Autor: Wolfgang Schätzing

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 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.