CH448667A - Verfahren zum Polieren eines elektrisch leitenden Werkstückes mittels Elektroerosion - Google Patents

Description

      Verfahren    zum Polieren eines elektrisch leitenden Werkstückes mittels Elektroerosion    Es ist schon seit längerer Zeit bekannt, dass an  Werkstücken aus Metallen und     Metalloiden    durch elek  trolytische Einwirkung Material entfernt werden kann,  wenn das Werkstück als Anode in einer elektrolytischen  Zelle benützt wird. Dieses Prinzip ist industriell schon       verwendet    worden, um eine fehlerhafte     Plattierung    oder  dgl. zu entfernen oder abzuziehen. Es wurde auch schon  bis zu einem gewissen Grad zum elektrolytischen Polieren  verwendet.  



  In der nachfolgenden Beschreibung soll der Ausdruck       Metalloid      sich speziell auf solche elektrisch leiten  de Materialien beziehen, welche, wenn sie als Anode in  den Stromkreis einer elektrolytischen Zelle geschaltet  sind, sich wie Metalle verhalten. Dieser Ausdruck     um-          fasst    hier Metalle und solche sich     ähnlich    verhaltende  Materialien wie     z.B.        Wolframkarbide    und unterscheidet  sich von solchen leitenden     Nichtmetalloiden    wie Kohlen  stoff.  



  In der     USA-Patentschrift    Nr. 2 826 540 vom 11. März  <B>1958</B> wird die Verwendung der Elektrolyse in Verbin  dung mit einem metallgebundenen, ein Schleifmittel tra  genden, beweglichen Elektrode vorgeschlagen, und das  beschriebene Verfahren sowie die Einrichtung zur Aus  führung desselben haben weitgehende industrielle Ver  breitung gefunden.  



  Das vorliegende Verfahren unterscheidet sich vom  Bekannten dadurch, dass es feste Elektroden ohne  Schleifmittel verwendet, und ist zur Ausführung ganz an  derer Arbeiten bestimmt, wie aus der nachfolgenden  Beschreibung hervorgeht.  



  Beim     erfindungsgemässen    Verfahren zum Polieren  eines elektrisch leitenden Werkstückes mittels Elektro  erosion wird ein Werkzeug mit einer elektrisch leiten  den Arbeitsfläche in einem festen Abstand vom Werk  stück angeordnet und ein Elektrolyt zwischen Arbeits  fläche und Werkstück hindurchgeführt, wobei das Werk  stück und das     Werkzeug    derart in einen Stromkreis ge  schaltet werden, dass die Arbeitsfläche des Werkzeugs  als Kathode in bezug auf das Werkstück wirkt.

   Erfin  dungsgemäss wird der Elektrolyt mit hoher Geschwin-         digkeit    und mit einem Druck von nicht weniger als  1.7     kg/cm2    durch den Zwischenraum zwischen dem  Werkstück und dem Werkzeug     hindurchgepumpt,    wäh  rend ein elektrischer Strom hoher Stromdichte und nied  riger Spannung zwischen dem Werkstück und dem Werk  zeug ohne Funken- oder     Lichtbogenbildung    geleitet wird,  um Material vom Werkstück zu entfernen.  



  Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Ver  fahrens wird an Hand der Zeichnung beschrieben, in  welcher       Fig.    1 einen Längsschnitt durch eine Einrichtung zum  elektrolytischen Polieren eines Werkstückes, und       Fig.2    einen Vertikalschnitt durch einen Apparat  zeigt, mit welchem das     erfindungsgemässe    Verfahren zum  Entgraten von Druckfedern und ähnlichen Gegenständen  angewendet werden kann.  



  Wie im Patent Nr. 397 899 eingehend beschrieben  wurde, wird ein Strom hoher Dichte einer hohlen Elek  trode und einem Werkstück zugeleitet, welche beide mit  kleinem gegenseitigem Abstand gehalten werden, und  der     Elektrolyt    wird unter Druck durch die Elektrode  und in den Zwischenraum zwischen der Elektrode und  dem Werkstück gepumpt. Diese Arbeitsweise hat sich  als erfolgreich erwiesen für die Absenkung von Hohl  räumen, wie es in der genannten Patentschrift erläutert  wird.  



  Es wurde ebenfalls gefunden, dass im Gegensatz zu  früheren Theorien, die hohen Geschwindigkeiten und die  Turbulenz, welche unter solchen Bedingungen im Elek  trolyten entwickelt werden, einen Hohlraum erzeugen,  dessen Wandung eine hell glänzende Fertigung zeigt, wie  diejenige, die mit dem üblichen elektrolytischen Polie  ren erzeugt wurde. Dies ist überraschend, denn die all  gemein anerkannte Theorie vom elektrolytischen Polie  ren setzt eine ruhige, visköse Schicht komplexer Salze  des zu bearbeitenden Materials voraus, welche in den  tieferen Regionen liegt und diese isoliert, während die  hohen Punkte entfernt werden.

   Im vorliegenden Verfah  ren werden hohe Geschwindigkeiten und grosse Turbu  lenz vorsätzlich verwendet zur Erzeugung des gewünsch-           ten        Resultates,    obwohl dies im Gegensatz zu der aner  kannten Theorie steht.  



  Die vorliegende Erfindung betrifft daher die Anwen  dung dieses Verfahrens für einen verbesserten     Elektro-          polierprozess,    aber ohne Absenkung von Hohlräumen  im Werkstück.  



  Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung  des     Elektropolierverfahrens.    Ein Kupferrohr<B>311</B> ist an  beiden Enden mittels isolierenden Zapfen 313 verschlos  sen. In dem oberen Zapfen ist ein Rohrfitting 315 ge  schraubt, an welches eine     Elektrolytleitung,    die von einer  nicht dargestellten Pumpe kommt, angeschlossen ist. In  den untern Zapfen ist ein Werkstück W gepresst, das im  vorliegenden Fall rohrförmig ist.  



  Der Elektrolyt fliesst durch das Fitting 315 in die  Druckkammer, die durch das Kupferrohr 311 und die  beiden Zapfen 313 gebildet wird, und verlässt diese Kam  mer durch die Bohrung des rohrförmigen Werkstückes  W. Während diese Vorrichtung ein Ausführungsbeispiel  einer geprüften Vorrichtung darstellt, so besteht kein  Zwang oder Bedürfnis, den Elektrolyten durch ein     rohr-          förmiges    Werkstück ausfliessen zu lassen.

   Für andere       Werkstückformen    kann eine     Ausfliessöffnung    oder ein  Ventil verwendet werden, und diese Öffnung oder das  Ventil werden zu einer Ausflussleitung im Isolierzapfen  gegenüber dem Einlasszapfen verbunden, oder die     Aus-          flussleitung    kann auch durch den Zapfen 313 geführt  werden, wenn der     Werkstückabstand    dies gestattet, je  doch müssen der Einlass und der Auslass und die     Grös-          se    der Druckkammer so angeordnet sein, dass der Elek  trolyt mit kräftiger Bewegung und grosser Geschwindig  keit über das Werkstück geführt wird.  



  Gemäss Figur 1 bestand das Werkstück aus einer  18-8 Injektionskanüle mit einem Aussendurchmesser von  etwa 1.7 mm und einem Innendurchmesser von etwa  0,5 mm. Die Kanüle wurde durch ein in den untern     Iso-          lierzapfen    gebohrtes enges Loch gestossen. Die enge  Bohrung der Kanüle diente als Ausflussöffnung und ge  stattete die Bildung eines Flüssigkeitsdruckes in der  Grössenordnung von 7 bis 10.5     kg/cm=    in der Kammer.  Wie in der schon genannten Patentschrift beschrieben  wurde, können in gewissen Fällen auch kleinere Drücke  angewendet werden, nur sollen sie nicht kleiner als  1,7     kg/cm=    sein.  



  Das Kupferrohr war an den negativen Pol und das  Werkstück an den positiven Pol einer Gleichstromquelle  angeschlossen.  



  Bei einem Potential von 15 Volt wurde ein Vorschliff  in 6 Sekunden erhalten und eine gute     Polierung    in 10  Sekunden. Im ersten Fall wurde der Durchmesser der  Kanüle um etwa 0,025 mm reduziert. In 12 Sekunden  war der Durchmesser um mehr als 0,05 mm reduziert.  



  Der Elektrolyt bestand aus 56.78 1 Leitungswasser  mit:    Kalisalpeter 660     gr          Rochellesalz    377     gr          Natriumnitrit    527,3     gr          Kaliumchlorid    793,8     gr          CALGON        BANOX    136     gr     Jedoch ergeben auch andere Lösungen, von denen  viele gewöhnlich nicht als elektropolierende Agenzien  betrachtet werden (wie die oben genannte) ähnliche Re  sultate.

   Zum     Beispiel    ergeben einfache     20 /oige    Lösun  gen von Chlornatrium oder     Chlorkalium    ähnliche Resul-         tate.    Scheinbar besteht neben der hohen Turbulenz und  grossen Geschwindigkeit das     hauptsächlichste    Erforder  nis darin, dass die Lösung eine grosse Leitfähigkeit und  eine angemessene     Jonenbeweglichkeit    besitzt. Jedoch  scheinen Rost hemmende Mittel, wie Stickstoffnatrium,  keine schädliche Wirkung auf Superlegierungen oder  rostfreien Stahl auszuüben, wie auch Komplexformer,       z.B.    Salze der Ameisensäuren.  



  Der       Calgon        Banox      genannte Stoff in der beschrie  benen Lösung ist ein Produkt der     Hagan        Chemicals     &   Engineering Co. in Pittsburgh,     Pa.,    das gewöhnlich zur  Verhinderung von Rostkorrosion verwendet wird. Das  Material wird als ein     Hexametaphosphatsalz    beschrieben  und die besondere Zusammensetzung in der oben ange  gebenen Lösung wird von der Herstellerin     Banox        7-RS     genannt. Dieses Material kann nicht, ebensowenig wie       Natriumnitrit,    in irgend eine Lösung zur Bearbeitung von  gewöhnlichem Stahl mit Erfolg verwendet werden.

   Es  scheint auch, dass zur Bearbeitung von gewöhnlichen  Stahlsorten eine     Alkalität    der Lösungen vermieden wer  den sollte.  



  Eine andere überraschende Eigenschaft dieses Ver  fahrens besteht darin, dass Gelehrte und Forscher auf  dem Gebiet der elektrolytischen Materialbearbeitung  sagten, dass komplexe Legierungen nicht mit Erfolg  elektropoliert werden können. Jedoch wurden mit dem  beschriebenen Verfahren erfolgreiche Resultate erzielt,  bei der Verwendung eines Werkstückes aus     Superlegie-          rungsmaterial        AMS    5537, welches auch als L 605 oder       Stellite    25 bezeichnet wird. Eine Zusammensetzung ist  wie folgt:     20%        Cr,   <B>10%</B> Ni,     15%    W, Rest Co.  



  Es wird angenommen, dass die     Elektropolierwirkung     durch verhältnismässig hohe Geschwindigkeiten und  Drücke über die zu bearbeitende Fläche erzielt wird. Die  hohen Geschwindigkeiten können dazu neigen, den po  larisierenden oder passiven Film zu reduzieren, der beim  Auftreten von hohen Stromdichten sich gerne an der  Anode bildet. Diese Reduktion der Stärke des Anoden  films ist viel ausgeprägter an allen Vorsprüngen oder  kleinsten Erhöhungen der Oberfläche, und viel weniger  markant in den Vertiefungen, so dass die Erhöhungen  rascher angegriffen werden. Es wurde vorgeschlagen, ro  tierende Scheiben als Kathoden zu benützen, aber es be  stehen schwerwiegende Bedenken für die praktische  Anwendbarkeit dieses Mittels zur Erzeugung hoher Ge  schwindigkeiten im Elektrolyten.

   Zum Beispiel können  viele unregelmässige     Werkstückformen    kaum in gleich  förmiger Weise einem rotierenden Organ genähert wer  den. Jedoch ist der Vorschlag, eine     Hochdruck-Pump-          wirkung    zur Erzielung hoher Geschwindigkeiten zum  Elektropolieren zu benützen, neu. Bei hoher Geschwindig  keit gestattet die Anwendung eines Druckes von mehre  ren Atmosphären mit Stromdichten zu arbeiten, welche  eine übermässige Gasbildung und sogar ein Kochen verur  sachen können, was natürlich ein gutes     Blankschleifen     verhindert. Die Verwendung eines hohen Druckes in  einem Elektrolyse-System zur Erzielung hoher Strom  dichten, sowohl zum Elektropolieren, wie auch für ra  sche Materialentfernung ist     jedoch    neu.

    



  Figur 2 zeigt eine einfache Vorrichtung zur Anwen  dung der beschriebenen     Elektropolierwirkung    bei sol  chen Arbeiten wie     Entgratung    der Enden von Schrau  ben- Druckfedern und ähnlichen Werkstücken.  



  Es ist bekannt, dass bei der Herstellung von Druck  federn, beispielsweise Ventilfedern für     Verbrennungs-          kraftmaschinen,    nachdem die Enden flach     geschliffen     wurden, immer ein Grat oder eine scharfe Kante als      Ergebnis der Schleifbearbeitung auftritt. Die Entfernung  dieses Grates oder der Kante ist teuer, besonders an der  Innenseite der Feder. Die Vorrichtung nach Figur 2 ge  stattet ein leichtes Entfernen auf folgende Weise. Das  Bett 455 der Vorrichtung besitzt mehrere mit Gewinde  versehene Fassungen 457, die jeweils über einen Kanal  459 mit einem Schlauch 461 zur Zuführung von Elek  trolyt verbunden sind.

   Das Bett 455 ist über eine Klem  me 463 mit dem positiven Pol einer     Elektrolysierstrom-          quelle    verbunden. Ein     Werkstückhalter    465 ist in jede der  Fassungen 457 eingeschraubt und ist mit einer     Ausneh-          mung    467 versehen, in welche die zu entgratende Feder  gesteckt wird. Die Feder wird im dargestellten Beispiel  mittels einer konisch zugespitzten Setzschraube 471 in  Stellung gehalten. Diese Schraube hält die Feder mit  ihrem untern Ende gegen den Boden der     Ausnehmung     467, während das obere Ende sich ein wenig unterhalb  des Randes der     Ausnehmung    befindet.

   Eine konische  Elektrode 473 ist mit ihrem spitzen Ende in das obere  Ende der Feder 469 gesteckt, jedoch so dass sie die Fe  der nicht berührt. Die Elektrode ist in einen Träger 475  eingeschraubt und ist über die Klemme 477 mit dem ne  gativen Pol der Stromquelle verbunden. Die Elektrode  473 muss natürlich gegenüber dem     Werkstückhalter    465  isoliert sein, und wie dargestellt, besteht der Elektroden  halter 475 aus Isoliermaterial, und kann mittels Schar  nier 479 mit dem Bett 455 verbunden sein.  



  In dieser Weise können die Gruppe von den Elek  troden 473 und ihr Tragglied 475 nach rückwärts ge  klappt werden, um die Entfernung der Federn aus ihren  Fassungen 467 und ihre Ersetzung durch neue, fertig  zu bearbeitende Federn zu ermöglichen. Dann werden  die Elektroden 473 wieder in die gezeigte Stellung ge  klappt, in welcher sie sich nahe dem obern Ende der  Federn 469 befinden, worauf der     Elektrolytstrom    her  gestellt und der     elektrolysierende    Strom eingeschaltet  wird. Die Wirkung ist eine Materialentfernung an den  obern Federenden und wenn sie nur für kurze Zeit aus  geübt wird, so wird der Grat an den Federenden entfernt  und eine glatte fertigbearbeitete Fläche erzeugt ohne  wesentliche Materialentfernung vom Hauptteil des Fe  derkörpers.  



  Im oben beschriebenen Verfahren kann eine Aus  wahl von Elektrolyten verwendet werden.  



  Einige     Werkstückmaterialien    sind empfindlich auf       saure        Lösungen        von    5     bis        25%        der        geeigneten        starken     Säuren, wie Salzsäure, Salpetersäure und Schwefelsäure.

    Andere     Materialien,    wie     Sinterkarbide,        z.B.    Wolfram  karbid,     Titankarbid,    usw. sind empfindlicher gegenüber       Ätzkalilaugen,    wie eine     20%ige    Lösung von     Ätzkali,    wel  cher     5%        Natriumwolframat    beigefügt werden kann.  



  Möglichst weitgehend werden, wenn keine     übermäs-          sigen    Verluste an     Abtragsgeschwindigkeiten    auftreten  sollen, vorzugsweise neutrale oder nahezu neutrale Salz  lösungen verwendet, da diese Lösungen leichter und si  cherer zu handhaben sind.

   Eine Lösung dieser Art, die  gute und vielseitige Verwendung hat, ergibt sich wenn  zu 56.78 1 Wasser folgende Bestandteile zugesetzt wer  den:    Chlorkalium 13.6 kg  Kalisalpeter 4.5 kg  zitronensaures Kali 4.5 kg       Kaliumnatriumtartrat    4.5 kg  (Rochelle Salz)    Diese der Elektrode bei einer Temperatur zwischen  50  C und 65  C zugeführte Lösung hat gute     Abtragsge-          schwindigkeiten    bei vielen Stahlsorten, einschliesslich  rostfreiem Stahl, und auch bei vielen sogenannten     Super-          Legierungen    auf Nickel-, Kobalt oder Eisengrundlage  und die zu diesen drei Stoffen noch     Legierungsstoffe    ent  halten, beispielsweise Stoffe wie Chrom,     Molybdän,

       Wolfram,     Titanium,        Columbium    usw.  



  Ausser dem Abtragen oder Abbauen von Material  mit hohen Geschwindigkeiten kann eine gute Oberfläche  und besonders auf den Legierungen aus rostfreien Stäh  len sowie den     Super-Legierungen    eine glänzende reflek  tierende Oberfläche dadurch erzeugt werden, dass die  Oberfläche der Elektrolyse Verhältnissen unterworfen  wird, unter denen ein hoher Druck und eine hohe Ge  schwindigkeit im Elektrolyten vorhanden ist, wie dies  bereits beschrieben wurde.  



       Erfahrungsgemäss    ist ein Kennzeichen für das gute  Arbeiten eines Elektrolyten darin zu sehen, dass die     Me-          tallsalzerzeugnisse    der elektrolytischen Zersetzung leicht  löslich sind. Beispielsweise kann Aluminium in diesem  Verfahren mit vielen Elektrolyten, die bei anderen Ma  terialien verwendbar sind, nicht gut bearbeitet werden,  da die     anodische    Wirkung Aluminiumsalze bildet, die  nicht leicht löslich oder überhaupt nicht löslich sind und  die einen     anodischen    Film auf dem Werkstück bilden.

    Jedoch ergibt eine einfache     5%ige    oder     10%ige    Lösung  aus Essigsäure gute Ergebnisse, weil die entstandenen  verhältnismässig komplexen     Aluminiumsalze    so löslich  sind, dass sie aus dem Arbeitsspalt leicht ausgewaschen  werden können.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I Verfahren zum Polieren eines elektrisch leitenden Werkstückes mittels Elektroerosion, bei welchem Ver fahren ein Werkzeug mit einer elektrisch leitenden Ar beitsfläche in einem festen Abstand vom Werkstück an geordnet und ein Elektrolyt zwischen Arbeitsfläche und Werkstück hindurchgeführt wird, wobei das Werkzeug und das Werkstück derart in einen Stromkreis geschal tet werden, dass die Arbeitsfläche des Werkzeuges als Kathode in bezug auf das Werkstück wirkt, dadurch ge kennzeichnet, dass der Elektrolyt mit hoher Geschwindig keit und mit einem Druck von nicht weniger als 1.7 kg/cm2 durch den Zwischenraum zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug hindurchgepumpt wird,

   während ein elek trischer Strom hoher Stromdichte und niedriger Span nung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug ohne Funken- oder Lichtbogenbildung geleitet wird, um Ma terial vom Werkstück zu entfernen. UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass die Spannung des niedrig gespannten Stromes praktisch nicht mehr als 15 Volt beträgt. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass die Stromdichte mindestens 15.5 Amp. pro cm= beträgt. 3.

   Verfahren nach Patentanspruch I oder den Un teransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück in einer geschlossenen Kammer angeordnet wird, deren Wandung als Werkzeug wirkt, und dass der Elektrolyt durch ein Ende der Kammer zugeführt wird, und über die zu bearbeitende Werkstückfläche fliesst.

   PATENTANSPRUCH<B>11</B> Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch I, zum Entgraten einer Schraubenfeder, dadurch gekenn zeichnet, dass das Werkzeug (473) nahe dem einen En de der Schraubenfeder (469) angeordnet wird, um einen Grat oder scharfe Kanten durch ein kurzzeitiges Anlegen des Elektrolysierungsstromes an das Werkzeug und die Feder zu entfernen, wobei die Feder als Werkstück in den Stromkreis geschaltet ist.