-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung
eines Bauteils und eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung
eines Bauteils.
-
Durch
gepulstes elektrochemisches Formabsenken (PECM) können auch
in gehärteten
Bauteilen Geometrien erzeugt werden, die sich durch spanende Bearbeitung
nicht oder nur mit sehr großem
Aufwand herstellen lassen. Allerdings ist eine Größe der Bauteile
oder der bearbeitbaren Fläche
beim Einsatz herkömmlicher
Systeme aufgrund der für
die PECM-Bearbeitung notwendigen hohen Stromdichte von ca. 1 A/mm2 durch die Generatorleistung limitiert.
-
In
der Druckschrift
DE
35 27 282 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Herstellen eines innenverzahnten Kegelrades mittels elektrochemischer
Bearbeitung beschrieben.
-
In
der Druckschrift WO 02/086198 A2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur elektrochemisch materialabtragenden Werkstückbearbeitung beschrieben.
Dabei ist eine Werkzeugelektrode in einem Abstand zu einer zu bearbeitenden,
elektrisch leitfähigen
als Werkstückelektrode
fungierenden Werkstückzone
positionierbar. Dabei werden zwischen der Werkzeugelektrode und
der Werkstückelektrode
elektrische Spannungsim pulse angelegt und ein zugehöriger Elektrodenstromstärkverlauf
erfasst und als Elektrodenabstandskriterium herangezogen. Somit
kann ein Soll- oder Mindestabstand zwischen der Werkzeugelektrode
und der Werkstückelektrode
ermittelt werden.
-
Die
DD 84 312 zeigt eine segmentierte
Elektrode zum elektrochemischen Abtragen von Material zur gewünschten
Ausbildung eines Bauteils. Hierbei sind die Segmente an gesonderte
Stromleitungen angeschlossen.
-
In
der
US 3,372,099 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrochemischen Formabsenken
von Bauteilen beschrieben, wobei Einzelelektroden einer segmentierten
Elektrode mit Stromimpulsen gezielt angesteuert werden. Während des
Verfahrensablaufs wird dem Bearbeitungsspalt zwischen Bauteil und
Elektrode Elektrolyt zwangsweise zu- und von diesem wieder abgeführt.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur elektrochemischen
Bearbeitung eines Bauteils aufzuzeigen, mit dem auch Bauteile mit großen und
komplex verlaufenden Flächen
in relativ einfacher Weise bearbeitet werden können. Des Weiteren soll hierzu
eine geeignete Vorrichtung angegeben werden.
-
Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Patentanspruchs 1 hinsichtlich des Verfahrens und
durch die Merkmale des Patentanspruches 7 hinsichtlich der Vorrichtung
gelöst.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur elektrochemischen Bearbeitung eines Bauteils mit einer in eine
Anzahl Einzelelektroden segmentierten Elektrode wird jede dieser
Einzelelektroden mit einem Stromimpuls gezielt angesteuert. Der
Elektrolytaustausch im Bearbeitungsspalt zwischen dem Bauteil und
der Elektrode erfolgt durch eine oszillierende Relativbewegung zwischen
Elektrode und Bauteil, d.h. durch die Relativbewegung wird der Elektrolyt
in den Bearbeitungsspalt gepumpt und ausgetauscht.
-
Die
Elektrode, mit der das Verfahren durchgeführt wird, ist derart segmentiert,
dass die elektrische Leistung in jeder Einzelelektrode und somit
jedem Segment der Elektrode für
einen PECM-Bearbeitungsvorgang, also für ein elektrochemisches Formabsenken,
hoch genug ist, um somit auch Bauteile mit großen Flächen bearbeiten zu können.
-
Die
Elektroden sind dabei derart ausgestaltet, dass sich die Einzelelektroden
gegenseitig nicht beeinflussen oder stören. Das Verfahren ist somit
zur Bearbeitung von Bauteilen, die unterschiedliche Formen oder
Geometrien, beispielsweise Verzahnungsgeometrien, aufweisen, geeignet.
Bei dem Verfahren wird ein gepulster Bearbeitungsstrom, der in dem
Bearbeitungsspalt zwischen einer Anode und einer Kathode fließt, eingebracht.
Zur Erzeugung eines Materialabtrags wird hierbei das zu bearbeitende
Bauteil als Anode und die Elektrode bzw. die Einzelelektroden jeweils
als Kathode geschaltet.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
erfolgt ein Elektrolytaustausch über
eine mechanische Oszillation der Elektrode. Vorzugsweise wird dabei der
Elektrolyt unter Umgebungsdruck dem Verfahren zugeführt, so
dass durch die Relativbewegung von Elektrode und Bauteil der Elektrolyt
in den Bearbeitungsspalt gepumpt wird und in gleicher Art und Weise
durch die Relativbewegung ausgetauscht wird. Somit ist eine Anwendung
des Verfahrens auch für große Bauteile
möglich.
-
Bei
Durchführung
des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Stromimpuls auf die
Einzelelektroden nacheinander aufgeschaltet wird.
-
Ist
beispielsweise vorgesehen, mit dem Verfahren ein tellerradförmiges Bauteil
zu bearbeiten, das auch wie ein Kegelzahnrad ausgebildet sein kann,
so können
die Einzelelektroden der Elektrode derart ausgestaltet und angeordnet
sein, dass die Elektrode weitgehend eine Negativform des herzustellenden
kegelzahnradförmigen
Bauteils besitzt. Dabei kann jede der Einzelelektroden zahnförmig ausgebildet
sein. Der elektrische Stromimpuls wird bei dieser Ausgestaltung
umlaufend bzw. nacheinander auf jede Einzelelektrode aufgeschaltet.
Dabei können
die Einzelelektroden in Abhängigkeit
eines zwischen einer jeweiligen Einzelelektrode und dem Bauteil
resultierenden elektrischen Signals abgeschaltet werden.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Verfahren unter Verwendung
einer segmentierten Elektrode, welche für die elektrochemische Bearbeitung,
insbesondere die PECM-Bearbeitung,
der einzelnen Flanken der Zahnradgeometrie einzelne Elektrodensegmente
aufweist, die wie zuvor beschrieben vorteilhaft mit einem Stromimpuls
versehen werden können.
-
In
Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Stärke des Stromimpulses für jeweils
eine der Einzelelektroden in Abhängigkeit
eines Werts für
einen Strom, der zwischen dieser Einzelelektrode und dem Bauteil
fließt,
und/oder in Abhängigkeit
eines Werts für
einen Strom, der zwischen mindestens einer der anderen Einzelelektroden
und dem Bauteil fließt,
gezielt eingestellt werden.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann ein Abstand zwischen der Elektrode und dem Bauteil verändert und
die Elektrode relativ zu dem Bauteil gedreht werden. Hierdurch wird
eine Herstellung von komplizierten Bauteilen, beispielsweise von
Zahnrädern,
begünstigt.
Als weiterer Vorteil verbessert diese umfängliche Oszillation zusätzlich die
Spülung
des Bearbeitungsspalts zwischen Elektrode und Bauteil.
-
Als
weiterer Vorteil verbessert sich die Bearbeitungsqualität erheblich,
da die Bearbeitung im wesentlichen immer im Stirnspalt stattfindet.
D.h. vorzugsweise in Normalenrichtung zur Elektrodenfläche und/oder
zur zu bearbeitenden Bauteilfläche.
-
Die
aus den aufgeschalteten Spannungsimpulsen resultierenden Stromverläufe für die Einzelelektroden
werden in vorteilhafter Weise auf die Frequenz der oszillierenden
Bewegung zwischen Elektrode und Bauteil abgestimmt. Dabei ist jeweils
ein Stromsignal proportional zu einem Arbeitspalt zwischen jeweils
einer der Einzelelektroden und dem Bauteil bzw. Werkstück. Um eventuell
vorhandene Härteverzüge und dergleichen
zu egalisieren, werden bei sogenannten Egalisierungsdurchläufen nur jene
Einzelelektroden bearbeitet, bei denen die höchsten Stromsignale auftreten.
Dabei werden die anderen Einzelelektroden für einen definierten Zeitraum
nicht bestromt. Wenn nach mehreren Egalisierungsdurchläufen alle
Stromsignale innerhalb eines zu definierenden Toleranzbereiches
liegen, kann das Verfahren durch einen eigentlichen Bearbeitungsprozess
fortgesetzt werden.
-
Bei
eventuellen Unregelmäßigkeiten,
die während
des eigentlichen Bearbeitungsprozesses auftreten können, können gemäß den Egalisierungsdurchläufen Einzelelektroden
definiert ab- und wieder zugeschaltet werden, um einen gleichmäßigen Materialabtrag
an dem Bauteil zu erzielen. Der Bearbeitungsprozess ist abgeschlossen,
sobald die Elektrode zu dem Bauteil einen Sollabstand aufweist.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur elektrochemischen Bearbeitung eines Bauteils weist eine in eine
Anzahl Einzelelektroden segmentierte Elektrode auf, wobei jede dieser
Einzelelektroden mit einem Stromimpuls gezielt ansteuerbar ist.
Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind das Bauteil und die Elektrode unter Bereitstellung eines Bearbeitungsspalts
relativ zueinander positionierbar, insbesondere oszillierend zueinander
bewegbar, so dass ein Elektrolytaustausch in dem Bearbeitungsspalt
erfolgt.
-
Die
Vorrichtung kann einen Aufnahmedorn für das Bauteil aufweisen, der
relativ zu der Elektrode verstellbar ist. Somit können die
Elektrode und das Bauteil relativ zueinander positioniert bzw. bewegt werden,
so dass der Bearbeitungsspalt unter Bereitstellung eines geeigneten
Abstands zwischen dem Bauteil und der Elektrode eingestellt werden
kann.
-
In
Ausgestaltung kann der Elektrolytaustausch mit der Vorrichtung durch
voneinander getrennte Regulierung eines Eintrittsdrucks und eines Austrittsdrucks
eines Elektrolyts erfolgen, vorzugsweise erfolgt die Zu- und Abführung des
Elektrolyts unter Umgebungsdruck.
-
Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombi nationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die
Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels
in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
-
1 zeigt
eine Ausgestaltung einer Elektrode in schematischer Schnittdarstellung.
-
2 zeigt
eine Ausgestaltung eines Aufnahmedorns mit einem aufgenommenen Bauteil
in schematischer Schnittdarstellung.
-
3 zeigt
eine Ausgestaltung einer Vorrichtung mit aufgenommenem Bauteil in
einer ersten Position in schematischer Schnittdarstellung.
-
4 zeigt
die Vorrichtung aus 3 mit dem Bauteil in einer zweiten
Position in schematischer Schnittdarstellung.
-
5 zeigt
ein Diagramm zu einem Ablauf eines Verfahrens in schematischer Darstellung.
-
Die
Figuren werden zusammenhängend
und übergreifend
beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteile.
-
Die
in 1 in schematischer Schnittdarstellung gezeigte
Elektrode 1 besteht aus einer Abdeckplatte 3,
in die mehrere Öffnungen 5 für eine Elektrolytzuführung integriert
sind. Außerdem
weist die Elektrode 1 eine Anzahl Einzelelektroden 7 auf,
die im vorliegenden Beispiel im Querschnitt zahnförmig und
länglich
gebogen ausgebildet sind.
-
Die
Elektrode 1 ist mit Isolationsmaterial 9 ausgestattet,
in dem die Einzelelektroden 7 eingebettet sind. Ein Elektrodenraum 19 innerhalb
der Elektrode 1, in dem sich die Einzelelektroden 7 sowie
das Isolationsmaterial 9 befinden, ist von einem Begrenzungsring 11 umgeben.
Dieser Begrenzungsring 11 weist Kontaktöffnungen 13 auf, wobei
in jede dieser Kontaktöffnungen 13 jeweils
eine der Einzelelektroden 7 teilweise eingefügt ist und
somit für
jede dieser Einzelelektroden 7 eine Kontaktstelle außerhalb
des Begrenzungsrings 11 geschaffen ist.
-
Die
kreisförmig
angeordneten Einzelelektroden 7 weisen insgesamt eine Negativform
eines durch ein ECM(Electrochemical machining)-Verfahren herstellbaren
Zahnrads oder Tellerrads auf. Dabei ist jeweils eine der Einzelelektroden 7 über einen Zahnkopf 15 in
dem Isolationsmaterial 9 eingelassen. Zahnflanken 17 sind
als Bearbeitungsbereiche der Einzelelektroden 7 ausgebildet.
-
Das
Isolationsmaterial 9 im Bereich der Zahnköpfe 15 trennt
die Zahnflanken 17 bzw. Bearbeitungsbereiche der Einzelelektroden 7 voneinander.
Die Einzelelektroden 7 innerhalb der vorliegenden Elektrode 1 sind
voneinander isoliert und können über die Öffnungen 13 einzeln
kontaktiert und elektrisch angesteuert werden.
-
2 zeigt
in schematischer Schnittdarstellung eine Werkstückaufnahme 21 mit
einem Werkstückaufnahmedorn 23,
auf dem ein Bauteil 25 bzw. ein Werkstück angeordnet ist. Bei diesem
Bauteil 25 handelt es sich um einen Rohling, der weitgehend eine
Form eines herzustellenden Teller- bzw. Zahnrads aufweist, wobei
sich jeweils zwischen zwei Zähnen 27 ein
Zahnfuß 29 befindet.
-
3 zeigt
die Elektrode 1 aus 1 sowie die
Werkstückaufnahme 21 mit
dem Bauteil 25. Zur Vorbereitung eines PECM-Verfahrens wird die
Elektrode 1 in Richtung des Doppelpfeils in Längsrichtung auf
die Werkstückaufnahme 21 und
somit das Bauteil 25 abgesenkt. Während der PECM-Bearbeitung
oszilliert die Elektrode 1 in Längsrichtung in beiden Richtungen
des Doppelpfeils relativ zum Bauteil 25. Weiterhin ist
vorgesehen, dass die Elektrode 1 während der PECM-Bearbeitung
auch in Richtung des gebogenen Doppelpfeils in Umfangsrichtung der Elektrode
oszilliert wird.
-
4 zeigt
die Vorrichtung mit abgesenkter Elektrode 1 in einer Bearbeitungsposition.
In dieser Bearbeitungsposition sind die Einzelelektroden 7 zu dem
Bauteil 25 derart positioniert, dass zwischen jeweils einer
der Einzelelektroden 7 und dem Bauteil 25 ein
Bearbeitungsspalt vorhanden ist. Die Elektrode 1 und somit
die Einzelelektroden 7 sind derart zu dem Bauteil 25 ausgerichtet
bzw. positioniert, dass jeweils eine Zahnflanke 17 jeweils
einer Einzelelektrode 7 in jeweils einen Zahnfuß 29 zwischen
zwei Zähnen 27 des
Bauteils 25 hineinragt.
-
Zur
Durchführung
des Verfahrens sind die Elektroden 7 über mindestens eine Strom-Spannungsquelle
mit dem Bauteil 25 kontaktiert. Die mindestens eine Strom-Spannungsquelle
ist derart ausgebildet oder derart geschaltet, dass jede der Einzelelektroden 7 über jeweils
eine zugehörige
Kontaktöffnung 13 separat
kontaktiert und elektronisch angesteuert werden kann. Dabei sind
die Einzelelektroden 7 üblicherweise
als Kathoden und das Bauteil 25 als Anode gepolt, so dass
bei dem elektrochemischen Verfahren an dem Bauteil 25 ein
Materialabtrag bewirkt wird.
-
Bei
Durchführung
des elektrochemischen Verfahrens wird der Elektrolyt durch die Öffnungen 5 in
der Abdeckplatte 3 in den Elektrodenraum 19 zugeführt. Dabei
wird das Elektrolyt in den Bearbeitungsspalt in den Bereichen zwischen
den Zahnköpfen 15 und
Zahnflanken 17 der Einzelelektroden 7 einerseits
und den Zahnfüßen 29 sowie
den Zähnen 27 des
Bauteils 25 andererseits gespült und wird je nach Ausführung an
einer Außenseite
des Bauteils 25 oder im Bereich der Zahnköpfe 15 wieder
aus.
-
Zur
Kontrolle des Verfahrens können
ein Eintritts- und Austrittsdruck des Elektrolyts getrennt voneinander
eingestellt werden, so dass ergänzend
zum Elektrolytaustausch durch die oszillierende Relativbewegung
von Elektrode 1 und Bauteil 25 ein den Elektrolytaustausch
begleitender Fluss in geeigneter Weise reguliert wird. Bei Durchführung des
Verfahrens, wird der Elektrolyt unter Umgebungsdruck zugeführt und
die Einzelelektroden 7 werden in Abstimmung auf die Oszillationsfrequenz
der Elektrode 1 gezielt nacheinander, beispielsweise umlaufend
mit Stromimpulsen, angesteuert.
-
Neben
der oszillierenden Relativbewegung in Längsrichtung der Elektrode 1 wird
die Elektrode 1 während
der PECM-Bearbeitung in Richtung des Doppelpfeils in Umfangsrichtung
mit einem Betrag einer Winkelhalbierenden von Zug- und Druckflanken der
Zähne 27 des
Bauteils 25 bzw. der Zahnflanken 17 der Einzelelektroden 7 oszillierend
gedreht. Damit wird erreicht, dass der Bearbeitungsspalt trotz unterschiedlicher
Steigungswinkel der Zug- und Druckflanken der Zähne 27 und somit beider
Zahnradflanken konstant bleibt.
-
5 zeigt
in schematischer Darstellung ein Diagram zu einem Ablauf des Verfahrens.
Zu Beginn des Verfahrens werden das Bauteil 25 und die
Elektrode 1, wie beispielsweise in der 3 angedeutet, in
einem ersten Schritt 31 durch Absenken der Elektrode 1 sowie
geeignetes Drehen dieser Elektrode 1 zueinander ausgerichtet
und unter Bereitstellung des Bearbeitungsspalts in einem definierten
Abstand voneinander positioniert.
-
Danach
folgt mindestens ein Egalisierungsdurchlauf 33a, 33k.
Nacheinander und somit umlaufend werden bei jeweils einem Egalisierungsdurchlauf 33a, 33k für jeweils
eine Einzelelektrode 7 bei jeweils einem Bearbeitungsschritt 35a, 35k Stromimpulse
aufgeschaltet. Dies erfolgt beginnend bei einem Bearbeitungsschritt 35a für eine erste
Einzelelektrode 7 innerhalb eines hierfür vorgesehenen Egalisierungsdurchlaufs 33a und
endet bei einem k-ten Egalisierungsdurchlauf 33k für eine k-ten
Einzelelektrode 7 bei einem entsprechenden Bearbeitungsschritt 35k.
-
In
Abhängigkeit
der in den Bearbeitungsspalten fließenden Stromimpulse werden
in Messschritten 37a, 37k, die auf die Bearbeitungsschritte 35a, 35k folgen,
resultierende Stromverläufe
gemessen. Die Signale der Ströme
sind proportional zu einer Größe des jeweiligen
Bearbeitungsspalts und somit einem Abstand zwischen jeweils einer
der Einzelelektroden 7 und dem Werkstück 25. Wird in jeweils
einem Meßschritt 37a, 37k ein
Stromsignal mit einem Wert innerhalb eines Toleranzbereichs gemessen (Y),
kann der Egalisierungsdurchlauf 33a, 33k für die nachfolgende
Einzelelektrode 7 durchgeführt werden. Ist dies nicht
der Fall (N), wird diese Einzelelektrode 7 in dem Bearbeitungsschritt 35a, 35k weiter bestromt.
-
Um
eventuell vorhandene Härteverzüge oder ähnliches
zu egalisieren, werden bei den Egalisierungsdurchläufen 33a, 33k nur
jene Einzelelektroden 7 in den Bearbeitungsschritten 35a, 35k bearbeitet,
die die höchsten
Signale für
die Ströme
aufwei sen. Die anderen Einzelelektroden 7 werden für einen
definierten Zeitraum nicht bestromt.
-
Wenn
nach mehreren Egalisierungsdurchläufen 33a, 33k alle
in den Messschritten 37a, 37k gemessenen Signale
innerhalb des definierbaren Toleranzbereichs liegen, beginnt der
eigentliche Bearbeitungsprozess 43, bei dem, wie bereits
anhand von 4 beschrieben ist, die Elektrode 1 unter
Drehung derart in Richtung des Bauteils 25 abgesenkt wird, dass
die Zahnflanken 17 der Einzelelektroden 7 in die Zahnfüße 29 zwischen
jeweils zwei Zähnen 27 des Bauteils 25 eingreifen.
Ausschlaggebend für
ein gutes Bearbeitungsergebnis ist, dass an allen Zähnen 27 des
Bauteils 25 ein gleichmäßiger Materialabtrag erfolgt.
Dadurch dass eine geeignete Oszillationsfrequenz für die Elektrode 1 gewählt wird
und diese auf die Frequenz der Stromimpulse der Einzelelektroden 7 abgestimmt
wird, wird gewährleistet,
dass der Bearbeitungsspalt ausreichend gespült wird und sich kein Konzentrationsgradient
entlang einer Spülrichtung
oder zwischen den einzelnen Zähnen 27 bildet. Somit
ist ein qualitativ hochwertiges Bearbeitungsergebnis sicher gestellt.
-
Falls
es bei diesem Bearbeitungsprozess 43 zu Unregelmäßigkeiten
kommen sollte, können
Einzelelektroden 7 gemäß den Egalisierungsdurchläufen 33a, 33k definiert
ab- und wieder zugeschaltet werden, um somit an dem Bauteil 25 einen
gleichmäßigen Materialabtrag
zu erzielen.
-
Nach
Erreichen einer eingestellten Absenktiefe und somit eines gewünschten
Abstands zwischen der Elektrode 7 und dem Bauteil 25 ist
der Bearbeitungsprozess 43 abgeschlossen und das Verfahren
in einem letzten Schritt 45 beendet.