Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektromagnetischen
Hochenergieimpulsumformung von Werkstücken, insbesondere Blechen, aus
elektrisch leitfähigem Material nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und
bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur elektromagnetischen
Hochenergieimpulsumformung von Werkstücken mit einer derartigen
Vorrichtung gemäß Patentanspruch 16.
Aus DD 146 403 ist eine Vorrichtung zur elektromagnetischen
Hochenergieimpulsumformung bekannt, die aus einer Magnetumformspule als
Umformwerkzeug und "n" Stoßstromgeneratoren besteht. Damit soll eine
Vorrichtung zur elektromagnetischen Hochenergieimpulsumformung geschaffen
werden, deren Anwendungsbereich gegenüber den vorbekannten
Vorrichtungen ohne schaltungs- und anlagentechnischen Mehraufwand
erweitert ist. Die Vorrichtung soll so ausgebildet sein, dass bei ihr mit einfachen
Mitteln große Speicherenergien ohne Verringerung der Frequenz des
Entladestromes erzielt werden können.
Dies wird bei der bekannten Vorrichtung dadurch erreicht, dass das
Umformwerkzeug der Vorrichtung aus mehreren Teilspulen besteht, wobei jede
Teilspule nur wenige Windungen, im Extremfall nur eine Windung, aufweist und
potentialgetrennt von den anderen Teilspulen an jeweils einen zusammen mit
den anderen Stoßstromgeneratoren gleichzeitig zündbaren Stoßstromgenerator
angeschlossen ist. Die einzelnen Teilspulen sind mechanisch so
zusammengesetzt, dass sich die Magnetfelder der einzelnen Teilspulen zu
einem resultierenden auf das Werkstück wirkenden Magnetfeld überlagern.
Dies soll den Vorteil haben, dass die durch die unterschiedlichen Streuzeiten
der Schaltmittel auftretenden Verzögerungen der Teilströme der einzelnen
Stoßstromgeneratoren durch die genügend große stromverzögernde Wirkung
der Induktivitäten der Teilspulen von untergeordneter Bedeutung sind. Die
Entladefrequenzen der einzelnen Stoßstromkreise sollen sich durch die Wahl
der Leitungslänge zwischen dem Stoßstromgenerator und der jeweiligen
Teilspule des Umformwerkzeuges leicht in Übereinstimmung bringen lassen.
Durch die Verwendung eines aus mehreren Teilspulen geringer Windungszahl
zusammengesetzten Umformwerkzeuges und mehrerer Stoßstromgeneratoren
soll es möglich sein, sehr hohe Entladefrequenzen und sehr hohe auf das
umzuformende Werkstück wirkende magnetische Feldstärken zu realisieren.
Die bekannte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Umformwerkzeug
und vier Stoßstromgeneratoren, wobei als Umformwerkzeug eine
Kompressionsspule vorgesehen sein kann, die aus vier gegeneinander
elektrisch isolierten einwindigen Teilspulen zusammengesetzt ist. Jede der vier
Teilspulen des Umformwerkzeuges ist jeweils an einen der
Stoßstromgeneratoren angeschlossen, so dass vier separate Stoßstromkreise
bestehen.
An Stelle der Kompressionsspule kann auch eine Flachspule aus vier
einwindigen Teilspulen verwendet werden. Ebenso ist es denkbar, eine
Expansionsspule oder eine beliebige andere Spulenform mit aufgeteilten
Windungen zu verwenden.
Bei der bekannten Ausführungsform als Flachspule sind die in DD 146 403
dargestellten Teilspulen mit unterschiedlichen Durchmessern im wesentlichen
derart konzentrisch zueinander angeordnet, dass die weiter innen angeordnete
Spule einen anderen Durchmesser als die jeweils benachbarte nächst äußere
Spule hat. Dies hat zur Folge, dass alle Teilspulen unterschiedliche
Widerstände und Induktivitäten aufweisen, die nur durch zusätzliche
Maßnahmen, wie Windungszahl oder unterschiedlich lange Anschlusskabel
ausgeglichen werden können. Hierdurch wird die Ausbildung und die
Energieversorgung solcher Flachspulen jedoch äußerst kompliziert und
erfordert einen erhöhten Schaltungsaufwand, wenn eine gleichmäßige
Verformung der zu bearbeitenden Werkstücke erzielt werden soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art in einer sowohl mechanisch äußerst stabilen als auch
schaltungstechnisch besonders einfachen Weise dahingehend
weiterzuentwickeln, dass ein möglichst homogenes symmetrisches radiales
elektromagnetisches Feld mit einem möglichst geringen Schaltungsaufwand
erzeugt werden kann. Weiterhin soll ein vorteilhaftes Verfahren unter
Verwendung dieser Vorrichtung angegeben werden.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der gattungsgemäßen Art gemäß der
Erfindung durch folgende Merkmale gelöst:
a) die Teilspulen sind Spiralspulen, die bezüglich Induktivität, elektrischem
Widerstand, Windungszahl und Formgebung identisch ausgebildet sind,
und b) jede Teilspule geht an dem Spulenträger von einem inneren Startpunkt in
identischer Form aus und ist in einem jeweils gleichen Abstand zu
benachbarten Teilspulen spiralförmig nach außen geführt.
Besonders vorteilhafte Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind in den
Ansprüchen 2 bis 15 gekennzeichnet. An diese schließen sich
Verfahrensansprüche 16 bis 23 für den Einsatz einer Vorrichtung nach einem
oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 an.
Dadurch, dass gemäß der Erfindung die Teilspulen an dem Spulenträger
bezüglich Induktivität, elektrischem Widerstand, Windungszahl und
Formgebung identisch ausgebildet sind und jede Teilspule von einem inneren
Startpunkt in identischer Form ausgeht und in einem jeweils gleichen Abstand
zu benachbarten Teilspulen spiralförmig nach außen geführt ist, entstehen
miteinander verknüpfte spiralförmige Teilspulen mit kleinerer Induktivität und
einem wesentlich geringeren elektrischen Widerstand als bei herkömmlichen
Flachspulen, so dass es in besonders einfacher Weise möglich ist, mit kleinen
Kondensatorspannungen von z.B. 3000 V bzw. 3 kV hohe Impulsströme fließen
zu lassen und somit mit einem geringen elektrischen Aufwand hohe
Impulsfelder zu erzeugen. Kondensatorspannungen von z.B. 3 kV liegen noch
im Niederspannungsbereich und sind daher mit handelsüblichen
Stoßstromgeneratoren und handelsüblichen Schaltgeräten, wie z.B.
handelsüblichen Kondensatoren, Dioden, Thyristoren und HalbleiterBauelementen
sowie üblichen Isolationswerkstoffen ohne weiteres
beherrschbar. Dadurch ist auch eine bessere Personensicherheit gewährleistet
als bei den sonst erforderlichen Hochspannungen von z.B. 20 bis 30 kV und
mehr.
Die aus identisch ausgebildeten spiralförmigen Teilspulen zusammengesetzte
Flachspule kann beispielsweise eine Aufteilungstechnik von 3 x 6 kV,
insgesamt also 18 kV haben und mit einem elektromagnetischen Generator für
schnelle Strom- und Magnetfeld-Impulse nach DE 44 23 992 C2 betrieben
werden.
Außer der gezeigten spiralförmigen Anordnung der einzelnen Teilspulen
können diese auch in einer vier-, sechs- oder mehrteiligen Spulenkonfiguration
je nach Anzahl und Anordnung der inneren Startpunkte an dem Spulenträger
ausgebildet werden.
Zur Erzeugung eines gleichmäßigen Magnetfeldes sollten die Teilspulen je
nach verwendetem Spulenmaterial und Spulenform möglichst dicht
aneinanderliegend ausgeführt werden. Dies lässt sich insbesondere durch
verwirklichen, wenn jede Teilspule vorzugsweise mindestens zwei volle
Windungen über jeweils 360° aufweist. Die Teilspulen können an dem
Spulenträger entweder elektrisch voneinander getrennt oder im Zentrum des
Spulenträgers elektrisch miteinander verbunden sein.
Zur Erzeugung eines möglichst gleichmäßigen Magnetfeldes ist es auch
vorteilhaft, dass die innenliegenden und/oder die außenliegenden Anschlüsse
von "n" Teilspulen an dem Spulenträger über eine entsprechende Anzahl von
"n" gleich großen Sektoren in jeweils gleichen Winkelabständen versetzt
angeordnet sind. Die Teilspulen sollen mit ihren Windungen in jeweils gleichen
Abständen an dem Spulenträger dicht nebeneinander angeordnet sein. Die
Teilspulen können aber auch mit einem unterschiedlichen oder sich ändernden,
z.B. radial wachsenden oder abnehmenden Abstand der Windungen ausgeführt
sein.
Eine besonders präzise Ausbildung der Teilspulen kann auch dadurch erreicht
werden, dass die inneren Startpunkte der einzelnen Teilspulen und die
außenliegenden Anschlusspunkte auf vom Zentrum des Spulenträgers in
jeweils gleichen Abständen strahlenförmig ausgehenden Verbindungslinien
liegen. Alle Teilspulen können je nach Bedarf und Einsatzzweck entweder an
einen gemeinsamen Stoßstromgenerator angeschlossen oder mit jeweils
einzelnen Stromversorgungen verbunden sein, die in der Spannung und im
Zeitpunkt der Zündung einzeln programmierbar sind.
In einer Ausführungsform können die Teilspulen in an sich bekannter Weise aus
Leitern mit rundem Querschnitt gewickelt sein. Die Teilspulen können an dem
Spulenträger aber auch als Flachspulen mit einem rechteckigen
Leiterquerschnitt ausgebildet sein. Dies ist fertigungstechnisch insofern
besonders vorteilhaft, da die Teilspulen dann aus einem einzigen
Blechzuschnitt herausgeschnitten und als fertige Montageeinheit an dem
Spulenträger befestigt werden können.
Je nach Einsatzzweck kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Teilspulen an
dem Spulenträger mit einem konischen oder trichterförmigen Profil ausgeführt
sind. Für eine möglichst einwandfreie Verformung der mit der Vorrichtung
verarbeiteten Blechzuschnitte ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die
Matrize in der der Spulenanordnung gegenüberliegenden Matrizenaufnahme
des Formwerkzeuges von Entlüftungskammern umgeben ist, in die die beim
Formvorgang zwischen Werkstück oder Blech und Matrizenhohlraum
eingeschlossene Luft entweichen kann. Die erzeugten Werkstücke können
auch ohne die sonst übliche Nachbearbeitung in einem einzigen
Fertigungsschritt dadurch fertiggestellt werden, dass die Matrize an ihrem
Außenumfang und an Stellen, an denen lochförmige Ausstanzungen oder
Öffnungen an dem Werkstück oder Blech erzeugt werden sollen, als
Trennwerkzeug scharfkantig ausgebildet und/oder mit eingelegten Schneidund/oder
Umformkanten bzw. -sicken oder -stegen versehen ist.
Weitere besonders vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den
auf ein Verfahren zur elektromagnetischen Hochenergieumformung mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichteten Ansprüchen 16 bis 23.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
schematisch dargestellt. Es zeigen
- Fig. 1
- eine Spulenkonfiguration aus insgesamt sechs identischen
spiralförmigen Teilspulen, deren Verlauf in Form von Mittellinien
der Leiter prinzipiell dargestellt und die im Spulenmittelpunkt
elektrisch miteinander verbunden sowie an außenliegenden
Anschlusspunkten mit einer entsprechenden Anzahl von
Stromversorgungen in Form von Stoßstromgeneratoren
verbunden sind,
- Fig. 2
- eine weitere derartige Spulenkonfiguration aus sechs
spiralförmigen Teilspulen, bei denen die Leiter selbst dargestellt
und durch eine dünne Isolationsschicht voneinander getrennt sind,
und zwar zur besseren Übersichtlichkeit mit einer geringeren
Anzahl von flachen Windungen, wobei die einzelnen Teilspulen
aber ebenso wie die Teilspulen von Fig. 1 an mehrere
Stoßstromgeneratoren angeschlossen sind,
- Fig. 3
- eine gegenüber Fig. 1 und Fig. 2 abgewandelte
Spulenkonfiguration, bei der die einzelnen Teilspulen elektrisch
voneinander getrennt sind und jede Teilspule von einem inneren
Startpunkt in jeweils gleichem radialen Abstand vom Zentrum des
Spulenträgers ausgeht,
- Fig. 4
- einen schematischen senkrechten Schnitt durch ein
Formwerkzeug zum Formen von Werkstücken oder Blechen mit
einer Spulenkonfiguration von Fig. 1 und Fig. 2 oder Fig. 3 im
geschlossenen Zustand des Formwerkzeuges vor der
Formgebung und
- Fig. 5
- einen Schnitt durch das Formwerkzeug von Fig. 4 nach erfolgter
Formgebung des Werkstückes oder Bleches.
In Fig. 1 bis 5 sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen von Vorrichtungen
1 zur elektromagnetischen Hochenergieimpulsumformung von Werkstücken,
insbesondere Blechen, aus elektrisch leitfähigem Material gezeigt mit einem
Umformwerkzeug 2 gemäß Fig. 4 und 5, das aus einem Spulenträger 3 und
mindestens zwei Teilspulen 4 gemäß Fig. 1 und 2 oder Fig. 3 besteht, die an
dem Spulenträger 3 angeordnet und an mindestens einen Stoßstromgenerator
5 derart angeschlossen sind, dass sich die Magnetfelder der einzelnen
Teilspulen 4 zu einem resultierenden, auf ein Werkstück 6 wirkenden
Magnetfeld überlagern.
Alle Teilspulen 4 an dem Spulenträger 3 sind Spiralspulen, die bezüglich
Induktivität, elektrischem Widerstand, Windungszahl und Formgebung völlig
identisch ausgebildet und durch eine dünne Isolationsschicht 4a, die in Fig. 2
und Fig. 3 jeweils durch eine Schraffur zwischen zwei Teilspulen 4 angedeutet
ist, voneinander getrennt sind.
Jede Teilspule 4 ist von einem im Zentrum des Spulenträgers 3 oder in einem
jeweils gleichen radialen Abstand von diesem angeordneten inneren Startpunkt
7 in identischer Form und in einem jeweils gleichen Abstand zu der oder den
benachbarten Teilspulen 4 spiralförmig nach außen geführt. Außerdem weist
jede Teilspule 4 in der bevorzugten Ausführungsform mindestens zwei volle
Windungen über jeweils 360° auf, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. In Fig. 2 und
Fig. 3 sind die Teilspulen 4 nur zur besseren Übersichtlichkeit mit weniger
Windungen ausgeführt, was jedoch nicht der Praxis entspricht.
Wie in Fig. 1 und Fig. 2 weiterhin gezeigt ist, können die Teilspulen 4 im
Zentrum des Spulenträgers 3 elektrisch miteinander verbunden sein. Dies
bewirkt eine gegenüber mechanischen Beanspruchungen besonders stabile
Spulen konfiguration, insbesondere wenn auch die Teilspulen 4 aus einem
mechanisch besonders festen, elektrisch gut leitfähigem Material, wie z.B.
Kupfer bzw. aus einer besonders festen Legierung aus Kupfer, Chrom und
Zirkon oder dergleichen bestehen.
Die Teilspulen 4 können bei Bedarf an dem Spulenträger 3 aber auch jeweils
elektrisch voneinander getrennt sein, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Leiter
oder Windungen der einzelnen spiralförmigen identischen Teilspulen 4 gehen
dabei ebenfalls jeweils von einem inneren Startpunkt 7 aus, wobei die einzelnen
Startpunkte jedoch in einem geringen jeweils gleichen radialen Abstand rings
um das Zentrum des in Fig. 1 bis Fig. 3 nicht dargestellten Spulenträgers 3
angeordnet sind.
Wie in Fig. 1 bis 3 weiterhin zu erkennen ist, sind bei beiden
Ausführungsformen die innenliegenden und/oder die außenliegenden
Anschlüsse 8 von "n" Teilspulen 4 an dem Spulenträger 3 zweckmäßigerweise
über eine entsprechende Anzahl von "n" gleich großen Sektoren in gleichen
Winkelabständen von jeweils 60° versetzt angeordnet. Dies schafft die
Voraussetzungen für eine einwandfreie Zuordnung der einzelnen Teilspulen 4
zu den jeweiligen Stromversorgungen 5.
Die Teilspulen 4 sind bei beiden Ausführungsformen mit ihren Windungen in
jeweils gleichen Abständen an dem Spulenträger 3 dicht an dicht
nebeneinander angeordnet. Sie können aber auch mit einem unterschiedlichen
oder einem sich ändernden, z.B. radial wachsenden oder abnehmenden
Abstand der Windungen ausgeführt sein.
Zweckmäßig liegen die inneren Startpunkte 7 der einzelnen Teilspulen 4 und
die außenliegenden Anschlusspunkte 8 auf vom Zentrum des Spulenträgers 3
in jeweils gleichen Abständen strahlenförmig ausgehenden gedachten
Verbindungslinien.
Alle Teilspulen 4 können aber auch an einen gemeinsamen
Stoßstromgenerator 5 angeschlossen sein, ohne dass dafür besondere
Maßnahmen für die Bemessung der Anschlussleitungen getroffen werden
müssen. Eine Anpassung an besondere Formgebungen kann auch dadurch
erfolgen, dass die Teilspulen mit verschiedenen Stromversorgungen 5
verbunden sind, die in der Spannung und im Zeitpunkt der Zündung einzeln
programmierbar sind und dadurch eine gleichmäßige Beaufschlagung der
einzelnen Teilspulen in einfacher Weise ermöglichen.
Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen von Fig. 2 und Fig. 3 sind die
Teilspulen 4 an dem Spulenträger 3 als Flachspulen ausgebildet. Die Teilspulen
4 können aber auch mit konischem Profil ausgeführt sein, und die Leiter der
einzelnen Teilspulen 4 können einen runden oder rechteckigen Querschnitt
haben. Im letzteren Falle ist es besonders gut möglich, die Teilspulen 4 aus
einem einzigen Blechzuschnitt herauszuschneiden und an einem Spulenträger
3 mittels eines geeigneten Isolierwerkstoffs zu vergießen.
Wie in den Schnittdarstellungen von Fig. 4 und 5 gezeigt ist, ist eine Matrize 10
in der Matrizenaufnahme 11 eines Formwerkzeuges 9 von Entlüftungskammern
12 mit Unterdruckanschluss 13 umgeben, in die die beim Formvorgang
zwischen Werkstück 6 oder Blech und Matrizenhohlraum 14 eingeschlossene
Luft entweichen kann. Außerdem ist die Matrize 10 an ihrem Außenumfang 15
und an weiteren Stellen 16, an denen lochförmige Ausstanzungen oder
Öffnungen an dem Werkstück 6 oder Blech erzeugt werden sollen, als
Trennwerkzeug scharfkantig ausgebildet. Hierfür können auch geeignete
Schneid- und/oder Umformkanten bzw. -sicken oder -stege in die Matrize 10
eingelegt werden.
Dadurch ist es möglich, dass Teile des Werkstückes 6 oder Bleches beim
Auftreffen auf die Matrize 10 gemäß Fig. 5 und/oder beim Hineinformen in den
Formhohlraum 14 der Matrize durch die scharfkantigen Randbereiche sowohl
am Außenumfang 15 als auch im innenliegenden Bereich des Formhohlraumes
14 abgetrennt werden, so dass nach dem Formvorgang das gewünschte
Fertigerzeugnis aus dem Umformwerkzeug ausgeworfen werden kann.
Bei dem Verfahren zur elektromagnetischen Hochenergieimpulsumformung von
Werkstücken 6, insbesondere Blechen, aus leitfähigem Material, mit einem
Umformwerkzeug 2 gemäß der vorstehenden Beschreibung werden alle
Teilspulen 4 von dem oder den Stoßstromgeneratoren 5 gleichzeitig bzw.
synchron derart beaufschlagt, dass sich die Strommaxima aller Teilspulen 4
gleichzeitig einstellen.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass alle Teilspulen 4 von einem
gemeinsamen Stoßstromgenerator 5 beaufschlagt werden. Die Teilspulen 4
können aber auch von jeweils einzelnen Stromversorgungen 5 beaufschlagt
werden, die in der Spannung und im Zeitpunkt der Zündung entsprechend
einzeln programmierbar sind.
So kann beim Verformen des Werkstückes 6 oder Bleches durch eine
entsprechende elektronische Steuerung der Stoßstromgeneratoren 5 mit
zunehmender Energieabgabe zunächst ein geringer, dann hoher Andruck
erzeugt werden, so dass zuerst die bei der Formgebung zwischen Werkstück 6
oder Blech und Matrizenhohlraum 14 eingeschlossene Luft entweichen kann
und das Werkstück 6 oder Blech anschließend die Gestalt der Matrize 10
annimmt.
Die Steuerung kann zum Beispiel so erfolgen, dass die beim schnellen
Verformen zwischen Werkstück 6 oder Blech und Matrizenhohlraum 14
eingeschlossene Luft durch gesteuerte, radial nach außen gerichtete
Krafteinwirkung des Magnetfeldes zum äußeren Rand der Matrize 10 abgeführt
wird. Im Hohlraum 14 der Matrize 10 kann außerdem bei der Formung des
Werkstückes 6 oder Bleches ein Unterdruck erzeugt werden, um den Aufbau
eines unerwünschten Gegendruckes im Formhohlraum 14 auszuschalten.
Schließlich lassen sich besonders vorteilhafte Fertigungsergebnisse erzielen,
wenn das Werkstück 6 oder Blech an seinem Außenumfang 15 zwischen dem
Spulenträger 3 und der Matrizenaufnahme 11 oder einem Niederhalter in der
Funktionsebene der Arbeits- oder Flachspule in einem axialen Abstand 17 von
der Matrize 10 derart eingespannt wird, dass es beim Formvorgang durch die
Wirkung des Magnetfeldes zuerst gegen den Außenumfang der Matrize 10
geschleudert und erst anschließend in den Formhohlraum 14 der Matrize
hineingeformt wird.
Außerdem kann die Matrize 10 auch so ausgebildet sein, dass Teile des
Werkstückes 6 oder Bleches beim Auftreffen auf die Matrize 10 und/oder beim
Hineinformen in den Formhohlraum 14 der Matrize durch scharfkantige
Randbereiche am Außenumfang 15 bzw. im innenliegenden Bereich des
Formhohlraumes 14 derart abgetrennt werden, dass nach dem Formvorgang
das gewünschte Fertigerzeugnis 18 aus dem Umformwerkzeug 2 ausgeworfen
werden kann.
Liste der Bezugszeichen
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Umformwerkzeug
- 3
- Spulenträger
- 4
- Teilspulen
- 4a
- Isolationsschicht
- 5
- Stoßstromgeneratoren, Stromversorgungen
- 6
- Werkstück
- 7
- innerer Startpunkt
- 8
- außenliegende Anschlüsse
- 9
- Formwerkzeug
- 10
- Matrize
- 11
- Matrizenaufnahme
- 12
- Entlüftungskammern
- 13
- Unterdruckanschluss
- 14
- Matrizenhohlraum, Formhohlraum
- 15
- Außenumfang
- 16
- weitere Stellen
- 17
- axialer Abstand
- 18
- Fertigerzeugnis