Vorrichtung zur elektrohydraulischen Blechumformung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrohydraulischen Blechumformung, umfassend ein Werkzeugoberteil mit einer Matrize und ein Werkzeugunterteil, an dem ein Elektrodenrahmen angeordnet ist, der wenigstens zwei Elektroden aufnimmt, wobei zwischen Matrize und Elektrodenrahmen ein Blech fluiddicht einspannbar ist, wobei innerhalb des Elektrodenrahmens (3) zwischen wenigstens zwei Elektroden (31, 32) wenigstens ein potentialfreies Brückenelement (33) angeordnet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrohydraulischen Blechumformung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Zur Umformung von Blechen kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz, welche auf das jeweilige Erzeugnis zugeschnitten sind. Während bei konventionellen Pressen das umzuformende Blech über einen Stempel gegen eine Matrize gepresst wird, welche die gewünschte Kontur aufweist, erfolgt das Anpressen des Blechs gegen die Matrize beim Hydroforming durch ein unter Druck gesetztes Fluid, vorzugsweise Wasser. Beim Hydroforming-Verfahren werden Umformdrücke von 2000 Bar bis 4000 Bar erzeugt. Je nach Größe der auszuformenden Fläche sind daher entsprechend große Zuhaltekräfte der Hydroforming-Presse erforderlich, da der anliegende Umformdruck auf der gesamten umzuformenden Fläche gleichzeitig anliegt. Da die Hydroforming-Presse den erforderlichen Druck erst langsam aufbauen kann, ergeben sich bei der Umformung entsprechend lange Taktzeiten. Hierbei treten, wie bei allen anderen konventionellen Verfahren, die Formänderungen des Bleches dadurch ein, dass sich die Atomreihen innerhalb der einzelnen Kristalle beim Überschreiten einer bestimmten Grenzspannung gegeneinander verschieben und der Zusammenhang zwischen den Atomreihen auf dem nächsten folgenden Gitterplatz stattfindet.

[0003] Verbesserte Materialeigenschaften werden mit Hochgeschwindigkeitsumformverfahren, z.B. das elektrohydraulische Verfahren erzielt. Dabei wird das Werkzeug an der der Matrize gegenüberliegenden Seite des umzuformenden Bleches vollständig mit einem Übertragungsmedium, vorzugsweise Wasser, aufgefüllt. In dem mit Wasser befüllten Raum sind Unterwasserelektroden angeordnet, über die in Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie schlagartig entladen wird. Durch die Kondensatorunterwasserentladung wird das Wasser explosionsartig gegen das Blech beschleunigt, welches hierdurch an die Matrize mit hoher Geschwindigkeit angelegt wird. Im Gegensatz zum konventionellen Hydroforming-Verfahren findet bei der hier anliegenden Hochgeschwindigkeitsumformung eine sogenannte "Zwillingsbildung" statt, bei der die bleibende Verformung durch ein Umklappen des Gitters von einer Lage in die andere erfolgt. Diese Zwillingsbildung führt zum Einen zu besseren Materialeigenschaften nach der Umformung, also am Fertigprodukt, zum Anderen liegen auch bei der Umformung deutlich bessere Materialeigenschaften vor. Materialien, die nur sehr schwierig umformbar sind, wie beispielsweise verschiedene Titan- oder Aluminiumlegierungen, können erst unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen umgeformt werden.

[0004] Nachteilig bei dem vorgenannten Verfahren ist, dass die elektrische Entladung eines Elektrodenpaars eine quasi punktförmige Energieentladung bewirkt, woraus sich ein hydraulisches Wirkfeld mit einem Durchmesser von maximal 200 mm ergibt. Zur Vergrößerung des Wirkfeldes sind somit mehrere Elektrodenpaare notwendig. Hierbei ist zunächst zu berücksichtigen, dass ein standzeitfester Hochstromschalter, der die Elektroden schlagartig mit der erforderlichen elektrischen Energie versorgt, aus Kostengründen nur einmal im System vorhanden sein sollte. Somit sind der Verschaltung der Elektrodenpaare nach dem heutigen Stand der Technik enge Grenzen auferlegt: Bei Parallelschaltung von mehreren Elektrodenpaaren über einen Hochstromschalter werden keine reproduzierbaren Ergebnisse erzielt, da die Funkenstrecke, die zuerst zündet, den übrigen Funkenstrecken (Elektrodenpaaren) bereits einen Großteil der verfügbaren Energie entzieht. Auf Grund komplexer Ionisationsbedingungen im Übertragungsmedium können alle parallel geschalteten Funkenstrecken nicht gleichzeitig zünden. Schaltet man dagegen mehrere Elektrodenpaare in Reihe, so ist zwar das Problem des gleichzeitigen Zündens beseitigt, aber die mögliche Anzahl der in Reihe schaltbaren Funkenstrecken ist durch die erforderliche Zündspannung begrenzt.

[0005] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur elektrohydraulischen Blechumformung zu schaffen, welche eine für eine Serienfertigung wirtschaftliche Umformung von Blechen auch mit größeren Umformflächen ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0006] Mit der Erfindung ist eine Vorrichtung zur elektrohydraulischen Blechumformung geschaffen, welche eine wirtschaftliche Umformung von Blechen auch mit größeren Umformflächen ermöglicht. Durch die Anordnung wenigstens eines potenzialfreien Brückenelementes zwischen zwei Elektroden erfolgt bei der Kondensatorentladung eine gleichzeitige Erzeugung von mehreren beabstandet zueinander angeordneten Funkenstrecken, an denen die elektrische Energie in hydraulische Energie umgesetzt wird, wodurch eine großflächige Umformung ermöglicht ist. Das Brückenelement wird elektrisch von außen nicht angeschlossen, sondern dient je nach Stellung als Brücke im Stromkreis. Der elektrische Anschluss der Elektroden ist so gewählt, dass das Brückenelement in jeder Stellung eine Brücke von Plus nach Minus herstellt. Bei der vorliegenden Reihenschaltung der Funkenstrecken kann der hohe Plasmastrom, der für die Umsetzung der elektrischen in die hydraulische Energie verantwortlich ist, erst dann fließen, wenn alle hintereinander geschalteten Funkenstrecken gezündet haben.

[0007] Das wenigstens eine potenzialfreie Brückenelement kann positionsfest, drehbar oder verschiebbar innerhalb des Elektrodenrahmens angeordnet sein. Durch die drehbare und / oder verschiebbare Anordnung eines potenzialfreien Brückenelementes ist die Verwendung eines Brückenelementes für den - zeitlich hintereinandergeschalteten - Einsatz in unterschiedlichen Elektrodenpaaren ermöglicht. Durch die Positionierbarkeit des Brückenelementes ersetzt dieses zudem einen ansonsten mehrfach benötigten Hochstromschalter.

[0008] Bevorzugt ist ein potenzialfreies Brückenelement mit einem Antrieb verbunden, über den es bewegbar ist. Hierdurch ist die Zuordnung eines Brückenelementes zu dem jeweiligen Elektrodenpaar von außen steuerbar.

[0009] In Weiterbildung der Erfindung ist eine Steuerungsvorrichtung angeordnet, die mit dem wenigstens einen Antrieb verbunden ist und die derart eingerichtet ist, dass zu festgelegten Zeiten unter Veränderung der Lage wenigstens einen potenzialfreien Brückenelementes unterschiedliche Funkenstrecken aktiviert werden können. Hierdurch ist eine automatische Abfolge von Entladungen an unterschiedlichen Positionen ermöglicht, wodurch eine stufenweise Umformung eines Bleches auch mit größerer Umformfläche erzielbar ist.

[0010] In Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Werkzeugunterteil eine Leitung zur Fluidzuführung eingebracht. Hierdurch ist die Zuführung von zusätzlichen Übertragungsmedien (beispielsweise Wasser) zum Ausgleich der durch den Umformprozess indizierten Volumenänderung der mit dem Übertragungsmedium befüllten Kammer ermöglicht.

[0011] In Weiterbildung der Erfindung ist in dem Werkzeugunterteil eine zweite Matrize angeordnet, wobei zwischen Elektrodenrahmen und Werkzeugunterteil ein zweites Blech fluiddicht einspannbar ist. Hierdurch ist die gleichzeitige Umformung zweier Bleche während einer Entladungsfolge ermöglicht, wodurch die Produktivität der Vorrichtung deutlich gesteigert ist.

[0012] In Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens zwei Elektroden als nachschiebbare Elektroden ausgebildet. Hierdurch ist der Abbrand der Elektroden und gleichzeitig auch der Abbrand der Brückenelemente kompensierbar. Bevorzugt ist - zusätzlich oder alternativ - wenigstens ein Brückenelement als nachschiebbares Element ausgebildet.

[0013] Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1

die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur elektrohydrauli- schen Blechumformung;

Figur 2

die schematische Darstellung des Elektrodenrahmens der Vorrich- tung mit drehbarem Brückenelement gemäß Figur 1;

Figur 3

die schematische Darstellung eines Elektrodenrahmens in einer weiteren Ausführungsform mit verschiebbarem Brückenelement;

Figur 4

die schematische Darstellung eines Elektrodenrahmens in einer dritten Ausführungsform mit mehreren drehbaren Brückenelemen- ten;

Figur 5

die schematische Darstellung eines Elektrodenrahmens in einer vierten Ausführungsform mit einer Kombination aus mehreren fest- stehenden und drehbaren Brückenelementen

Figur 6

die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur elektrohydrauli- schen Blechumformung mit zweiter Matrize.

[0014] Die als Ausführungsbeispiel gewählte Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Werkzeugoberteil 1 sowie einem Werkzeugunterteil 2, zwischen denen ein Elektrodenrahmen 3 angeordnet ist. Zwischen Elektrodenrahmen 3 und Werkzeugoberteil 1 ist ein Blech 4 fluiddicht einspannbar.

[0015] In das Werkzeugoberteil 1 ist eine Matrize 11 eingebracht, welche die in das Blech 4 einzuformende Kontur aufweist. Weiterhin ist in dem Werkzeugoberteil 1 eine Leitung 10 zur Evakuierung der durch das eingelegte Blech 4 und die Matrize 11 gebildeten Kammer 12 vorgesehen.

[0016] Das Werkzeugunterteil 2 weist im Wesentlichen parabolisch oder elliptisch ausgebildete Reflektoren 21 auf, die der Matrize 11 des Werkzeugoberteils 1 gegenüberliegend angeordnet sind. Die Reflektoren 21 dienen der Reflektion von auftreffender Entladungsenergie in Richtung der Matrize 11.

[0017] Auf dem Werkzeugunterteil 2 ist ein Elektrodenrahmen 3 angeordnet. Der Elektrodenrahmen 3 ist im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 im Wesentlichen quadratisch ausgeführt. Jeweils mittig sind an den Seiten des Elektrodenrahmens 3 Elektroden 31, 32 angeordnet, wobei einer positiven Elektrode 31 jeweils eine negative Elektrode 32 gegenüberliegend angeordnet ist. Die Elektroden 31, 32 sind jeweils von einem Isolator 30 umgeben. Mittig der angeordneten Elektroden 31, 32 ist in dem Elektrodenrahmen 3 ein potenzialfreies Brückenelement 33 drehbar angeordnet, derart, dass es in Flucht mit jeweils einem Elektrodenpaar 31, 32 ausrichtbar ist. Es ergeben sich hier vier Funkenstrecken, die auf einem Durchmesser liegen, der der Länge des Brückenelementes entspricht.

[0018] Im Zuge des elektrohydraulischen Verfahrens wird auf den Elektrodenrahmen 3 ein umzuformendes Blech 4 aufgelegt und Werkzeugoberteil 1 und Werkzeugunterteil 2 werden mit hydraulischer oder mechanischer Kraft geschlossen, so dass das Blech 4 fluiddicht zwischen Elektrodenrahmen 3 und Werkzeugoberteil 1 eingespannt ist. Die Luft aus der durch die Matrize 11 und das Blech 4 gebildeten Kammer 12 wird über die Leitung 10 evakuiert. Der sich zwischen Werkzeugunterteil 2 und Blech 4 ergebende Füllraum 22 wird vollständig mit Übertragungsmedium, z.B. Wasser, gefüllt. Anschließend werden beliebig viele Entladungen hintereinander durchgeführt, wobei bei jedem Prozessschritt das Blech 4 weiter verformt wird, da das durch die Kondensatorunterwasserentladung beschleunigte Wasser auch in einigen Zentimetern Entfernung noch ausreichend Umformenergie aufweist. Nach jedem Prozessschritt bzw. jedem Entladungsvorgang wird das in dem Füllraum 22 durch die Umformung entstandene Vakuum über eine Leitung 20 mit Wasser nachgefüllt. Das besondere dieses Pulsverfahrens ist, dass die erforderliche Umformenergie nicht zwingend mit einem Puls erzeugt werden muss. Der maximal auftretende Druck bzw. die maximale Geschwindigkeit des beschleunigten Wassers ist pro Puls bei gleichen Parametern gleich, aber die Umformung kann möglicherweise nicht vollständig ausgeführt werden, da die Zeit pro Puls nicht ausreichend ist. Somit wird die Umformung mit der Durchführung des nächsten Pulses entsprechend fortsetzt. Vorteilhaft für die Auslegung und die Standzeit der Vorrichtungskomponenten ist hierbei, dass die Umformung nicht mit einem Energiepuls mit sehr hoher Energie erfolgen muss, sondern durch mehrere Energiepulse mit entsprechend geringerer Energie erfolgen kann. Diese Energiepulse können flächig verteilt über die durch die Brückenelemente 33 gebildeten Funkenstrecken erfolgen, wodurch die effektive Umformfläche erhöht ist.

[0019] Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 sind parallel zueinander zwei Elektrodenpaare 31, 32 angeordnet sowie ein potenzialfreies Brückenelement 33, welches zwischen den beiden Elektrodenpaaren 31, 32 verschiebbar angeordnet ist. Es ergeben sich hier vier Funkenstrecken, die in den Eckpunkten eines Rechtecks liegen, wobei die eine Seite des Rechtecks durch die Länge des Brückenelements beschrieben ist und die zweite Seite durch den Abstand der Elektroden 31 bzw. 32 auf einer Seite des Elektrodenrahmens 3.

[0020] Der wesentliche Vorteil des verschieb- oder drehbaren Brückelementes ist es, das jeweils nur zwei der vier Funkenstrecken zünden, weil nur diese in einem zündfähigen Stromkreis liegen. Dies ist besonders vorteilhaft, da für jede einzelne Funkenstrecke eine bestimmte Mindestspannung anliegen muss, um ein reproduzierbares Zündverhalten und damit eine hohe Umsetzung von elektrische in hydraulische Energie zu erzielen. Die erforderliche Mindestzündspannung für eine Funkenstrecke ist im Wesentlichen abhängig von Durchmesser und Form der Elektrode 31, 32 sowie vom Elektrodenabstand, von der elektrischen Leitfähigkeit des Übertragungsmediums (beispielsweise Wasser) und von dem im Zündmoment entstehenden Druckniveau im Übertragungsmedium. Bei jeder Zündung der Funkenstrecke erfolgt ein Plasmalichtbogen, der zu einer entsprechenden Abbrandrate an den Elektroden führt. Unter dem Aspekt der Standzeitfestigkeit für die Serienfertigung sind Elektrodendurchmesser < 10mm bei größeren Energien, wie sie beispielsweise für Stahlbleche mit Materialstärken > 0,4mm erforderlich sind, ungeeignet. Um der hydraulischen Energie, welche punktförmig zwischen den Elektroden 31, 32 an dem sich ausbildenden Plasmakanal entsteht, eine effiziente Ausbreitung zu ermöglichen, ist z.B. eine Mindestzündspannung von ca. 10kV pro Funkenstrecke beim Einsatz im Übertragungsmedium Wasser erforderlich.

[0021] Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 sind an dem Elektrodenrahmen 3 an jeder Seite nebeneinander liegend zwei gleichgepolte Elektroden 31, 32 nebeneinander angeordnet. Innerhalb des Elektrodenrahmens 3 sind vier potenzialfreie Brückenelemente 33 drehbar angeordnet, derart, dass ein Elektrodenpaar über jeweils zwei hintereinander angeordnete potenzialfreie Brückelemente 33 überbrückt werden kann, wobei jeweils drei Funkenstrecken gebildet sind. Auf diese Weise sind zwölf verschiedene Funkenstrecken gebildet, welche einen entsprechend großen Umformbereich abdecken.

[0022] Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 sind drei Elektrodenpaare 31, 32 sowie drei ortsfeste und zwei drehbar angeordnete Brückenelemente 33 angeordnet. In dieser Anordnung können nacheinander drei Positionen mit je zwei, drei bzw. vier Funkenstrecken abgefahren werden. Die Ausführungsvarianten sind beliebig; es können beispielsweise auch drehbare, verschiebbare und ortsfeste Brückenelemente kombiniert werden. Hierdurch wird insgesamt die Anforderung, einen beliebig großen Umformbereich abzudecken, erfüllt.

[0023] Für den Einsatz des elektrohydraulischen Verfahrens in der Serienfertigung kann zur Erhöhung der Standzeit der Abbrand der Elektroden 31, 32 durch automatisches Nachschieben des Elektrodenstabes erfolgen, wobei gleichzeitig auch der Abbrand eines verschiebbaren oder auch eines drehbaren Brückenelementes gleichzeitig kompensiert werden kann. Das sich hierdurch nach längerer Einsatzzeit der Punkt des Funkenüberschlags, also die Funkenstrecke selber, verschiebt, kann dadurch kompensiert werden, dass beispielsweise einmal pro Schicht oder einmal pro Tag das Brückenelement 33 selbst getauscht wird.

[0024] Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass bei der erfindungsgemäßen Auslegung des Elektrodenarrays grundsätzlich nur ein Schalter benötigt wird, auch wenn beispielsweise zwölf Funkenstrecken angeordnet sind, von denen je nach Stellung der Brückenelemente 33 nur wenige bestimmte gezündet werden. Die gesamte in den Kondensatoren gespeicherte Energie wird somit auch nur auf wenige Elektroden bzw. Brückenelemente aufgeteilt. Im gesamten Stromkreis ersetzen somit die Brückenelemente 33 die sonst mehrfach einzusetzenden Schalter. Derartige Hochstromschalter sind bei dem gesamten elektrohydraulischen Verfahren die kostenintensivste Komponente, weil hierbei hohe Spannungen, entsprechend der erforderlichen Zündspannung, extrem hohe Ströme im Bereich zwischen 10 und 300 kA sehr schnell (im µs-Bereich) geschaltet werden müssen. Ein solcher Schalter ist entweder entsprechend sehr teuer in der Auslegung für größere Standzeiten oder er zeigt in preiswerteren Ausführungen entsprechend hohen Verschleiß. Beim Gegenstand der Erfindung werden durch die Positionen der Brückenelemente 33 die Positionen der aktivierten Funkenstrecken automatisch bestimmt. Hierdurch können die Erstellungskosten der Gesamtanlage erheblich reduziert werden.

[0025] Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 ist in dem Werkzeugunterteil 2 an Stelle eines Reflektors 21 eine zweite Matrize 23 eingeformt. Dabei ist der Elektrodenrahmen 3 unabhängig vom Werkzeugoberteil 1 und dem Werkzeugunterteil 2 befestigt, so dass jeweils ein Blech zwischen Werkzeugoberteil 1 und Elektrodenrahmen 3 und zwischen Elektrodenrahmen 3 und Werkzeugunterteil 2 einspannbar ist. Über in dem Werkzeugoberteil 1 und dem Werkzeugunterteil 2 jeweils vorgesehene Leitungen 10, 20 können die zwischen den Blechen 4 und den Matrizen 11, 23 gebildeten Kammern 12, 24 evakuiert werden. Der durch die über die Unterwasserelektroden 31, 32 und dem Brückenelement 33 erfolgte Kondensatorunterwasserentladung wird das beschleunigte Wasser gegen die parallel angeordneten Bleche 4 beschleunigt, wodurch die Bleche 4 gegen die Matrizen 11, 23 gepresst werden. Mit dieser Anordnung ist eine gleichzeitige Verformung von zwei Blechen in einem Umformprozess ermöglicht.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur elektrohydraulischen Blechumformung, umfassend ein Werkzeugoberteil mit einer Matrize und ein Werkzeugunterteil, an dem ein Elektrodenrahmen angeordnet ist, der wenigstens zwei Elektroden aufnimmt, wobei zwischen Matrize und Elektrodenrahmen ein Blech fluiddicht einspannbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Elektrodenrahmens (3) zwischen wenigstens zwei Elektroden (31, 32) wenigstens ein potentialfreies Brückenelement (33) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein potentialfreies Brückenelement (33) positionsfest angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein potentialfreies Brückenelement (33) drehbar angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein potentialfreies Brückenelement (33) verschiebbar angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein potentialfreies Brückenelement (33) mit einem Antrieb verbunden ist, über den es bewegbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungsvorrichtung angeordnet ist, die mit dem wenigstens einen Antrieb verbunden ist und die derart eingerichtet ist, dass zu festgelegten Zeiten unter Veränderung der Lage wenigstens eines potentialfreien Brückenelementes (33) unterschiedliche Funkenstrecken aktiviert werden können.

7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Werkzeugunterteil (2) eine Leitung (20) zur Fluidzuführung eingebracht ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Werkzeugunterteil (2) eine zweite Matrize (23) angeordnet ist, wobei zwischen Elektrodenrahmen (3) und Werkzeugunterteil (2) ein zweites Blech (4) fluiddicht einspannbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Elektroden (31, 32) als nachschiebbare Elektroden ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Brückenelement als nachschiebbares Element ausgebildet ist.

Zeichnung