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EFB-Forschungsbericht Nr. 225

Teilbare Werkzeuge zum impulsmagnetischen Umformen in geschlossenen Rahmenstrukturen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing Eckart Uhlmann, Dipl.-Ing. Robert Hahn, Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der TU Berlin - Prof. Dr.-Ing. Günter Wollenberg, Dr.-Ing. Wolfgang Schätzing, Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektromagnetische Verträglichkeit der Otto-von Guericke Universität Magdeburg

98 Seiten (sw 114, teils farbige Abb., 7 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-182-6

Preis (Digital) EUR 49,00

Preis (Print) EUR 54,60

Zusammenfassung

Das Ziel war die Entwicklung einer teilbaren Werkzeugspule mit ausreichendem Wirkungsgrad zur Realisierung impulsmagnetischer Umformungen in geschlossenen Rahmenstrukturen. Die Einsetzbarkeit eines solchen Werkzeuges in der industriellen Fertigung sollte gegeben sein. Es wurden hierzu Konzepte aus der Literatur herangezogen und in einem ersten Schritt experimentell und mit Hilfe der FEM analytisch für runde Werkstücke mit einem Durchmesser von 20 mm untersucht.

Es zeigte sich, dass nur unter Verwendung von mindestens zwei autark arbeitenden Spulen, die um den Umfang der Werkstückes angeordnet sind, ein entsprechendes teilbares Werkzeug zu realisieren ist, bei dem eine elektrische Kontaktierung der geteilten Spulenhälften entfällt. Eine derartige Kontaktierung ist insbesondere für einen robusten Serieneinsatz technisch nicht umsetzbar. Durch die Teilung ist der Verlauf des magnetischen Druckes im Vergleich zu einer nichtgeteilten Werkzeugspule stets inhomogen.

Diese Inhomogenität ist in axialer sowie radialer Richtung im Wirkbereich der Werkzeugspule gegeben. Bestrebungen, bei der Weiterentwicklung der geteilten Werkzeugspulen diesen Druckverlauf zu homogenisieren, waren nur teilweise erfolgreich. Ein homogener Druckverlauf, wie er bei nichtteilbaren Werkzeugspulen zu messen ist, ist für teilbare Werkzeuge aus physikalischen Gründen nicht realisierbar. Die Inhomogenität muss daher bei der Gestaltung und Positionierung von Fügegeometrien berücksichtigt werden. Bei der Aufskalierung der Werkzeuge der ersten Untersuchung auf Wirkdurchmesser von 60 mm zeigte sich ein erheblicher Verlust der Effektivität aufgrund der Verwendung von Feldformern, wodurch neue Konzepte für große Werkstückdurchmesser entwickelt werden mussten.

Als Abschluss einer umfangreichen Entwicklungsreihe stand eine direktwirkende teilbare Werkzeugspule mit vier über dem Umfang verteilten Einzelspulenelementen, von denen je zwei in einer Spulenhälfte integriert waren. Der Druckverlauf dieser Spule war zwar stark inhomogen, jedoch existierte eine hohe Anzahl an Druckmaxima, die gleichmäßig über den Werkstückumfang verteilt waren. Infolge der hohen Effektivität dieses Werkzeuges, die geringfügig über der in den Versuchsreihen eingesetzten nichtteilbaren Vergleichsspule lag, war es möglich, durch die bewusste Platzierung von Fügegeometrien zu den Druckmaxima eine prototypische Fügeverbindung zu erreichen. In einem letzten Entwicklungsschritt erfolgte die Integration der beiden Spulenhälften in einen Teilungsmechanismus, der in der Lage war, die hohen Prozesskräfte der impulsmagnetischen Umformung bei einem magnetischen Druck von 160 N/mm² abzufangen.

Das Forschungsvorhaben „Teilbare Werkzeuge zum impulsmagnetischen Umformen in geschlossenen Rahmenstrukturen“ wurde unter der Fördernummer AiF 13084BG von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 225 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

0 Formel- und Kurzzeichen
1 Zusammenfassung
2 Einleitung
3 Stand der Erkenntnisse
3.1 Verfahrensgrundlagen der impulsmagnetischen Umformung
3.2 Bisherige Arbeiten zu teilbaren Werkzeugspulen
4 Voruntersuchung der aus der Literatur bekannten Konzepte
4.1 Analytische Betrachtung der Ausgangskonzepte
4.1.1 Einleitung zur Modellerstellung
4.1.2 Numerische Untersuchungen - Umsetzung als FEM-Modell
4.2 Entwicklung und Fertigung der Ausgangskonzepte
4.2.1 Teilbare Werkzeugspule tWS-01
4.2.2 Teilbare Werkzeugspule tWS-02
4.2.3 Nichtteilbare Vergleichsspule
4.2.4 Messung des realisierbaren magnetischen Druckes
4.3 Erprobung der Ausgangskonzepte
4.3.1 Durchführung von Freiumformversuchen
4.3.2 Durchführung von Fügungen
4.3.3 Vergleich des FEM-Modells mit den experimentellen Ergebnissen
4.4 Fazit der Vorentwicklung und Auswahl eines geeigneten Konzeptes zur Aufskalierung
5 Aufskalierung des optimalen Konzeptes auf größere Werkstückdurchmesser
5.1 Analytische Dimensionierung und Optimierung des Konzeptes
5.1.1 Einfluss der Position des Feldformerschlitzes
5.1.2 Einfluss der Stromrichtung in den Kompressionsspulen
5.1.3 Einfluss der Primärspulenwindungszahl
5.1.4 Optimierung des Arbeitsbereiches
5.2 Konstruktion und Fertigung der Konzepte
5.2.1 Teilbare Werkzeugspule tWS-04
5.2.2 Teilbare Werkzeugspule tWS-03-1
5.3 Erprobung der Konzepte
5.3.1 Messung des realisierbaren magnetischen Druckes
5.4 Optimierung der teilbaren Spule tWS-03-1
5.4.1 Anpassung des Feldformers mit Hilfe der FEM
5.4.2 Konstruktion und Fertigung der optimierten Werkzeuge tWS-03-2/3
5.4.3 Erprobung der optimierten Werkzeuge tWS-03-2/3
5.5 Fazit zur Konzeptauswahl
6 Entwicklung einer direktwirkenden teilbaren Werkzeugspule
6.1 Zweifach direktwirkende teilbare Werkzeugspule tWS-05
6.1.1 Analytische Dimensionierung
6.1.2 Konstruktion und Fertigung des Werkzeuges tWS-05
6.1.3 Experimentelle Erprobung
6.1.4 Abschließende Bewertung der teilbaren Werkzeugspule tWS-05
6.2 Vierfach direktwirkende teilbare Werkzeugspule tWS-06
6.2.1 Analytische Untersuchungen zur Stromflussorientierung
6.2.2 Konstruktion und Fertigung des Werkzeuges tWS-06
6.2.3 Experimentelle Erprobung des Werkzeuges tWS-06
6.2.4 Abschließende Bewertung der teilbaren Werkzeugspule tWS-06
7 Entwicklung eines Teilungsmechanismus für die Werkzeugspule tWS-06
7.1 Konzept für einen Teilungsmechanismus
7.2 Untersuchung des Prozessverhaltens mit Hilfe der FEM
7.3 Konstruktion und Erprobung des Teilungsmechanismus
8 Durchführung prototypischer Fügeoperationen mit der teilbaren Werkzeugspule tWS-06
9 Literaturverzeichnis