten beschleunigt werden.
Jedoch befindet sich die elektromagnetische Umformungstechnologie noch im Forschungsstadium und bei elektromagnetischer Umformung ist das Material innen gleichzeitig den Wirkungen einer hohen Verformungsgeschwindigkeit, eines hohen Temperaturanstiegs und eines starken elektrischen Stroms ausgesetzt. Dabei ist die Wirkungsweise der Verformung kompliziert und schwer zu erforschen. Des Weiteren ergeben sich sowohl die Antriebskraft der Hochgeschwindigkeitsverformung eines Werkstücks als auch die Wärmequelle des Temperaturanstiegs bei elektromagnetischer Umformung aus der Wirkung eines starken elektrischen Stroms und aufgrund der Kopplung mehrerer physikalischer Felder aneinander lässt sich der elektrische Strom schwer zur Untersuchung von der elektromagnetischen Umformung entkoppeln, was ein wesentliches Hindernis für die Forschung, die Entwicklung und die Anwendung der elektromagnetischen Umformungstechnologie darstellt.
Als ein einfacher elektromagnetischer Umformprozess, bei dem ein eindimensionales und uniaxiales Ziehen erfolgt, wird der elektromagnetische Ringdehnungsversuch häufig als Verfahren zum Untersuchen der Wirkungsweise der Materialverformung bei elektromagnetischer Umformung verwendet. Bei dem elektromagnetischen Ringdehnungsversuch wird mittels einer elektromagnetischen Spule ein Magnetfeld erzeugt, womit in einem Metallring ein Induktionsstrom erzeugt wird, der durch seine Wechselwirkung mit dem Magnetfeld eine elektromagnetische Kraft erzeugt und somit den Metallring zum Dehnen antreibt. Somit können die mechanischen Eigenschaften eines Materials gleichzeitig unter Einwirkung des Ziehens mit hoher Geschwindigkeit, des starken elektrischen Stroms und des hohen Temperaturanstiegs bei elektromagnetischer Umformung gut widergespiegelt werden, aber bei dem bestehenden elektromagnetischen Ringdehnungsversuch sind die einzelnen Einflussfaktoren schwer zur Untersuchung zu entkoppeln.
Zurzeit sind Untersuchungen zum Entkoppeln mehrerer Faktoren bei elektromagnetischer Umformung in der Regel in zwei Teile, nämlich Untersuchungen des Hochgeschwindigkeitsverformungsverhaltens und Untersuchungen des elektroplastischen Effekts, unterteilt. Gängige Verfahren zur Untersuchung des Hochgeschwindigkeitsverformungsverhaltens umfassen einen Hopkinson-Stab-Versuch und einen Schnellzugversuch mit elektromagnetischem Antrieb, während als gängiges Verfahren zur Untersuchung des elektroplastischen Effekts ein quasi-statischer Zugversuch beim Bestromen verwendet wird. Erstens wird sowohl bei dem Hopkinson-Stab-Versuch als auch bei dem Schnellzugversuch mit elektromagnetischem Antrieb ein stabförmiger Prüfling zur Zugprüfung verwendet, sodass ein bestimmter Endeffekt vorhanden ist. Zweitens handelt es sich bei der elektromagnetischen Umformung nicht um einen gleichmäßigen Zugvorgang und weder der Hopkinson-Stab-Versuch noch der Schnellzugversuch mit elektromagnetischem Antrieb kann den Verformungsprozess eines Materials bei elektromagnetischer Umformung perfekt simulieren. Trotz der breiten Anwendung der Untersuchung des elektroplastischen Effekts bei der Untersuchung der Wirkung starker elektrischer Ströme handelt es sich dabei schließlich um einen quasistatischen Prozess und das Stromniveau weist eine bestimmte Abweichung von dem Stromniveau bei elektromagnetischer Umformung auf. Durch separate Untersuchung der zwei Faktoren kann der Verformungsprozess des Materials bei elektromagnetischer Umformung nicht gut widergespiegelt werden.
INHALT DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, angesichts der Nachteile im Stand der Technik eine Einrichtung zur Entkopplung des elektrischen Effekts bei elektromagnetischer Umformung bereitzustellen, um somit das Problem bei bestehender elektromagnetischer Umformung zu lösen, dass elektrische Ströme große elektromagnetische Kräfte zum Antreiben eines Werkstücks zum Verformen bereitstellen und gleichzeitig dabei die starken elektrischen Ströme selbst und der dadurch verursachte Joulesche Erwärmungseffekt große Einflüsse auf das Verformungsverhalten eines Materials ausüben, wobei aufgrund der Kopplung der Wirkungen des elektrischen Stroms, der Wärme und der Hochgeschwindigkeitsverformung aneinander, der komplizierten physikalischen Prozesse und der hohen Anzahl an Variablen die Einflüsse der einzelnen physikalischen Größen auf das Verformungsverhalten des Materials schwer zu entkoppeln sind.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Einrichtung zur Entkopplung des elektrischen Effekts bei elektromagnetischer Umformung bereit, die einen Pulsentladungskreis, eine Magnetfelderzeugungseinrichtung, einen Feldformer, ein elektromagnetisches Abschirmmodul und einen Antriebsring umfasst; wobei der Pulsentladungskreis mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung verbunden ist und zum Bereitstellen eines Pulsstroms für die Magnetfelderzeugungseinrichtung dient; wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Antriebsmagnetfelds in Abhängigkeit von dem Pulsstrom dient; wobei der Feldformer zum Konzentrieren des Antriebsmagnetfelds auf die Nähe des Antriebsrings dient; wobei das elektromagnetische Abschirmmodul zum Abschirmen gegen ein Magnetfeld an einem Werkstück in einer axialen Richtung dient; wobei der Antriebsring dazu dient, eine Abschirmung gegen ein Magnetfeld an dem Werkstück in einer radialen Richtung zu bewirken und mittels der Wechselwirkung seines eigenen Induktionsstroms mit dem Antriebsmagnetfeld eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, um somit ihn selbst und das Werkstück gleichzeitig zur Verformung anzutreiben; wobei beim Betrieb durch das elektromagnetische Abschirmmodul und den Antriebsring effektiv eine Abschirmung gegen einen induzierten Wirbelstrom eines elektromagnetischen Felds an dem Werkstück und somit eine Entkopplung der Wirkung des elektrischen Stroms und der Wirkung der durch den elektrischen Strom erzeugten Wärme von dem Werkstück bewirkt werden und somit eine Entkopplung des elektrischen Stroms bei elektromagnetischer Umformung erreicht wird, um Wirkungen des elektrischen Stroms und der Hochgeschwindigkeitsverformung bei elektromagnetischer Umformung voneinander zu trennen.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass das elektromagnetische Abschirmmodul zwei übereinander und symmetrisch angeordnete Abschirmeinheiten umfasst, wobei jede der Abschirmeinheiten einen Metallring, eine Isolierverstärkungsschicht und eine Gewindestange umfasst, wobei die Isolierverstärkungsschicht auf der äußeren Seite des Metallrings angeordnet ist, und wobei die Gewindestange zum Fixieren des elektromagnetischen Abschirmmoduls dient.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass das elektromagnetische Abschirmmodul ferner eine Metallabschirmplatte umfasst, die in der Isolierverstärkungsschicht eingelassen ist und zum Verhindern einer Verformung des elektromagnetischen Abschirmmoduls bei einer Entladung dient. Dabei ist die Metallabschirmplatte wiederverwendbar.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Antriebsring ein Metallring aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ist und der Außendurchmesser des Antriebsrings dem Innendurchmesser des Werkstücks gleicht, wobei beim Betrieb der Antriebsring eng an dem Werkstück anliegt und sich unter Einwirkung der elektromagnetischen Kraft zusammen mit dem Werkstück verformt.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass sowohl die Höhe der Metallabschirmplatte als auch die Dicke des Antriebsrings größer als die Eindringtiefe des Pulsentladungsstroms sind.
Dabei ist die Höhe des Antriebsrings größer als die Höhe des Werkstücks. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Höhe des Antriebsrings dem 1,5- bis 2-Fachen der Höhe des Werkstücks entsprechen kann.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Durchmesser sowohl des Antriebsrings als auch des Werkstücks erheblich größer als die Höhen und die Breiten ihrer eigenen Querschnittsflächen sind.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung, der Feldformer, der Antriebsring und das Werkstück räumlich koaxial angeordnet sind und ihre horizontale Mittelpunkte in derselben Ebene liegen.
Die Magnetfeldabschirmmodule sind übereinander und symmetrisch angeordnet und dazwischen bleibt ein für das Antreiben des Antriebsrings und des Werkstücks zum Bewegen ausreichender Raum zurück. Die Befestigung erfolgt durch zwei jeweils oben bzw. unten angeordnete Gewindestangen, um sicherzustellen, dass das Werkstück während der Bewegung keiner elektromagnetischen Kraft in der axialen Richtung ausgesetzt ist und ungehindert eine radiale Bewegung ausführt.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Feldformer ein Metallring mit einem trapezförmigen Profil ist, wobei der Feldformer aus einem nichtferromagnetischen Material (beispielsweise Kupfer, Aluminium) mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (> 20×10⁶ S-m^-1) hergestellt ist. Der Feldformer ist kein vollständiger Ring und weist vielmehr in einer radialen Richtung eine von innen nach außen verlaufende Aussparung auf, um einen in dem Feldformer erzeugten induzierten Wirbelstrom in Umfangsrichtung zu unterdrücken und die Funktion zum Konzentrieren des Magnetfelds zu erfüllen. Die innere längere Seite des Feldformers hat die gleiche Höhe wie eine Magnetspule und die äußere kürzere Seite des Feldformers hat die gleiche Höhe wie der Antriebsring. Der Feldformer ist auf der äußeren Seite der Magnetfelderzeugungseinrichtung fixiert. Somit wird das Magnetfeld weitestgehend auf die Nähe des Antriebsrings konzentriert und die Nutzungseffizienz der Entladungsenergie maximiert. Durch Fixieren auf der äußeren Seite der Magnetfelderzeugungseinrichtung wird eine Verschiebung bei wiederholten Prüfungen verhindert.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung eine Magnetspule ist, die auf einem H-förmigen Spulenkörper aufgewickelt und mittels eines Isolierverstärkungsmaterials verstärkt ist, wobei die Isolierverstärkungsschicht an der Außenseite sehr dünn ist und eng an dem Feldformer anliegt. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung umfasst eine auf einem H-förmigen Spulenkörper aufgewickelte Magnetspule und ein Isolierverstärkungsmaterial, wobei das Isolierverstärkungsmaterial zur Verstärkung dient und die Außenseite des Isolierverstärkungsmaterials eng an dem Feldformer anliegt.
Gegenüber dem Stand der Technik zeichnet sich die obige Ausgestaltung nach der vorliegenden Erfindung durch die folgenden technischen Vorteile aus.
Da in der vorliegenden Erfindung bei einer bestehenden elektromagnetischen Umformungseinrichtung zusätzlich ein elektromagnetisches Abschirmmodul und ein Antriebsring vorgesehen sind, werden beim Betrieb durch das elektromagnetische Abschirmmodul und den Antriebsring effektiv eine Abschirmung gegen einen induzierten Wirbelstrom eines elektromagnetischen Felds an dem Werkstück und somit eine Entkopplung der Wirkung des elektrischen Stroms und der Wirkung der durch den elektrischen Strom erzeugten Wärme von dem Werkstück bewirkt und somit wird eine Entkopplung des elektrischen Stroms bei elektromagnetischer Umformung erreicht, um Wirkungen des elektrischen Stroms und der Hochgeschwindigkeitsverformung bei elektromagnetischer Umformung voneinander zu trennen.
Indem bei der vorliegenden Erfindung ferner die Metallabschirmplatte in der Isolierverstärkungsschicht eingelassen ist, wird sichergestellt, dass sich das elektromagnetische Abschirmmodul bei einer Entladung nicht verformt. Die Metallabschirmplatte ist wiederverwendbar. Des Weiteren ist bei der vorliegenden Erfindung die Magnetfelderzeugungseinrichtung als eine Magnetspule mit mehreren Windungen ausgebildet, deren innerer Spulenkörper und äußere Isolierverstärkungsschicht ausreichende Festigkeit aufweisen, um sicherzustellen, dass sich die Magnetspule bei einer Entladung nicht verformt.
Bei der vorliegenden Erfindung ist ferner der Feldformer als ein Metallring mit einem trapezförmigen Profil ausgebildet und aus einem nichtferromagnetischen Material (beispielsweise Kupfer, Aluminium) mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (> 20×10⁶ S·m^-1) hergestellt. Seine innere längere Seite weist die gleiche Höhe wie die Magnetspule auf und seine äußere kürzere Seite hat die gleiche Höhe wie der Antriebsring. Somit wird das Magnetfeld weitestgehend auf die Nähe des Antriebsrings konzentriert und die Nutzungseffizienz der Entladungsenergie maximiert. Durch Fixieren auf der äußeren Seite der Magnetfelderzeugungseinrichtung wird eine Verschiebung bei wiederholten Prüfungen verhindert. Der Feldformer ist kein vollständiger Ring und weist vielmehr in einer radialen Richtung eine von innen nach außen verlaufende Aussparung auf, um einen in dem Feldformer erzeugten induzierten Wirbelstrom in Umfangsrichtung zu unterdrücken und die Funktion zum Konzentrieren des Magnetfelds zu erfüllen.
Bei der vorliegenden Erfindung sind ferner sowohl der Metallring als auch der Antriebsring in dem elektromagnetischen Abschirmmodul aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt und sowohl die Höhe der Metallabschirmplatte als auch die Dicke des Antriebsrings in dem elektromagnetischen Abschirmmodul sind größer als die Eindringtiefe des Pulsentladungsstroms. Aufgrund des Hauteffekts konzentriert sich der induzierte Wirbelstrom in dem Metallring und dem Antriebsring des elektromagnetischen Abschirmmoduls, womit sichergestellt wird, dass kein elektrischer Strom in dem Werkstück erzeugt wird. Des Weiteren ist bei der vorliegenden Erfindung die Höhe des Antriebsrings höher als die Höhe des Werkstücks eingestellt. Vorzugsweise entspricht die Höhe des Antriebsrings ungefähr dem 1,5- bis 2-Fachen der Höhe des Werkstücks, womit ein besserer Abschirmeffekt gegen elektrischen Strom sichergestellt werden kann.
Gleichzeitig ist ferner vorzugsweise vorgesehen, dass die Durchmesser sowohl des Antriebsrings als auch des Werkstücks erheblich größer als die Höhen und die Breiten ihrer eigenen Querschnittsflächen sind. Die Verformung der einzelnen Stellen an dem Profil des Werkstücks kann als annähernd gleichmäßig angesehen werden, sodass sein Verformungsprozess annähernd als eindimensionales und uniaxiales Ziehen angesehen werden kann.
Bei der vorliegenden Erfindung sind ferner die Magnetfelderzeugungseinrichtung, der Feldformer, der Antriebsring und das Werkstück räumlich koaxial angeordnet und ihre horizontalen Mittelpunkte liegen in derselben Ebene. Die Magnetfeldabschirmmodule sind übereinander und symmetrisch angeordnet und dazwischen bleibt ein für das Antreiben des Antriebsrings und des Werkstücks zum Bewegen ausreichender Raum zurück. Die Befestigung erfolgt durch zwei jeweils oben bzw. unten angeordnete Gewindestangen, um sicherzustellen, dass das Werkstück während der Bewegung keiner elektromagnetischen Kraft in der axialen Richtung ausgesetzt ist und ungehindert eine radiale Bewegung ausführt.
Bei der vorliegenden Erfindung kann ferner durch Regeln der Entladungsspannung komfortabel und effektiv die Verformungsgeschwindigkeit des Werkstücks geregelt werden. Je größer der Entladungsspannung ist, desto höher ist die Entladungsenergie, was wiederum für größere Kraft zum Antreiben des Materials zum Verformen und schnellere Verformungsgeschwindigkeit des Materials sorgt. Somit kann ein schnelles eindimensionales und uniaxiales Ziehen des Materials bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten erreicht werden und dabei kann die maximale Geschwindigkeit den Bereich von 10² m/s und die maximale Verformungsgeschwindigkeit den Bereich von 10⁵ s^-1 erreichen.
Figurenliste
Es zeigen

1 eine schematische strukturelle Darstellung einer Einrichtung zur Entkopplung des elektrischen Effekts bei elektromagnetischer Umformung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische strukturelle Darstellung einer Magnetfelderzeugungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
3 eine schematische Darstellung des Aufbaus und der Montage eines Feldformers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
4 eine Montagezeichnung der Einrichtung zur Entkopplung des elektrischen Effekts bei elektromagnetischer Umformung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Zum besseren Verständnis der Aufgabe, der technischen Lösung und der Vorteile der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels auf die vorliegende Erfindung näher eingegangen. Es versteht sich, dass das beschriebene konkrete Ausführungsbeispiel lediglich zur Erklärung der vorliegenden Erfindung dient, ohne diese einzuschränken.
1 zeigt eine schematische strukturelle Darstellung einer Einrichtung zur Entkopplung des elektrischen Effekts bei elektromagnetischer Umformung gemäß einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt vorliegenden Erfindung. Zum Erleichtern der Beschreibung sind dabei lediglich im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stehende Teile dargestellt und wie folgt näher erläutert.
Die Einrichtung zur Entkopplung des elektrischen Effekts bei elektromagnetischer Umformung umfasst einen Pulsentladungskreis 1, eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 2, einen Feldformer 3, ein elektromagnetisches Abschirmmodul 4 und einen Antriebsring 5; der Pulsentladungskreis 1 ist mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 verbunden und dient zum Erzeugen eines Pulsstroms und Bereitstellen des Pulsstroms für die Magnetfelderzeugungseinrichtung 2; die Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 erzeugt ein Antriebsmagnetfeld unter Einwirkung des Pulsstroms; der Feldformer 3 dient zum Konzentrieren des Antriebsmagnetfelds auf die Nähe des Antriebsrings 5 und das elektromagnetische Abschirmmodul 4 dient zum Abschirmen gegen ein Magnetfeld in der Nähe eines Werkstücks in einer axialen Richtung; der Antriebsring 5 dient dazu, eine Abschirmung gegen ein Magnetfeld in der Nähe des Werkstücks in einer radialen Richtung zu bewirken und eine Antriebskraft, die das Werkstück zum Dehnen antreibt, zu erzeugen. Das elektromagnetische Abschirmmodul 4 und der Antriebsring 5 wirken miteinander zusammen, um eine Abschirmung gegen ein Magnetfeld an dem Werkstück zu bewirken und mittels der Wechselwirkung des Induktionsstroms an dem Antriebsring 5 mit dem Antriebsmagnetfeld eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, womit der Antriebsring selbst und das Werkstück gleichzeitig zur Verformung angetrieben werden.
Der Pulsentladungskreis 1 umfasst einen Kondensator 11, einen Leitungswiderstand 12 und einen Schalter 13. Als Stromversorgung der ganzen Einrichtung stellt der Kondensator 11 Antriebsenergie für das Verformen des Werkstücks bereit. Bei dem Leitungswiderstand 12 handelt es sich um unvermeidbaren Widerstand der Leitung. Der Schalter 13 dient zum Steuern der Entladung des Kondensators 11.
Der Aufbau der Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 ist in 2 gezeigt. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 umfasst eine Magnetspule 21, einen Epoxid-Spulenkörper 22, einen Kupfer-Quetschkabelschuh 23 und vier Gewindebohrungen 24. Als Hauptkörper der Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 ist die Magnetspule 21 in Reihe in dem Pulsentladungskreis 1 geschaltet und dient zum Erzeugen eines Pulsmagnetfelds beim Durchfließen von einem Pulsstrom; der Epoxid-Spulenkörper 22 dient zum Befestigen der Magnetspule 21 und Verhindern einer Verformung der Magnetspule 21 unter Einwirkung einer elektromagnetischen Kraft bei einer Entladung; der Kupfer-Quetschkabelschuh 23 ist eine Schnittstelle für ein Eingangs- bzw. ein Ausgangskabel der Magnetspule 21, um eine Verbindung mit dem Pulsentladungskreis 1 zu erleichtern; die Gewindebohrung 24 dient zum Fixieren der Position der elektromagnetischen Abschirmeinrichtung 4, um sicherzustellen, dass der Antriebsring 5 und ein Werkstück 6 bei jeder Prüfung einen ausreichenden und festen Bewegungsbereich aufweisen.
Bei dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Magnetspule 21 eine einschichtige Spule mit vier Windungen, die auf dem H-förmigen Epoxid-Spulenkörper 22 aufgewickelt ist. Zur Verstärkung ist eine Glasfaser auf der Außenschicht der Spule aufgewickelt. An dem oberen und dem unteren Ende des H-förmigen Epoxid-Spulenkörpers 22 sind zwei Nuten ausgebildet, um ein Eingangs- und ein Ausgangskabel der Spule aus der Nut herauszuführen, und zur Verstärkung ist der Spalt mit einem Epoxidkleber gefüllt. Das Eingangs- und das Ausgangskabel der Spule sind jeweils mit einem Kupfer-Quetschkabelschuh 23 verbunden, um an den Pulsentladungskreis angeschlossen zu werden. An der Seitenfläche des H-förmigen Epoxid-Spulenkörpers 22 sind vier Gewindebohrungen 24 ausgebildet, um die elektromagnetische Abschirmeinrichtung zu fixieren. Dabei sind der Epoxidkleber, die Glasfaser und andere Verstärkungsmaterialien nicht dargestellt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Feldformer 3 ein Ring mit einem trapezförmigen Profil. Die Länge der inneren längeren Seite des Trapezes gleicht der Höhe der Magnetspule 21 und die Länge der äußeren kürzeren Seite gleicht der Höhe des Antriebsrings 5. In einer radialen Richtung ist eine Öffnung 31 vorgesehen. Der Feldformer ist schematisch in 3 dargestellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Feldformer 3 aus reinem Kupfer hergestellt. Die Innenseite des Feldformers liegt eng an der Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 an und ist mittels eines Epoxidklebers befestigt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sowohl der Antriebsring 5 als auch die Metallabschirmplatte 41 aus reinem Kupfer hergestellt. Die Metallabschirmplatte 41 ist in einer Isolierverstärkungsschicht 42 aus Epoxid eingelassen. Zwei übereinander angeordnete elektromagnetische Abschirmmodule sind jeweils durch zwei Gewindestangen 43 an der Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 fixiert und in fixiertem Zustand soll der Zwischenraum dazwischen leicht größer als die Höhe des Antriebsrings 5 sein, sodass der Antriebsring 5 in einem Zwischenkanal das Werkstück 6 so schieben kann, dass es sich frei ausdehnt. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus und der Montage des elektromagnetischen Abschirmmoduls 4.
Bei der vorliegenden Erfindung wird mittels der oben genannten Einrichtung zur Entkopplung des elektrischen Effekts bei elektromagnetischer Umformung eine eindimensionale und uniaxiale Schnellzugprüfung mit entkoppeltem elektrischem Effekt verwirklicht, deren konkreten Arbeitsschritte wie folgt lauten.

(1) Zunächst wird die untere Magnetfeldabschirmeinrichtung 4 auf die äußere Seite der Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 angebracht und durch Einschrauben der Gewindestangen fixiert, wonach der Antriebsring 5 und das Werkstück 6 nacheinander auf die äußere Seite der Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 aufgeschoben werden. Dabei wird sichergestellt, dass der Antriebsring und das Werkstück in der mittleren Ebene der Magnetfelderzeugungseinrichtung angeordnet sind und der Antriebsring eng an dem Werkstück anliegt. Dann wird die obere Magnetfeldabschirmeinrichtung 4 oben auf die äußere Seite der Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 angebracht und durch Einschrauben der Gewindestangen fixiert.
(2) Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 wird in Reihe in den Pulsentladungskreis geschaltet. Der Kondensator 11 wird bis auf eine vorgegebene Entladungsspannung aufgeladen. Der Schalter 13 des Pulsentladungskreises wird geschlossen, sodass der Kondensator 11 Strom an der Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 liefert, welche Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 beim Durchfließen von einem Pulsstrom ein wechselndes Magnetfeld erzeugt.
(3) Das wechselnde Magnetfeld erzeugt durch Induktion in dem Feldformer 3 Wirbelströme, die an der inneren und der äußeren Seite in entgegengesetzte Richtungen fließen. Somit wird das Magnetfeld auf die Nähe der Außenoberfläche, nämlich auf die Nähe des Antriebsrings 5, konzentriert.
(4) In dem oben genannten Magnetfeld erzeugen der Antriebsring 5 und die Metallabschirmplatte 41 des elektromagnetischen Abschirmmoduls 4 durch Induktion Wirbelströme und verhindern dabei gleichzeitig die Erzeugung der Wirbelströme in dem Werkstück 6.
(5) Durch die Wechselwirkung der Wirbelströme in dem Antriebsring 5 mit dem Hintergrund-Magnetfeld wird eine elektromagnetische Kraft erzeugt, die den Antriebsring 5 und das Werkstück 6 schiebt und zur gemeinsamen Ausdehnung und Verformung antreibt, womit ein schnelles eindimensionales und uniaxiales Ziehen mit entkoppeltem elektrischem Effekt erreicht wird.
(6) Zur wiederholten Messung können ein neuer Antriebsring 5 und ein neues Werkstück 6 eingewechselt werden und die Schritte (1) bis (5) werden wiederholt. Zum Ändern der Verformungsgeschwindigkeit wird die vorgegebene Entladungsspannung in Schritt (2) geändert, während die anderen Schritte unverändert bleiben.

Bei der Prüfung mittels der oben genannten Einrichtung in der vorliegenden Erfindung kann die Zugverformungsgeschwindigkeit des prüfenden Werkstücks den Bereich von 10⁵ s^-1 erreichen und liegt somit in demselben Bereich der Verformungsgeschwindigkeit bei bisheriger elektromagnetischer Umformung. Des Weiteren wird mit der Einrichtung das Erzeugen induzierter Wirbelströme in zu prüfenden Werkstücken bei elektromagnetischer Umformung verhindert und eine Abschirmung gegen die Einflüsse des thermischen und des elektrischen Effekts elektrischer Ströme auf die Materialeigenschaften bei einem Schnellzugvorgang erzielt, womit eine Entkopplung des elektrischen Effekts bei elektromagnetischer Umformung erreicht wird.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Durchführen einer eindimensionalen und uniaxialen Schnellzugprüfung mit elektromagnetischem Antrieb unter Verwendung der Einrichtung kann durch Regeln der Entladungsspannung eine eindimensionale und uniaxiale Schnellzugprüfung eines Materials bei verschiedenen Geschwindigkeiten verwirklicht werden. Dabei lässt sich die Verformungsgeschwindigkeit im Bereich von 10³ bis 10⁵ s^-1 regeln und neben einfacher Bedienung werden sowohl der Endeffekt bei knochenförmigen Prüflingen für Zugprüfungen als auch durch elektrische Ströme verursachte elektrische und thermische Effekte bei elektromagnetischer Umformung (bei elektromagnetischer Ringdehnung) verhindert. Dabei handelt es sich somit um ein Schnellzugprüfungsverfahren, bei dem eine einfache Einrichtung verwendet wird und die Regelung leicht durchzuführen ist. Des Weiteren kann im Vergleich zu dem elektromagnetischen Ringdehnungsverfahren mittels des obigen Verfahrens der Einfluss elektrischer Ströme auf das Verformungsverhalten eines Materials bei elektromagnetischer Umformung ermittelt werden und somit wird ein Mittel zur Untersuchung des elektrischen Effekts bei elektromagnetischer Umformung bereitgestellt.
Es versteht sich für Fachleute auf diesem Gebiet, dass bisher lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, das keineswegs zur Einschränkung der Erfindung dient. Jegliche Modifikationen, gleichwertige Substitutionen und Verbesserungen im Rahmen der Grundideen und der Prinzipien der Erfindung sollen von dem Schutzumfang der Erfindung umfasst sein.

Claims

Einrichtung zur Entkopplung des elektrischen Effekts bei elektromagnetischer Umformung, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Pulsentladungskreis, eine Magnetfelderzeugungseinrichtung, einen Feldformer, ein elektromagnetisches Abschirmmodul und einen Antriebsring umfasst; wobei der Pulsentladungskreis mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung verbunden ist und zum Bereitstellen eines Pulsstroms für die Magnetfelderzeugungseinrichtung dient; wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Antriebsmagnetfelds in Abhängigkeit von dem Pulsstrom dient; wobei der Feldformer zum Konzentrieren des Antriebsmagnetfelds auf die Nähe des Antriebsrings dient; wobei das elektromagnetische Abschirmmodul zum Abschirmen gegen ein Magnetfeld eines Werkstücks in einer axialen Richtung dient; wobei der Antriebsring dazu dient, eine Abschirmung gegen ein Magnetfeld des Werkstücks in einer radialen Richtung zu bewirken und mittels der Wechselwirkung seines eigenen Induktionsstroms mit dem Antriebsmagnetfeld eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, um somit ihn selbst und das Werkstück gleichzeitig zur radialen Dehnung anzutreiben; wobei beim Betrieb durch das elektromagnetische Abschirmmodul und den Antriebsring effektiv eine Abschirmung gegen einen induzierten Wirbelstrom eines elektromagnetischen Felds an dem Werkstück und somit eine Entkopplung der Wirkung des elektrischen Stroms und der Wirkung der durch den elektrischen Strom erzeugten Wärme von dem Werkstück bewirkt werden und somit eine Entkopplung des elektrischen Stroms bei elektromagnetischer Umformung erreicht wird, um Wirkungen des elektrischen Stroms und der Hochgeschwindigkeitsverformung bei elektromagnetischer Umformung voneinander zu trennen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Abschirmmodul zwei übereinander und symmetrisch angeordnete Abschirmeinheiten umfasst; wobei jede der Abschirmeinheiten eine ringförmige Metallabschirmplatte, eine Isolierverstärkungsschicht und eine Gewindestange umfasst, wobei die Metallabschirmplatte in der Isolierverstärkungsschicht eingelassen ist und zum Abstützen der Metallabschirmplatte und Verhindern einer Verformung der Metallabschirmplatte unter Einwirkung einer elektromagnetischen Kraft dient, wobei die Gewindestange zum Fixieren des elektromagnetischen Abschirmmoduls an einer bestimmten Position dient.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Höhe der Metallabschirmplatte als auch die Dicke des Antriebsrings größer als die Eindringtiefe des Pulsentladungsstroms sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsring ein Metallring aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ist und der Außendurchmesser des Antriebsrings dem Innendurchmesser des Werkstücks gleicht, wobei beim Betrieb der Antriebsring eng an dem Werkstück anliegt und sich unter Einwirkung der elektromagnetischen Kraft zusammen mit dem Werkstück verformt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Antriebsrings größer als die Höhe des Werkstücks ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Antriebsrings erheblich größer als die Höhe und die Breite seiner eigenen Querschnittsfläche ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung, der Feldformer, der Antriebsring und das Werkstück koaxial angeordnet sind und ihre horizontale Mittelpunkte in derselben Ebene liegen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung eine auf einem Spulenkörper aufgewickelte Magnetspule und ein Isolierverstärkungsmaterial umfasst, wobei das Isolierverstärkungsmaterial zur Verstärkung dient und die Außenoberfläche der Magnetfelderzeugungseinrichtung eng an dem Feldformer anliegt.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldformer ein Metallring mit einem trapezförmigen Profil ist, wobei der Feldformer aus einem nichtferromagnetischen Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt ist, und wobei die innere längere Seite des Feldformers die gleiche Höhe wie die Magnetspule und die äußere kürzere Seite des Feldformers die gleiche Höhe wie der Antriebsring aufweist.