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EFB-Forschungsbericht Nr. 158

Umformen von metallischen Werkstoffen durch Impulsmagnetfelder

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

232 Seiten (Sw 201, teils farbige Abb., 24 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-287-8

Preis (Digital) EUR 111,00

Preis (Print) EUR 125,20

Zusammenfassung

Das vorliegende Forschungsvorhaben befaßte sich mit der experimentellen und analytischen Untersuchung der impulsmagnetischen Umformung, um eine Grundlage zur Einführung dieses Verfahrens in die industrielle Produktion zu schaffen. Die Schwerpunkte waren daher sehr mannigfaltig gesetzt worden und betrafen neben der Werkzeugentwicklung, der Bestimmung relevanter Prozeßparameter, der Untersuchung der elektromagnetischen Verträglichkeit und der analytischen Modellierung des Verfahrensablaufes auch Untersuchungen zur Auslegung von Fügegeometrien und von Kalibriermatrizen, bzw. der Ermittlung von Prozeßparametern zum impulsmagnetischen Fügen und Kalibrieren.

Abschließend wurde eine optimierte Werkzeugspule sowie eine optimierte Fügeverbindung entwickelt und in eine prototypische Fertigungseinrichtung integriert. Die Durchführung des Forschungsvorhabens wurde durch eine Förderung des BMWi über die AiF ermöglicht.

Die Ergebnisse zum impulsmagnetischen Kalibrieren mittel Kompression zeigen, daß die insbesondere für Strangpreßprofile aus Aluminium geltenden DIN Normen zur Durchmesser- und Rundheitstoleranz weit unterschritten werden können und Kalibriertoleranzen von zirka 0,1 mm sowie Rundheitstoleranzen von 150 bis 200 µm realisierbar sind. Weiterhin konnten mit dem Verfahren des impulsmagnetischen Fügens Fügeverbindungen erreicht werden, die im Vergleich zu einer Schweißverbindung das zweifach der Zugkraft und nahezu das gleiche Torsionsmoment aufbringen konnten. Verglichen mit einer Klebeverbindung waren die impulsmagnetischen Fügeverbindungen im Bezug auf die Zugkraft gleichwertig und im Falle des übertragbaren Torsionsmomentes um den Faktor 0,7 unterlegen.

Im Rahmen der Spulenentwicklung wurden vier grundsätzlich verschiedene Konzepte entwickelt, gefertigt, erprobt und miteinander im Hinblick auf relevante Prozeßparameter verglichen. Für das Fügen einer optimierten Fügeverbindung in der prototypischen Fertigungseinrichtung wurde eine direktwirkende Spule mit massiven Kupferwindungen und integriertem Kühlkanal ausgewählt, die einen magnetischen Druck von 120 N/mm² realisieren konnte. Die thermischen Verhältnisse in dieser Spule waren mit der Kühlung durch Druckluft kontrollierbar und die mechanische Dauerfestigkeit ließ sich im Rahmen der durchgeführten Dauerversuche bestätigen.

Die Untersuchung zur elektromagnetischen Verträglichkeit des Verfahrens erbrachten, dass die bei der impulsmagnetischen Umformung entstehenden elektromagnetischen Störaussendungen beherrschbar sind und dem Einsatz des Verfahrens in keiner Weise entgegen stehen.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens zeigen, daß das Verfahren der impulsmagnetischen Umformung für viele Anwendungen nicht nur neue Potentiale beinhaltet, sondern dass bestehende Anwendungen damit schneller, einfacher und kostengünstiger zu realisieren sind. Damit kann abschließend die Bewertung erfolgen.

Das Forschungsvorhaben „Umformen von metallischen Werkstoffen durch Impulsmagnetfelder“ wurde unter der Fördernummer AiF 11841BG 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. 158 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

0. Formel- und Kurzzeichen
1. Zusammenfassung
2. Einleitung
2.1. Stand der Technik
2.2. Aufbau und Bedienung der Magnetanlage am IWF
2.3. Festlegung der zu untersuchenden Parameter
3. Auslegungskriterien für Werkzeugspulen
3.1. Einleitung
3.2. Einfluß von Pulsdauer und Pulsamplitude
3.3. Einfluß des Spaltes zwischen Spule und Werkstück
3.4. Einfluß der Windungszahl der Arbeitsspule
3.5. Einfluß von Feldformern
3.6. Berechnung des Druckverlaufes
4. Konstruktion und Fertigung von Werkzeugen
4.1. W1 - Drahtspule mit Aramidarmierung
4.2. W2 – Drahtspule mit integriertem Feldformer und Aramidarmierung
4.3. W3 – Massivwindungsspule mit Aramidisolation und -armierung
4.4. W4 – parallelverschaltete Drahtspulen mit integriertem Feldformer
5. Experimentelle Untersuchungen zum Freiumformen von Aluminiumprofilen
5.1. Experimentelle Ermittlung des magnetischen Druckes
5.2. Experimentelle Ermittlung des erreichbaren Verformungsprofils
5.3. Umformversuche unter Variation des Umformdruckes
5.4. Umformversuche unter Variation der Entladefrequenz
5.5. Fazit zu den Freiumformversuchen – Auswahlkriterien von Werkzeugspulen
6. Experimentelle Untersuchungen zum Kalibrieren von Aluminiumprofilen
6.1. Prozeßparameter beim Kalibrieren
6.2. Meßergebnisse zum Kalibrieren
6.3. Fazit zu den Kalibrieruntersuchungen
7. Experimentelle Untersuchungen zum Fügen von Aluminiumprofilen
7.1. Grundlagen zum Fügen mit Impulsmagnetfeldern
7.2. Verwendete Fügegeometrien und Versuchsparameter
7.3. Überprüfung der Wiederholbarkeit der Meßergebnisse
7.4. Prüfvorrichtungen zur Ermittlung der Fügefestigkeit
7.5. Werkzeugspule zur Durchführung der Fügeuntersuchungen
7.6. Voruntersuchungen zur Ermittlung der Versuchsparameter
7.7. Erreichbare Zugfestigkeiten
7.8. Erreichte Torsionsfestigkeiten
7.9. Optimierung der Fügegeometrien
7.10. Herstellung konventionell gefügter Referenzfügungen
7.11. Fazit zu den Fügeuntersuchungen
8. Analyse der magnetischen Durchdringung beim Fügen
8.1. Fazit zur magnetischen Durchdringung
9. Entwicklung von Werkzeugkonzepten für eine industrielle Serienfertigung
9.1. Auswahl des Spulenkonzeptes
9.2. Konstruktion und Fertigung der Spule W5
9.3. Prozeßanalyse der Spule W5
9.4. Untersuchung des thermischen Verhallten und der Dauerbelastbarkeit der Spule W5
9.5. Optimierung der Spule W5
10. Optimale Auslegung von Anlage und Werkzeug für eine Fertigungsaufgabe
10.1. Fazit zur optimalen Auslegung von Anlage und Werkzeug
11. Prototypische Realisierung einer optimierten Umformung
11.1. Beschreibung der Fertigungsaufgabe
11.2. Vorversuche mit variierenden Fügegeometrien
11.3. Optimierung der Fügegeometrie mit Hilfe der FEM-Simulation
11.4. Fügung des realen Werkstückes mit optimierter Fügegeometrie
11.5. Ermittlung der Fügefestigkeit an den Wellen mit optimierter Fügegeometrie
12. Aufbau und Erprobung des Fertigungssystems
13. Untersuchung der elektromagnetischen Verträglichkeit des Verfahrens
13.1. Einleitung zur EMV
13.2. Untersuchungsobjekt
13.3. Meßtechnik und Meßgrößenaufbereitung
13.4. Magnetische Feldstärke
13.5. Elektrische Feldstärke
13.6. Störspannung am Netzanschluß
13.7. Mögliche Störphänomene
13.8. Arbeitsschutzvorschrift und EMV-Normen
13.9. Konsequenzen für den EMV-gerechten Aufbau
13.10. Zusammenfassung und Ausblick
14. Wirtschaftlichkeitsanalyse des Verfahrens
14.1. Einleitung zur Wirtschaftlichkeitsanalyse
14.2. Wirtschaftlichkeitsrechnung
14.3. Fazit zur Wirtschaftlichkeitsanalyse
15. Schrifttum