[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.
 
          
         
            
            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.