DE1911424A1

DE1911424A1 - Verfahren zum Bearbeiten von Werkstuecken mittels Unterwasser-Druckstoessen

Info

Publication number: DE1911424A1
Application number: DE19691911424
Authority: DE
Inventors: Haeusler Dr-Ing Jochen; Guenther Maerz; Helmut Seiffert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-03-06
Filing date: 1969-03-06
Publication date: 1970-09-24
Also published as: GB1294240A; US3680397A; AT298208B; FR2037677A5; CH497930A

Description

3IEMBNS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, 5. MRZ. 1969 Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.50

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Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Unterwasser-Druckstößen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Unterwasaer-Druckstößen, die bei der durch Unterwasser-Funkenentladung einer Kondensatorbatterie bewirkten explosionsartigen Verdampfung eines zwischen den Elektroden einer Unterwasser-Funkenstrecke gespannten Zünddrahtes entstehen, mit einem durch Umgehung der Dunkelpause erhöfaten Wirkungsgrad.

Bei der Hochgeschwindigkeitsumformung von Metallen durch Unterwasser-Funkenentladung wird eine Kondensatorbatterie über eine in einer Flüssigkeit - l.3. Wasser - befindliche Funkenstrecke entladen. Durch den Funkenüberschlag zwischen den Elektroden der Funkenstrecke bildet sich eine unter hohem Druck stehende Dampfsäule aus. Die sich ausbreitende Dampfsäule treibt die Druckwelle in Form von Stoßwellen durch die Flüssigkeit. Diese treffen auf das Werkstück auf und verformen es· ("Werkstatt und Betrieb", 96.Jahrg., 1963, H.5, Seiten 297-305).

Ist die beim Zuschalten der auf Arbeitsspannung geladenen Kondensatorbatterie in der Funkenstrecke entstehende elektrische Fe23stärice für den Durchschlag groß genug, so ist kein Zünddraht zwischen den Elektroden erforderlich. Üblicherweise wird jedoch, auch in diesen Fällen, ein Zünddraht verwendet* da durch diesen die Homogenität und die Reproduzierbarkeit des Entladungskanals verbessert werden kann«.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken mittels Unterwasser-Druckstößen nach dem geschilderten Verfahren müssen die zur Erzeugung

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der "Drucks to Qe durch eine Koni ensat orentladung explosionsartig verdampften Drähte häufig so- lang gewählt werden, daß sich eine sogenannte Dunkelpause ni^'it vermeiden läßt. Durch die Dunkelpause wird die Entladung des Kondensators und damit die Um- . setzung der gespeicherten Energie, beispielsweise in Umformarbeit, an einem Werkstück unterbrochen. Das Entstehen der Dunkelpause wird heute folgendermaßen erklärt:

Durch die beginnende Kondensatorentladung wird der Zünddraht so schnell aufgeheizt, geschmolzen und verdampft, daß sich eine unter extrem hohem Druck befindliche Metalldampfsäule ausbildet, da das den Draht umgebende Medium, z.B. Wasser, infolge seiner Massenträgheit eine freie Ausbreitung des Drahtmaterials verhindert. Der hohe Druck läßt im Metalldampf, in welchem eine metallische Leitung infolge zu großer Atomabstände nicht mehr möglich X3t, keine Stoßionisation zu. Dadurch wird das zunächst den Elektrodenzwischenraum überbrückende Drahtmaterial innerhalb von einigen Mikrosekunden nichtleitend und die Entladung unterbrochen. In Abhängigkeit von den Parametern des Entladekreises ist beobachtet worden, da3 bis zur Entladungsunterbrechung gelegentlich nur wenige Prozent der gespeicherten Energie im Entladungskanal umgesetzt wurden, von welchen wiederum nur ein gewisser Anteil zur Bearbeitung des Werkstückes,, "beispielsweise als Umformenergie, zur Verfügung stand.

Diesem Umstand wurde jedoch bei Wirkungsgradbetrachtungen zunächst keine große Bedeutung geschenkt* da "bei einer endlichen Dunkelpause nach einer Wiederzündung ia zwischenzeitlich auf niedrigeren Druck expandierten Metalldampf eine vollständige Entladung der restlich gespeichertgn Energie unter erneuter Schockwellenausbiidung im Punkenkanal beobachtet wurde (Lochte-Holtgreven W. "Über die Sleaentarvorgänge bei der elektrischen Explosion dünner Met al !drähte¹* Konf.über Verbrennung, Schockwellen und Detonation St.Louis Laboratoriuni (1951) LRSL-14 a/51)«

Dabei soll die nach dem Wiederzünden ablaufende oszillierende Entladung die bei weitem starkes⁵® Licht- w&ä S choelcwe Hanaus-

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bildung zeigen (Z.ι.Physik ".49 (1957), S.397/411). ■

Demgegenüber wurde bei Verwendung der durch Drahtexplosion erzeugten llnterwasser-Druclcstöße in der Umformtechnik festgestellt, daß der mit dem ersten Entladeimpuls einhergehende Druckstoß den Hauptanteil der Umformarbeit leistet. Dies ist leicht einzusehen bei Entladungen, bei welchen ein Wiederzünden nicht eintritt^ z.B. weil die Dunkelpausendauer langer ist als der leitende Zustand des Hochspannungsschalter, Bit dessen Hilfe die Kondensatorbatterie mit dem'Entladungskanal verbunden wird. In solchen Entladungen können mehr als 90 $ flor gespeicherten Energie in der Kondensatorbatterie bleiben,, so daß von vornherein die Bearbeitung nur mit geringem Wirkungsgrad durchgeführt werden kann. Der nach dem Wiederzünden offensichtlich sehr niederohmige Entladungskanal nimmt von der nach der Dunkelpause noch gespeicherten Restenergie nur einen kleinen Anteil auf, während der Hauptanteil der Restene'rgie nkch dem Wiederzünden in dem unvermeidlichen ZuleitungswidürstaTid verbraucht wird.

Da die technisch üblichen Hochspannurigskoadensatorbatterien maximale Ladespannungen von 30 bis 40 kV habea,, treten Entladungen mit Dunkelpauae echon bei Drahtlängen von einigen 100 mm auf. In diesen Fällen mußte man sich bisher aus den oben geschilderten Gründen von vornherein mit einem geringen Wirkungsgrad begnügen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Unterwasser-Druckstößen zu entwickeln, mit dessen Hilfe auch bei Bearbeitungsproblemen, die eine große Zunddrahtlänge erzwingen, mit verbessertem Wirkungsgrad gearbeitet werden kann.

Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Kondensatorbatterie in zeitlich aufeinanderfolgenden Entladungsschritten über, mehrere Zünddrähte enthaltende, Entladungskanäle entladen wird, derarts daß jeweils beim Eintreten der Dunkelpause in dem Zünddraht des zunächst an die Kondensatorbatterie geschatteter-Entladungslsanals dieses ein neuer Entladungskanal oarallt¹1 geschaltet wird."

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Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die jeweiligen Drahtexplosionen der geringe Umformarbeit leistenden Niederdruckbogenentladung nach dem Wiederzünden zuvorkommen.

Es ist in der Literatur bereite darauf hingewiesen worden (Kvarzchava J.P.et al "Elektrische Explosion spiraliger Drähte im Vakuum" JETP 35 (1958), S.9H/916), daß bei Drahtexplosionen die Geometrie der entstehenden Schockwellen durch Anordnung und Kontur der Drähte variiert werden kann. So sind unter dem Gesichtspunkt der Erzeugung verschiedener Formen von Druckfronten in der Literatur eine Reihe von Vorschlägen gemacht worden, Drähte in Parallel- oder Reihenschaltung auf verschiedene Arten zu kombinieren (Noland M.C. et al "High Velocity Metalworkung A Survey" NASA SP-5062 Washington D.C.(1967)).

"Dabei ist auch im Hinblick auf das Plattieren durch Unterwasser-Druckstöße der Vorschlag gemacht worden, Entladungskanäle, von denen jeder seinen eigenen Energiespeicher hat, in einer gewünschten zeitlichen Reihenfolge zu zünden (.österreichische Patentanmeldung A 4186/65). Alle diese Maßnahmen zielen auf eine geometrische Anpassung der Druckstöße an das Bearbeitungsproblem. Auch wenn eine geeignete Anpassung eine Wirkungsgradverbesserung bringt, so bleibt diese doch innerhalb der durch die Dunkelpause gesetzten, oben beschriebenen Grenzen.

Demgegenüber bringt die Erfindung neben den bereits bekannten WirkungsgradVerbesserungen durch geometrische Anpassung eine grundsätzlich neue Wirkungsgradverbesserung, welche in der Umgehung der Dunkelpause durch nacheinander gezündete Entladungskanäle besteht.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1a das bekannte Prinzipschaltbili für die Aufweitung eines -" Rohres durch eine Unterwasser-Drahtexplosion nach dem Stande der Technik,

Pig. Ib den Sntladungsverlauf, der bei der Entladung nach-Fig.1a

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auftritt,
Pig.2a ein Prinzipachaltbild für die Aufweitung dreier Rohre durch Unterwasser-Drahtexplosion mit dem Verfahren nach

der Erfindung,
Fig.2b den Entladungsverlauf, der bei der Entladung nach Pig. 2a

auftritt,
Pig. 3 ein Prinzipachaltbild für das Aufweiten eines Rohres nach dem erfindungagemäßen Verfahren.

In Pig. 1ä ist gezeigt, wie durch eine Unterwasser-Drahtexplosion ein langgestrecktes Rohr durch die Entladung einer Kondensatorbatterie nach herkömmlicher Art aufgeweitet wird.

Mit 11 sind die Kondensatorbatterie, mit 12 das zu bearbeitende Rohr, mit 13 Isolierteile, mit 14 der Zünddraht, mit 15 Wasser und mit 16 eine Dreielektroden-Funkenstrecke als Hochspannungsschalter bezeichnet. Das Rohr 12 ist in an sich bekannter Weise durch die Isolierteile 13 abgedichtet, durch welche der Zünddraht 14 in das mit Wasser 15 gefüllte Rohrinnere führt.

In Fig.1b ist der Entladungsverlauf dargestellt, der sich beim Einschalten der Funkenstrecke 16 ergibt. Auf der Abszisse ist die Zeit t und auf der Ordinate sind die Entladespannung U₀ und der Entladestrom i~ aufgetragen. Die gestrichelte Linie 17 zeigt die Ladespannung U-j- der Kondensatorbatterie 11 an. Die mit 18 bezeichnete Kurve gibt den S^annungsverlauf während der Entladung der Kondensatorbatterie 11 wieder. Aus Fig. 1b ist ersichtlich, daß der bei dieser Umformung zu erzielende Wirkungsgrad dadurch begrenzt ist, daß im ersten Stromimpuls i_Q1 im Zeitintervall t_Q - t.j nur eine geringfügige Entladung stattfindet, und daß der zweite Stromimpuls i_Qp nach dem Wiederzünden nach der Dunkelpause DP im Zünddraht 14 keine Umformarbeit leistet.

In Fig. 2a ist in einem Prinzipschaltbild gezeigt, wie mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Ausnutzung der in einer Kondensatorbatterie gespeicherten Energie in einem schrittweisen Entladungsvorgang drei Rohre aufgeweitet werden können, wobei jedem Rohr ein gesonderter Enüladungskanal und ein eigener Hoch-

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spannungsachalter zugeordnet sind.

Mit 21 sind die Kondensatorbatterie, mit 22, 23 und 24 die aufzuweitenden Rohre, z.B. Stahlrohre, mit 25, 26 und 27 die Zünddrähte, mit 28 Isolierteile und mit 29, 210, 211 Dreielektroden-Funkenstrecken als Hochspannungsschalter bezeichnet. Die Rohre 22, 23 und 24. sind in an sich bekannter Weise durch Isolierteile 28 abgedichtet, durch welche jeweils die Drähte 25, 26 und 27 in das. beispielsweise mit Wasser 212 gefüllte Rohrinnere führen.

In .Pig. 2b ist der Entladungsverlauf U₀ dargestellt, der beim Durchführen des Verfahrens gemäß Pig, 2a auftritt. Auf der Abszisse ist die Zeit t und auf der Ordinate die Entladespannung U und der Entladestrom i aufgetragen. Mit U-- ist die Lade spannung der Kondensatorbatterie 21 bezeichnet. Uq₈ U₁, U« zeigen den Spannungsverlauf beim jeweiligen Schalten des Hodispannungs·=» schalters.

Im Zeitpunkt t_Q wird die Dreielektroden-Punkenstrecke 29 gezündet und damit der Entladevorgang über den Zünddraht 25 eingeleitet. Durch die beginnende Kondensatorentladung wird der Draht 25 so schnell aufgeheizt, geschmolzen und verdampft, daß sich eine unter extrem hohem Druck befindliche Dampfsäule ausbildet. Der hohe Druck läßt im Metalldampf keine StoSionisation zu. Dadurch wird das zunächst den llektrodenzwischenrauM überbrückende Drahtmaterial innerhalb tob einigen Micro Sekunden nichtleitend und die Entladung unterbrochen» Hach Abklingen des Stromimpulses i~ im Zeitpunkt t«₈ in welchem die Diiakelpause im Draht 25 beginnt, wird die Dreielelctroden-fiankenstreeke 210 gezündet und damit die Entladung über den Draht 26 fortgesetzte Tritt auch bei diesem die Dunkelpamse naeh Abklingen des Stromimpulses i.. zum Zeitpunkt t~ ein_s s© wird die nächste Drei=- ' elektroden-Funkenstrecke 211 gesüadet und über den Zünddraht 27 die Entladung (Stromispuls ip) fortgesetgt» Dies Isaxm bei der Aufteilung der Entladung auf mehrere Werkstückbearbaitungen solange fortgesetzt werden, wie die energiessäSig atasJkMenden Druckstöße für ein gegebenes Bsarfeaituisgsprofelüffl no ah ausreichen»

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Pur die Umformpraxis ist es jedoch noch interessanter, die durch das erfindungsgemäße Verfahren zu erzielende Wirkungsgradverbesserung auch bei der Bearbeitung nur eines Werkstückes zu erzielen.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel soll verdeutlichen, daß die erfindungsgemäße Wirkungsgradverbesserung durch nacheinanderfolgendes Zurverfügungsteilen von die Energie optimal umsetzenden Entladungskanälen für die Entladung eines Kondensators nicht unumgänglich an die Bereitstellung mehrerer schneller Hochspannungsschalter, wie z.B. Funkenstrecken oder Ignitrons, gebunden ist. Vielmehr kann die mechanische Wirkung der durch die jeweils vorangehende Entladung bereits erzeugten Druckwellen als mechanisch arbeitender Schalter benutzt werden oder die thermische Wirkung der ersten Entladung durch, gezielte Isolationsbeschädigung neue, die Energie optimal umsetzende Entladungskanäle freilegen. In Fig. 3 ist diese Möglichkeit für die Aufwertung eines zylindrischen Rohres dargestellt.

Mit 31 sind die Kondensatorbatterie_e mit 32 eine Dreielektroden-Funkenstrecke, mit 33 die Hochspannungeelektrode, mit 34 die Erdelektrode, mit 35 und 36 Zünddrahte, mit 37 ein Isolierschlauch, mit 38 das zu bearbeitende Rohr, mit 39 Isolierteile, mit 310 eine Traneportacheibe und eit 311 Druckkanäle bezeichnet.

In unmittelbarer tfähe sur Achse des durch die Isolierteile 39 abgedichteten Rohres 38 sind durch die durchbohrten Elektroden 33 bzw. 34 in den"isolierteilen 39 die Zünddrähte 35 und 36 geführt. Während der Zünddraht 35 axt der Hochspannungselektrode 33 und der Erdelektrode 34 Kontakt hat, so daß nach Zünden der Funkenstrecke 32 zur Zeit t_Q die Entladung der Kondensatorbatterie 31 eingeleitet werden kann, ist der Zünddraht 36 nur mit der Erdelektrode 34 verbunden und im übrigen noch durch einen mechanisch und thermisch wenig widerstandsfähigen aber hochspannungsfesten Isolierschlauch 37 abgedeckt. Hier eignen sich insbesondere Folien aus Nieäerdruckpolyäthylen von etwa 0,3 mm Wandstärke. Wird der Isolierschlauch 37 nach dem Auftreffen äes vom Zünddraht 35 ausgehenden Druckstoßes und des sick ausbreitenden Metalldampfes

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mechanisch oder thermisch, insbesondere in der Hochspannungselektrode 33 nach Eintreten der Dunkelpause im Zünddraht 35» zerstört, so kann über den Zünddraht 36 die Entladung fortgeführt, werden. Im Ausführungsbeispiel ist die Hochspannungselektrode so ausgelegt, daß neben der beschriebenen Zerstörung der Isolation der vom Zünddraht 35 ausgehende Druckstoß noch in anderer Weise den Kontakt zwischen der Hochspannungaelektrode 33 und dem Zünddraht 36 freigeben kann. Zu diesem Zweck ist der Isolier— schlauch 37 zweiteilig ausgeführt, wobei sich die beiden Teile bei 3 12: überlappen. Der kürzere - in der Figur der/ obere - Ted'l des Schlauches 37 wird an einer in der. Hochspannungselek.trode 3>3j gelagerten Transportscheibe 310 befestigt. Durch d^äie in der Hacftspannungselektrode 33 vorgesehene η Druckkanäle 311i trifft ein Teil der vom Zünddraht 35 ausgehenden Druckfront die. Transport;« scheibe 310 und beschleunigt sie stark. Die beschleunlgize Transportscheibe führt daa an ihr befestigte Isjolierschlauchenöe mit und gibt den Kontakt zwischen der Ho chspamiunga elektrode;· und dem Zünddraht 36 frei.

Das Zuschalten neuer Entladungskanäle durch gezielte Isolationsbeschädigung: kann auch durch eine Zündvorrichtung realisiert werden, bei welcher sich im konzentrischen Aufbau leitende und isolierende Schichten derart abwechseln, daß jeweils die Entladung über eine leitende Schicht die darunter liegende isolierende Schicht in Elektrodennähe soweit schwächt, .daß die während der Dunkelpause verbleibende Spannung die Isolierung durchschlägt und über die nächstfolgende leitende Schicht die Entladung fortsetzt.

3 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

.j Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Unterwasser-Druckstößen, die bei der durch Unterwasser-Funkenentladung • einer Kondensatorbatterie bewirkten explosionsartigen Verdampfung eines zwischen den Elektroden einer Unterwasser-Furikens trecke gespannten Zünddrahtes entstehen,, mit einem durch Umgehung der Dunkelpause erhöhten Wirkungsgrad, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorbatterie (21, '31, 4-1) in zeitlich aufeinanderfolgend en 12ntladungsschri1rten über mehrere, Zünddrähte (14, 25, 26, 27, 35, 36) enthaltende, Entladungskanäle entladen -wird, derart, daß jeweils nach Eintreten der Dunkelpause in den Zünddrähten im zunächst an die Kondensatorbatterie geschalte1?en Entladungskanal diesem ein neuer En~feladungskanal parallelgesehalteit wird..
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekeimzeichnet, daß jeder Entladungskanal durch jeweils einen Hochspannungsschalter (29, 210, 211) zugeschaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Entladungskanäle von demselben Hochspannungsschalter (32) zugeschaltet werden.

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