BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung von Metallen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Es sind Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung von Metallen mit einer erzwungenen mechanischen Schwingung einer der Elektroden bekannt. Bei der Ausführung dieser Verfahren wird an die Elektroden ein zur mechanischen Schwingung synchroner Spannungsimpuls angelegt, und zwar während die Elektroden sich einander nähern. Im Augenblick der maximalen Annäherung der Elektroden bleibt im Schwingungsvorgang der einen von ihnen der Spannungsimpuls aus. Der Unterbruch der Spannungszuführung im Bereich der maximalen Annäherung der Elektroden setzt aber die Leistungsfähigkeit der Bearbeitung und die Kopiergenauigkeit wesentlich herab.
Es ist ein Verfahren zur elektrochemischen Metallbearbeitung mit einer mit Spannungsimpulsen synchronisierten mechanischen Zwangsschwingung einer der Elektroden bekannt, wo das Impuls-Pause-Verhältnis im Bearbeitungsvorgang geregelt wird. Die Bearbeitung beginnt bei geringen Werten, und gegen Ende der Bearbeitung wird das Impuls Pause-Verhältnis vergrössert. Hierbei wird die Impulsfolge zeitlich verschoben, indem die Momentanwerte des Zwischenelektrodenraumes oder Arbeitsspaltes verringert werden, bei denen ein Strom fliesst.
Nach dem bekannten Verfahren können die Spannungsimpulse sowohl bei der Annäherung der Elektroden als auch bei deren Auseinanderfahren gegeben werden, während im Augenblick der maximalen Annäherung der Elektroden ein Spannungsimpuls ausbleibt. Eine Änderung der Bearbeitungsintensität durch Regelung des Impuls-Pause-Verhältnisses und der zeitlichen Verschiebung der Impulse führt zur Verminderung der Genauigkeit der Formbildung, insbesondere bei einem Räumen von Flächen mit vertikalen Wänden.
Die Besonderheit der bekannten Verfahren der elektrochemischen Metallbearbeitung ist die, dass die Spannungs impulse auf die Elektroden in einem grossen Änderungsbereich des stirnseitigen Zwischenelektrodenabstandes eingespeist werden, und dies ist gleichbedeutend mit der Einspeisung eines Spannungsimpulses bei einem grossen mittleren stirnseitigen Zwischenelektrodenabstand, weshalb die Kopiergenauigkeit der Werkzeugelektrode auf der zu bearbeitenden Fläche wesentlich reduziert wird.
Es ist auch ein Regelungsverfahren für den Zwischenelektrodenabstand bei der elektrochemischen Metallbearbeitung mit einer erzwungenen, mit an die Elektroden angelegten Spannungsimpulsen synchronisierten mechanischen Schwingung einer der Elektroden (siehe Urheberschein N. 187 125, Internat. Kl. G 05d 3/00) bekannt. Bei der Ausführung dieses Verfahrens wird den Elektroden ein zusätzlicher Niederspannungsstrom zugeführt, und die Regelung des Zwischenelektrodenabstandes erfolgt nach den durch einen Kurzschluss der Elektroden bewirkten Stössen dieses Stroms.
Die Regelung des Zwischenelektrodenabstandes nach den infolge einer metallischen Kontaktierung der Werkzeugelektrode mit dem Werkstück entstehenden Stromstössen einer Niederspannungsquelle eliminiert die Möglichkeit einer Impulsgabe der Arbeitsspannung auf die Elektroden im Augenblick deren maximaler Annäherung aneinander, d. h. bei einem Minimalwert des Zwischenelektrodenabstandes zwecks Vermeidung einer eventuellen Störung der Werkzeugelektrode und der zu bearbeitenden Fläche infolge der Entstehung eines Kurzschlusses zwischen ihnen. Die Spannungsimpulse werden daher im bekannten Verfahren bei einem Vorschub oder Abheben der Werkzeugelektrode von der zu bearbeitenden Fläche, d. h. bei einem veränderlichen Wert des Zwischenelektrodenabstandes, eingespeist.
Mit Rücksicht darauf, dass in den meisten Fällen die Schwingungsamplitude ca. 0,2 mm und das Impuls-Pause-Verhältnis der Arbeitsspannung 2 bis 3 betragen, erfolgt der Prozess einer elektrochemischen Auflösung bei einem grossen mittleren Zwischenelektrodenabstand, was eine Senkung der Bearbeitungsgenauigkeit zur Folge hat. Dies ist für die Seitenfläche eines zu bearbeitenden Hohlraumes besonders kennzeichnend. Die Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit durch Vergrösserung des Impuls-Pause-Verhältnisses auf 5 bis 10 (durch Verringerung der Impulsdauer der Arbeitsspannung) zieht eine beträchtliche Abnahme der Vorschubgeschwindigkeit nach sich. Darüber hinaus führt die Berührung der Elektroden unter Spannung von einer zusätzlichen Spannungsquelle zu einer Oberflächenerosion der Werkzeugelektrode und des Arbeitsstücks.
Bei der Berührung der Elektroden ist auch eine mechanische Verformung der Oberflächen der Werkzeugelektrode und des Werkstücks, insbesondere bei der Bearbeitung von Hohlräumen geringer Abmessungen bei Werkstücken mit geringfügiger Steifigkeit, möglich.
Die bekannten Verfahren zur elektrochemischen Metallbearbeitung und Regelung des Zwischenelektrodenabstandes durch die Anwendung einer mit den Spannungsimpulsen synchronisierten schwingenden Bewegung der Elektrode gewährleisten also keine hohe Bearbeitungsgenauigkeit bei der Bildung komplizierter Formflächen.
Es sind auch Einrichtungen zur elektrochemischen Metallbearbeitung bekannt, die von den Grundsätzen einer Analyse von bei verschiedenen Störungen des Prozesses entstehenden und mit einem eventuell vorkommenden Kurzschlusses im Zwischenelektrodenraum zusammenhängenden Stromoberwellen Gebrauch machen.
Diese Einrichtungen dürfen aber nicht zur Realisierung der Verfahren zur elektrochemischen Metallbearbeitung unter Benutzung eines Impulsstromes herangezogen werden, weil das Hochfrequenzspektrum der Impulsfolge die durch Mikrodurchschläge im Zwischenelektrodenraum verursachten Nutzsignale der Hochfrequenzschwingungen unterdrückt.
Es sind auch Einrichtungen zur elektrochemischen Metallbearbeitung mit einer mechanisch schwingenden Elektrode und einem Impulsstrom bekannt, die nach dem Prinzip eines Reglers arbeiten; bei fehlender Berührung der Elektroden wird ein automatischer Vorschub einer der Elektroden betätigt, welcher bei einer Wiederaufnahme der Berührungen aufhört. Die wirksame Impulsspannung kann nur beim Vorschub oder Abheben der Elektroden, d.h. bei einem variablen Wert des Zwischenelektrodenabstandes in dessen grossem Änderungsbereich zugeführt werden, wodurch die Kopiergenauigkeit und die Bearbeitungsleistung erheblich herabgesetzt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung von Metallen der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Aufrechterhaltung eines minimalen Zwischenelektrodenabstandes unter den Bedingungen der Impulsgabe auch zu dem Zeitpunkt ermöglicht wird, wo die Werkzeugelektroden und das Werkstück voneinander in einem minimalen Abstand liegen.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren dadurch gelöst, dass es die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale aufweist. Weitere Ausführungen des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 2-5 aufgeführt. Die zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagene Anlage ist im Patentanspruch 6 definiert, während die Patentansprüche 7 und 8 vorteilhafte Ausführungen der Anlage umschreiben.
Das vorgeschlagene Verfahren zur elektrochemischen Metallbearbeitung und die Anlage zur Durchführung des Verfahrens gestatten es, verschiedene Kopier-Räumoperationen in Arbeitsstücken aus schwer zu bearbeitenden Werkstoffen mit einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit, -leistung und -qualität sowohl bei der Fertigung von komplizierten Formflächen als auch bei der Verarbeitung eines grossen Loses von Werkstücken mit gleichen Massen auszuführen.
Die vorliegende Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung des Verfahrens;
Fig. 2 ein Zeitdiagramm einer Parameteränderung bei einer schwingenden Bewegung des Werkzeuges bezüglich der Oberfläche eines Werkstückes;
Fig. 3 ein Zeitdiagramm einer beim Abheben des Werkzeuges von der Oberfläche eines Werkstückes durch Kavitation verursachten Änderung relativer Parameter in Abhängigkeit eines minimalen Zwischenelektrodenabstandes;
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Anlage zur elektrochemischen Metallbearbeitung;
Fig. 5 ein Funktionsschaltbild der Anlage zur Durchführung des Verfahrens;
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Ausführungsvariante;
Fig. 7 eine Ausführungsform eines Signalgebers;
Fig. 8 eine andere Ausführungsform eines Signalgebers;
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Fig. 9 ein Zeitdiagramm der Änderung des relativen Wertes der Elektrodenspannung und deren zweiter Ableitung bei einem grossen Wert des minimalen Zwischenelektrodenabstandes;
Fig. 10 ein Zeitdiagramm der Änderung eines relativen Wertes der Elektrodenspannung und deren zweiter Ableitung bei einem geringen Wert des minimalen Zwischenelektrodenabstandes;
Fig. 11 ein Zeitdiagramm der Änderung des Wertes des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenabstand und seiner zweiten Ableitung bei einem grossen Wert des minimalen Zwischenelektrodenabstandes;
Fig. 12 ein Zeitdiagramm einer Änderung des Wertes des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenabstand und seiner zweiten Ableitung bei einem geringen Wert des minimalen Zwischenelektrodenabstandes;
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Fig. 13 ein Diagramm, das die Arbeit einer ersten Auswahl- und Speichereinheit für den Wert eines die Kavitation beeinflussenden Parameters bei einem minimalen Zwischenelektrodenabstand; und
Fig. 14 ein Diagramm, das die Arbeit einer zweiten Auswahl- und Speichereinheit für den relativen Wert der Funktion eines ähnlichen Parameters erläutert.
Gemäss dem vorgeschlagenen Verfahren werden von einer Impulsquelle 1 (Fig. 1) auf eine als bewegliches Werkzeug 2 wirkende Elektroden und auf eine ein Werkstück 3 darstellende Elektrode Impulse der Spannung U gegeben.
Die Frequenz der Impulse der Spannung U und die Schwingungsfrequenz des Werkzeuges 2 in durch Pfeile angedeuteten Richtungen sind miteinander derart synchronisiert, dass der Spannungsimpuls U dann geliefert wird, wenn das Werkzeug 2 den minimalen Abstand vom Werkstück 3 aufweist, d. h., wenn sich das Werkzeug 2 in der unteren Stellung befindet.
Bei der elektrochemischen Metallbearbeitung in einem fliessenden Elektrolyten mit einem Druck P1 am Eingang des Arbeitsspaltes oder Zwischenelektrodenraumes S übt das Werkzeug 2 mit Hilfe eines Motors 4 eine schwingende Bewegung aus und nähert sich mit hoher Geschwindigkeit dem Werkstück 3. Das Werkstück befindet sich auf einem Tisch 5, welcher sich in Richtung zum Werkzeug 2 mit einer Geschwindigkeit v bewegt. Infolge der schnellen Annäherung des Werkzeuges 2 an das Arbeitsstück 3 beginnt der hydrodynamische Druck Ps (Fig. 2) des Elektrolyten im Zwischenelektrodenraum S anzusteigen. Die im Elektrolyten enthaltenen und sich in einem elektrochemischen Prozess entwikkelnden Dampf- und Gasbläschen 6 werden zusammengepresst und im Elektrolyten aufgelöst.
Dies hat zur Folge, dass die anodische Auflösung der Oberfläche des Werkstücks 3 (Fig. 1) unter diesen Bedingungen bei einer erheblichen Verringerung der Wahrscheinlichkeit eines Durchschlages im Zwischenelektrodenabstand S infolge eines Fehlens der Dampf- und Gasbläschen 6 (Fig. 2) erfolgt. Die Bearbeitungsgenauigkeit, -leistung und -qualität werden erhöht, da die Arbeit bei äusserst geringen Zwischenelektrodenabständen S erfolgen kann.
Bei einem schnellen Abheben des Werkzeuges 2 (Fig. 1) vom Arbeitsstück 3 fällt der Durck Ps (Fig. 2) sprunghaft ab. Es beginnt eine intensive Zunahme der im Elektrolyten aufgelösten Dampf- und Gasbläschen 6 im Elektrolyten, d. h. es kommt zu einer durch den Abfall des Drucks Ps des Elektrolyten im Zwischenelektrodenraum bedingten Kavitation. Dies bewirkt einen steilen Anstieg des Widerstandes R, wie im Abschnitt A der Fig. 2 gezeigt.
Im Masse einer weiteren Vergrösserung des Zwischenelektrodenraums wird dessen Spülung mit einem frischen Elektrolyten verstärkt, was mit der Zeit zur Abnahme des Widerstandes R - Abschnitt B im Zwischenelektrodenraum - führt. Auf solche Weise liegt beim Abheben des Werkzeuges 2 (Fig. 1) von der Oberfläche des Werkstücks 3 zuerst eine Erhöhung des Widerstandes R (Fig. 2) - Abschnitt A, und dann eine Abnahme - Abschnitt B im Zwischenelektrodenraum - vor.
Bei der elektrochemischen Bearbeitung hängt die Intensität der Ausbildung der beim Abheben des Werkzeuges 2 (Fig. 1) durch Kavitation hervorgerufenen Dampf- und Gasbläschen 6 vom minimalen Zwischenelektrodenabstand 5min (Fig. 2) und vom Durchfluss des Elektrolyten an dieser Stelle ab. Dies ist darauf zurückzuführen, dass je kleiner der minimale Zwischenelektrodenabstand S4 (Fig. 3a) wird, desto weniger Elektrolyt fliesst durch und desto schneller reichert sich also der Elektrolyt im Raum zwischen den Elektroden bei S4 durch die Dampf- und Gaskomponente an. Das Abheben des Werkzeuges 2 (Fig. 1) von der Oberfläche des Werkstücks 3 wird daher von einem lawinenartigen Anwachsen der Dampf- und Gasbläschen 6 (Fig. 2) an dieser Stelle S4 (Fig. 3a) begleitet.
Dies bewirkt eine beträchtliche Erhöhung des Widerstandes R (Fig. 3b) im Abschnitt A4 bei einem Zwischenelektrodenabstand S4.
Wird die elektrochemische Bearbeitung bei einem grossen minimalen Zwischenelektrodenabstand 5 (Fig. 3a) ausgeführt, so laufen die elektrochemischen Prozesse weniger intensiv ab, und die Anreicherung des Elektrolyten im verhältnismässig grossen Zwischenelektrodenraum durch die Dampf- und Gaskomponente ist geringer. Deshalb ist die Ausbildung der Dampf- und Gasbläschen 6 (Fig. 2) bei diesen Bedingungen beim Abheben des Werkzeuges 2 (Fig. 1) auch geringfügig. Hierbei wird die durch Kavitation bedingte Änderung des Widerstandes R (Fig. 3a) - Abschnitt A1 - auch geringfügig sein.
Die Intensität der beim Abheben des Werkzeuges 2 (Fig. 2) von der Oberfläche des Werkstücks 3 entstehenden Kavitation ist also vom Zwischenelektrodenabstand S und vom Durchfluss des Elektrolyten an dieser Stelle abhängig.
Die eindeutige Abhängigkeit der Intensität der Kavitation vom minimalen Zwischenelektrodenabstand Smin bei einem bestimmten Eintrittsdruck P1 (Fig. 1) wird zur Steuerung des Bearbeitungsvorganges ausgenutzt.
Da das Auftreten der Kavitation bei einem schwingenden Abheben des Werkzeuges 2 von einer sprunghaften Zunahme des Widerstandes R (Fig. 2) im Zwischenelektrodenraum begleitet wird, wird zur Steuerung des Bearbeitungsvorganges die durch Kavitation im Elektrolyten hervorgerufene Änderung des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenraum überwacht.
Als relativer Widerstand im Zwischenelektrodenraum wird das Verhältnis eines laufenden Widerstandwertes im Zwischenelektrodenraum zum Widerstandswert im Zwischenelektrodenraum bei minimalem Zwischenelektrodenabstand 5min bezeichnet. Bei der Steuerung nach dem relativen Widerstand wird der Einfluss einer Anderung der zu bearbeitenden Fläche, der Temperatur des Elektrolyten, seiner Leitfähigkeit usw. ausgeschlossen.
Vor Beginn der Bearbeitung werden die Werkzeugelektrode 2 und das Werkstück 3, die in Bezug zueinander schwingen, bei fehlender Spannung bis zur gegenseitigen Berührung angenähert und dann um einen vorbestimmten Wert des minimalen Zwischenelektrodenabstandes 5min (Fig. 2) wieder voneinander entfernt. Dann wird den Elektroden eine wirksame Impulsspannung U (Fig. 1) zugeführt.
In den Zwischenelektrodenraum wird ein Elektrolyt unter einem Druck P1 eingeführt, worauf der Bearbeitungsvorgang beginnen kann.
Da durch die Wahl des eingestellten minimalen Zwischenelektrodenabstandes Smin (Fig. 1) die Intensität der Kavitation und als Folge dessen die Änderung des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenraum eindeutig beeinflusst wird, wird die maximale durch Kavitation verursachte Änderung des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenraum (Fig. 1) gespeichert. Im weiteren wird dieser Wert als ein Wert ausgenutzt, der die im wesentlichen durch den Wert des eingestellten Zwischenelektrodenabstandes S bestimmte Bearbeitungsintensität in Querrichtung vorgibt.
Bei einer Abweichung der momentanen durch Kavitation hervorgerufenen Änderung des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenraum vom vorbestimmten Wert werden die Vorschubgeschwindigkeit v (Fig. 1) und der Druck Ps geändert, wobei, wenn der momentane Wert des relativen
Widerstandes den vorbestimmten Wert übersteigt, der
Druck Ps vergrössert und die Vorschubgeschwindigkeit v verringert wird. Wenn der momentane Wert des relativen Widerstandes unterhalb des vorbestimmten Wertes liegt, so wird die Vorschubgeschwindigkeit v erhöht.
Die Einstellung des minimalen vorbestimmten Zwischenelektrodenabstandes 5min (Fig. 2) mit anschliessender Mes sung und Speicherung des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenraum im Augenblick der intensivsten Ent wicklung von Kavitation erfolgt periodisch in Abständen bis zu einigen zehn Minuten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich sowohl die zu bearbeitende Fläche als auch die Temperatur und die elektrische Leitfähigkeit des Elektroly ten im Bearbeitungsvorgang verhältnismässig langsam ändern.
Fig. 3b zeigt, wie in Abhängigkeit der Änderung des minimalen Zwischenelektrodenabstandes Smjn (Fig. 2) der lokale Extremwert des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenraum (Fig. 1) beim Auseinanderfahren der Elektroden (Stellung A, bis A4) (Fig. 3b) anwächst.
Da die Formverzerrung der den relativen Widerstand anzeigenden Kurve R infolge der Kavitationserscheinungen beim Auseinanderfahren der Elektroden in Form der Entstehung eines lokalen Extremwertes zur Geltung kommt, welcher unterhalb des Wertes des relativen Widerstandes bei einem ausreichend grossen Zwischenelektrodenabstand liegt, ist der Vergleich des Wertes des momentanen relativen Widerstandes mit dem vorbestimmten Wert erschwert, denn der Vergleich nur im Zeitpunkt der intensivsten Entwicklung der Kavitation angestellt werden muss.
Deshalb empfiehlt es sich, den Prozess zu steuern, indem der Wert der zweiten Ableitung des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenraum (Fig. 1) geändert wird.
Der Wert der zweiten Ableitung der Funktion ist proportional zur Krümmung der Funktionskurve in diesem Punkt.
Da sich die Intensität der Kavitation als lokaler Extremwert auf der Kurve des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenraum bemerkbar macht, wobei die Krümmung des Scheitels des lokalen Extremwerts mit der Steigerung der Kavitationsintensität zunimmt, ist es leicht, durch Amplitudenvergleich den Unterschied des laufenden Wertes eines Parameters vom vorgegebenen zu verdeutlichen, denn bei der zweiten Ableitung wird die Änderung des Kavitationsgrades in Form einer Änderung des globalen Extremwertes auf der Kurve nach Fig. 3c abgebildet. Diese Kurve, die die zweite Ableitung der den relativen Widerstand im Zwischenelektrodenraum darstellenden Kurve ist, zeigt, wie die Amplitude der den globalen Extremwert darstellenden Impulse As bis A4 in dem Masse der Änderung des minimalen Zwischenelektrodenabstandes Smjn (Fig. 2) wächst.
Im Falle der Verwendung einer Speisequelle 1 mit fallender Stromspannungskennlinie wird zur Prozesssteuerung der Wert der durch Kavitation im Elektrolyten beim Auseinanderführen der Elektroden hervorgerufenen Änderung der relativen Elektrodenspannung gemessen.
Unter der relativen Spannung wird das Verhältnis des momentanen Wertes der Elektrodenspannung zum Wert bei einem minimalen Zwischenelektrodenabstand 5min (Fig. 2) verstanden. Die Steuerung nach relativen Parametern eliminiert einen durch eine eventuelle Änderung der Spannung der Speisequelle 1 (Fig. 1), der Temperatur des Elektrolyten, der zu bearbeitenden Fläche usw. herbeigeführten Fehler.
Es ist bekannt, dass bei der Speisung der Belastung von einer Stromquelle die Spannung an dieser Belastung proportional zu ihrem Widerstand ist. Dies bedeutet, dass die Impulsform der Elektrodenspannung U in Abhängigkeit von der Intensität der Kavitation verzerrt wird. Fig. 3d zeigt, wie bei einer Verringerung des minimalen Zwischenelektroden abstandes Smjn (Fig. 2) der lokale Extremwert C1 bis C4 an wächst.
Zur exakteren Fixierung der Änderung des lokalen Ex tremwertes auf der Kurve der die Intensität der Kavitation bestimmenden Änderung der relativen Spannung und folg lich auch zur exakteren Steuerung des Bearbeitungsvorgan ges wird als Informationsparameter der Wert der zweiten
Ableitung der relativen Elektrodenspannung herangezogen.
Fig. 3 (e) zeigt, wie mit einer Verringerung des minimalen
Zwischenelektrodenabstandes Sinin (Fig. 2) die Amplitude
C'1 bis C'4 der globalen Extremwerte auf der Kurve der zwei ten Ableitung der relativen Spannung zunimmt.
Die dargestellte Anlage (Fig. 4) enthält einen an das
Werkzeug 2 und an das Arbeitsstück 3 angeschlossenen Si gnalgeber 7 (Fig. 4). Der Ausgang des Signalgebers 7 ist elektrisch mit einem Eingang 8 einer Steuereinrichtung 9 für die Bearbeitungsintensität verbunden. Das Werkzeug 2 und das Werkstück 3 sind an die Ausgänge eines Impulsgenerators 1 angeschlossen.
Die Steuereinrichtung 9 für die Bearbeitungsintensität weist eine erste Auswahl- und Speichereinheit 10 für den Wert eines durch die Kavitation bestimmten Parameters beim minimalen Zwischenelektrodenabstand Smjn (Fig. 2) auf, die mit ihrem Ausgang an einen Eingang 11 (Fig. 4) einer Recheneinheit 12 für den relativen Wert der Funktion eines von der Kavitation bestimmten Parameters angeschlossen ist, deren Eingang 13 und ein Eingang 14 der Auswahlund Speichereinheit 10 elektrisch mit dem Ausgang des Signalgebers 7 gekoppelt sind.
Der Ausgang der Recheneinheit
12 ist an einen Eingang 15 einer zweiten Auswahl- und Speichereinheit 16 für den relativen Wert der Funktion eines durch die Kavitation bestimmten Parameters und an einen Eingang 17 einer Vergleichseinheit 18 für den laufenden relativen Wert der Funktion eines des durch die Kavitation bestimmten Parameters und für einen Vorgabewert angeschlossen. Ein Eingang 19 der Vergleichseinheit 18 ist mit dem Ausgang der zweiten Auswahl- und Speichereinheit 16 verbunden. Der Ausgang der Vergleichseinheit 18 ist an einen Eingang 20 einer Sperrschaltung 21 angeschlossen, deren Ausgang als Ausgang der Steuereinrichtung 9 für die Bearbeitungsintensität dient und an einen Stellmechanismus 22 angeschlossen ist.
Die Steuereingänge 23,24 und 25, 26 der Auswahl- und Speichereinheit 10 bzw. 16 und der Steuereingang 27 der Sperrschaltung 21 sind an eine Einheit 28 zur zeitlichen Steuerung angeschlossen.
Die Auswahl- und Speichereinheit 10 für einen durch die Kavitation bestimmten Parameter beim minimalen Zwischenelektrodenabstand 5min weist gemäss Fig. 5 einen Speicherkondensator 29 auf, dessen einer Anschluss geerdet, während der andere über einen Metalloxid-Feldeffekttransi stor'(MOSFET) 30 mit dem Eingang 14 der Auswahl- und Speichereinheit 10 und mit dem Eingang 11 der Recheneinheit 12 verbunden ist. Der Entladekreis des Speicherkondensators 29 enthält einen mit dem nicht geerdeten Anschluss des Kondensators 29 verbundenen Widerstand 31. Der andere Anschluss des Widerstandes 31 ist über einen Metalloxyd-Feldeffekttransistor 32 an Erde gelegt. Die Steuereingänge der Transistoren 30 und 32 sind an die Steuereingänge 23 und 24 der Auswahl- und Speichereinheit 10 angeschlossen.
Die Recheneinheit 12 für den relativen Wert der Funktion des durch die Kavitation bestimmten Parameters ist hier eine Dividiereinrichtung, die einen Operationsverstärker 33 aufweist, dessen invertierender Eingang mit seinem Ausgang über einen Kondensator 34 gekoppelt ist. Über einen summierenden Widerstand 35 ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 33 mit einem Funktionswandler 36 und über einen summierenden Widerstand 37 mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 38 gekoppelt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 33 ist an den Eingang 17 der Vergleichseinheit 18 und an den Eingang 15 der Auswahlund Speichereinheit 16 geschaltet. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 38 ist an den Eingang 13 der Recheneinheit 12 und über einen Widerstand 39 an den eigenen Ausgang angeschlossen.
Der eine Multiplikation zweier Variabler ausführende Funktionswandler 36 ist mit dessen einem Eingang des Operationsverstärkers 33 und mit dem anderen Eingang an den Eingang 11 der Recheneinheit 12 gekoppelt. Die nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 33 und 38 sind an Erde gelegt.
Die Auswahl- und Speichereinheit 16 ist für den relativen Wert der Funktion eines durch die Kavitation bestimmten Parameters weist einen Speicherkondensator 40 auf, dessen einer Anschluss geerdet und der andere über einen Metalloxyd-Feldeffekttransistor (MOSFET) 41 mit dem Eingang 15 der Auswahl- und Speichereinheit 16 und mit dem Eingang 19 der Vergleichseinheit 18 verbunden ist. Der Entladekreis des Speicherkondensators 40 weist einen einerends an den nichtgeerdeten Belag des Kondensators 40 angeschlossenen Widerstand 42 auf. Der andere Anschluss des Widerstandes 42 ist über einen Metalloxyd-Feldeffekttransistor 43 an Erde gelegt. Die Steuereingänge der Transistoren 41 und 43 sind an die Steuereingänge 25 bzw. 26 der Auswahl- und Speichereinheit 16 angeschlossen.
Die Vergleichseinheit 18 für den laufenden relativen Wert der Funktion des durch die Kavitation bestimmten Pa- rameters und für einen vorbestimmten Wert weist einen Differentialoperationsverstärker 44 auf, dessen Ausgang als Ausgang der Vergleichseinheit 18 wirkt und an den Eingang 20 der Sperrschaltung 21 angeschlossen ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 44 ist an den Ausgang eines Operationsverstärkers 45 angeschlossen, dessen invertierender Eingang an den Eingang 17 der Vergleichseinheit 18 und über einen Widerstand 46 an seinen Ausgang geschaltet ist. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 44 ist an den Ausgang eines Operationsverstärkers 47 angeschlossen, dessen invertierender Eingang an den Eingang 19 der Vergleichseinheit 18 und über einen Widerstand 48 an seinen Ausgang gekoppelt ist.
Die nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 45 und 47 sind an Erde gelegt.
Die Sperrschaltung 21 weist ein UND-Gatter 49 auf, dessen einer Eingang an den Eingang 20 der Sperrschaltung 21 und dessen anderer Eingang über einen Inverter 50 an den Steuereingang 27 der Schaltung 21 angeschlossen sind. Der Ausgang des UND-Gatters 49 wirkt als Ausgang der Steuereinrichtung 9 für die Bearbeitungsintensität und ist an den Stellmechanismus 22 angeschlossen.
Die Differenziereinheit 51 (Fig. 6) zweiter Ordnung enthält eine Reihenschaltung aus zwei über die invertierenden Eingänge mit Hilfe von Widerständen 54 und 55 gegengekoppelten Operationsverstärkern 52 und 53. Der Ausgang des Operationsverstärkers 53 stellt den Ausgang der Differenziereinheit 51 dar und ist an den Eingang 13 der Recheneinheit 12 angeschlossen, während sein invertierender Eingang über einen Differenzierkondensator 56 an den Ausgang des Operationsverstärkers 52 geschaltet ist. Der invertierende Eingang des Verstärkers 52 ist über einen Differenzierkondensator 57 an den Eingang 8 der Steuereinrichtung 9 für die Bearbeitungsintensität und an den Eingang 14 der Auswahl- und Speichereinheit 10 angeschlossen. Die nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 52 und 53 sind an Erde gelegt.
Der Signalgeber 7 (Fig. 7) ist durch einen Spannungsgeber gebildet und weist einen über den invertierenden Eingang mit einem Widerstand 59 gegengekoppelten Operationsverstärker 58 auf. Der Ausgang des Operationsverstärkers 58 ist an den Eingang 8 der Steuereinrichtung 9 für die Bearbeitungsintensität und sein invertierender Eingang an den Abgriff eines Potentiometers 60 angeschlossen. Ein Ende des Potentiometers 60 ist geerdet, sein anderes Ende ist an das auf negativem Potential liegende Werkzeug 2 gekoppelt.
Der Signalgeber 7 kann gemäss Fig. 8 auch wie folgt aufgebaut sein: Eine Recheneinheit 61 für den Widerstand, deren Ausgang als Ausgang des Signalgebers 7 dient und an den Eingang 8 der Steuereinrichtung 9 für die Bearbeitungsintensität angeschlossen ist. Ein Eingang 62 der Recheneinheit 61 für den Widerstand ist mit dem Ausgang eines Spannungsgebers 63 verbunden, dessen Eingang mit dem auf negativem Potential liegenden Werkzeug 2 gekoppelt ist. Der Eingang 64 der Einheit 61 ist an den Ausgang eines Stromgebers 65 angeschlossen.
Der Spannungsgeber 63 ist aus einem über den nicht invertierenden Eingang mittels eines Widerstandes 67 gegengekoppelten Operationsverstärker 66 aufgebaut. Der Ausgang des Operationsverstärkers 66 ist an den Eingang 62 der Recheneinheit 61 für den Widerstand und dessen nicht invertierender Eingang an den Abgriff eines Potentiometers 68 gekoppelt. Ein Ende des Potentiometers 68 ist geerdet und das andere an das auf negativem Potential liegende Werkzeug 2 geschaltet. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 66 ist an Erde gelegt.
Der Stromgeber 65 beinhaltet einen über den nicht invertierenden Eingang mittels eines Widerstandes 70 gegengekoppelten Operationsverstärker 69. Der Ausgang des Verstärkers 69 ist an den Eingang 64 der Recheneinheit 61 für den Widerstand und sein nicht invertierender Eingang an den Abgriff eines Potentiometers 71 gelegt, dessen Anschlüsse parallel zu der auf einen Widerstand 73 geschalteten Ausgangswicklung eines Transformators 72 geschaltet sind. Der invertierende Eingang des Verstärkers 69 und ein Anschluss des Potentiometers 71 sind an Erde gelegt.
Die Differenziereinheit 61 ist aus einem über den invertierenden Eingang mit Hilfe eines Integrierkondensators 75 kapazitiv rückgekoppelten Operationsverstärker 74 aufgebaut. Der Ausgang des Verstärkers 74 fungiert als Ausgang des Signalgebers 7. An den invertierenden Eingang des Verstärkers 74 ist über einen summierenden Widerstand 76 der Ausgang eines Funktionswandlers 77 sowie ein Anschluss eines Widerstandes 78 geschaltet, dessen anderer Anschluss an den Eingang 62 der Einheit 61 gekoppelt ist. Ein Eingang des Funktionalwandlers 77 stellt den Eingang 64 der Einheit 61 dar, während dessen anderer Eingang an den Ausgang des Verstärkers 64 angeschlossen ist.
In Fig. 9 bezeichnen:
79 - eine Kurve der zeitlichen Änderung des Zwischenelektrodenabstandes S (Fig. 1);
80 - einen Pegel des vorgegebenen Änderungswertes der relativen Elektrodenspannung; 81 - den zeitlichen Verlauf der relativen Elektroden- spannung;
82 - den Verlauf der zweiten Ableitung der relativen Elektrodenspannung;
83 - einen Pegel des vorbestimmten Änderungswertes der zweiten Ableitung der relativen Elektrodenspannung.
In Fig. 10 bezeichnen:
84 - eine Kurve der zeitlichen Änderung des Zwischenelektrodenabstandes S;
85 - einen Pegel des vorbestimmten Änderungswertes der relativen Elektrodenspannung;
86 - den Verlauf der relativen Elektrodenspannung;
87 - den Verlauf der zweiten Ableitung der relativen Elektrodenspannung;
88 - einen Pegel des vorbestimmten Änderungswertes der zweiten Ableitung der relativen Elektrodenspannung;
89, 90 - ein Ausgangssignal der Sperrschaltung 21 (Fig. 5).
Sämtliche in Fig. 10 wiedergegebenen Kurven entsprechen dem Wert des minimalen Zwischenelektrodenabstandes 5,,min unterhalb dieses in Fig. 9, d.h. 5,,min Stmjn
In Fig. 11 bezeichnen:
91 - den Verlauf der zeitlichen Änderung des Zwischenelektrodenabstandes (Fig. 2);
92 - den zeitlichen Verlauf der Spannungsänderung;
93 - den zeitlichen Verlauf der Stromänderung im Zwischenelektrodenraum;
94 - den zeitlichen Verlauf des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenraum;
95 - einen Pegel des vorgegebenen Änderungswertes des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenraum;
96 - den Verlauf der zeitlichen Änderung der zweiten Ableitung des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenraum;
97 - einen Pegel des vorgegebenen Änderungswertes der zweiten Ableitung des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenraum;
Fig.
12 zeigt:
98 - den Verlauf der zeitlichen Änderung des Zwischenelektrodenabstandes S;
99 - den Verlauf der Elektrodenspannung;
100 - den Verlauf der Stromänderung im Zwischenelektrodenraum;
101 - den Verlauf der Änderung des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenraum;
102 - einen Pegel des vorgegebenen Änderungswertes des relativen Widerstandes im Zwischenelektrodenraum;
103 - den Verlauf der Änderung der zweiten Ableitung des relativen Widerstandes im Zwischenel.ektrodenraum;
104 - einen Pegel des vorgegebenen Änderungswertes der zweiten Ableitung des relativen Widerstandes;
105, 106 - Ausgangssignale der Sperrschaltung 21 (Fig. 5).
Fig. 13 zeigt:
107 - den zeitlichen Verlauf der Änderung des Zwischenelektrodenabstandes S
108 - den zeitlichen Verlauf der Änderung der Elektrodenspannung, wo Umin der Spannungswert beim minimalen Zwischenelektrodenabstand 5min (Fig. 2) ist;
109 - ein auf den Steuereingang 24 (Fig. 5) der Auswahl- und Speichereinheit 10 gegebenes Steuersignal;
110 - ein auf den Steuereingang 23 (Fig. 5) der Auswahl- und Speichereinheit 10 gegebenes Steuersignal;
111 - eine Spannung am Speicherkondensator 29 (Fig. 5) der Auswahl- und Speichereinheit 10;
112 - ein Steuersignal am Eingang 27 (Fig. 5) der Sperrschaltung 21.
Fig. 14 zeigt:
113 - den zeitlichen Verlauf des Zwischenelektrodenabstandes S (Fig. 1);
114 - den Verlauf der Änderung der relativen Elektrodenspannung, wo Umax - den Maximalwert der relativen Spannung darstellt;
115 - ein auf den Steuereingang 26 (Fig. 5) der Auswahl- und Speichereinheit 16 gegebenes Steuersignal;
116 - ein auf den Steuereingang 25 (Fig. 5) der Auswahl- und Speichereinheit 16 gegebenes Steuersignal;
117 - eine Spannung am Speicherkondensator 40 (Fig. 5) der Auswahl- und Speichereinheit 16; 118 - ein Steuersignal am Eingang 27 der Sperrschaltung 21.
Vor Beginn der Bearbeitung werden die Werkzeugelektroden 2 (Fig. 1) und das Arbeitsstück 3, die gegeneinander schwingen, bei fehlender Spannung bis zur gegenseitigen Berührung angenähert und um einen vorbestimmten Wert des minimalen Zwischenelektrodenabstandes Smin (Fig. 2) einzustellen. Dann wird auf die Elektroden Spannungsimpulse U (Fig. 1) gegeben, wobei der Druck des Elektrolyten am Eingang des Zwischenelektrodenraumes S gleich P1 ist. Es beginnt die elektrochemische Bearbeitung.
Da die Intensität der Kavitation des Elektrolyten bei einem schwingenden Abheben des Werkzeuges 2 und einem vorgegebenen Druck P1 des Elektrolyten eindeutig vom wirklichen Wert des minimalen Zwischenelektrodenabstandes 5min (Fig. 2) abhängt, wird am Anfang der Bearbeitung mit Hilfe des Signalgebers 7 (Fig. 4) der Wert eines Parameters gemessen, der eindeutig die dem eingestellten minimalen Zwischenelektrodenabstand 5min (Fig. 2) entsprechenden Intensität der Kavitation bestimmt.
Um den Einfluss einer eventuellen Änderung der Ausgangsspannung der Speisequelle 1 (Fig. 4), der Temperatur des Elektrolyten, der Fläche des Arbeitsstücks 3 auszuschliessen, wird das durch den Signalgeber 7 erzeugte Signal auf den Eingang 13 der Einheit 12 geliefert, wo ein relativer Wert der Funktion eines des durch die Kavitation bestimmten Parameters durch Division des laufenden Wertes dieses Parameters durch den Wert des gleichen, bei einem minimalen Zwischenelektrodenabstand 5min (Fig. 2) gemessenen Parameters errechnet.
Die Messung des Wertes des Parameters beim minimalen Zwischenelektrodenabstand 5min erfolgt mit Hilfe der Auswahl- und Speichereinheit 10 (Fig. 4). Diese Einheit 10 ist mit ihrem Eingang 14 an den Ausgang des Signalgebers 7 angeschlossen und stellt eine analoge Speichereinrichtung dar, die über eine vorgegebene Zeit den laufenden Wert des durch die Kavitation bestimmten Parameters beim minimalen Zwischenelektrodenabstand 5min (Fig. 2) aufbewahrt.
Das Ausgangssignal der Auswahl- und Speichereinheit 10 (Fig. 4) wird an den Eingang 11 der Recheneinheit 12 geliefert, an deren Ausgang ein dem relativen Wert der Funktion eines durch die Kavitation bestimmten Parameters proportionales Signal erzeugt wird. Da der Wert dieses Signals mit dem Wert des vor Beginn der Bearbeitung eingestellten minimalen Zwischenelektrodenabstandes 5rnin (Fig. 2) eindeutig verbunden ist, wird dieses Signal in der Auswahl- und Speichereinheit 16 (Fig. 4) eingespeichert und über eine bestimmte Bearbeitungsperiode als Vorgabewert ausgenutzt. Die Auswahl- und Speichereinheit 16 stellt eine analoge Speichereinrichtung dar.
Am Anfang der elektrochemischen Bearbeitung erfolgen also eine Berechnung und eine Speicherung des vorbestimmten relativen Wertes der Funktion eines dem vorbestimmten minimalen Zwischenelektrodenabstand 5min (Fig. 2) entsprechenden Parameters.
Hierbei wird auf den Eingang 27 (Fig. 4) der Sperrschaltung 21 von der Einheit 28 zur zeitlichen Steuerung ein Signal gegeben, das den Durchgang der Signale zum Stellmechanismus 22 zwecks Vermeidung einer Freigabe von Fehlersignalen sperrt, die bei der Kommutierung der Auswahlund Speichereinheiten 10, 16 während des Speicherzyklus entstehen können. Dann wird das Sperrsignal nach Beendigung des Zyklus aufgehoben.
Nach Abschluss des Anfangsstadiums der Bearbeitung, wo in den Einheiten 10,16 die Werte der die vorgegebene Bearbeitungsintensität bestimmenden vorgegebenen Signale gespeichert werden, vergleicht die Vergleichseinheit 18, deren Eingang 17 an den Ausgang der Recheneinheit 12 und deren Eingang 19 an den Ausgang der Auswahl- und Speichereinheit 16 angeschlossen sind, ein dem laufenden relativen Wert der Funktion des durch die Kavitation bestimmten Parameters mit einem dem vorbestimmten Wert entsprechenden Signal.
Liegt hierbei der relative Zeitwert der Funktion des durch die Kavitation bestimmten Parameters unterhalb des vorbestimmten Wertes, erzeugt die Vergleichseinheit 18 ein Signal, nach dem der Stellmechanismus 22 die Vorschubgeschwindigkeit v (Fig. 1) des Werkzeuges 2 erhöht. Liegen umgekehrte Verhältnisse vor, erzeugt die Einheit 18 (Fig. 4) ein Signal, nach dem der Stellmechanismus 22 die Vorschubgeschwindigkeit v (Fig. 1) verringert und den Druck P1 am Eingang des Zwischenelektrodenraumes erhöht.
Die Einstellung des vorgegebenen minimalen Zwischenelektrodenabstandes S (Fig. 2) mit anschliessender Messung und Speicherung des relativen Wertes der Funktion eines den Zwischenelektrodenabstand S (Fig. 1) eindeutig bestimmenden Parameters geschieht periodisch in einer Folge von 5 bis 10 Minuten und mehr, weil die Eindringgeschwindigkeit des Werkzeuges 2 in das Arbeitsstück 3 verhältnismässig gering ist.
Die Messung und die Speicherung des Wertes des durch die Kavitation bestimmten Parameters beim minimalen Zwischenelektrodenabstand S (Fig. 1) erfolgen einmal alle 5 bis 10 Elektrodenschwingungen.
Das Zeitdiagramm der Steuerung der Einrichtung 9 (Fig. 4) wird mit Hilfe der Einheit 28 zur zeitlichen Steuerung durch Einwirkung mittels der Steuersignale 109, 110, 112 (Fig. 13) und 115,116, 118 (Fig. 14) auf die Auswahlund Speichereinheiten 10 und 16 (Fig. 4) und auf die Sperrschaltung 21 realisiert.
Es wird nachfolgend ausführlicher auf die Arbeitsweise der Einheiten und Schaltungen der Steuereinrichtung 9 (Fig. 5) für die Bearbeitungsintensität eingegangen.
Das dem Wert eines des durch die Kavitation bestimmten Parameters entsprechende Ausgangssignal des Signalgebers 7 wird auf den Eingang der Auswahl- und Speichereinheit 10 gegeben, in der bei einer kurzzeitigen Öffnung des Transistors 30 im Augenblick des minimalen Zwischenelektrodenabstandes Smjn (Fig. 2) der Speicherkondensator 29 (Fig. 5) aufgeladen wird, der auch im Laufe mehrerer Schwingungsperioden des Werkzeuges 2 eine dem Wert des Parameters beim minimalen Zwischenelektrodenabstand Smjn (Fig. 2) entsprechende Spannung aufbewahrt.
Die Entladung des Kondensators 29 erfolgt über den Widerstand 31 bei einer kurzzeitigen Durchschaltung des Transistors 32.
Die Auswahl und die Speicherung des Wertes des durch die Kavitation bestimmten Parameters ist in Fig. 13 mit Hilfe der Kurven 107, 108, 109, 110, 111,112 für den Fall dargestellt, wo als Parameter die Elektrodenspannung ausgenutzt wird.
Die Ausgangssignale des Signalgebers 7 (Fig. 5) und der Auswahl- und Speichereinheit 10 gelangen auf die Eingänge 13 und 11 der Recheneinheit 12 für den relativen Wert der Funktion des Parameters, die eine Dividiereinrichtung darstellt, welche eine Funktion Z = X/Y mit einer Auflösungsmethode für eine Differentialgleichung Z'=-k ZY-X Z(0)=0 realisiert. Die Variable X entspricht einem auf den Eingang 13 der Einheit 12 und die Variable Y - einem auf den Eingang 11 der Einheit 12 gelieferten Signal, die Variable Z entspricht dem Ausgangssignal der Einheit 12.
Die Funktion einer Integrier- und Summierungseinrichtung übernimmt der mit den summierenden Widerständen 35, 37 kapazitiv rückgekoppelte Operationsverstärker 33.
Der Verstärker 38 erfüllt die Funktion einer Umkehr der Variablen X. Der Funktionswandler 36 erfüllt die Funktion einer Multiplikation der Variablen Y, Z und kann in einer beliebigen Standardschaltung analoger Rechentechnik, beispielsweise auf der Basis von Logarithmenverstärkern u.ä., ausgeführt sein. Auf dieser Basis kann die gesamte Recheneinheit ausgeführt sein.
Das dem relativen Wert der Funktion des durch die Kavitation bestimmten Parameters entsprechende Signal wird vom Ausgang der Einheit 12 der Auswahl- und Speichereinheit 16 für den vorbestimmten relativen Wert der Funktion des Parameters zugeführt, die in Analogie zur vorstehend beschriebenen Einheit 10 funktioniert. Ihre Arbeitsweise ist in Fig. 14 mit Hilfe der Kurven 113, 114, 115, 116, 117, 118 für den Fall dargestellt, wo als Parameter die Elektrodenspannung dient.
Im Unterschied zur Arbeit der Einheit 10 (Fig. 5) erfolgt die Aufladung des Speicherkondensators 40 zu dem Zeitpunkt, wo die Änderung des Widerstandes R (Fig. 2) des Zwischenelektrodenraumes S infolge Kavitation einen Maximalwert erreicht.
Der relative Zeitwert des durch die Kavitation bestimmten Parameters wird mit dem vorbestimmten Wert mit Hilfe der Vergleichseinheit 18 (Fig. 5) verglichen, die auf der Basis des Differentialoperationsverstärkers 44 aufgebaut ist, dessen Eingängen Signale von den Ausgängen der Einheiten 12, 16 über die Umkehrverstärker 45, 47 zugeleitet werden.
Bei der Erzeugung eines Vergleichssignals in Form eines positiven Potentials am Ausgang der Einheit 18 kommt das letztere über das UND-Gatter 49 an den Stellmechanismus 22. Dieses Signal gelangt auf den Stellmechanismus 22 nur im Falle des Fehlens eines Sperrsignals, das durch die Einheit 28 zur zeitlichen Steuerung gebildet wird und am Eingang 27 der Sperrschaltung 21, also am Inverter 50, eintrifft.
Da das Auftreten der Kavitation bei einem schwingenden Abheben des Werkzeuges 2 von einer sprunghaften Zunahme des Widerstandes R (Fig. 2) im Zwischenelektrodenraum S (Fig. 1) begleitet wird, tritt als einer der die Kavitationsintensität bewertenden Parameter gemäss dem Verfahren der durch die Kavitation hervorgerufene Änderungswert des Widerstandes des Zwischenelektrodenraumes S auf.
Der Signalgeber 7 (Fig. 8) realisiert das Prinzip der Widerstandsmessung des Zwischenelektrodenraumes S (Fig. 1) mit der Methode Amperemeter-Voltmeter und besteht aus dem Spannungsgeber 63 (Fig. 3) und dem Stromgeber 65, deren Ausgangssignale den Eingängen 62, 64 der eine Dividiereinrichtung darstellenden Recheneinheit 61 für den Widerstand zugeführt werden.
Der Spannungsgeber 63 ist auf der Basis des Potentiometers 68 aufgebaut, dessen Spannung vom Abgriff über den nicht invertierenden Entkopplungsverstärker 66 auf den Eingang 62 der Einheit 61 eingespeist wird.
Der Stromgeber 65 ist durch den Stromwandler 72 gegeben, dessen Ausgangsspannung über das Potentiometer 71 und den nicht invertierenden Entkopplungsverstärker 69 auf den Eingang 64 der Einheit 61 gegeben wird.
Die Recheneinheit 61 für den Widerstand ist nach der Ausführung und Arbeitsweise analog zur oben beschriebenen Einheit 12 (Fig. 4). An ihrem Eingang wird ein dem laufenden Widerstandswert des Zwischenelektrodenraumes S (Fig. 1) proportionales Signal erzeugt.
In Fig. 11 zeigen die Kurven 91,92,93,94,95 die Änderungsgesetze von Spannung, Strom, relativem Widerstand des Zwischenelektrodenraumes S (Fig. 1) im Falle solch eines grossen minimalen Zwischenelektrodenraumes 5,min (Fig. 11), dass keine Kavitation auftritt.
Bei einer Verringerung des minimalen Zwischenelektrodenraumes 5,,min (Fig. 12) und beim Auftreten der Kavitation (Kurven 98, 99, 100, 101, 102, 105) beim Abheben des Werkzeuges 2 (Fig. 1) tritt eine durch eine Änderung des relativen Widerstandes infolge der Kavitation veranlasste Abweichung der Form der Kurve 101 (Fig. 12) von der ursprünglichen Kurve 94 (Fig. 9) in Erscheinung, die durch einen Vergleich des laufenden Wertes des relativen Widerstandes des Zwischenelektrodenraumes S (Fig. 1) zum Zeitpunkt einer maximalen Entwicklung der Kavitation in der Einheit 18 (Fig. 5) mit einem durch die Einheit 16 gespeicherten Vorgabewert (Kurve 102, Fig. 12) fixiert wird, der am Anfang der Bearbeitung nach dem letzten Zyklus der Einstellung des Zwischenelektrodenraumes S (Fig. 1) erhalten wird.
Die Form der Kurven 99, 100 (Fig. 12) ist für den Fall der Ausnutzung einer Speisequelle 1 (Fig. 1) mit einer festen Stromspannungskennlinie gegeben.
Falls die Speisequelle 1 eine fallende Stromspannungskennlinie aufweist, kann man als Signalgeber 7 (Fig. 7) einen Spannungsgeber einsetzen, der auf der Basis des Potentiometers 60 ausgeführt ist, dessen Spannung vom Mittelpunkt über den Umkehrverstärker 58 auf den Eingang 8 der Steuereinrichtung 9 für die Betriebsintensität geliefert wird. Es ist bekannt, dass bei der Speisung der Belastung von einer Stromquelle die Spannung darüber proportional zu ihrem Widerstand ist. Dies bedeutet, dass die Impulsform der Spannung U (Fig. 1) an den Elektroden - dem Werkzeug 2 und dem Werkstück 3 - in Abhängigkeit von der Intensität der Kavitation verzerrt werden wird.
Werden die Formen der Kurven 81 (Fig. 9) und 86 (Fig. 10) bei verschiedenen minimalen Zwischenelektrodenräumen Sm;n (Kurven 79, Fig. 9, und 84, Fig. 10) verglichen, so wird eine Spitze der relativen Spannung auf der Kurve 86 (Fig. 10) beobachtet, die auf das Auftreten der Kavitation beim Abheben des Werkzeuges 2 (Fig. 1) zurückzuführen ist.
Bei einem Vergleich mit dem vorgegebenen Pegel 85 (Fig. 10) wird ein Signal 89 am Ausgang der Schaltung 21 (Fig. 5) zur Steuerung des Stellmechanismus 22 erzeugt.
Die Formverzerrung der Kurven der relativen Elektrodenspannung und des relativen Widerstandes des Zwischenelektrodenraumes S (Fig. 1) wegen des Auftretens der Kavitation wird sich in Form eines lokalen Maximalwertes im rechten Teil der Kurven bemerkbar machen, dessen Auftreten dem Augenblick des Abhebens des Werkzeuges 2 (Kurven 86, Fig. 10, und 101, Fig. 12) entspricht. Die Fixierung der lokalen Maximalwerte im Amplitudenverfahren ist erschwert, weil sie einer Auslösung der Vergleichseinrichtung gerade zum Zeitmoment einer maximalen Kavitationsintensität bedarf.
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit für die Kavitationsintensität durch Messung eines relativen Wertes der lokalen Maximalwerte der Kurven der Spannung und des Widerstandes im Zwischenelektrodenraum S (Fig. 1) wird in die Einrichtung 9 (Fig. 6) zwischen ihren Eingang 8 und den Eingang 13 der Einheit 12 die Differenziereinheit 51 zweiter Ordnung geschaltet, auf die ein in Form einer Spannung oder eines Widerstandes des Zwischenelektrodenraumes S (Fig. 1) dargestelltes Signal vom Ausgang des Signalgebers 7 gegeben wird, das durch die hintereinandergeschalteten Differenzierverstärker 52, 53 differenziert und dem Eingang der Einheit 12 zur anschliessenden Berechnung des relativen Signalwertes zugeführt wird.
Der Wert der zweiten Ableitung der Funktion ist proportional der Krümmung der Funktion in diesem Punkt, weshalb, da sich die Kavitationsintensität in Form eines lokalen Höchstwertes auf der Kurve der relativen Spannung oder des relativen Widerstandes geltend macht, wobei die Krümmung am Scheitel des lokalen Höchstwertes mit einer Steigerung der Kavitationsintensität anwächst, ist es ein leichtes, durch einen Amplitudenvergleich des laufenden Wertes der zweiten Ableitung nach der relativen Spannung oder dem relativen Widerstand mit einem vorbestimmten Wert in der Einheit 18 ein Signal zur anschliessenden Steuerung des Stellmechanismus 22 zu erzeugen.
In Fig. 9 und 10 ist eine Formänderung der zweiten Ableitung nach der relativen Spannung in Abhängigkeit vom Wert des minimalen Zwischenelektrodenabstandes 5,min und 5,,min (Kurven 82, 83, 87, 88, 90) wiedergegeben.
In Fig. 11 (Kurven 88, 89) und in Fig. 12 (Kurven 87, 95, 96) ist eine Formänderung der zweiten Ableitung nach dem relativen Widerstand in Abhängigkeit vom Wert des minimalen Zwischenelektrodenabstandes 5,min und 5,,min (Kurven 96, 97, 103, 104, 105) gezeigt.
Die Formverzerrung der Kurve der zweiten Ableitung wegen der Kavitation tritt in Form der Entstehung eines globalen Höchstwertes beim Abheben des Werkzeuges 2 (Fig. 1) in Erscheinung, was gestattet, eine Änderung der Kavitationsintensität einfach und zuverlässig zu fixieren und folglich die vorgegebene Bearbeitungsintensität mit einer höheren Genauigkeit zu halten.
Das beschriebene Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung und die Anlage zur Ausübung des Verfahrens sichern einen hohen Genauigkeitsgrad der Formgebung (bis zu 0,02 mm) von Elementen der Oberfläche komplizierter Hohlräume bei der Ausführung verschiedener Kopier- oder Räumoperationen in schwer zu bearbeitenden elektrisch leitenden Werkstoffen, deren hohe Güte (Oberflächengüte bis zu 0,1 um) bei einer Bearbeitungsleistung bis 0,8 mm/min.
Die hohe Genauigkeit der Formbildung der zu bearbeitenden Oberflächen beseitigt praktisch das Problem einer Berechnung und einer Korrektur des Werkzeuges 2. Ist das Werkzeug 2 einmal hergestellt, kann man mit diesem ein grosses Los von Werkstücken herstellen, die voneinander nicht mehr als 0,02 mm abweichen.
Dies wird dadurch erreicht, dass im Bearbeitungsvorgang dem Werkzeug 2 mit Spannungsimpulsen synchronisierte schwingende Bewegungen in Vorschubrichtung verliehen werden.
Die Gesamtheit der Eigenschaften des angewendeten Elektrolyten, der optimalen Schwingungsparameter des Werkzeuges 2 und ein adaptives Steuerungssystem bei der Verwirklichung des Verfahrens sichern eine zuverlässige Prozessführung mit Zwischenelektrodenabständen von 0,02 bis 0,05 mm ohne Beschädigung der Oberfläche des Werkzeuges und des Arbeitsstücks bei ausreichend geringen Drücken P1 des Elektrolyten am Eingang des Zwischenelektrodenraumes S.
DESCRIPTION
The present invention relates to a method for electrochemical processing of metals according to the preamble of claim 1, and a system for performing the method.
Methods for the electrochemical processing of metals with a forced mechanical vibration of one of the electrodes are known. When these methods are carried out, a voltage pulse which is synchronous with the mechanical oscillation is applied to the electrodes, specifically while the electrodes are approaching one another. At the moment of the maximum approach of the electrodes, one of them does not receive the voltage pulse in the oscillation process. The interruption of the voltage supply in the area of the maximum approach of the electrodes, however, significantly reduces the efficiency of the processing and the copying accuracy.
A method for electrochemical metalworking with a mechanical positive vibration of one of the electrodes synchronized with voltage pulses is known, where the pulse-pause ratio is regulated in the machining process. Processing starts at low values and the impulse-pause ratio increases at the end of processing. The pulse sequence is shifted in time by reducing the instantaneous values of the interelectrode space or working gap at which a current flows.
According to the known method, the voltage pulses can be given both when the electrodes are approaching and when they are moving apart, while at the moment of the maximum approach of the electrodes there is no voltage pulse. A change in the processing intensity by regulating the pulse-pause ratio and the temporal shift of the pulses leads to a reduction in the accuracy of the shape formation, in particular when clearing surfaces with vertical walls.
The peculiarity of the known methods of electrochemical metalworking is that the voltage pulses are fed to the electrodes in a large area of change in the end-face interelectrode distance, and this is equivalent to the feeding of a voltage pulse with a large mean end-face interelectrode distance, which is why the copying accuracy of the tool electrode depends on the area to be processed is significantly reduced.
It is also a control method for inter-electrode spacing in electrochemical metalworking with a forced mechanical vibration of one of the electrodes synchronized with voltage pulses applied to the electrodes (see copyright certificate N. 187 125, boarding school. Kl. G 05d 3/00) known. When this method is carried out, an additional low-voltage current is supplied to the electrodes, and the distance between the electrodes is regulated according to the surges of this current caused by a short-circuit of the electrodes.
The regulation of the interelectrode distance after the current surges of a low-voltage source which arise as a result of metallic contacting of the tool electrode with the workpiece eliminates the possibility of impulsing the working voltage on the electrodes at the moment of their maximum approximation to one another, i. H. at a minimum value of the interelectrode distance in order to avoid a possible disturbance of the tool electrode and the surface to be machined due to the creation of a short circuit between them. The voltage pulses are therefore in the known method when feeding or lifting the tool electrode from the surface to be machined, i. H. at a variable value of the inter-electrode distance.
Considering that in most cases the vibration amplitude is approx. 0.2 mm and the pulse-pause ratio of the working voltage are 2 to 3, the process of electrochemical dissolution takes place with a large mean inter-electrode distance, which results in a reduction in the machining accuracy. This is particularly characteristic of the side surface of a cavity to be machined. Increasing the machining accuracy by increasing the pulse-pause ratio to 5 to 10 (by reducing the pulse duration of the working voltage) entails a considerable decrease in the feed rate. In addition, touching the electrodes under voltage from an additional voltage source leads to surface erosion of the tool electrode and the workpiece.
When the electrodes are touched, mechanical deformation of the surfaces of the tool electrode and of the workpiece is also possible, in particular when machining cavities of small dimensions in the case of workpieces with low rigidity.
The known methods for electrochemical metalworking and regulation of the interelectrode distance by the use of an oscillating movement of the electrode which is synchronized with the voltage pulses therefore do not guarantee high machining accuracy in the formation of complicated shaped surfaces.
Devices for electrochemical metalworking are also known which make use of the principles of an analysis of current harmonics which arise in the event of various process disturbances and which may be associated with a possible short circuit in the interelectrode space.
However, these devices must not be used to implement the methods for electrochemical metalworking using a pulse current, because the high-frequency spectrum of the pulse train suppresses the useful signals of the high-frequency vibrations caused by microbursts in the interelectrode space.
Devices for electrochemical metalworking with a mechanically vibrating electrode and a pulse current are also known, which operate on the principle of a regulator; if the electrodes are not touched, an automatic feed of one of the electrodes is actuated, which stops when the contacts are resumed. The effective pulse voltage can only be when feeding or lifting the electrodes, i. H. at a variable value of the inter-electrode distance in its large change range are supplied, whereby the copying accuracy and the processing power is significantly reduced.
The present invention has for its object to provide a method for electrochemical machining of metals of the type mentioned, in which the maintenance of a minimum inter-electrode distance under the conditions of the pulse is also possible at the time when the tool electrodes and the workpiece from each other in one minimum distance.
This object is achieved with the method in that it has the features listed in the characterizing part of patent claim 1. Further embodiments of the method are listed in dependent claims 2-5. The system proposed for carrying out the method is defined in patent claim 6, while patent claims 7 and 8 describe advantageous versions of the system.
The proposed method for electrochemical metal processing and the plant for carrying out the method allow various copy-broaching operations in workpieces made of difficult-to-machine materials with a high level of machining accuracy, performance and quality both in the manufacture of complicated shaped surfaces and in the processing of a large batches of workpieces with the same dimensions.
The present invention is to be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and the accompanying drawing. It shows:
Fig. 1 shows a circuit diagram to explain the method;
Fig. 2 shows a time diagram of a parameter change during an oscillating movement of the tool with respect to the surface of a workpiece;
Fig. 3 shows a time diagram of a change in relative parameters caused by cavitation when the tool is lifted off the surface of a workpiece as a function of a minimum interelectrode distance;
Fig. 4 shows a block diagram of a plant for electrochemical metalworking;
Fig. 5 shows a functional circuit diagram of the system for carrying out the method;
Fig. 6 shows a block diagram of an embodiment variant;
Fig. 7 shows an embodiment of a signal generator;
Fig. 8 shows another embodiment of a signal generator;
;
Fig. 9 is a timing diagram of the change in the relative value of the electrode voltage and its second derivative with a large value of the minimum inter-electrode distance;
Fig. 10 is a time chart of the change of a relative value of the electrode voltage and its second derivative at a small value of the minimum inter-electrode distance;
Fig. 11 is a time chart showing the change in the value of the relative resistance in the inter-electrode distance and its second derivative with a large value of the minimum inter-electrode distance;
Fig. 12 is a time chart showing a change in the value of the relative resistance in the inter-electrode distance and its second derivative at a small value of the minimum inter-electrode distance;
;
Fig. 13 is a diagram illustrating the work of a first selection and storage unit for the value of a parameter influencing the cavitation with a minimum inter-electrode distance; and
Fig. 14 is a diagram explaining the operation of a second selection and storage unit for the relative value of the function of a similar parameter.
According to the proposed method, a pulse source 1 (FIG. 1) impulses of the voltage U are applied to an electrode acting as a movable tool 2 and to an electrode representing a workpiece 3.
The frequency of the pulses of the voltage U and the oscillation frequency of the tool 2 in directions indicated by arrows are synchronized with one another in such a way that the voltage pulse U is delivered when the tool 2 is at the minimum distance from the workpiece 3, i. H. when the tool 2 is in the lower position.
In the case of electrochemical metalworking in a flowing electrolyte with a pressure P1 at the entrance of the working gap or intermediate electrode space S, the tool 2 exerts an oscillating movement with the aid of a motor 4 and approaches the workpiece 3 at high speed. The workpiece is located on a table 5, which moves in the direction of the tool 2 at a speed v. As a result of the rapid approach of the tool 2 to the work piece 3, the hydrodynamic pressure Ps (Fig. 2) of the electrolyte in the interelectrode space S. The vapor and gas bubbles 6 contained in the electrolyte and developing in an electrochemical process are pressed together and dissolved in the electrolyte.
As a result, the anodic resolution of the surface of the workpiece 3 (FIG. 1) under these conditions with a significant reduction in the probability of a breakdown in the interelectrode spacing S due to a lack of the vapor and gas bubbles 6 (FIG. 2) is done. The machining accuracy, performance and quality are increased since the work can be carried out with extremely small inter-electrode distances S.
With a quick lifting of the tool 2 (Fig. 1) the work piece 3 drops the pressure Ps (Fig. 2) abruptly. There begins an intense increase in the vapor and gas bubbles 6 dissolved in the electrolyte in the electrolyte, i. H. Cavitation occurs due to the drop in the pressure Ps of the electrolyte in the interelectrode space. This causes the resistance R to rise steeply, as in section A of FIG. 2 shown.
A further enlargement of the interelectrode space intensifies its rinsing with a fresh electrolyte, which over time leads to a decrease in the resistance R - section B in the interelectrode space. In this way, when lifting the tool 2 (Fig. 1) from the surface of the workpiece 3 first an increase in the resistance R (Fig. 2) - Section A, and then a decrease - Section B in the interelectrode space - in front.
In electrochemical machining, the intensity of the formation depends on when the tool 2 is lifted (FIG. 1) vapor and gas bubbles 6 caused by cavitation from the minimum inter-electrode distance 5min (Fig. 2) and on the flow of the electrolyte at this point. This is due to the fact that the smaller the minimum inter-electrode distance S4 (Fig. 3a), the less electrolyte flows through and the faster the electrolyte accumulates in the space between the electrodes at S4 through the steam and gas components. The lifting of the tool 2 (Fig. 1) from the surface of the workpiece 3 is therefore from an avalanche-like growth of the vapor and gas bubbles 6 (Fig. 2) at this point S4 (Fig. 3a) accompanied.
This causes the resistance R (Fig. 3b) in section A4 at an inter-electrode distance S4.
If the electrochemical processing with a large minimum inter-electrode distance 5 (Fig. 3a), the electrochemical processes run less intensively, and the enrichment of the electrolyte in the relatively large interelectrode space by the steam and gas components is less. Therefore, the formation of the vapor and gas bubbles 6 (Fig. 2) in these conditions when lifting the tool 2 (Fig. 1) also slightly. The change in resistance R caused by cavitation (Fig. 3a) - Section A1 - may also be minor.
The intensity of the lifting of the tool 2 (Fig. 2) Cavitation arising from the surface of the workpiece 3 therefore depends on the interelectrode distance S and on the flow of the electrolyte at this point.
The clear dependence of the intensity of the cavitation on the minimum interelectrode distance Smin at a certain inlet pressure P1 (Fig. 1) is used to control the machining process.
Since the occurrence of cavitation when the tool 2 is vibratingly raised from a sudden increase in the resistance R (FIG. 2) is accompanied in the interelectrode space, the change in the relative resistance in the interelectrode space caused by cavitation in the electrolyte is monitored to control the machining process.
The relative resistance in the interelectrode space is the ratio of a current resistance value in the interelectrode space to the resistance value in the interelectrode space with a minimum interelectrode distance of 5 minutes. When controlling according to the relative resistance, the influence of a change in the surface to be processed, the temperature of the electrolyte, its conductivity, etc. locked out.
Before the start of machining, the tool electrode 2 and the workpiece 3, which vibrate in relation to one another, are approximated in the absence of voltage until they come into contact with one another and then by a predetermined value of the minimum inter-electrode distance 5 min (FIG. 2) separated from each other again. Then an effective pulse voltage U (Fig. 1) fed.
An electrolyte is introduced into the intermediate electrode space under a pressure P1, whereupon the machining process can begin.
Since the minimum inter-electrode distance Smin (Fig. 1) the intensity of the cavitation and as a result of which the change in the relative resistance in the interelectrode space is clearly influenced, the maximum change in the relative resistance in the interelectrode space caused by cavitation (FIG. 1) saved. Furthermore, this value is used as a value which specifies the machining intensity in the transverse direction, which is essentially determined by the value of the set inter-electrode distance S.
If the momentary change in the relative resistance in the interelectrode space caused by cavitation deviates from the predetermined value, the feed rate v (Fig. 1) and the pressure Ps changed, being when the current value of the relative
Resistance exceeds the predetermined value that
Pressure Ps is increased and the feed speed v is reduced. If the current value of the relative resistance is below the predetermined value, the feed speed v is increased.
The setting of the minimum predetermined interelectrode distance 5min (Fig. 2) with subsequent measurement and storage of the relative resistance in the interelectrode space at the moment of the most intensive development of cavitation takes place periodically at intervals of up to a few ten minutes. This is due to the fact that both the surface to be machined and the temperature and the electrical conductivity of the electrolyte change relatively slowly in the machining process.
Fig. 3b shows how, depending on the change in the minimum inter-electrode distance Smjn (FIG. 2) the local extreme value of the relative resistance in the interelectrode space (Fig. 1) when moving the electrodes apart (position A, up to A4) (Fig. 3b) grows.
Since the shape distortion of the curve R indicating the relative resistance due to the cavitation phenomena when the electrodes move apart comes into play in the form of a local extreme value which is below the value of the relative resistance with a sufficiently large interelectrode distance, the value of the current relative value is compared Resistance with the predetermined value is difficult because the comparison only has to be made at the time of the most intensive development of the cavitation.
It is therefore advisable to control the process by taking the value of the second derivative of the relative resistance in the interelectrode space (Fig. 1) is changed.
The value of the second derivative of the function is proportional to the curvature of the function curve at this point.
Since the intensity of the cavitation becomes noticeable as a local extreme value on the curve of the relative resistance in the interelectrode space, the curvature of the crest of the local extreme value increasing with the increase in the cavitation intensity, it is easy to compare the difference between the current value of a parameter and the specified value by comparing the amplitude to clarify, because in the second derivation the change in the degree of cavitation is in the form of a change in the global extreme value on the curve according to FIG. 3c shown. This curve, which is the second derivative of the curve representing the relative resistance in the interelectrode space, shows how the amplitude of the pulses As to A4 representing the global extreme value in the mass of the change in the minimum interelectrode distance Smjn (FIG. 2) grows.
If a supply source 1 with a falling current-voltage characteristic is used, the value of the change in the relative electrode voltage caused by cavitation in the electrolyte when the electrodes are separated is measured for process control.
Under the relative voltage, the ratio of the current value of the electrode voltage to the value at a minimum inter-electrode distance 5min (Fig. 2) understood. The control according to relative parameters eliminates one by a possible change in the voltage of the feed source 1 (Fig. 1), the temperature of the electrolyte, the surface to be processed, etc. caused errors.
It is known that when the load is fed from a current source, the voltage across this load is proportional to its resistance. This means that the pulse shape of the electrode voltage U is distorted depending on the intensity of the cavitation. Fig. 3d shows how the minimum interelectrode distance Smjn (Fig. 2) the local extreme value C1 to C4 grows.
In order to more precisely fix the change in the local extreme value on the curve of the change in the relative voltage which determines the intensity of the cavitation, and consequently also for more precise control of the machining process, the value of the second is used as information parameter
Derivation of the relative electrode voltage is used.
Fig. 3 (e) shows how to decrease the minimum
Inter-electrode distance Sinin (Fig. 2) the amplitude
C'1 to C'4 of the global extreme values on the curve of the second derivative of the relative voltage increases.
The system shown (Fig. 4) contains one at the
Tool 2 and connected to the workpiece 3 Si signal transmitter 7 (Fig. 4). The output of the signal generator 7 is electrically connected to an input 8 of a control device 9 for the processing intensity. The tool 2 and the workpiece 3 are connected to the outputs of a pulse generator 1.
The control device 9 for the machining intensity has a first selection and storage unit 10 for the value of a parameter determined by the cavitation at the minimum interelectrode distance Smjn (FIG. 2), which with its output to an input 11 (Fig. 4) a computing unit 12 for the relative value of the function of a parameter determined by the cavitation is connected, whose input 13 and an input 14 of the selection and storage unit 10 are electrically coupled to the output of the signal generator 7.
The output of the computing unit
12 is connected to an input 15 of a second selection and storage unit 16 for the relative value of the function of a parameter determined by the cavitation and to an input 17 of a comparison unit 18 for the current relative value of the function of a parameter determined by the cavitation and for one Default value connected. An input 19 of the comparison unit 18 is connected to the output of the second selection and storage unit 16. The output of the comparison unit 18 is connected to an input 20 of a blocking circuit 21, the output of which serves as the output of the control device 9 for the machining intensity and is connected to an actuating mechanism 22.
The control inputs 23, 24 and 25, 26 of the selection and storage unit 10 and 16 and the control input 27 of the blocking circuit 21 are connected to a unit 28 for timing.
The selection and storage unit 10 for a parameter determined by the cavitation at the minimum interelectrode distance 5min has, according to FIG. 5 a storage capacitor 29, one terminal of which is grounded, while the other is connected via a metal oxide field effect transistor (MOSFET) 30 to the input 14 of the selection and storage unit 10 and to the input 11 of the computing unit 12. The discharge circuit of the storage capacitor 29 contains a resistor 31 connected to the non-grounded connection of the capacitor 29. The other connection of the resistor 31 is connected to earth via a metal oxide field effect transistor 32. The control inputs of the transistors 30 and 32 are connected to the control inputs 23 and 24 of the selection and storage unit 10.
The computing unit 12 for the relative value of the function of the parameter determined by the cavitation is here a dividing device which has an operational amplifier 33, the inverting input of which is coupled to its output via a capacitor 34. The inverting input of the operational amplifier 33 is coupled to a function converter 36 via a summing resistor 35 and to the output of an operational amplifier 38 via a summing resistor 37. The output of the operational amplifier 33 is connected to the input 17 of the comparison unit 18 and to the input 15 of the selection and storage unit 16. The inverting input of the operational amplifier 38 is connected to the input 13 of the computing unit 12 and via a resistor 39 to its own output.
The function converter 36 which carries out a multiplication of two variables is coupled to one input of the operational amplifier 33 and the other input to the input 11 of the computing unit 12. The non-inverting inputs of operational amplifiers 33 and 38 are grounded.
The selection and storage unit 16 for the relative value of the function of a parameter determined by the cavitation has a storage capacitor 40, one connection of which is grounded and the other via a metal oxide field effect transistor (MOSFET) 41 with the input 15 of the selection and storage unit 16 and is connected to the input 19 of the comparison unit 18. The discharge circuit of the storage capacitor 40 has a resistor 42 connected at one end to the ungrounded coating of the capacitor 40. The other connection of the resistor 42 is connected to earth via a metal oxide field effect transistor 43. The control inputs of transistors 41 and 43 are connected to control inputs 25 and 26 of the selection and storage unit 16 connected.
The comparison unit 18 for the current relative value of the function of the parameter determined by the cavitation and for a predetermined value has a differential operational amplifier 44, the output of which acts as the output of the comparison unit 18 and is connected to the input 20 of the blocking circuit 21. The inverting input of the operational amplifier 44 is connected to the output of an operational amplifier 45, the inverting input of which is connected to the input 17 of the comparison unit 18 and via a resistor 46 to its output. The non-inverting input of the amplifier 44 is connected to the output of an operational amplifier 47, the inverting input of which is coupled to the input 19 of the comparison unit 18 and via a resistor 48 to its output.
The non-inverting inputs of operational amplifiers 45 and 47 are grounded.
The blocking circuit 21 has an AND gate 49, one input of which is connected to the input 20 of the blocking circuit 21 and the other input of which is connected via an inverter 50 to the control input 27 of the circuit 21. The output of the AND gate 49 acts as an output of the control device 9 for the machining intensity and is connected to the actuating mechanism 22.
The differentiating unit 51 (Fig. 6) second-order contains a series connection of two operational amplifiers 52 and 53 which are negatively coupled via the inverting inputs with the aid of resistors 54 and 55. The output of the operational amplifier 53 represents the output of the differentiating unit 51 and is connected to the input 13 of the computing unit 12, while its inverting input is connected to the output of the operational amplifier 52 via a differentiating capacitor 56. The inverting input of the amplifier 52 is connected via a differentiating capacitor 57 to the input 8 of the control device 9 for the processing intensity and to the input 14 of the selection and storage unit 10. The non-inverting inputs of operational amplifiers 52 and 53 are grounded.
The signal generator 7 (Fig. 7) is formed by a voltage transmitter and has an operational amplifier 58 which is negatively coupled to a resistor 59 via the inverting input. The output of the operational amplifier 58 is connected to the input 8 of the control device 9 for the machining intensity and its inverting input to the tap of a potentiometer 60. One end of the potentiometer 60 is grounded, its other end is coupled to the tool 2 which is at a negative potential.
According to FIG. 8 can also be constructed as follows: a computing unit 61 for the resistor, the output of which serves as the output of the signal generator 7 and is connected to the input 8 of the control device 9 for the processing intensity. An input 62 of the arithmetic unit 61 for the resistor is connected to the output of a voltage transmitter 63, the input of which is coupled to the tool 2 which is at a negative potential. The input 64 of the unit 61 is connected to the output of a current transmitter 65.
The voltage transmitter 63 is constructed from an operational amplifier 66 which is negatively coupled via the non-inverting input by means of a resistor 67. The output of the operational amplifier 66 is coupled to the input 62 of the arithmetic unit 61 for the resistor and its non-inverting input to the tap of a potentiometer 68. One end of the potentiometer 68 is grounded and the other is connected to the tool 2 which is at a negative potential. The inverting input of operational amplifier 66 is grounded.
The current transmitter 65 contains an operational amplifier 69 which is negatively coupled via the non-inverting input by means of a resistor 70. The output of the amplifier 69 is connected to the input 64 of the arithmetic unit 61 for the resistor and its non-inverting input to the tap of a potentiometer 71, the connections of which are connected in parallel to the output winding of a transformer 72 connected to a resistor 73. The inverting input of the amplifier 69 and a connection of the potentiometer 71 are connected to earth.
The differentiating unit 61 is constructed from an operational amplifier 74 which is capacitively fed back via the inverting input with the aid of an integrating capacitor 75. The output of the amplifier 74 functions as the output of the signal generator 7. The output of a function converter 77 and a connection of a resistor 78, whose other connection is coupled to the input 62 of the unit 61, are connected to the inverting input of the amplifier 74 via a summing resistor 76. One input of the functional converter 77 represents the input 64 of the unit 61, while the other input thereof is connected to the output of the amplifier 64.
In Fig. 9 designate:
79 - a curve of the temporal change in the inter-electrode distance S (FIG. 1);
80 - a level of the predetermined change value of the relative electrode voltage; 81 - the time course of the relative electrode voltage;
82 - the course of the second derivative of the relative electrode voltage;
83 - a level of the predetermined change value of the second derivative of the relative electrode voltage.
In Fig. 10 denote:
84 - a curve of the temporal change in the inter-electrode distance S;
85 - a level of the predetermined change value of the relative electrode voltage;
86 - the course of the relative electrode voltage;
87 - the course of the second derivative of the relative electrode voltage;
88 - a level of the predetermined change value of the second derivative of the relative electrode voltage;
89, 90 - an output signal of the blocking circuit 21 (Fig. 5).
All in Fig. 10 curves shown correspond to the value of the minimum interelectrode distance 5,, min below this in FIG. 9, d. H. 5 min min
In Fig. 11 designate:
91 - the course of the temporal change in the inter-electrode distance (Fig. 2);
92 - the time course of the voltage change;
93 - the time course of the current change in the interelectrode space;
94 - the time course of the relative resistance in the interelectrode space;
95 - a level of the predetermined change value of the relative resistance in the interelectrode space;
96 - the course of the change over time of the second derivative of the relative resistance in the interelectrode space;
97 - a level of the predetermined change value of the second derivative of the relative resistance in the interelectrode space;
Fig.
12 shows:
98 - the course of the temporal change in the interelectrode distance S;
99 - the course of the electrode voltage;
100 - the course of the current change in the interelectrode space;
101 - the course of the change in the relative resistance in the interelectrode space;
102 - a level of the predetermined change value of the relative resistance in the interelectrode space;
103 - the course of the change in the second derivative of the relative resistance in the intermediate. electrode space;
104 - a level of the predetermined change value of the second derivative of the relative resistance;
105, 106 - output signals of the blocking circuit 21 (Fig. 5).
Fig. 13 shows:
107 - the time course of the change in the interelectrode distance S
108 - the time course of the change in the electrode voltage, where Umin the voltage value at the minimum inter-electrode distance 5min (FIG. 2) is;
109 - one on the control input 24 (Fig. 5) control signal given to the selection and storage unit 10;
110 - one on the control input 23 (Fig. 5) control signal given to the selection and storage unit 10;
111 - a voltage across the storage capacitor 29 (Fig. 5) the selection and storage unit 10;
112 - a control signal at input 27 (Fig. 5) the blocking circuit 21.
Fig. 14 shows:
113 - the time course of the inter-electrode distance S (Fig. 1);
114 - the course of the change in the relative electrode voltage, where Umax - represents the maximum value of the relative voltage;
115 - one on the control input 26 (Fig. 5) control signal given to the selection and storage unit 16;
116 - one on the control input 25 (Fig. 5) control signal given to the selection and storage unit 16;
117 - a voltage across the storage capacitor 40 (Fig. 5) the selection and storage unit 16; 118 - a control signal at the input 27 of the blocking circuit 21.
The tool electrodes 2 (Fig. 1) and the work piece 3, which vibrate against each other, in the absence of voltage approximated to the point of mutual contact and by a predetermined value of the minimum interelectrode distance Smin (FIG. 2) adjust. Then voltage pulses U (Fig. 1), the pressure of the electrolyte at the entrance of the intermediate electrode space S being equal to P1. The electrochemical processing begins.
Since the intensity of the cavitation of the electrolyte with a vibrating lifting of the tool 2 and a predetermined pressure P1 of the electrolyte clearly differs from the actual value of the minimum interelectrode distance 5min (Fig. 2) depends, at the beginning of the processing with the help of the signal generator 7 (Fig. 4) measured the value of a parameter that clearly corresponds to the set minimum inter-electrode distance 5min (Fig. 2) Determines the corresponding intensity of the cavitation.
In order to determine the influence of a possible change in the output voltage of the feed source 1 (Fig. 4) excluding the temperature of the electrolyte, the surface of the workpiece 3, the signal generated by the signal generator 7 is supplied to the input 13 of the unit 12, where a relative value of the function of a parameter determined by the cavitation by dividing the current value of this parameter by the value of the same, with a minimum inter-electrode distance of 5min (Fig. 2) calculated measured parameters.
The value of the parameter is measured at the minimum interelectrode distance 5min with the aid of the selection and storage unit 10 (FIG. 4). This unit 10 is connected with its input 14 to the output of the signal transmitter 7 and represents an analog storage device which, over a predetermined time, stores the current value of the parameter determined by the cavitation at the minimum inter-electrode distance 5 min (FIG. 2) kept.
The output signal of the selection and storage unit 10 (Fig. 4) is supplied to the input 11 of the computing unit 12, at the output of which a signal proportional to the relative value of the function of a parameter determined by the cavitation is generated. Since the value of this signal corresponds to the value of the minimum interelectrode distance 5rnin (Fig. 2) is clearly connected, this signal is in the selection and storage unit 16 (Fig. 4) stored and used as a default value over a certain processing period. The selection and storage unit 16 represents an analog storage device.
At the beginning of the electrochemical processing, the predetermined relative value of the function of a predetermined minimum inter-electrode distance 5min (FIG. 2) corresponding parameters.
Here, input 27 (Fig. 4) the blocking circuit 21 is given a signal by the timing control unit 28 which blocks the passage of the signals to the actuating mechanism 22 in order to avoid the release of error signals which may arise during the commutation of the selection and storage units 10, 16 during the storage cycle. The lock signal is then released after the cycle has ended.
After completion of the initial stage of processing, where the values of the predetermined signals determining the predetermined processing intensity are stored in the units 10, 16, the comparison unit 18 compares its input 17 to the output of the computing unit 12 and its input 19 to the output of the selection and memory unit 16 are connected, a current relative value of the function of the parameter determined by the cavitation with a signal corresponding to the predetermined value.
If the relative time value of the function of the parameter determined by the cavitation is below the predetermined value, the comparison unit 18 generates a signal, according to which the adjusting mechanism 22 determines the feed speed v (FIG. 1) of the tool 2 increased. If the situation is reversed, the unit 18 (FIG. 4) a signal according to which the adjusting mechanism 22 determines the feed speed v (FIG. 1) reduced and the pressure P1 increased at the entrance of the interelectrode space.
The setting of the predetermined minimum inter-electrode distance S (Fig. 2) with subsequent measurement and storage of the relative value of the function of the inter-electrode distance S (Fig. 1) uniquely determining parameters occur periodically in a sequence of 5 to 10 minutes and more, because the rate of penetration of the tool 2 into the work piece 3 is relatively low.
The measurement and storage of the value of the parameter determined by the cavitation at the minimum inter-electrode distance S (Fig. 1) occur once every 5 to 10 electrode vibrations.
The timing diagram of the control of the device 9 (Fig. 4) is carried out with the aid of the unit 28 for time control by means of the control signals 109, 110, 112 (FIG. 13) and 115, 116, 118 (Fig. 14) to the selection and storage units 10 and 16 (Fig. 4) and realized on the blocking circuit 21.
The mode of operation of the units and circuits of the control device 9 (FIG. 5) received for the processing intensity.
The output signal of the signal generator 7, which corresponds to the value of a parameter determined by the cavitation, is sent to the input of the selection and storage unit 10, in which, when the transistor 30 is opened for a short time, at the moment of the minimum interelectrode distance Smjn (FIG. 2) the storage capacitor 29 (Fig. 5) is charged, which also over the course of several oscillation periods of the tool 2 corresponds to the value of the parameter at the minimum interelectrode distance Smjn (FIG. 2) keep the appropriate voltage.
The capacitor 29 is discharged via the resistor 31 when the transistor 32 is turned on for a short time.
The selection and storage of the value of the parameter determined by the cavitation is shown in Fig. 13 with the help of curves 107, 108, 109, 110, 111, 112 for the case where the electrode voltage is used as a parameter.
The output signals of the signal generator 7 (Fig. 5) and the selection and storage unit 10 arrive at the inputs 13 and 11 of the arithmetic unit 12 for the relative value of the function of the parameter, which represents a dividing device which has a function Z = X / Y with a solution method for a differential equation Z '= -k ZY-X Z (0) = 0 realized. The variable X corresponds to a signal supplied to the input 13 of the unit 12 and the variable Y corresponds to a signal supplied to the input 11 of the unit 12, the variable Z corresponds to the output signal of the unit 12.
The function of an integrating and summing device is performed by the operational amplifier 33, which is capacitively fed back with the summing resistors 35, 37.
The amplifier 38 fulfills the function of reversing the variable X. The function converter 36 fulfills the function of multiplying the variables Y, Z and can be in any standard circuit of analog computing technology, for example on the basis of logarithmic amplifiers and the like. Ä. , be executed. The entire computing unit can be designed on this basis.
The signal corresponding to the relative value of the function of the parameter determined by the cavitation is fed from the output of the unit 12 to the selection and storage unit 16 for the predetermined relative value of the function of the parameter, which functions in analogy to the unit 10 described above. Their mode of operation is shown in Fig. 14 with the aid of curves 113, 114, 115, 116, 117, 118 for the case where the electrode voltage is used as a parameter.
In contrast to the work of the unit 10 (Fig. 5), the storage capacitor 40 is charged at the time when the change in the resistance R (FIG. 2) the inter-electrode space S reaches a maximum value due to cavitation.
The relative time value of the parameter determined by the cavitation is compared with the predetermined value with the aid of the comparison unit 18 (FIG. 5), which is constructed on the basis of the differential operational amplifier 44, the inputs of which are supplied with signals from the outputs of the units 12, 16 via the reversing amplifiers 45, 47.
When a comparison signal is generated in the form of a positive potential at the output of the unit 18, the latter comes to the actuating mechanism 22 via the AND gate 49. This signal arrives at the actuating mechanism 22 only in the absence of a blocking signal which is formed by the unit 28 for timing and which arrives at the input 27 of the blocking circuit 21, that is to say at the inverter 50.
Since the occurrence of cavitation when the tool 2 is vibratingly raised from a sudden increase in the resistance R (FIG. 2) in the intermediate electrode space S (Fig. 1), occurs as one of the parameters evaluating the cavitation intensity according to the method, the change in the resistance of the intermediate electrode space S caused by the cavitation.
The signal generator 7 (Fig. 8) realizes the principle of resistance measurement of the interelectrode space S (Fig. 1) with the ammeter-voltmeter method and consists of the voltage transmitter 63 (Fig. 3) and the current transmitter 65, the output signals of which are fed to the inputs 62, 64 of the arithmetic unit 61 representing a dividing device for the resistance.
The voltage transmitter 63 is constructed on the basis of the potentiometer 68, the voltage of which is fed from the tap via the non-inverting decoupling amplifier 66 to the input 62 of the unit 61.
The current transmitter 65 is given by the current converter 72, the output voltage of which is given to the input 64 of the unit 61 via the potentiometer 71 and the non-inverting decoupling amplifier 69.
The arithmetic unit 61 for the resistance is analogous to the unit 12 described above (FIG. 4). At its input a current resistance value of the interelectrode space S (Fig. 1) proportional signal generated.
In Fig. 11, curves 91, 92, 93, 94, 95 show the laws of change of voltage, current, relative resistance of the interelectrode space S (FIG. 1) in the case of such a large minimal interelectrode space 5 min (Fig. 11) that no cavitation occurs.
If the minimum interelectrode space 5,, min is reduced (Fig. 12) and when cavitation occurs (curves 98, 99, 100, 101, 102, 105) when lifting tool 2 (Fig. 1) occurs a deviation in the shape of the curve 101 caused by a change in the relative resistance as a result of the cavitation (FIG. 12) from the original curve 94 (Fig. 9), which can be seen by comparing the current value of the relative resistance of the interelectrode space S (FIG. 1) at the time of maximum development of the cavitation in the unit 18 (Fig. 5) with a default value stored by unit 16 (curve 102, Fig. 12) is fixed, which at the beginning of processing after the last cycle of setting the interelectrode space S (Fig. 1) is obtained.
The shape of the curves 99, 100 (Fig. 12) is in the case of using a food source 1 (Fig. 1) with a fixed current-voltage characteristic.
If the supply source 1 has a falling current-voltage characteristic, the signal generator 7 (FIG. 7) use a voltage transmitter, which is designed on the basis of the potentiometer 60, the voltage of which is supplied from the center via the reversing amplifier 58 to the input 8 of the control device 9 for the operating intensity. It is known that when the load is fed from a current source, the voltage across it is proportional to its resistance. This means that the pulse shape of the voltage U (Fig. 1) on the electrodes - the tool 2 and the workpiece 3 - will be distorted depending on the intensity of the cavitation.
If the shapes of the curves 81 (Fig. 9) and 86 (Fig. 10) with different minimum interelectrode spaces Sm; n (curves 79, Fig. 9, and 84, Fig. 10), a peak of the relative stress on curve 86 (Fig. 10) observed that the occurrence of cavitation when lifting the tool 2 (Fig. 1) is due.
When comparing with the predetermined level 85 (Fig. 10), a signal 89 is output at the circuit 21 (Fig. 5) generated to control the actuating mechanism 22.
The shape distortion of the curves of the relative electrode voltage and the relative resistance of the interelectrode space S (Fig. 1) because of the occurrence of cavitation, a local maximum value will be noticeable in the right part of the curves, the occurrence of which occurs when tool 2 is lifted (curves 86, Fig. 10, and 101, Fig. 12) corresponds. Fixing the local maximum values in the amplitude method is difficult because it requires a triggering of the comparison device at the moment of maximum cavitation intensity.
To increase the measurement accuracy for the cavitation intensity by measuring a relative value of the local maximum values of the curves of the voltage and the resistance in the interelectrode space S (Fig. 1) is in the device 9 (Fig. 6) the second-order differentiating unit 51 is connected between its input 8 and the input 13 of the unit 12, to which a differentiation unit 51 in the form of a voltage or a resistance of the intermediate electrode space S (FIG. 1) signal is given by the output of the signal generator 7, which differentiates through the series-connected differentiating amplifiers 52, 53 and is fed to the input of the unit 12 for subsequent calculation of the relative signal value.
The value of the second derivative of the function is proportional to the curvature of the function at this point, which is why, since the cavitation intensity takes the form of a local maximum value on the curve of the relative voltage or relative resistance, the curvature at the apex of the local maximum value As the cavitation intensity increases, it is easy to generate a signal for subsequent control of the actuating mechanism 22 by comparing the amplitude of the current value of the second derivative according to the relative voltage or the relative resistance with a predetermined value in the unit 18.
In Fig. 9 and 10 show a change in shape of the second derivative according to the relative voltage as a function of the value of the minimum interelectrode spacing 5 min and 5 min (curves 82, 83, 87, 88, 90).
In Fig. 11 (curves 88, 89) and in Fig. 12 (curves 87, 95, 96) shows a change in shape of the second derivative according to the relative resistance as a function of the value of the minimum interelectrode spacing 5 min and 5 min (curves 96, 97, 103, 104, 105).
The shape distortion of the curve of the second derivative due to the cavitation occurs in the form of a global maximum value when the tool 2 is lifted off (FIG. 1) Appearance, which allows a change in the cavitation intensity to be fixed simply and reliably and consequently to maintain the specified machining intensity with a higher accuracy.
The described method for electrochemical processing and the plant for carrying out the method ensure a high degree of accuracy in the shaping (up to 0.02 mm) of elements of the surface of complicated cavities when performing various copying or broaching operations in difficult-to-process electrically conductive materials, the high quality (surface quality up to 0.1 µm) with a processing capacity of up to 0.8 mm / min.
The high accuracy of the shape formation of the surfaces to be machined practically eliminates the problem of a calculation and a correction of the tool 2. Once the tool 2 has been produced, it can be used to produce a large lot of workpieces that do not differ from one another by more than 0.02 mm.
This is achieved in that in the machining process the tool 2 is given synchronized oscillating movements in the feed direction with voltage pulses.
The entirety of the properties of the electrolyte used, the optimal vibration parameters of the tool 2 and an adaptive control system in the implementation of the method ensure reliable process control with interelectrode distances of 0.02 to 0.05 mm without damaging the surface of the tool and the work piece with a sufficiently small one Press P1 of the electrolyte at the entrance of the intermediate electrode space S.