Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Druck- und/oder Zugkräften auf ein im Wesentlichen stabförmiges Werkstück aus elektrisch leitfähigem und/oder magnetisierbarem Material. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Im Wesentlichen stabförmige Werkstücke im Sinne dieser Erfindung sind solche Werkstücke, deren Ausdehnung in axialer Rechtung die Abmessungen in den lateralen Richtungen deutlich übersteigen. Dies können beispielsweise Rohren, Stäbe, Stangen, Profilstreben oder Flachbänder sein.
Um derartige Werkstücke beispielsweise im Rahmen einer Bearbeitungs- oder Fertigungsanlage fortzubewegen ist es erforderlich, auf diese Werkstücke Druck- und/oder Zugkräfte aufzubringen. Gleichermaßen sind derartige Kräfte insbesondere bei Umformvorgängen erforderlich, bei denen die Werkstücke beispielsweise durch formgebende Matrizen zur Profilbildung oder Durchmesserveränderung gedrückt oder gezogen werden. Dies ist beispielsweise beim Ziehen von Rohren erforderlich, wobei ein Rohr mit einem Durchmesser D1 vor dem Ziehen durch Hindurchziehen durch eine Matrize bzw. einen Ziehstein unter Materialverformung zu einem Rohr mit einem kleineren Durchmesser D2 als der Durchmesser D1 verformt wird. Für einen solchen Vorgang ist es erforderlich, das zu verformende Werkstück, im genannten Beispiel also das zu ziehende Rohr mit einer entsprechenden Zugkraft zu beaufschlagen, um einerseits die Verformung und andererseits den Weitertransport des umzuformenden Werkstückes zu erreichen. Bei bekannten Umformanlagen, beispielsweise zum Ziehen von Rohren, wird dies üblicherweise mechanisch erreicht. Ein Greifer greift an einem durch die Umformvorrichtung, beispielsweise den Ziehstein, hindurchgeführten Ende des Werkstückes an und wird über einen mechanischen Antrieb, beispielsweise einen Elektromotor, in die Zugrichtung bewegt. Auf diese Weise werden die benötigten Zugkräfte zum Umformen aufgebracht, welche beispielsweise 10 Tonnen betragen können. Bei den bekannten, mechanischen Anlagen ist jedoch von Nachteil, dass an das umzuformende, stabförmige Werkstück stets ein Zugelement mechanisch anzukoppeln ist, was mit einem nicht unerheblichen Arbeitsaufwand verbunden ist. Auch ist bei derartigen mechanischen Zugelementen aufgrund der Mechanik die Geschwindigkeit des Ziehens beschränkt. Bei typischen Rohrziehanlagen beträgt diese beispielsweise maximal 300 m Rohrmaterial pro Minute. Dies ist insbesondere bei sogenannten Kontiziehanlagen, bei denen ein quasi endloses Werkstück, beispielsweise ein aufgewickeltes Rohr von großer Länge, kontinuierlich zum Umformen gezogen wird, von Nachteil.
Gemäß der Druckschrift
Durch Anlegen eines mit einem in Richtung der aufzubringenden Kraft weisenden Gradienten versehenen Magnetfeldes an das stabförmige Werkstück wird in dem elektrisch leitfähigen und/oder magnetisierbaren Material über einen durch Induktion initiierten Stromfluss bzw. über eine Ausrichtung magnetischer Pole ein Magnetfeld erzeugt. Aufgrund dieses induzierten Magnetfeldes und des Gradienten des äußeren Magnetfeldes wirkt auf das stabförmige Werkstück eine in Richtung des Gradienten des äußeren Magnetfeldes weisende Kraft. Je nach Ausrichtung des Gradienten des äußeren Magnetfeldes kann somit auf das Werkstück eine in eine Richtung wirkende Druckkraft bzw. eine in die entgegengesetzte Richtung wirkende Zugkraft aufgebracht werden. Das Aufbringen der Kräfte erfolgt nicht mechanisch, sondern rein über die Wechselwirkung des äußeren Magnetfeldes mit dem aufgrund dieses Feldes in dem Material des Werkstückes induzierten Magnetfeld.
Da bei einer solchen Form des Aufbringens von Druck- bzw. Zugkräften eine mechanische Bewegung nicht erforderlich ist, ist bei diesem Verfahren beispielsweise eine Vortriebsgeschwindigkeit beim Umformen nicht aufgrund mechanischer Vorgaben beschränkt. Es können somit wesentlich höhere Geschwindigkeiten erreicht werden, als mit den aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen.
Allerdings sind zum Erreichen der notwendigen Ziehkräfte erhebliche Stromstärken und eine erhebliche Anzahl von Spulen notwendig. Dieses führt zu Ziehmaschinen, die eine Länge von mehreren hundert Metern Länge haben können und im Vergleich zu konventionellen Maschinen mit mechanischen Greifern viel zu groß sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die aus der genannten Patentschrift bekannte Vorrichtung so weiter zu entwickeln, das kleinere Maschinen möglich sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das einen Gradienten aufweisende Magnetfeld durch mindestens zwei um das stabförmige Werkstück herum angeordnete Spulen erzeugt wird, wobei die Spulen jeweils zur Erzeugung unterschiedlicher Magnetfelder stromdurchflossen sind. Als Spule im Sinne dieser Erfindung sollen dabei auch einzelne Leiterschleifen verstanden werden. Im Rahmen der Erfindung können zwei gleichartig aufgebaute Spulen axial voneinander beabstandet um das Werkstück herum angeordnet werden, wobei zur Erzeugung unterschiedlicher Felder Ströme unterschiedlicher Stärke und/oder Phase durch die Spulen geleitet werden. Erzeugt man das mit einem Gradienten versehene Magnetfeld mit einer derartigen Anordnung, so kann bei einer großen Anzahl von Spulen und einer geeigneten Steuerung ein sehr genau zu kontrollierender Verlauf des Magnetfeldes erreicht werden, womit eine sehr dosierte Aufbringung von Druck- und/oder Zugkräften auf das stabförmige Werkstück möglich ist.
Um Druck- und/oder Zugkräfte auf das stabförmige Werkstück kontrolliert aufzubringen, kann gemäß dem hier beschriebenen Verfahren in einer vorteilhaften Weiterbildung desselben der durch die Spulen bzw. Spulenanordnung fließende Strom in Abhängigkeit von der Zeit verändert werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß periodisch, wobei die gewählte Frequenz entsprechend einer abhängig von den Materialeigenschaften und den Abmessungen des stabförmigen Werkstücks ausgebildeten Resonanzfrequenz ausgesucht wird. Als eine solche Resonanzfrequenz wird die Frequenz bezeichnet, bei der mit der gewählten Spulenanordnung die effizienteste Umsetzung von elektrischer Energie in Druck- bzw. Zugkräfte unter Zwischenschaltung der magnetischen Felder erfolgt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das einen Gradienten aufweisende Magnetfeld durch eine stromdurchflossene Spulenanordnung erzeugt werden, welche einen inhomogenen Aufbau hat. Unter einem inhomogenen Aufbau einer Spulenanordnung soll aber auch eine aus mehreren Spulen bestehende Spulenanordnung aus mehreren, in ihren Eigenschaften voneinander abweichenden Spulen verstanden werden. Mit einer solchen Spulenanordnung kann auf einfache Weise ein mit einem Gradienten versehenes Magnetfeld erzeugt werden, wobei die Spulenanordnung selbst im Raum feststehend ist und das Magnetfeld durch Leiten eines Stromflusses durch die Spulenanordnung erzeugt wird. Eine solche Spulenanordnung erfordert keinerlei mechanisch bewegliche Teile, das Aufbringen von Druck- und/oder Zugkräften auf das Werkstück erfolgt ausschließlich aufgrund der durch die Spulenanordnung erzeugten magnetischen Felder.
Um ein Überhitzen der Spulenanordnung zu verhindern, können die Spulen gemäß einem Vorschlag der Erfindung gekühlt werden, falls erforderlich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann zur Unterstützung des Aufbringens von Druck- und/oder Zugkräften das stabförmige Werkstück, sofern es elektrisch leitfähig ist, mit Strom durchflossen sein. Indem das Werkstück selbst mit einer äußeren Stromquelle verbunden wird und damit stromdurchflossen ist, wird um das Werkstück herum zusätzlich zu dem durch das äußere Magnetfeld induzierten Magnetfeld ein weiteres Magnetfeld erzeugt. Je nach Richtung des Stromflusses und Polung des äußeren Magnetfeldes kann somit eine Verstärkung der auf das Werkstück aufgebrachten Kraft erreicht werden.
Um ein Überhitzen des Werkstücks aufgrund des äußeren Magnetfeldes, wie es insbesondere bei periodisch wechselndem Magnetfeld erfolgen kann, zu verhindern, kann gemäß einem weiteren vorteilhaften Vorschlag der Erfindung das Werkstück gekühlt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können stabförmige Werkstücke transportiert oder zum Umformen durch entsprechende Umformwerkzeuge gezogen bzw. gedrückt werden. Die stabförmigen Werkstücke müssen lediglich aus einem elektrisch leitfähigen und/oder magnetisierbarem Material gebildet sein. Hierbei kommen alle elektrisch leitfähigen Metalle in Betracht, aber auch magnetisch polarisierbare bzw. magnetisierbare Kunststoffe oder ähnliche Materialien.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird mit der Erfindung weiterhin eine Vorrichtung zum Aufbringen von Druck- und/oder Zugkräften auf ein im Wesentlichen stabförmiges Werkstück aus elektrisch leitfähigem und/oder magnetisierbarem Material vorgeschlagen mit mit einer Strom beaufschlagbaren Spulenanordnung zur Ausbildung eines einen in Richtung der aufzubringenden Kraft weisenden Gradienten aufweisenden Magnetfeldes auf das Werkstück.
Die Spulenanordnung weist mindestens zwei Spulen auf, welche mit einem über eine Steuerung individuell für jede der Spulen einstellbaren Strom beaufschlagbar sind. Der Strom wird von der Steuerung so eingestellt, dass sich periodisch, in Abhängigkeit von der Zeit ändert, wobei die Frequenz der Resonanzfrequenz entspricht. Unter Spulen im Sinne dieser Erfindung werden nicht nur Spulen mit mehreren Wicklungen verstanden, sondern auch einzelnen Leiterschleifen. Die einzelnen Spulen sind gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung konzentrisch und axial voneinander beabstandet um eine Werkstückbahn herum angeordnet, entlang derer das Werkstück mit einer Druck- und/oder Zugkraft beaufschlagt werden soll.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung erschließen sich einem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der einzigen beigefügten Figur. Dabei zeigt:
In
Mittels der steuerbaren Stromquelle 7 können über die elektrischen Leitungen 6a bis 6d auf die Spulen 5a bis 5d der Spulenanordnung 5 kontrolliert jeweils individuell verschiedende Ströme gegeben werden, um so im Bereich der Spulenanordnung 5 ein Magnetfeld mit einem in Richtung des Pfeils 8 verlaufenden Gradienten auszubilden. Ein solches mit einem Gradienten versehenes Magnetfeld induziert in dem Rohrabschnitt 3 des Rohrs aus einem elektrisch leitfähigen und/oder magnetisierbaren Material ein sekundäres Magnetfeld. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem durch die Spulen 5a bis 5d erzeugten, mit einem Gradienten versehenen Magnetfeld und dem sekundären Magnetfeld wird eine Kraft erzeugt, die im gezeigten Ausführungsbeispiel in Richtung des Pfeils 8 auf den Rohrabschnitt 3 und somit auf das Rohr 1 wirkt. Mit Hilfe dieser Kraft wird das Rohr 1 durch die Matrize 4 gezogen und verformt.
Die gesteuerte Stromquelle 7 kann dabei so betrieben werden, daß die durch die Spulen 5a bis 5d jeweils fließenden Ströme zeitlich veränderbar sind, wobei die in den Leitungen 6a bis 6d geführten Ströme jeweils unterschiedlich groß und/oder phasenverschoben sein können.
Mit der im Ausführungsbeispiel schematisch dargestellten Anordnung kann zum Ziehen eines Rohres ohne mechanische Hilfsmittels eine Zugkraft auch auf das Rohr aufgebracht werden. Einzig aufgrund des mittels der Spulenanordnung erzeugten primären Magnetfeldes und des in dem elektrisch leitfähigen und/oder magnetisierbarem Material des Rohres induzierten sekundären Magnetfeldes wird die zum Ziehen des Rohres erforderliche Zugkraft ausgebildet. An Stelle eine Zugkraft auf das Rohr aufzubringen, könnte eine der Spulenanordnung 5 entsprechende Spulenanordnung an dem in der Figur links dargestellten Rohrabschnitt 2 angeordnet werden, wobei die Spulen 5a bis 5d so zu beschalten wären, daß eine ebenfalls in Richtung des Pfeils 8 wirkende Druckkraft auf das Rohrende 2 ausgeübt wird.
Das gezeigte Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung und ist nicht beschränkend. Insbesondere kann die Spulenanordnung 5 eine andere Zahl als die vier dargestellten Spulen 5a bis 5d aufweisen. Auch kann zur Verstärkung der zu erzeugenden Druck- bzw. Zugkraft ein Rohr aus leitendem Material mit der Stromquelle verbunden und so stromdurchflossen sein.
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