EP2292343A1 - Vorrichtung zur elektrohydraulischen Blechumformung - Google Patents

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EP2292343A1
EP2292343A1 EP09011365A EP09011365A EP2292343A1 EP 2292343 A1 EP2292343 A1 EP 2292343A1 EP 09011365 A EP09011365 A EP 09011365A EP 09011365 A EP09011365 A EP 09011365A EP 2292343 A1 EP2292343 A1 EP 2292343A1
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EP
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electrodes
bridge element
electrode frame
die
potential
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Reinhold Thewes
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/06—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure by shock waves
    • B21D26/12—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure by shock waves initiated by spark discharge

Definitions

  • the invention relates to a device for electro-hydraulic sheet metal forming according to the preamble of patent claim 1.
  • the metal to be formed sheet is pressed via a punch against a die having the desired contour, the pressing of the sheet against the die in hydroforming by a pressurized fluid, preferably water.
  • the hydroforming process produces forming pressures from 2000 bar to 4000 bar.
  • a pressurized fluid preferably water.
  • the hydroforming press produces forming pressures from 2000 bar to 4000 bar.
  • correspondingly large locking forces of the hydroforming press are required because the applied forming pressure on the entire surface to be formed simultaneously. Since the hydroforming press can only slowly build up the required pressure, correspondingly long cycle times result during the forming process.
  • the shape changes of the sheet occur in that the atomic series within of the individual crystals when a certain limit voltage is exceeded against each move and the connection between the atomic series on the next following lattice site takes place.
  • the tool is completely filled with a transfer medium, preferably water, on the side of the sheet to be formed which is opposite the die.
  • a transfer medium preferably water
  • underwater electrodes are arranged, is discharged via the electrical energy stored in capacitors abruptly.
  • the condenser underwater discharge accelerates the water explosively against the sheet, which is thereby applied to the die at high speed.
  • a so-called “twin formation” takes place in the high-speed forming process, in which the permanent deformation takes place by folding the grid over from one layer to the other.
  • a disadvantage of the aforementioned method is that the electrical discharge of a pair of electrodes causes a quasi-point energy discharge, resulting in a hydraulic active field with a maximum diameter of 200 mm. To increase the effective field thus several pairs of electrodes are necessary. It should first be noted that a lifetime high-current switch, which supplies the electrodes abruptly with the required electrical energy, for cost reasons, should be present only once in the system. Thus, the interconnection of the pairs of electrodes according to the current state of the art tight limits imposed: When connecting several pairs of electrodes in parallel via a high-current switch, no reproducible results achieved because the spark gap that ignites first, the remaining spark gaps (pairs of electrodes) already extracts a large part of the available energy.
  • the invention aims to remedy this situation.
  • the invention is based on the object to provide a device for electro-hydraulic sheet metal forming, which allows for a cost-effective mass production of sheets with larger forming surfaces. According to the invention, this object is solved by the features of the characterizing part of patent claim 1.
  • a device for electro-hydraulic sheet metal forming is created, which allows an economic transformation of sheets with larger forming surfaces.
  • at least one potential-free bridge element between two electrodes takes place during the capacitor discharge simultaneous generation of a plurality of spaced apart spark gaps, where the electrical energy is converted into hydraulic energy, whereby a large-scale deformation is possible.
  • the bridge element is not electrically connected from the outside, but serves depending on the position as a bridge in the circuit.
  • the electrical connection of the electrodes is selected so that the bridge element creates a bridge from plus to minus in every position.
  • the high plasma current which is responsible for the conversion of the electrical energy into the hydraulic energy, can only flow when all spark gaps connected in series have ignited.
  • the at least one potential-free bridge element can be arranged fixed in position, rotatable or displaceable within the electrode frame.
  • rotatable and / or displaceable arrangement of a potential-free bridge element is the use of a bridge element for - connected in succession - use in different pairs of electrodes possible. Due to the positionability of the bridge element this also replaces an otherwise often required high-current switch.
  • a potential-free bridge element is connected to a drive, over which it is movable.
  • the assignment of a bridge element to the respective electrode pair is externally controllable.
  • a control device is arranged which is connected to the at least one drive and which is set up such that different spark gaps can be activated at fixed times while changing the position of at least one potential-free bridge element. This allows an automatic sequence of discharges at different positions, whereby a stepwise deformation of a sheet can be achieved even with a larger forming surface.
  • a line for fluid supply is introduced into the tool lower part.
  • additional transmission media for example, water
  • a second die is arranged in the lower tool part, wherein a second sheet is clamped fluid-tight between the electrode frame and tool lower part.
  • At least two electrodes are designed as nachschiebbare electrodes.
  • the erosion of the electrodes and at the same time the erosion of the bridge elements can be compensated.
  • Preference is - in addition or alternatively - at least one bridge element designed as nachschiebbares element.
  • the device chosen as an exemplary embodiment consists essentially of a tool upper part 1 and a tool lower part 2, between which an electrode frame 3 is arranged. Between the electrode frame 3 and the upper tool part 1, a sheet 4 is clamped fluid-tight.
  • a die 11 is introduced, which has the shape to be formed in the sheet 4 contour. Furthermore, a line 10 for evacuating the chamber 12 formed by the inserted sheet 4 and the die 11 is provided in the tool upper part 1.
  • the lower tool part 2 has substantially parabolic or elliptical reflectors 21, which are arranged opposite the die 11 of the upper tool part 1.
  • the reflectors 21 serve to reflect incident discharge energy in the direction of the die 11.
  • an electrode frame 3 is arranged on the lower tool part 2, an electrode frame 3 is arranged.
  • the electrode frame 3 is according to the embodiment FIG. 2 executed essentially square.
  • electrodes 31, 32 are arranged on the sides of the electrode frame 3, wherein a positive electrode 31 is in each case arranged opposite a negative electrode 32.
  • the electrodes 31, 32 are each surrounded by an insulator 30.
  • a potential-free bridge element 33 is rotatably arranged in the electrode frame 3, such that it can be aligned with one pair of electrodes 31, 32 in alignment. This results in four spark gaps, which lie on a diameter corresponding to the length of the bridge element.
  • a metal sheet 4 to be formed is placed on the electrode frame 3, and the tool shell 1 and tool base 2 are closed with hydraulic or mechanical force, so that the metal sheet 4 is clamped between the electrode frame 3 and the tool shell 1 in a fluid-tight manner.
  • the air from the chamber 12 formed by the die 11 and the sheet 4 is evacuated via the line 10.
  • the resulting between the tool base 2 and 4 sheet filling chamber 22 is completely filled with transmission medium, eg water.
  • transmission medium eg water.
  • the vacuum formed in the filling space 22 by the deformation is replenished via a line 20 with water.
  • the special feature of this pulse method is that the required forming energy does not necessarily have to be generated with one pulse.
  • the maximum occurring pressure or the maximum speed of the accelerated Water is equal per pulse with the same parameters, but reshaping may not be complete because the time per pulse is insufficient. Thus, the reshaping is continued correspondingly with the execution of the next pulse.
  • An advantage for the design and the service life of the device components is that the transformation does not have to be done with an energy pulse with very high energy, but can be done by several energy pulses with correspondingly lower energy. These energy pulses can be distributed over the area formed by the bridge elements 33 spark gaps, whereby the effective forming surface is increased.
  • two pairs of electrodes 31, 32 are arranged parallel to each other and a potential-free bridge element 33, which is arranged displaceably between the two electrode pairs 31, 32.
  • the main advantage of the displaceable or rotatable bridge element is that ignite only two of the four spark gaps, because only these are in an ignitable circuit. This is particularly advantageous, since for each individual spark gap a certain minimum voltage must be present in order to achieve a reproducible ignition behavior and thus a high conversion of electrical energy into hydraulic energy.
  • the required minimum ignition voltage for a spark gap is essentially dependent on the diameter and shape of the electrode 31, 32 as well as the electrode spacing, the electrical conductivity of the transmission medium (for example water) and the pressure level in the transmission medium arising in the ignition moment. Each time the spark gap is ignited, a plasma arc takes place, which leads to a corresponding burnup rate at the electrodes.
  • electrode diameters ⁇ 10 mm at higher energies are unsuitable.
  • a minimum ignition voltage of approximately 10 kV per spark gap is required when used in the transmission medium water.
  • each electrode frame 3 on each side adjacent to each other two gleichgepolte electrodes 31, 32 arranged side by side.
  • four potential-free bridge elements 33 are rotatably arranged, such that a pair of electrodes can be bridged via two potential-free bridging elements 33 arranged one behind the other, three spark gaps each being formed. In this way, twelve different spark gaps are formed, which cover a correspondingly large deformation range.
  • three electrode pairs 31, 32 and three stationary and two rotatably arranged bridge elements 33 are arranged.
  • three positions, each with two, three or four spark gaps can be traversed successively.
  • the variants are arbitrary; For example, it is also possible to combine rotatable, displaceable and stationary bridge elements. As a result, the requirement to cover an arbitrarily large deformation range is met.
  • the burnup of the electrodes 31, 32 can take place by automatically feeding the electrode rod to increase the service life, wherein at the same time the burnup of a displaceable or even a rotatable bridge element can be compensated simultaneously.
  • the fact that after a longer period of use, the point of the flashover, so the spark gap itself, shifts, can be compensated that, for example, once per shift or once a day, the bridge element 33 itself is exchanged.
  • Another essential aspect of the invention is that basically only one switch is required in the inventive design of the electrode array, even if, for example twelve spark gaps are arranged, of which depending on the position of the bridge elements 33 only a few certain are ignited.
  • the entire energy stored in the capacitors is thus only divided into a few electrodes or bridge elements.
  • Such high current switches are the most costly component in the entire electrohydraulic process, because in this case high voltages corresponding to the required ignition voltage, extremely high currents in the range between 10 and 300 kA must be switched very fast (in the ⁇ s range).
  • Such a switch is either very expensive in the design for longer life or he shows in cheaper versions correspondingly high wear.
  • the positions of the bridge elements 33, the positions of the activated spark gaps are automatically determined. As a result, the creation costs of the entire system can be significantly reduced.
  • the electrode frame 3 is fixed independently of the upper tool part 1 and the lower tool part 2, so that in each case a metal sheet between the upper die 1 and the electrode frame 3 and between the electrode frame 3 and lower tool part 2 can be clamped.
  • the chambers 12, 24 formed between the sheets 4 and the dies 11, 23 can be evacuated.
  • the condenser underwater discharge effected by means of the underwater electrodes 31, 32 and the bridge element 33 accelerates the accelerated water against the sheets 4 arranged in parallel, as a result of which the sheets 4 are pressed against the dies 11, 23. With this arrangement, a simultaneous deformation of two sheets is possible in a forming process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrohydraulischen Blechumformung, umfassend ein Werkzeugoberteil mit einer Matrize und ein Werkzeugunterteil, an dem ein Elektrodenrahmen angeordnet ist, der wenigstens zwei Elektroden aufnimmt, wobei zwischen Matrize und Elektrodenrahmen ein Blech fluiddicht einspannbar ist, wobei innerhalb des Elektrodenrahmens (3) zwischen wenigstens zwei Elektroden (31, 32) wenigstens ein potentialfreies Brückenelement (33) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrohydraulischen Blechumformung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Zur Umformung von Blechen kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz, welche auf das jeweilige Erzeugnis zugeschnitten sind. Während bei konventionellen Pressen das umzuformende Blech über einen Stempel gegen eine Matrize gepresst wird, welche die gewünschte Kontur aufweist, erfolgt das Anpressen des Blechs gegen die Matrize beim Hydroforming durch ein unter Druck gesetztes Fluid, vorzugsweise Wasser. Beim Hydroforming-Verfahren werden Umformdrücke von 2000 Bar bis 4000 Bar erzeugt. Je nach Größe der auszuformenden Fläche sind daher entsprechend große Zuhaltekräfte der Hydroforming-Presse erforderlich, da der anliegende Umformdruck auf der gesamten umzuformenden Fläche gleichzeitig anliegt. Da die Hydroforming-Presse den erforderlichen Druck erst langsam aufbauen kann, ergeben sich bei der Umformung entsprechend lange Taktzeiten. Hierbei treten, wie bei allen anderen konventionellen Verfahren, die Formänderungen des Bleches dadurch ein, dass sich die Atomreihen innerhalb der einzelnen Kristalle beim Überschreiten einer bestimmten Grenzspannung gegeneinander verschieben und der Zusammenhang zwischen den Atomreihen auf dem nächsten folgenden Gitterplatz stattfindet.
  • Verbesserte Materialeigenschaften werden mit Hochgeschwindigkeitsumformverfahren, z.B. das elektrohydraulische Verfahren erzielt. Dabei wird das Werkzeug an der der Matrize gegenüberliegenden Seite des umzuformenden Bleches vollständig mit einem Übertragungsmedium, vorzugsweise Wasser, aufgefüllt. In dem mit Wasser befüllten Raum sind Unterwasserelektroden angeordnet, über die in Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie schlagartig entladen wird. Durch die Kondensatorunterwasserentladung wird das Wasser explosionsartig gegen das Blech beschleunigt, welches hierdurch an die Matrize mit hoher Geschwindigkeit angelegt wird. Im Gegensatz zum konventionellen Hydroforming-Verfahren findet bei der hier anliegenden Hochgeschwindigkeitsumformung eine sogenannte "Zwillingsbildung" statt, bei der die bleibende Verformung durch ein Umklappen des Gitters von einer Lage in die andere erfolgt. Diese Zwillingsbildung führt zum Einen zu besseren Materialeigenschaften nach der Umformung, also am Fertigprodukt, zum Anderen liegen auch bei der Umformung deutlich bessere Materialeigenschaften vor. Materialien, die nur sehr schwierig umformbar sind, wie beispielsweise verschiedene Titan- oder Aluminiumlegierungen, können erst unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen umgeformt werden.
  • Nachteilig bei dem vorgenannten Verfahren ist, dass die elektrische Entladung eines Elektrodenpaars eine quasi punktförmige Energieentladung bewirkt, woraus sich ein hydraulisches Wirkfeld mit einem Durchmesser von maximal 200 mm ergibt. Zur Vergrößerung des Wirkfeldes sind somit mehrere Elektrodenpaare notwendig. Hierbei ist zunächst zu berücksichtigen, dass ein standzeitfester Hochstromschalter, der die Elektroden schlagartig mit der erforderlichen elektrischen Energie versorgt, aus Kostengründen nur einmal im System vorhanden sein sollte. Somit sind der Verschaltung der Elektrodenpaare nach dem heutigen Stand der Technik enge Grenzen auferlegt: Bei Parallelschaltung von mehreren Elektrodenpaaren über einen Hochstromschalter werden keine reproduzierbaren Ergebnisse erzielt, da die Funkenstrecke, die zuerst zündet, den übrigen Funkenstrecken (Elektrodenpaaren) bereits einen Großteil der verfügbaren Energie entzieht. Auf Grund komplexer Ionisationsbedingungen im Übertragungsmedium können alle parallel geschalteten Funkenstrecken nicht gleichzeitig zünden. Schaltet man dagegen mehrere Elektrodenpaare in Reihe, so ist zwar das Problem des gleichzeitigen Zündens beseitigt, aber die mögliche Anzahl der in Reihe schaltbaren Funkenstrecken ist durch die erforderliche Zündspannung begrenzt.
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur elektrohydraulischen Blechumformung zu schaffen, welche eine für eine Serienfertigung wirtschaftliche Umformung von Blechen auch mit größeren Umformflächen ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Mit der Erfindung ist eine Vorrichtung zur elektrohydraulischen Blechumformung geschaffen, welche eine wirtschaftliche Umformung von Blechen auch mit größeren Umformflächen ermöglicht. Durch die Anordnung wenigstens eines potenzialfreien Brückenelementes zwischen zwei Elektroden erfolgt bei der Kondensatorentladung eine gleichzeitige Erzeugung von mehreren beabstandet zueinander angeordneten Funkenstrecken, an denen die elektrische Energie in hydraulische Energie umgesetzt wird, wodurch eine großflächige Umformung ermöglicht ist. Das Brückenelement wird elektrisch von außen nicht angeschlossen, sondern dient je nach Stellung als Brücke im Stromkreis. Der elektrische Anschluss der Elektroden ist so gewählt, dass das Brückenelement in jeder Stellung eine Brücke von Plus nach Minus herstellt. Bei der vorliegenden Reihenschaltung der Funkenstrecken kann der hohe Plasmastrom, der für die Umsetzung der elektrischen in die hydraulische Energie verantwortlich ist, erst dann fließen, wenn alle hintereinander geschalteten Funkenstrecken gezündet haben.
  • Das wenigstens eine potenzialfreie Brückenelement kann positionsfest, drehbar oder verschiebbar innerhalb des Elektrodenrahmens angeordnet sein. Durch die drehbare und / oder verschiebbare Anordnung eines potenzialfreien Brückenelementes ist die Verwendung eines Brückenelementes für den - zeitlich hintereinandergeschalteten - Einsatz in unterschiedlichen Elektrodenpaaren ermöglicht. Durch die Positionierbarkeit des Brückenelementes ersetzt dieses zudem einen ansonsten mehrfach benötigten Hochstromschalter.
  • Bevorzugt ist ein potenzialfreies Brückenelement mit einem Antrieb verbunden, über den es bewegbar ist. Hierdurch ist die Zuordnung eines Brückenelementes zu dem jeweiligen Elektrodenpaar von außen steuerbar.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist eine Steuerungsvorrichtung angeordnet, die mit dem wenigstens einen Antrieb verbunden ist und die derart eingerichtet ist, dass zu festgelegten Zeiten unter Veränderung der Lage wenigstens einen potenzialfreien Brückenelementes unterschiedliche Funkenstrecken aktiviert werden können. Hierdurch ist eine automatische Abfolge von Entladungen an unterschiedlichen Positionen ermöglicht, wodurch eine stufenweise Umformung eines Bleches auch mit größerer Umformfläche erzielbar ist.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Werkzeugunterteil eine Leitung zur Fluidzuführung eingebracht. Hierdurch ist die Zuführung von zusätzlichen Übertragungsmedien (beispielsweise Wasser) zum Ausgleich der durch den Umformprozess indizierten Volumenänderung der mit dem Übertragungsmedium befüllten Kammer ermöglicht.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist in dem Werkzeugunterteil eine zweite Matrize angeordnet, wobei zwischen Elektrodenrahmen und Werkzeugunterteil ein zweites Blech fluiddicht einspannbar ist. Hierdurch ist die gleichzeitige Umformung zweier Bleche während einer Entladungsfolge ermöglicht, wodurch die Produktivität der Vorrichtung deutlich gesteigert ist.
  • In Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens zwei Elektroden als nachschiebbare Elektroden ausgebildet. Hierdurch ist der Abbrand der Elektroden und gleichzeitig auch der Abbrand der Brückenelemente kompensierbar. Bevorzugt ist - zusätzlich oder alternativ - wenigstens ein Brückenelement als nachschiebbares Element ausgebildet.
  • Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
    • Figur 1
    die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur elektrohydrauli- schen Blechumformung;
    Figur 2
    die schematische Darstellung des Elektrodenrahmens der Vorrich- tung mit drehbarem Brückenelement gemäß Figur 1;
    Figur 3
    die schematische Darstellung eines Elektrodenrahmens in einer weiteren Ausführungsform mit verschiebbarem Brückenelement;
    Figur 4
    die schematische Darstellung eines Elektrodenrahmens in einer dritten Ausführungsform mit mehreren drehbaren Brückenelemen- ten;
    Figur 5
    die schematische Darstellung eines Elektrodenrahmens in einer vierten Ausführungsform mit einer Kombination aus mehreren fest- stehenden und drehbaren Brückenelementen
    Figur 6
    die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur elektrohydrauli- schen Blechumformung mit zweiter Matrize.
  • Die als Ausführungsbeispiel gewählte Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Werkzeugoberteil 1 sowie einem Werkzeugunterteil 2, zwischen denen ein Elektrodenrahmen 3 angeordnet ist. Zwischen Elektrodenrahmen 3 und Werkzeugoberteil 1 ist ein Blech 4 fluiddicht einspannbar.
  • In das Werkzeugoberteil 1 ist eine Matrize 11 eingebracht, welche die in das Blech 4 einzuformende Kontur aufweist. Weiterhin ist in dem Werkzeugoberteil 1 eine Leitung 10 zur Evakuierung der durch das eingelegte Blech 4 und die Matrize 11 gebildeten Kammer 12 vorgesehen.
  • Das Werkzeugunterteil 2 weist im Wesentlichen parabolisch oder elliptisch ausgebildete Reflektoren 21 auf, die der Matrize 11 des Werkzeugoberteils 1 gegenüberliegend angeordnet sind. Die Reflektoren 21 dienen der Reflektion von auftreffender Entladungsenergie in Richtung der Matrize 11.
  • Auf dem Werkzeugunterteil 2 ist ein Elektrodenrahmen 3 angeordnet. Der Elektrodenrahmen 3 ist im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 im Wesentlichen quadratisch ausgeführt. Jeweils mittig sind an den Seiten des Elektrodenrahmens 3 Elektroden 31, 32 angeordnet, wobei einer positiven Elektrode 31 jeweils eine negative Elektrode 32 gegenüberliegend angeordnet ist. Die Elektroden 31, 32 sind jeweils von einem Isolator 30 umgeben. Mittig der angeordneten Elektroden 31, 32 ist in dem Elektrodenrahmen 3 ein potenzialfreies Brückenelement 33 drehbar angeordnet, derart, dass es in Flucht mit jeweils einem Elektrodenpaar 31, 32 ausrichtbar ist. Es ergeben sich hier vier Funkenstrecken, die auf einem Durchmesser liegen, der der Länge des Brückenelementes entspricht.
  • Im Zuge des elektrohydraulischen Verfahrens wird auf den Elektrodenrahmen 3 ein umzuformendes Blech 4 aufgelegt und Werkzeugoberteil 1 und Werkzeugunterteil 2 werden mit hydraulischer oder mechanischer Kraft geschlossen, so dass das Blech 4 fluiddicht zwischen Elektrodenrahmen 3 und Werkzeugoberteil 1 eingespannt ist. Die Luft aus der durch die Matrize 11 und das Blech 4 gebildeten Kammer 12 wird über die Leitung 10 evakuiert. Der sich zwischen Werkzeugunterteil 2 und Blech 4 ergebende Füllraum 22 wird vollständig mit Übertragungsmedium, z.B. Wasser, gefüllt. Anschließend werden beliebig viele Entladungen hintereinander durchgeführt, wobei bei jedem Prozessschritt das Blech 4 weiter verformt wird, da das durch die Kondensatorunterwasserentladung beschleunigte Wasser auch in einigen Zentimetern Entfernung noch ausreichend Umformenergie aufweist. Nach jedem Prozessschritt bzw. jedem Entladungsvorgang wird das in dem Füllraum 22 durch die Umformung entstandene Vakuum über eine Leitung 20 mit Wasser nachgefüllt. Das besondere dieses Pulsverfahrens ist, dass die erforderliche Umformenergie nicht zwingend mit einem Puls erzeugt werden muss. Der maximal auftretende Druck bzw. die maximale Geschwindigkeit des beschleunigten Wassers ist pro Puls bei gleichen Parametern gleich, aber die Umformung kann möglicherweise nicht vollständig ausgeführt werden, da die Zeit pro Puls nicht ausreichend ist. Somit wird die Umformung mit der Durchführung des nächsten Pulses entsprechend fortsetzt. Vorteilhaft für die Auslegung und die Standzeit der Vorrichtungskomponenten ist hierbei, dass die Umformung nicht mit einem Energiepuls mit sehr hoher Energie erfolgen muss, sondern durch mehrere Energiepulse mit entsprechend geringerer Energie erfolgen kann. Diese Energiepulse können flächig verteilt über die durch die Brückenelemente 33 gebildeten Funkenstrecken erfolgen, wodurch die effektive Umformfläche erhöht ist.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 sind parallel zueinander zwei Elektrodenpaare 31, 32 angeordnet sowie ein potenzialfreies Brückenelement 33, welches zwischen den beiden Elektrodenpaaren 31, 32 verschiebbar angeordnet ist. Es ergeben sich hier vier Funkenstrecken, die in den Eckpunkten eines Rechtecks liegen, wobei die eine Seite des Rechtecks durch die Länge des Brückenelements beschrieben ist und die zweite Seite durch den Abstand der Elektroden 31 bzw. 32 auf einer Seite des Elektrodenrahmens 3.
  • Der wesentliche Vorteil des verschieb- oder drehbaren Brückelementes ist es, das jeweils nur zwei der vier Funkenstrecken zünden, weil nur diese in einem zündfähigen Stromkreis liegen. Dies ist besonders vorteilhaft, da für jede einzelne Funkenstrecke eine bestimmte Mindestspannung anliegen muss, um ein reproduzierbares Zündverhalten und damit eine hohe Umsetzung von elektrische in hydraulische Energie zu erzielen. Die erforderliche Mindestzündspannung für eine Funkenstrecke ist im Wesentlichen abhängig von Durchmesser und Form der Elektrode 31, 32 sowie vom Elektrodenabstand, von der elektrischen Leitfähigkeit des Übertragungsmediums (beispielsweise Wasser) und von dem im Zündmoment entstehenden Druckniveau im Übertragungsmedium. Bei jeder Zündung der Funkenstrecke erfolgt ein Plasmalichtbogen, der zu einer entsprechenden Abbrandrate an den Elektroden führt. Unter dem Aspekt der Standzeitfestigkeit für die Serienfertigung sind Elektrodendurchmesser < 10mm bei größeren Energien, wie sie beispielsweise für Stahlbleche mit Materialstärken > 0,4mm erforderlich sind, ungeeignet. Um der hydraulischen Energie, welche punktförmig zwischen den Elektroden 31, 32 an dem sich ausbildenden Plasmakanal entsteht, eine effiziente Ausbreitung zu ermöglichen, ist z.B. eine Mindestzündspannung von ca. 10kV pro Funkenstrecke beim Einsatz im Übertragungsmedium Wasser erforderlich.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 sind an dem Elektrodenrahmen 3 an jeder Seite nebeneinander liegend zwei gleichgepolte Elektroden 31, 32 nebeneinander angeordnet. Innerhalb des Elektrodenrahmens 3 sind vier potenzialfreie Brückenelemente 33 drehbar angeordnet, derart, dass ein Elektrodenpaar über jeweils zwei hintereinander angeordnete potenzialfreie Brückelemente 33 überbrückt werden kann, wobei jeweils drei Funkenstrecken gebildet sind. Auf diese Weise sind zwölf verschiedene Funkenstrecken gebildet, welche einen entsprechend großen Umformbereich abdecken.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 sind drei Elektrodenpaare 31, 32 sowie drei ortsfeste und zwei drehbar angeordnete Brückenelemente 33 angeordnet. In dieser Anordnung können nacheinander drei Positionen mit je zwei, drei bzw. vier Funkenstrecken abgefahren werden. Die Ausführungsvarianten sind beliebig; es können beispielsweise auch drehbare, verschiebbare und ortsfeste Brückenelemente kombiniert werden. Hierdurch wird insgesamt die Anforderung, einen beliebig großen Umformbereich abzudecken, erfüllt.
  • Für den Einsatz des elektrohydraulischen Verfahrens in der Serienfertigung kann zur Erhöhung der Standzeit der Abbrand der Elektroden 31, 32 durch automatisches Nachschieben des Elektrodenstabes erfolgen, wobei gleichzeitig auch der Abbrand eines verschiebbaren oder auch eines drehbaren Brückenelementes gleichzeitig kompensiert werden kann. Das sich hierdurch nach längerer Einsatzzeit der Punkt des Funkenüberschlags, also die Funkenstrecke selber, verschiebt, kann dadurch kompensiert werden, dass beispielsweise einmal pro Schicht oder einmal pro Tag das Brückenelement 33 selbst getauscht wird.
  • Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass bei der erfindungsgemäßen Auslegung des Elektrodenarrays grundsätzlich nur ein Schalter benötigt wird, auch wenn beispielsweise zwölf Funkenstrecken angeordnet sind, von denen je nach Stellung der Brückenelemente 33 nur wenige bestimmte gezündet werden. Die gesamte in den Kondensatoren gespeicherte Energie wird somit auch nur auf wenige Elektroden bzw. Brückenelemente aufgeteilt. Im gesamten Stromkreis ersetzen somit die Brückenelemente 33 die sonst mehrfach einzusetzenden Schalter. Derartige Hochstromschalter sind bei dem gesamten elektrohydraulischen Verfahren die kostenintensivste Komponente, weil hierbei hohe Spannungen, entsprechend der erforderlichen Zündspannung, extrem hohe Ströme im Bereich zwischen 10 und 300 kA sehr schnell (im µs-Bereich) geschaltet werden müssen. Ein solcher Schalter ist entweder entsprechend sehr teuer in der Auslegung für größere Standzeiten oder er zeigt in preiswerteren Ausführungen entsprechend hohen Verschleiß. Beim Gegenstand der Erfindung werden durch die Positionen der Brückenelemente 33 die Positionen der aktivierten Funkenstrecken automatisch bestimmt. Hierdurch können die Erstellungskosten der Gesamtanlage erheblich reduziert werden.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 ist in dem Werkzeugunterteil 2 an Stelle eines Reflektors 21 eine zweite Matrize 23 eingeformt. Dabei ist der Elektrodenrahmen 3 unabhängig vom Werkzeugoberteil 1 und dem Werkzeugunterteil 2 befestigt, so dass jeweils ein Blech zwischen Werkzeugoberteil 1 und Elektrodenrahmen 3 und zwischen Elektrodenrahmen 3 und Werkzeugunterteil 2 einspannbar ist. Über in dem Werkzeugoberteil 1 und dem Werkzeugunterteil 2 jeweils vorgesehene Leitungen 10, 20 können die zwischen den Blechen 4 und den Matrizen 11, 23 gebildeten Kammern 12, 24 evakuiert werden. Der durch die über die Unterwasserelektroden 31, 32 und dem Brückenelement 33 erfolgte Kondensatorunterwasserentladung wird das beschleunigte Wasser gegen die parallel angeordneten Bleche 4 beschleunigt, wodurch die Bleche 4 gegen die Matrizen 11, 23 gepresst werden. Mit dieser Anordnung ist eine gleichzeitige Verformung von zwei Blechen in einem Umformprozess ermöglicht.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur elektrohydraulischen Blechumformung, umfassend ein Werkzeugoberteil mit einer Matrize und ein Werkzeugunterteil, an dem ein Elektrodenrahmen angeordnet ist, der wenigstens zwei Elektroden aufnimmt, wobei zwischen Matrize und Elektrodenrahmen ein Blech fluiddicht einspannbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Elektrodenrahmens (3) zwischen wenigstens zwei Elektroden (31, 32) wenigstens ein potentialfreies Brückenelement (33) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein potentialfreies Brückenelement (33) positionsfest angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein potentialfreies Brückenelement (33) drehbar angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein potentialfreies Brückenelement (33) verschiebbar angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein potentialfreies Brückenelement (33) mit einem Antrieb verbunden ist, über den es bewegbar ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungsvorrichtung angeordnet ist, die mit dem wenigstens einen Antrieb verbunden ist und die derart eingerichtet ist, dass zu festgelegten Zeiten unter Veränderung der Lage wenigstens eines potentialfreien Brückenelementes (33) unterschiedliche Funkenstrecken aktiviert werden können.
  7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Werkzeugunterteil (2) eine Leitung (20) zur Fluidzuführung eingebracht ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Werkzeugunterteil (2) eine zweite Matrize (23) angeordnet ist, wobei zwischen Elektrodenrahmen (3) und Werkzeugunterteil (2) ein zweites Blech (4) fluiddicht einspannbar ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Elektroden (31, 32) als nachschiebbare Elektroden ausgebildet sind.
  10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Brückenelement als nachschiebbares Element ausgebildet ist.
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