JP4087456B2 - 電磁フォーミング装置 - Google Patents

Description

［発明の技術分野］
本発明は、一般的にパルス磁気力（ＰＭＦ）フォーミングによる金属物体のフォーミングに関する。ＰＭＦフォーミングは短い時間幅の磁気パルスが金属ワークピースの形状を変化するために使用される処理である。形状の変化は対象物自身によるものであり、それによってワークピースは異なった形態を得ることができる。しかしながら、時には形態の変化は、一方のワークピースを他方に対して強制的に急速に押付けるように作用し、２つのワークピースを結合するか両方のワークピース互いに溶接する結果を生じる（結合は２つの表面間の分子相互作用なしに互いに密接に関連するように２つのワークピースの表面を近接させる処理であり、一方、溶接は、２つのワークピースの表面が互いに溶け合って一体となる処理であり、２つの表面間の分子レベルにおける相互作用が存在する）。ここで使用される“フォーミング”または“ＰＭＦフォーミング”はそのような処理のすべてを示すものである。
［発明の背景技術］
特に、円筒形の物体のＰＭＦフォーミングは従来知られている。例えば、米国特許３，６５４，７８７号明細書、同３，８３２，，５０９号明細書、同４，１４３，５３２明細書、同４，１７０，８８７号明細書、同４，５３１，３９３号明細書、および同４，４４２，８４６号明細書ならびにドイツ特許ＤＥ４，４３６，６１５号公報参照。このようなＰＭＦフォーミング処理では、フォーミングコイル、特に単一巻回のコイルは成形される管状ワークピースを囲んで配置される。コイルを流れる短い時間幅の高い強度の電流は金属ワークピース中に渦電流を生成し、それによって磁気圧力が生成され、その結果フォーミングコイルと金属ワークピースとの間に反発力が生じる。この磁気圧力は管状ワークピースの収縮をもたらす。最終的な結果、すなわちフォーミングだけか否か、管状ワークピースが他のワークピースに結合または溶接されるか否かは処理の正確に環境に依存している。有効なＰＭＦフォーミングのためには高い強度の磁界が必要とされ、それを行うために時には磁界成形装置を使用することが有効であり、それは実際には２次コイルであり、電気エネルギ源（代表的なものは放電キャパシタ）に接続された１次コイルの複数の巻線により囲まれている。
有効なＰＭＦフォーミング処理は、フォーミングコイル（１次コイルがエネルギ源に接続されているか、または２次コイルすなわち磁界成形装置に接続されているか）と金属ワークピースの間の間隔が接近していることが必要である。しかしながら、これは多くの場合に困難な技術的問題を生じる。例えば米国特許５，４４２，８４６号明細書に記載されているようなブリッジスリーブにより長いスチールパイプを接続する場合に、接続後に接続スリーブを有するパイプの側方引出しを可能にするようにコイルを開放することができるようにすることが必要である（そうでなければパイプは長手方向に正確にパイプを引き出すことが必要になり、それは実用的でないことが多い）。
別の例は電気ケーブルに対するケーブルラグの結合である。ケーブルラグは、別のケーブルラグ、電源または接地導体に緊密に取付けるためのネジが通過することのできる孔を有するケーブルの端部その他の一般的に平らな部分を受けるように構成された管状部分を有する物体である。電気ケーブルとケーブルラグとの緊密な接触を確保するために、ケーブルの端部をこの管状部分中に挿入した後、この管状部分の壁が圧縮されてその内部に位置するケーブルの端部部分上に強く締付けられる。これは従来主として機械的手段により行われていた。
ケーブルラグの管状部分とケーブル端部ラグとの緊密な結合はＰＭＦフォーミングによって行われることができる。しかしながら、問題は、ラグの平坦な部分が管状部分の直径よりも大きい寸法であり、したがって、フォーミングコイルが標準の固定されたコイルであった場合にはフォーミング後にケーブルを引出すことが実際上不可能であることである。別の管状または円筒状ワークピースに管状ワークピースを結合するように特に設計された装置は、米国特許３，６５４，７８７号明細書、および同５，４４２，８４６号明細書に開示されている。しかしながら、これらの米国特許明細書に開示されている装置はかさばり、ケーブル端部とケーブルラグの結合が行われる場所で使用するには適当ではない。
これらの米国特許明細書に開示されているフォーミング装置は、全て、形成されるワークピースの周囲のＰＭＦフォーミング領域を定めるように互いにクランプされる２つの半分の部分がそれぞれ放電電源の異なる端子に接続される共通の特徴を有している。問題は、電源に対する電気接続が非常に低い電気接触抵抗でなければならず、したがって、かさばった装置は、フォーミングコイルの２つの半分の部分の少なくとも１つが変位可能でなければならないにも拘らずそのようなコンタクトの保守を確実にすることが要求されることである。
［発明の概要］
本発明の目的は、ＰＭＦフォーミングのための新しい装置を提供することである。特に、本発明の目的は、磁界の使用に適応した、電気ケーブルの一端にケーブルラグを結合するために使用されるそのような装置を提供することである。
幾つかの本発明の特徴がある。ある特徴によれば、装置は放電回路と直接接続されるフォーミングコイルを具備している。別の特徴によれば、フォーミングコイルは実際には２次コイルであり、その電流は１次コイルによって誘起され、それは放電回路と直接電気的に接続されている。本発明の全ての特徴による装置の共通の特徴は、一方ではフォーミングコイルまたは１次コイルとの間に永久的な電気接接触が存在し、他方ではフォーミングコイルのフォーミングスペースにおいて加工される管状物体の配置を容易にし、フォーミング後のワークピースの引出しを容易にする手段が提供されることである。
本発明によれば、コイル装置を有する管状のワークピースのパルス磁気フォーミング装置が提供され、そのパルス磁気フォーミング装置は、それぞれ放電機構の１つの端子と電気的に接続される２つの端部を有する単一巻回の第１のコイル部材と、この第１のコイル部材の形状および寸法に対応する形状および寸法を有する完全な閉ループである第２のコイル部材とを具備し、それらの第１および第２のコイル部材はそれらの間に電気絶縁層を有し、互いに取外し可能に取付けられており、第１のコイル部材は第１の凹部または波形部分を有し、前記第２のコイル部材は第２の凹部または波形部分を有し、それら第１および第２の２つの凹部または波形部分は互いに隣接して管状のワークピースに適合するフォーミングスペースを形成するように構成されていることを特徴とする。
以下、添付図面を参照にして実施形態を説明するが、それは本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による装置の概略図であり、図１Ａは、１次コイルが放電回路と直接接触する装置を示し、
図１Ｂは、インダクタンスがフォーミングコイルと関係する１次コイルと放電回路が直接接触する装置を示している。
図２は、本発明の第１の特徴によるフォーミングコイル装置の１実施形態の分解図である。
図３は、ケーブルラグのケーブルへの電磁接続のために共に配置された２つのコイル部材を有する図２のフォーミングコイルを示している。
図４は、ケーブルラグを保持するフォーミングスペースを囲んで流れる電流の方向を示す図３の装置を示している。
図５は、図４の線Ｖ−Ｖを通る部分的な拡大垂直断面図である。
図６は、図２〜４のフォーミングコイルの使用により形成されたケーブルラグとケーブルとの間の結合を示している。
図７は、本発明の第１の特徴にしたがったフォーミングコイル装置の別の実施形態を示している。
図８は、本発明の第２の特徴にしたがった挿入体を有するコイルの平面図であり、図８Ａは、組立てに先立って分離されたコイルと挿入体を示し、
図８Ｂは、円筒形ワークピースのフォーミング動作中に組立てられるこれらの部品を示している。
図９は、図８Ｂの線ＩＸ−ＩＸに沿った断面図である。
図１０は、前記第２の特徴にしたがったフォーミングコイル装置で使用される挿入体の別の実施形態を示している。
図１１は、ケーブルに対するケーブルラグのＰＭＦフォーミング結合に使用される本発明の第２の特徴にしたがったフォーミングコイルの特定の実施形態を示し、それにおいて、
図１１Ａは、ケーブルラグと結合されるケーブルとを挿入する前の開放位置にあるフォーミングコイルを示し、
図１１Ｂは、閉じている動作状態のフォーミングコイルを示している。
図１２は、本発明の第３の特徴にしたがったフォーミングコイルの２つの実施形態の正面図である。
図１３は、側面から見た図１２に示された種類のコイルの異なった３個の特定の実施形態を示している。
［好ましい実施形態の説明］
まず、図１を参照すると、本発明の２つの装置が示されている。図１Ａに示された装置は全体を20で示され、放電装置21とフォーミングコイル22とから構成されている。放電装置21は、放電キャパシタ26またはキャパシタバンクおよびパルス制御モジュール28を備えた放電回路24を具備している。図１Ａの実施形態ではフォーミングコイル22は放電回路24と直接電気的に接続されている。
全体を30で示した図１Ｂの装置は、放電装置31とフォーミングコイル装置32とから構成され、そのフォーミングコイル装置32は１次コイル34と２次フォーミングコイル36とを備え、２つのコイルは互いに誘導結合されている。１次コイル34は図１Ａのものと類似した装置30の放電回路38と直接電気的に接続され、それは放電キャパシタ40またはキャパシタバンクおよびパルス制御モジュール42を備えている。
図１に示された装置は、装置自体はよく知られているものである。本発明の特徴はフォーミングコイルの特性にあり、それについて以下の実施形態について例示的に説明する。
本発明の第１の特徴にしたがったコイル装置は図２に示されている。このコイル装置は、全体を40で示され、図１Ａに示されたような放電回路に接続可能な２個の端部44および46を有するコイル部材42を具備している。コイル装置40はさらにリング部材48を備え、このリング部材48はコイル部材42の描く軌道と平行な軌道を有している。コイル部材42はその上面に軸方向に向いた半円形の断面の凹部52を有している。リング部材48はその下面54に凹部52と類似した軸方向に向いた半円形の断面の凹部56を有している。コイル部材42の上面50とリング部材48の下面54ならびに凹部52および56は電気絶縁層57，58によって被覆されている。
リング部材48が図３に示されるようにコイル部材42の上に置かれたとき、２つの凹部はフォーミングスペース59を規定する。ここに示された特定された実施形態では、フォーミングスペース59はケーブルラグ62の円筒形の受け部部分60に適合する。円筒形の受け部部分60は電気ケーブル64の端部を保持する。
電流パルスがコイル部材42を通って流れるとき、コイル部材42とリング部材48との間には電気接触は存在しないから、図４に矢印65および66で示されるようにリング部材48中に反対方向に流れる電流を生じるような渦電流が発生する。
図５を参照すると、コイル部材42とリング部材48の部分的な断面が示されている。フォーミングスペース59の内壁上に延在している電気絶縁層57，58が明瞭に示されている。パルス電流（矢印65および66）はフォーミングスペース59を巡って流れ、円筒形の受け部部分60に反対方向に回転する渦電流（矢印68）を生じさせ、磁気圧力を生成して円筒形の受け部部分60のケーブル64上への収縮を生じ、その結果として両者を互いに接合する。このようなフォーミングによってケーブルラグ62の端部と結合されたケーブルラグ62は図６に示されている。
認識できるようにコイル装置40中に発生した磁気力はまた、コイル部材42からリング部材48を分離する方向に作用する力を生成し、したがってこれら２個の部材は互いに対して強固に保持されなければならない。
ケーブルラグのフォーミングは１例に過ぎず、この発明の装置は、様々なその他の円筒形ワークピースのフォーミングに対して使用できる。
本発明の第１の特徴によるコイル装置の別の実施形態が図７に示されている。この実施形態によるコイル装置は全体を70で示され、図６の実施形態と同様にコイル部材71とリング部材72とにより構成されている。しかしながら、図２の実施形態において、コイル部材42とリング部材48は全体が銅、真鍮、鋼鉄等の導電性材料で形成されていたが、この実施形態ではコイル部材71の上面の導電性材料層73と、リング部材72の下面の導電性材料層74とが設けられている。コイル部材71とリング部材72との各本体75および76は例えばエポキシガラスのような非導電性材料から作られている。図２乃至６の実施形態の場合と同様に、導電性材料層は電気絶縁材料よりなる薄い層によって覆われている。この実施形態の利点は、電流が流れるスペースが比較的限定され、図２の実施形態に比較してエネルギ損失が減少し、しかも両者は機能において非常に類似している。
図８を参照すると、本発明の第２の特徴にしたがった全体を80で示されているフォーミングコイル装置の平面図が示されている。装置80は部品が分離されている図８Ａと組立てられている図８Ｂによって示されており、フォーミングコイル82と２個の挿入体84および86を具備している。フォーミングコイル82は図８に示されているように単一巻回のコイルとして示されているが、これは図面を明瞭にするためであり、フォーミングコイルは図９に示される断面図から明らかなように例えば３回巻かれたコイルである。フォーミングコイル82は２つの端部導体88および89を有し、それらは典型的に放電回路に直接接続されている。コイル82は図１Ｂのコイル34に対応する。挿入体84および86は共に半月状の半円形を有し、それぞれコア89を有し、それは例えばエポキシガラスのような非導電性材料から作られ、空芯コアでもよく、銅、真鍮等の導電性材料で形成された導電性の鞘体90および91を備えている。鞘体はそれぞれ外側鞘部分92と、内側鞘部分94と、２個の中間鞘部分96および98とを有している。鞘体90および91は電気絶縁材料で作られた薄い層100および102によってそれぞれ被覆されている。他の鞘部分もまた随意的に電気絶縁材料で作られた層（図示せず）によって被覆されることができる。
挿入体84および86は、図８Ｂに示されるようにコイル82により定められたスペース87内に適合し、それらは共同して円筒形ワークピース112を受けるように構成されたフォーミングスペース110を限定している。挿入体84および86は共同してフォーミングスペース110中において磁気力を集中させる磁界成形装置として効果的に機能する。フォーミングのために、ワークピース112はまずスペース87内に配置され、それから挿入体84および86がコイル82の内部でワークピース112を囲んでスペース87内に配置される。以下説明するような方法で行われるフォーミング後、２個の挿入体84および86は成形されたワークピースを容易に除去することができる。
図９に示されているように、１次コイル82はこの実施形態では３回巻かれたコイルであり、挿入体84および86は台形の断面形状を有し、すでに指摘したようにより狭いフォーミングスペース110に磁気力を集中する磁界成形装置として有効に作用する。
動作において、パルス電流がコイル82を通って流れ、この例では時計方向に流れるものとする。これは外側鞘部分92に反時計方向に流れる電流を生成し、それは内側鞘部分94に時計方向に流れる回転電流を生成する。２つの内側鞘部分94における結合された電流は円筒形ワークピース112の周囲を流れるループ電流を生成し、それはワークピース112の壁に反時計方向に流れる電流を生成する。これは磁気圧力を生成しそれは円筒形ワークピース112を収縮させる。認識できるように、コイル装置は、磁気圧力が円筒形ワークピース112の壁だけを移動させ、すなわちそれを収縮させるよう安定に強固に固定されなければならない。
さて、図１０を参照すると、挿入体84および86に代ってコイル装置80に有用な別の挿入体113および114が示されている。挿入体113および114は挿入体84および86と類似した半月状の半円形を有している。挿入体84および86と同様に、挿入体113および114は電気絶縁材料で作られた薄い層115および116によってそれぞれ被覆されている。
挿入体84および86と異なって、挿入体113および114はコア89のようなコアを有しているのではなく、全体が銅、真鍮、鋼鉄等の導電性材料で形成され、それぞれ数個（この実施例ではそれぞれ５個）の円形の空洞を有している。このような挿入体において、電流が１次コイルを通って放電されるとき、外側表面部分118における１方向の電流と、内側表面部分119における反対方向の電流がフォーミングスペースを囲む電流ループを形成する。効率を増加させ、電流損失を避けるために、空洞の大きさは構造的に考慮しながらできるだけ大きくしなければならない。
図１０に示されたような挿入体の１つの利点は、図８Ａに示された挿入体よりも構造が複雑ではないことである。
次に、図１１を参照すると、本発明の第２の特徴による実施形態のフォーミングコイル装置120が示されている。装置はハンドル部分124を備えているハウジング122とフォーミングコイル保持部分126を備えている。ハンドル部分124は内部128が中空であり、そこにスプリング130が配置され、このスプリング130はプランジャ部材132に取付けられ、それに前方向に向けてバイアス力を与えている。プランジャ部材132は環状の肩部134を有し、それが環状の肩部136と結合することによってプランジャ部材132の前方への移動は制限されている。
コイル保持部分126は剛性の絶縁材料で作られた円筒形の本体140を有し、１次コイル142の複数のリング（この実施例では６個）を保持している。１次コイル142は放電回路（図示せず）に接続され、この１次コイル142は図１Ｂの装置の１次コイル34に相当するものである。
プランジャ部材132はその前端部に前方突出部144を有し、各挿入体150，152にフレキシブルなコネクタ146，148によって接続されている。挿入体150，152は基本的に図８および９に示された挿入体89に類似している（すなわち、半月状の半円形状であり、導電性材料の鞘体により覆われた電気絶縁材料で作られたコアを有し、鞘体はそれぞれ外側鞘部分と、中間鞘部分と、内側鞘部分とより構成されているが、図１１には示されていない。）
図１１の装置は、ケーブルラグ160をケーブル162の端部に接続するために使用するのに適している。ケーブルラグ160とケーブル162がフォーミングコイル装置20中に押込まれたとき、プランジャ部材132はスプリング130のバイアス力に抗して後方に押される。それ故、挿入体150，152はフォーミングスペース170を定めている装置中へ引込まれる。それから電流パルスがコイル120を流れ、磁気圧力が図８および９の実施形態を参照にして説明されたのと類似した方法で生成され、ケーブルラグ160の円筒形部分をケーブル162と接続させる。
図１２を参照すると、本発明の第３の特徴によるコイル装置が示されている。図１２Ａに示されたコイル装置180は第１のセクション182と第２のセクション184と、第３の、中間セクション186とを含む３つのコイルセクションから構成され、第１のセクション182は図１Ａまたは１Ｂに示されたような放電回路の一方の端子と電気的に接続され、第２のセクション184は他方の端子と電気的に接続され、第３の、中間セクション186は他の２つのセクションと取外し可能に結合されている。緊密な結合を確保するために、矢印188の方向からの圧力が加えられることができる。３つのコイルセクションは共同してフォーミングスペース190を定めている。セクション182と184は強固に固定され、一方、セクション186は他の２つのセクション182と184に取外し可能に結合され、円筒形のワークピースをフォーミングスペース中に配置し、或いははそこから取出すことを可能にしている。
取付けた形態は、図１２Ｂに示された別の実施形態のコイル装置92ではセクション198はダブテール形の取付け部によりセクション194および196に取付けられている。
図１３は、中間コイルセクション202と放電回路に接続されたセクション204の間の取付けの幾つかの形態を示している側面図である。これらの取付け形態は全て異なったセクション間の接触面積を増加させて外れないようにすると共にその電気抵抗を減少させるように作用する。これらには、傾斜取付けラインによる取付け（図１３Ａ）、山形取付けラインによる取付け（図１３Ｂ）、および半円形取付けラインによる取付け（図１３Ｃ）が含まれている。
以上本発明の特定の実施形態について説明したが、当業者は本発明の技術的範囲に含まれるその他の多数の実施形態の一例に過ぎないことを認識できるであろう。

Claims (3)

1. コイル装置を有する管状のワークピースのパルス磁気フォーミング装置において、
   それぞれ放電機構の１つの端子と電気的に接続される２つの端部を有する単一巻回の第１のコイル部材と、この第１のコイル部材の形状および寸法に対応する形状および寸法を有する完全な閉ループである第２のコイル部材とを具備し、
   それらの第１および第２のコイル部材はそれらの間に電気絶縁層を有し、互いに取外し可能に取付けられており、
   前記第１のコイル部材は第１の凹部または波形部分を有し、前記第２のコイル部材は第２の凹部または波形部分を有し、前記第１および第２の２つの凹部または波形部分は互いに隣接して管状のワークピースに適合するフォーミングスペースを形成するように構成されていることを特徴とするパルス磁気フォーミング装置。
2. 前記第１および第２のコイル部材はそれぞれ金属のブロックで構成され、２つの部材が取付けられるとき接触する表面がそれぞれ電気絶縁層で覆われている請求項１記載の装置。
3. 前記第１のコイル部材は電気絶縁材料で形成されたブロックであり、前記第２のコイル部材と接触する表面に導電性の金属バンドを備え、前記第２のコイル部材も電気絶縁材料で形成されたブロックであり、前記第１のコイル部材と接触する表面に導電性の金属バンドを備え、２つの金属バンドは電気絶縁層によって被覆され、両コイル部材は金属バンドが隣接するように取付けられている請求項１記載の装置。

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