Teilbare Werkzeuge zum impulsmagnetischen Umformen in geschlossenen Rahmenstrukturen

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.