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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung
komplexer rotationssymmetrischer Bearbeitungsgeometrien.
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Durch
die Entwicklung von stufenlos schaltbaren Getrieben, insbesondere
auch im Automobilbau und den gleichzeitig mit sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten
verbundenen hohen Anforderungen an Verschleißbeständigkeit und Laufruhe, sind
die Anforderungen hinsichtlich Rundlauf und Oberflächengüte an die
rotierenden Getriebebauteile erheblich gestiegen. Diese Anforderungen
sind mit konventioneller Zerspanung nur noch mit erheblichem Aufwand
bezüglich
der Fertigungstechnik und der Herstellkosten zu erfüllen.
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Aus
der
US 6,176,998 B1 ist
ein Verfahren zur Bearbeitung eines Lagerringes eines Kugellagers mittels
eines elektrochemischen Abtragens bekannt. Dabei wird ein Lagerring
um eine fest stehende Elektrode rotiert und eine rotationssymmetrische
Bearbeitungsgeometrie am Lagerring erzeugt. Allerdings werden keine
ausreichenden Angaben gemacht, wie eine Vorrichtung für eine derartige
Bearbeitung auszugestalten ist.
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Weiterhin
ist aus der
DE 198
49 577 C2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dreidimensionalen
Bearbeiten eines Werkstücks
mittels elektrochemischer Bearbeitung bekannt. Dabei wird die dreidimensionale
Geometrie der Werkstückoberfläche dadurch hergestellt,
dass die Elektrode über
die Werkstückoberfläche geführt wird
und gleichzeitig gegen die Normale auf der Werkstückoberfläche geneigt wird.
Ein dazu offenbarte Vorrichtung ist allerdings für die Bearbeitung komplexer
rotationssymmetrischer Bearbeitungsflächen nicht geeignet.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung komplexer rotationssymmetrischer
Bearbeitungsgeometrien anzugeben.
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Die
Aufgabe in Bezug auf die anzugebende Vorrichtung zur elektrochemischen
Bearbeitung komplexer rotationssymmetrischer Bearbeitungsgeometrien
wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen
aus den Unteransprüchen
und der Beschreibung hervor.
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Die
Aufgabe hinsichtlich der anzugebenden Vorrichtung wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass
die Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines elektrisch
leitfähigen
Werkstücks
eine Aufnahme mindestens einer Bearbeitungselektrode und eine rotierbare
Werkstückaufnahme
aufweist, welche koaxial zueinander gelagert sind, wobei die zumindest
eine Bearbeitungselektrode in einem Gehäusedeckel der Vorrichtung angeordnet
ist, wobei die Oberfläche
des Gehäusedeckels
und die elektrochemisch aktive Fläche der Bearbeitungselektrode
entsprechend der herzustellenden Werkstückfläche geometrisch ausgestaltet
sind.
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Der
Vorteil dieser Erfindung ist, dass durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
komplexe, rotationssymmetrische Bauteile, insbesondere Lagerscheiben
von stufenlos verstellbaren Getrieben auf einfache Art und Weise hergestellbar
sind. Gleichzeitig hat ein mit der Vorrichtung elektrochemisch bearbeitetes
Bauteil den wesentlichen Vorteil gegenüber konventioneller Herstellung
mittels Zerspanung, dass es eine erheblich verbesserte Oberflächenfeingestalt aufweist
und somit verschleißbeständiger ist.
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Durch
die Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der gepulsten
elektrochemischen Bearbeitung als elektrochemisches Abtragverfahren
werden die Oberflächeneigenschaften
der bearbeiteten Bauteile nochmals gesteigert und die Genauigkeit
der Bearbeitung weiter erhöht.
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Das
Verfahren der gepulsten elektrochemischen Bearbeitung (PECM – Pulsed
ElectroChemical Machining) ist dabei gekennzeichnet dadurch, dass bei
der Bearbeitung kein direkter Kontakt zwischen Werkzeugelektrode
und Bearbeitungsobjekt herrscht. Zur Bearbeitung werden hierbei
Werkzeugelektrode und Bearbeitungsobjekt relativ zueinander fest
und definiert positioniert, so dass auf dem Bearbeitungsobjekt die
Geometrie des Bearbeitungswerkzeugs bei der Bearbeitung abgebildet
wird. Alternativ zur festen Positionierung können das Bearbeitungsobjekt
und die Werkzeugelektrode auch relativ zueinander bewegt werden,
vorzugsweise in einer rotatorischen Bewegung. Bei der Bearbeitung
wird zwischen der Werkzeugelektrode und dem zu bearbeitenden Objekt
eine elektrische Spannung angelegt, wobei das Bearbeitungsobjekt
als Anode und die Werkzeugelektrode als Kathode geschaltet wird.
Für die
Bearbeitung wird ein vorhandener Spalt, vorzugsweise eine Spaltbreite
von 0,01 bis 0,2 mm, zwischen Werkzeugelektrode (Kathode) und Objekt
(Anode) mit einer konventionellen Elektrolytlösung gespült. Der Werkstoffabtrag am
Bearbeitungsobjekt erfolgt somit elektrochemisch und der aufgelöste Werkstoff wird
als Metallhydroxid von der Elektrolytlösung aus der Bearbeitungszone
herausgespült.
Aufgrund der sehr geringen Spaltbreite besitzt das PECM-Verfahren eine wesentlich
höhere
Bearbeitungsgenauigkeit als herkömmliche
elektrochemische Abtragverfahren. Charakteristisch für das PECM-Verfahren
ist noch, dass der Bearbeitungsstrom nicht wie bei der konventionellen
elektrochemischen Bearbeitung permanent anliegt, sondern als gepulster
Strom zugeführt
wird. Das Verfahren der PECM-Bearbeitung zeichnet
sich weiterhin durch hohe Prozessstabilität aus.
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Vorteilhaft
ist es, die Elektrolytlösung
bei der PECM-Bearbeitung über einen
entsprechend ausgestalteten Zuführkanal
der Bearbeitungselektrode zuzuführen.
Vorzugsweise erfolgt dies über
einen Kanal im Gehäusedeckel,
wobei der Kanal einen Anschluss an einen Versorgungsbehälter für die Versorgung
mit der Elektrolytlösung
aufweist. Gleichzeitig ist das Gehäuse derart auszugestalten,
dass die der PECM-Bearbeitung zugeführte Elektrolytlösung wieder
abführbar
ist. Vorzugsweise erfolgt dies über
einen Abführkanal
im Gehäuse.
Die Elektrolytlösung
ist dabei vorzugsweise unter Umgebungsdruck zuzuführen, wobei
dies bei entsprechender Ausgestaltung der Zuführung allerdings auch unter
allen anderen Druckbedingungen erfolgen kann.
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Ein
weiterer Vorteil der hochgenauen PECM-Bearbeitung ist die Werkstoffunabhängigkeit für elektrisch
leitfähige
Werkstoffe. Das bedeutet, dass auch elektrisch leitfähige Beschichtungen
oder Werkstoffe bearbeitet werden können, die durch reine mechanische
Bearbeitung nur unzureichend oder unter hohem Kostenaufwand auf
Endkontur bearbeitbar sind. Dies ist insbesondere bei Getriebebauteilen
von Vorteil, da auf Grund der hohen Anforderung im Allgemeinen gehärtete Bauteile,
endkonturnah geschmiedete Bauteile aus verschleißbeständigen und hochfesten Schmiedewerkstoffen
oder aus anderen verschleißbeständigen Werkstoffen,
beispielsweise ADI (Austempered Ductile Iron) eingesetzt werden.
Derartige Werkstoffe sind allerdings mit konventionellen zerspanenden
Bearbeitungsverfahren nicht oder nur mit großem Aufwand zu bearbeiten,
so dass das erfindungsgemäße Verfahren
auch wesentlich wirtschaftlicher ist, da mitunter mehrere Bearbeitungsschritte
einer konventionellen, mechanischen Bearbeitung beispielsweise durch
zerspanende Bearbeitung eingespart werden.
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In
Bezug auf die hochgenaue Bearbeitung des PECM-Verfahrens wird diese
dadurch gekennzeichnet, dass eine hohe Oberflächenqualität im Bereich von Oberflächenrauheiten
RZ kleiner als 5 μm erzielt wird, vorzugsweise
RZ im Bereich von 0,5 μm bis 2 μm. Damit wird im Vergleich zur
konventionellen mechanischen Bearbeitung aber auch im Vergleich zu
anderen berührungslosen
Abtragsverfahren eine Oberfläche
hergestellt, die wesentlich gleichmäßiger und geglättet ist
und damit eine höhere
Verschleißbeständigkeit
der Funktionsfläche
aufweist.
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Mittels
der PECM-Bearbeitung wird die Form der Werkzeugelektrode sehr exakt
und hochgenau auf das zu bearbeitende elektrisch leitfähige Material übertragen.
Die Form der Werkzeugelektrode ist dabei in Abhängigkeit der herzustellenden
Bearbeitungsgeometrie auszugestalten. Es wird in der Regel ein Elektrodenaufbau
verwendet, der einen auf die herzustellende Geometrie speziell ausgestalteten PECM
aktiven Teil aufweist, beispielsweise die Außengeometrie einer Getriebescheibe
eines stufenlos schaltbaren Getriebes, welche dann durch die PECM-Bearbeitung
exakt auf ein Bauteil übertragen wird.
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Auf
Grund des berührungslosen
Bearbeitungsverfahrens ist der Werkzeugverschleiß der Elektrode äußert gering,
wodurch eine hohe Reproduzierbarkeit des Verfahrens gewährleistet
wird.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, dass bei der PECM-Bearbeitung nur ein minimaler Werkstoffabtrag
von weniger als 2,5 mm am Bearbeitungsobjekt stattfindet, vorzugsweise
im Bereich von 0,05 mm bis 0,5 mm. Weiterhin wird der Materialabtrag,
d. h. die Abtragsrate bei der PECM-Bearbeitung, direkt über die
im Verfahren angelegte Spannung und/oder durch die Leitfähigkeit
der Elektrolytlösung
gesteuert, so dass damit die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
durch kurze Taktzeiten bei gleichzeitig sehr hoher Oberflächenqualität der bearbeiteten
Fläche
angepasst werden kann. D. h. für eine
abzutragende höhere
Materialdicke ist eine Elektrolytlösung mit höherer Leitfähigkeit also erhöhtem Salzanteil
zu wählen
und/oder die angelegte Spannung ist zu erhöhen.
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Vorteilhaft
an der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist, dass durch die rotierbare Aufnahme des zu bearbeitenden Werkstücks eine
weiter verbesserte Oberfläche
und Maßgenauigkeit
der Funktionsfläche
herstellbar ist. Durch die rotierende Bewegung des Werkstücks relativ
zu der feststehenden Elektrode im Gehäusedeckel ist gewährleistet,
dass ein konzentrischer Werkstoffabtrag an der zu bearbeitenden Fläche erfolgt.
Damit ist letztlich ein Werkstück
mit exakten Rundlaufeigenschaften herstellbar.
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Vorteilhaft
gesteigert wird die herstellbare Maßgenauigkeit durch entsprechende
Ausgestaltung der rotierbaren Werkstückaufnahme. Vorzugsweise ist
dabei das Werkstück
an einer Referenzfläche durch
eine rotierbare Welle aufnehmbar, insbesondere durch Ausgestaltung
einer Steckverzahnung auf die das Werkstück mit entsprechend vorbereiteter Geometrie
aufsteckbar ist. Die rotierbare Welle zur Werkstückaufnahme ist dabei passgenau
im Gehäuse
und Gehäusedeckel
gelagert, wobei der Gehäusedeckel
entsprechend maßgenau
im Gehäuse
zu positionieren ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung ist durch eine
axiale Verschiebbarkeit der Werkstückaufnahme auf der rotierenden
Welle erreicht. Dadurch ist das Werkstück exakt zum Gehäusedeckel
mit der Bearbeitungselektrode positionierbar, d. h. der Arbeitsspalt
der PECM-Bearbeitung ist exakt einstellbar. Weiterhin ist durch
diese Ausgestaltung das Werkstück
bei der PECM-Bearbeitung auch nachstellbar, d. h. der Werkstoffabtrag
wird über
die Nachstellung des Werkstücks
ausgeglichen, so dass der Arbeitsspalt konstant ist. Als Vorrichtung
zur Nachstellung ist dabei eine Bewegungseinheit vorzusehen, vorzugsweise
kraftgesteuert, insbesondere über
eine definierte Federkraft oder mittels einer hydraulischen oder
pneumatischen Kraftsteuerung.
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Weitere
Gegenstände
der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösungen sind
in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel
und der Figur näher
erläutert.
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1 zeigt
dabei eine schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellung eines
Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung (1)
auf der mittels PECM eine Torusscheibe (2) für ein stufenlos schaltbares
Getriebe bearbeitbar ist. Die Vorrichtung ist rotationssymmetrisch
zur Wellenachse ausgestaltet.
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Die
Vorrichtung (1) zur PECM-Bearbeitung einer Torusscheibe
(2) weist dabei ein Gehäuseunterteil
(3) und einen Gehäusedeckel
(4) auf. Im Gehäusedeckel
sind insgesamt 3 Zuführkanale
(5) und drei Bearbeitungselektroden (6) angeordnet.
Jeder Elektrode (6) ist dabei ein Zuführkanal (5) zugeordnet,
der die Elektrode (5) während
der PECM-Bearbeitung
mit Elektrolytlösung
versorgt. Die drei Elektroden (6) mit den zugeordneten
Zuführkanälen (5) sind
jeweils um 120° versetzt
im Gehäusedeckel
(4) angeordnet. Die Elektroden (5) sind dabei
derart in den Gehäusedeckel
(4) eingesetzt, dass ihre elektrochemisch aktive Fläche übergangslos
eine einheitliche Fläche
mit der Oberfläche
des Gehäusedeckels (4)
bildet. Diese Fläche
ist entsprechend der an der Torusscheibe (2) herzustellenden
Funktionsfläche (21)
ausgestaltet. Die drei Zuführkanäle weisen
jeweils einen Anschluss (51) für die Versorgung mit der Elektrolytlösung auf
und im Gehäuseunterteil
(3) ist jeweils ein entsprechender Anschluss (52)
zur Abfuhr der verbrauchten Elektrolytlösung angeordnet. Die weiteren
für die
Funktionsfähigkeit
der Vorrichtung erforderlichen Anschlüsse, beispielsweise zur Stromversorgung
der Elektroden und zur weiteren Prozessteuerung, sind hierbei nicht
näher erläutert aber selbstverständlich vorhanden.
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Zur
Aufnahme und exakten Positionierung der Torusscheibe (2)
weist die Vorrichtung (1) eine rotierbare Welle (7)
auf. Diese ist über
Gleitlager (71, 72) im Gehäuse (3, 4)
exakt gelagert und positioniert. Auf der Welle (7) ist
eine Steckverzahnung (73, 74) vorgesehen, mittels
der die Torusscheibe (2) definiert in der Vorrichtung (1)
aufgenommen wird. Zur Nachführung
der Torusscheibe (2) bei der PECM-Bearbeitung ist auf der Welle (7)
noch eine Feder (8) vorgesehen, die die Torusscheibe (2)
mit einer definierten Kraft verschiebt.
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Zur
Abdichtung der Vorrichtung bei der PECM-Bearbeitung weist die Vorrichtung
(1) noch die umlaufenden Dichtungen (91, 92, 93)
auf.
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Mit
der beschriebenen Vorrichtung (1) ist eine einseitige PECM-Bearbeitung
der Torusscheibe (2) möglich.
Zur beidseitigen, spiegelsymmetrischen Bearbeitung ist es erforderlich,
die Torusscheibe (2) nach der Bearbeitung der ersten Seite
aus der Vorrichtung (1) auszubauen und umzudrehen. Zur
weiteren Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung ist es
aber ebenso möglich,
die Vorrichtung derart auszugestalten, dass eine beidseitige Bearbeitung
in einer Aufspannung möglich
ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn an der Torusscheibe
(2) keine spiegelsymmetrischen Funktionsflächen (21)
herzustellen sind.