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Einrichtun zum elektromagnetischen Umformen von Werkstücken Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zum elektromagnetischen Umformen von Werkstücken mit einem
Energiespeicher, der über einen Schalter durch eine Spule hindurch entladbar ist.
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Aufbau und Wirkungsweise derartiger Einrichtungen sind bekannt und
vielfach beschrieben worden, beispielsweise in der DT-PS 1 122 188, in der DAS 1
452 889 oder in dem Au£-satz in der Zeitschrift Werkstatt und Betrieb" 104 (1971),
S. 45 ff. Das elektromagnetische Umformen, auch unter der Bezeichnung Magnetform-Verfahren
bekannt, beruht auf folgendem: Wird ein Energiespeicher wie beispielsweise ein Eondensator
über eine Spule entladen, so erzeugt der in diesem Schwingkreis entstehende Wechselstrom
innerhalb der Spule ein zeitlich veränderliches Magnetfeld. Dieses induziert wiederum
in einem metallischen Werkstück, das innerhalb der Spule angeordnet ist, Wirbelströme.
Die Kraftwirkung maischen dem Magnetfeld und diesen Wirbelströmen, nämlich der Maxwell'sche
Druck, wird dann zum Umformen des Werkstückes verwendet, und es können Drucke bis
zu mehreren 1000 Kp/cm2 erreicht werden.
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Ein immer anzustrebendes Ziel besteht darin, den Wirkungsgrad zu optimalisieren.
Im Falle des IIagnetform-Verfahrens bedeutet dieses, das Verhältnis zwischen Verformungsarbeit
und aufgewendeter Energiemenge möglichst groß zu machen.
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Da Tia die Verformungsarbeit nicht nur von der Höhe des magnetischen
Druckes, sondern auch von der Dauer der Einwirkzeit abhangt, die ihrerseits von
der Frequenz des Entladungskreises
abhängig ist, da andererseits
die Frequenz des Entladungskreises Eindringtiefe und Verluste der Wirbelströine
beeinflußt, ist in der DAS 1 452 889 die Lehre gegeben worden, eine von der Geometrie
des Werkstückes abhängige optimale Frequenz zu wählen. In der Praxis bedeutet dieses,
daß zu einer Spule, deren Induktivität ihrer Geometrie wegen weitgehend festliegt,
ein passender Ladekondensator gewählt wird und die erforderliche Energiemenge über
die Ladespannung des Kondensators eingestellt wird.
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Die Erfindung hat sich ebenfalls zum Ziel gesetzt, den Wirkungsgrad
beim Magnetform-Verfahren zu optimalisieren. Es wird aber ein anderer Weg beschritten.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß nur solche magnetischen
Drucke zur Verformungsarbeit beitragen, die die Xließgrenze des Werkstückes aus
Metall übersteigen. Derjenige Anteil der Energiemenge, durch den Drucke unterhalb
der Fließgrenze erzeugt werden, geht somit für die Verformungsarbeit verloren. Bedenkt
man nun, daß die Entladung des Energiespeichers durch die Spule hindurch in Form
einer gedämpften Schwingung erfolgt, so sieht man, daß der größte magnetische Druck
während der ersten Halbwelle der gedämpften Schwingung erzeugt wird. Die nachfolgenden
Halbwellen tragen zur Verformungnarbeit nur noch unwesentlich bei, beeinflussen
jedoch die Verluste erheblich.
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Eine Einrichtung zum elektromagnetischen Umformen fester metallischer
Werkstücke mit einem Kondensator, der über einen Schalter durch eine Spule hindurch
entladbar ist, erhält erfindungsgemäß dadurch einen optimalen Wirkungsgrad, daß
der Schalter ein im Stromnulldurchgang löschender Schalter ist und daß dem Kondensator
ein Zweig zur Energierückgewinnung parallel geschaltet ist.
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1 Zweckmäßig wird für den im Stromnulldurchgang löschenden Scnalter
ein Thyristor oder ein Bauelement mit ähnlicher Kennlinie verwendet.
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Der Zweig zur Energierückgewinnung besteht zweckmäßigerweise aus
einer einer Induktivität, der Dioden nachgeschaltet sind.
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Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeiclmungen
im Einzelnen erläutert werden.
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Figur 1 zeigt den zeitlichen Verlauf von Spulenstrom und magnetischem
Druck in einer üblichen Magneformanlage.
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Figur 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen
Einrichtung zum elektromagnetischen Umformen.
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Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf einiger Spannungen und Ströme
in der Einrichtung nach Figur 2.
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In Figur 1 zeigt der Kurvenzug 1 den zeitlichen Verlauf des Spulenstromes
und der Kurvenzug 2 den zeitlichen Verlauf des magnetischen Druckes in einer üblichen
Mageformanlage. Auf der Abszisse ist die Zeit und auf der Ordina-te die Stromstärke
beziehungsweise der Druck aufgetragen, der bekanntlich dem Quadrat des Stromes proportional
ist. Wie man sieht, gleicht der Strom verlauf einer gedämpften Sinusschwingung.
Es sei bemerkt, daß für gut ausgelegte Stoßstromkreise aus einem Kondensator und
einer Spule ein Gütefaktor von "58' ein üblicher Wert ist.
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Die Linie 3 stellt die Fließgrenze des Materials eines zu verformenden
Werkstückes dar. Nur dann, wenn der magnetische Druck diese Fließgrenze überschreitet,
kann ein Werkstück verformt werden. Derjenige Anteil des Stromes, durch den Wirbelströmein-:
duziert werden, durch deren Wechselwirkung mit dem Magnetfeld der Spule die-Fließgrenze
nicht überschritten wird, geht verloren.
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Der Stromnntcil, durch den ein über der Fließgrenze liegender
magnetischer
Druck erzeugt wird, ist in der ersten Halbwelle am größten. Somit arbeitet eine
Nagnetformanlage während der ersten Stromhalbwelle mit dem höchsten Wirkungsgrad.
Wenn es somit gelingt, die Verformungsarbeit nur mit den in der ersten Halbwelle
erzeugten Drucken durchzuführen und den Stromfluß durch die Spule auf die erste
Halbwelle zu beschränken, wird ersichtlich der beste Wirkungsgrad zu erzielen sein.
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Dieses ist nun mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur eIektromagnetischen
Umformung moglich, deren schematisches Schaltbild in Figur 2 dargestellt ist. Ein
Kondensator 10 kann mit einem Ladegerät 11 aufgeladen und über einen Schalter 12
durch eine Spule 13 hindurch entladen werden. Der Schalter 12 ist ein im Stromnulldurchgang
löschender Schalter, und es ist zweckmäßig, hierfür einen Thyristor su verwenden.
Die Steuerkreise für den Thyristor 12 sind nicht dargestellt worden. Dem Kondensator
10 ist ein Schaltzweig aus einer Induktivität 14 und einer Diode 15 parallel geschaltet
worden, der der Energierückgewinnung dient.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung, deren Schaltbild
in Figur 2 dargestellt ist, soll an Hand der Figur 3 erläutert werden. Die Kurve
20 stellt den zeitlichen Verlauf der Spannung am Kondensator 10 dar, während die
Kurve 21 den zeitlichen Verlauf des Stromes durch die Spule 13 und die Kurve 22
den zeitlichen Verlauf durch die Diode 15 darstellt.
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Zum Zeitpunkt t = 0 ist der Kondensator 10 auf seine maximale Spannung
UO aufgeladen worden und der Thyristor 12 wird gezündet. Dann entlädt sich der Kondensator
10 durch die Spule 12 hindurch. Zum Zeitpunkt t = 1 ist die Kondensatorspannung
auf "O" zurückgegangen und der Strom durch die Spule 3 hat sein Maximum erreicht.
Da die Kondensatorspannung zum Zeitpunkt t = 1 beginnt, ins Negative zu schwingen,
beginnt die Diode 15 zu leiten, so daß dem Kondensator bereits wieder Ladung zugeführt
wird, und der Strom durch die Spule 12 nir.rm ab.
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Zum Zeitpunkt t = 2 geht der Strom in der Spule 13 und damit im Thyristor
12 durch Null hindurch und der Thyristor 12 sperrt. Die Diode 15 führt aber noch
weiterhin Strom, durch den der Kondensator 10 weiterhin aufgeladen wird, bis auch
der Strom durch die Diode 15 Null wird. Die Spannung am Kondensator hat dann den
Wert U1 angenommen.
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Man sieht daher, daß nur die erste Halbwelle der Stoßstromentladung
zur magnetischen Verformung herangezogen wird, und daß ein erheblicher Teil der
im Schwingkreis vorhandenen Energie zurückgewonnen wird. Dadurch ergeben sich erhebliche
Vorteile. Der Kondensator braucht nur noch von U1 auf UO aufgeladen zu werden, so
daß die Energie 0,5 x U2 C wiedergewonnen wird. Diese Energie braucht also nicht
wie in üblichen Magnetformanlagen vernichtet zu werden, so daß die Kühlung der Stoßstromspule
und somit ihr gesamter Aufbau vereinfacht werden kann. Daß auch die Energiekosten
erheblich sinken, sei am Rande bemerkt.