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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 angegebenen Art sowie ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs
15 angegebenen Art zum elektrochemischen Abtragen einer Oberfläche
eines Bauteils.
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Eine
derartige Vorrichtung sowie ein derartiges Verfahren sind beispielsweise
bereits aus der
EP 1
900 466 A1 als bekannt zu entnehmen. Die dort offenbarte
Vorrichtung umfasst mehrere Elektroden, die jeweils eine mit einer
herzustellenden Oberfläche des Bauteils korrespondierende
Außenkontur aufweisen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung
als Hydraulikdruckeinrichtung mehrere Hydraulikdruckzylinder, die
jeweils einen mit einer Elektrode gekoppelten Druckkolben und einen
mit dem Druckkolben in Wirkverbindung stehenden Hydraulikraum aufweisen.
Zum Bewegen der betreffenden Elektrode wird Hydraulikmedium zwischen
zwei Teilräumen des Hydraulikraums umgepumpt, wodurch gegenüberliegende
Wirkflächen des Druckkolbens mittels des Hydraulikmediums
abwechselnd mit einer Stellkraft beaufschlagt werden können.
Hierdurch kann der Druckkolben innerhalb des Hydraulikraums relativ
zu diesem bewegt werden, wodurch die über eine Schubstange
mit dem Druckkolben gekoppelte Elektrode entsprechend zum Bauteil
hin oder von diesem weg bewegt wird. Das zu bearbeitende Bauteil,
welches als Schaufel eines Rotors einer Strömungsmaschine
ausgebildet ist, ist im Wesentlichen vorgeformt und weist im zu
bearbeitenden Bereich ein Aufmaß auf, welches mit Hilfe
der Elektroden über ein elektrochemisches Abtragverfahren
(ECM bzw. PECM) entfernt wird. Hierbei werden das Bauteil und die
Elektroden in einem Elektrolyten angeordnet und die Oberfläche
des Bauteils im Bereich des Aufmaßes durch Anlegen einer
elektrischen Spannung bzw. eines elektrischen Stroms zwischen dem
Bauteil und der wenigstens einen Elektrode abgetragen.
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Als
nachteilig an der bekannten Vorrichtung ist der Umstand anzusehen,
dass die Beaufschlagung des Druckkolbens mit der gewünschten
Stellkraft nur vergleichsweise ungenau und langsam durchgeführt
werden kann, so dass die Bewegung der mit dem Druckkolben gekoppelten
Elektrode insbesondere bei gepulsten oder periodischen Bewegungen
entsprechend unpräzise und träge ist. Daher können
Außenkonturen mit kleinen Toleranzen praktisch nicht oder
nur mit hohem Aufwand und entsprechend hohen Produktionskosten hergestellt
werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren
der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine verbesserte und
präzisere Erzeugung einer Außenkontur eines Bauteils
ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 zum elektrochemischen Abtragen
einer Oberfläche eines Bauteils gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen
der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben,
wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung als vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens und umgekehrt anzusehen sind.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche eine
verbesserte und präzisere Erzeugung einer Außenkontur
eines Bauteils ermöglicht, ist vorgesehen, dass der Hydraulikraum
fluidisch gegenüber dem Druckkolben gekapselt ist. Mit
anderen Worten ist vorgesehen, dass der Druckkolben nicht unmittelbar
mit dem Hydraulikmedium in Kontakt steht, sondern mittelbar mit
der durch das Hydraulikmedium übertragenen Stellkraft beaufschlagbar
ist. Hierdurch kann im Unterschied zum Stand der Technik die Zahl an
abzudichtenden Flächen innerhalb der Hydraulikdruckeinrichtung
erheblich verringert werden, wodurch eine entsprechend verbesserte,
präzisere und schnellere Kraftbeaufschlagung des Druckkolbens ohne
die Gefahr von Undichtigkeiten ermöglicht ist. Vorzugsweise
kann die Hydraulikdruckeinrichtung sogar dichtungsfrei ausgebildet
sein, so dass während des Abtragens problemlos auch sehr
hohe Fluiddrücke über das Hydraulikmedium erzeugt
werden können. Weiterhin kann der Druckkolben bzw. die
mit diesem gekoppelte Elektrode gegen einen hohen Elektrolytdruck,
wie er beispielsweise zum Spülen eines Spalts zwischen
der Elektrode und dem Bauteil erforderlich sein kann, bewegt werden.
Da der Druckkolben nicht innerhalb des viskosen Hydraulikmediums
angeordnet ist, können zudem auch schnelle Bewegungen der
Elektrode sowie hochfrequente Schwingungsbewegungen, die gegebenenfalls
einer weiteren Bewegung überlagert sein können,
dargestellt werden. Hierdurch ergibt sich einerseits eine weitere
Steigerung der Abbildungsgenauigkeit, andererseits wird aufgrund
der präzisen Bewegbarkeit der Elektrode auch bei hohen
Relativgeschwindigkeiten zwischen der Elektrode und dem Bauteil
eine Beschädigung des Bauteils aufgrund von Kurzschlüssen
zuverlässig verhindert. Aufgrund der erhöhten Präzision
können somit aufwändige und kostenintensive Nachbearbeitungsschritte
vermieden und kürzere Verfahrenszeiten erzielt werden.
Des weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
besonders kompakt, leicht und bauraumsparend ausgebildet werden,
wodurch eine wesentliche Erhöhung der Abbildungsgenauigkeit
auch bei Bauteilen mit komplexen Geometrien und eng benachbarten
Oberflächen erzielbar ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Hydraulikraum mittels eines elastisch verformbaren Festkörpergelenks, insbesondere
einer Membran, fluidisch gegenüber dem Druckkolben gekapselt
ist. Dies stellt eine konstruktiv einfache und kostengünstige
Möglichkeit zur Kapselung des Hydraulikraums dar, so dass
die Hydraulikdruckeinrichtung Weise besonders einfach dichtungsfrei
ausgebildet werden kann. Zum Bewegen der Elektrode kann das Festkörpergelenk
dabei durch Zu- oder Abführen von Hydraulikmedium in den
bzw. aus dem Hydraulikraum im Bereich elastischer Verformungen ausgelenkt
werden, so dass der Druckkolben mittelbar über das Festkörpergelenk
mit der entsprechenden Stellkraft beaufschlagbar ist.
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Um
eine über die gesamte Anlagefläche zwischen dem
Druckkolben und dem Festkörpergelenk gleichmäßige
Bewegung zu ermöglichen, hat es sich weiterhin als vorteilhaft
gezeigt, wenn das Festkörpergelenk ringförmig
ausgebildet ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Druckkolben über wenigstens ein Federelement,
insbesondere über ein elastisch verformbares Festkörpergelenk, mit
einem Gehäuse der Hydraulikdruckeinrichtung gekoppelt ist.
Hierdurch ist eine einfache Möglichkeit geschaffen, den
Druckkolben unverlierbar und beweglich an der Hydraulikdruckeinrichtung
zu lagern. Das Festkörpergelenk kann dabei zusätzlich
die Funktion eines Drehlagers erfüllen, um welches der Druckkolben, ähnlich
wie bei einer Wippe, verschwenkt werden kann. Zudem kann mit Hilfe
des Federelements einfach eine Nulllage des Druckkolbens definiert
werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem die Hydraulikdruckeinrichtung eine
Rückstelleinrichtung umfasst, mittels welcher der Druckkolben
mit einer Rückstellkraft beaufschlagbar ist. Hierdurch
ist eine einfache Möglichkeit gegeben, den Druckkolben durch
Beaufschlagen mit der Rückstellkraft aus einer ausgelenkten
Stellung zurück in seine Nulllage oder weiter in eine bezüglich
der Nulllage entgegengesetzte Stellung zu bewegen. Hierdurch wird
eine weitere Verbesserung der Präzision beim Abtragen der Oberfläche
erzielt. Zudem können gepulste oder periodische Schwingbewegungen
besonders einfach und mit hohen Frequenzen dargestellt werden. Weiterhin
ist es mit Hilfe der Rückstelleinrichtung möglich,
eine maximale Auslenkung des Druckkolbens zu definieren.
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Dabei
hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, wenn
die Rückstelleinrichtung ein Federelement, insbesondere
ein Festkörpergelenk, und/oder einen weiteren Hydraulikraum
zur Aufnahme von Hydraulikmedium umfasst. Hierdurch ist eine besonders
variable konstruktive Ausbildung der Vorrichtung ermöglicht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der weitere Hydraulikraum, vorzugsweise mittels eines elastisch verformbaren
Festkörpergelenks, insbesondere mittels einer Membran,
fluidisch gegenüber dem Druckkolben gekapselt ist. Die
sich hieraus ergebenden Vorteile sind den im Zusammenhang mit dem
vorstehend erläuterten Hydraulikraum zu entnehmen. Dabei
kann bevorzugt vorgesehen sein, dass jeder Hydraulikraum der Hydraulikdruckeinrichtung
fluidisch gegenüber dem Druckkolben gekapselt ist, um auf einfache
Weise eine dichtungsfreie Ausbildung der Hydraulikdruckeinrichtung
zu ermöglichen.
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Um
eine definierte Auslenkbarkeit des Druckkolbens und damit seiner
zugeordneten Elektrode zu erzeugen, hat es sich in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung als vorteilhaft gezeigt, wenn zumindest ein Anschlag
vorgesehen ist, mittels welchem eine Bewegung des Druckkolbens zu
begrenzen ist. Hierdurch kann eine unerwünschte Kollision zwischen
der Elektrode und dem Bauteil zuverlässig verhindert werden,
so dass eine durchgängig hohe Bauteilqualität
sichergestellt ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass wenigstens
zwei Anschläge vorgesehen sein, mittels welchen entgegensetzte
maximale Auslenkungen des Druckkolbens definiert sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass eine Regel- und/oder Steuereinrichtung zum Erzeugen einer,
vorzugsweise linear, oszillierenden und/oder gepulsten Stellkraft
auf den Druckkolben vorgesehen ist. Auf diese Weise kann eine variable
Schwingungsbewegung des Druckkolbens bzw. der Elektrode erzeugt werden,
wodurch auf einfache Weise eine Zwangsspülung eines Spalts
zwischen der Elektrode um dem Bauteil mit einem Elektrolyten bewerkstelligt
werden kann.
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Dabei
hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, wenn
mittels der Regel- und/oder Steuereinrichtung eine Amplitude der
Stellkraft auf einen Wert zwischen 0,01 mm und 1,0 mm und/oder eine
Frequenz der Stellkraft auf einen Wert zwischen 0 Hz und 250 Hz
einstellbar ist. Hierdurch ist eine optimale Anpassbarkeit der Vorrichtung
an unterschiedlich geformte Oberflächen sowie an unterschiedliche
Materialien ermöglicht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Vorrichtung ausgebildet ist, eine Bewegungsachse der Elektrode in
einem vorbestimmten und/oder einstellbaren Anstellwinkel, insbesondere
in einem Anstellwinkel zwischen 30° und 60°, gegenüber
einer Bewegungsachse des Bauteils anzuordnen. Unter Bewegungsachse des
Bauteils ist dabei diejenige Achse zu verstehen, entlang der eine
relative Vorschub- bzw. Zustellbewegung des Bauteils auf die Elektrode
hin durchgeführt wird. Dabei können grundsätzlich
das Bauteil und/oder die Vorrichtung bzw. die Elektrode bewegt werden.
Mit Hilfe eines derartigen Anstellwinkels kann vorteilhaft ausgeschlossen
werden, dass sich zwischen der Elektrode und dem Bauteil ein zu
hoher Fluiddruck aufbauen kann, welcher zu einem Verbiegen des Bauteils
und/oder der Elektrode führen könnte. Zusätzlich
ist eine Beschädigung des Bauteils durch Kurzschlüsse
ausgeschlossen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung
wenigstens eine weitere Elektrode umfasst, welche eine mit einer
weiteren herzustellenden Oberfläche des Bauteils korrespondierende
Außenkontur aufweist, wobei jede Elektrode der Vorrichtung
relativ zum Bauteil bewegbar ist. Auf diese Weise kann wenigstens
eine weitere Oberfläche des Bauteils abgetragen werden,
wodurch entsprechende Zeit- und Kostenvorteile erzielbar sind. Dabei
kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Elektroden über
einen gemeinsamen Druckkolben der Hydraulikdruckeinrichtung zu bewegen
ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Druckkolben
vorgesehen sind, die jeweils mit wenigstens einer Elektrode gekoppelt
und unabhängig voneinander bewegbar sind. Im Falle mehrerer
Druckkolben hat es sich zudem aus den vorstehend genannten Gründen
als vorteilhaft gezeigt, wenn jeder Druckkolben fluidisch gegenüber seinem
jeweils zugeordneten Hydraulikraum gekapselt ist.
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In
dem die Vorrichtung wenigstens zwei Elektroden umfasst, die gegenläufig
zueinander in Richtung auf das Bauteil und zurück bewegbar
sind, können einander gegenüberliegende Oberflächen des
Bauteils gleichzeitig abgetragen werden. Beispielsweise können
somit in einem Durchgang eine Saugseitenkontur und eine Druckseitenkontur
einer Schaufel eines Rotors für eine Strömungsmaschine gleichzeitig
hergestellt werden.
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Um
eine erhöhte Abbildungsgeschwindigkeit zu erzielen, hat
es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, wenn zwischen wenigstens
zwei Elektroden der Vorrichtung ein Zuführkanal für
einen Elektrolyten ausbildbar ist. Hierdurch kann der zum elektrochemischen
Abtragen benötigte Elektrolyt während der Bearbeitung
eines Bauteils in den Spalt zwischen den wenigstens zwei Elektroden
und der Oberfläche des Bauteils eingebracht werden.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen
Abtragen einer Oberfläche eines Bauteils, wobei zumindest
die Schritte Bereitstellen eines insbesondere vorgeformten Bauteils
mit einem Aufmaß, Bereitstellen wenigstens einer Elektrode,
die eine mit einer herzustellenden Oberfläche des Bauteils
korrespondierende Außenkontur aufweist und mit einem Druckkolben
einer Hydraulikdruckeinrichtung gekoppelt ist, Relatives Anordnen
des Bauteils und der wenigstens einen Elektrode zueinander in einem
Elektrolyten und Abtragen der Oberfläche des Bauteils zumindest
im Bereich des Aufmaßes durch Anlegen einer elektrischen
Spannung bzw. eines elektrischen Stroms zwischen dem Bauteil und
der wenigstens einen Elektrode durchgeführt werden. Dabei
wird eine verbesserte und präzisere Erzeugung der Außenkontur
des Bauteils erfindungsgemäß dadurch ermöglicht,
dass der Druckkolben mit einem fluidisch gegenüber dem Druckkolben
gekapselten Hydraulikraum der Hydraulikdruckeinrichtung in Wirkverbindung
gebracht und der Druckkolben während des Abtragens zumindest zeitweise
mittels eines Hydraulikmediums mit einer Stellkraft beaufschlagt
und relativ zur Hydraulikdruckeinrichtung bewegt wird. Mit anderen
Worten ist vorgesehen, dass der Druckkolben nicht unmittelbar mit
dem Hydraulikmedium in Kontakt steht, sondern mittelbar mit der
durch das Hydraulikmedium übertragenen Stellkraft beaufschlagt
wird. Hierdurch kann im Unterschied zum Stand der Technik die Zahl
an abzudichtenden Flächen innerhalb der Hydraulikdruckeinrichtung
erheblich verringert werden, wodurch eine entsprechend verbesserte, präzisere
und schnellere Kraftbeaufschlagung des Druckkolbens ohne die Gefahr
von Undichtigkeiten ermöglicht ist. Vorzugsweise kann sogar
eine dichtungsfrei ausgebildete Hydraulikdruckeinrichtung verwendet
werden, so dass während des Abtragens problemlos auch sehr
hohe Fluiddrücke über das Hydraulikmedium erzeugt
werden können. Weiterhin kann der Druckkolben bzw. die
mit diesem gekoppelte Elektrode gegen einen hohen Elektrolytdruck,
wie er beispielsweise zum Spülen eines Spalts zwischen
der Elektrode und dem Bauteil erforderlich sein kann, bewegt werden. Da
der Druckkolben nicht innerhalb des viskosen Hydraulikmediums angeordnet
wird, können zudem auch schnelle Bewegungen der Elektrode
sowie hochfrequente Schwingungsbewegungen, die gegebenenfalls einer
weiteren Bewegung überlagert werden können, dargestellt
werden. Hierdurch ergibt sich einerseits eine weitere Steigerung
der Abbildungsgenauigkeit, andererseits wird aufgrund der präzisen
Bewegbarkeit der Elektrode auch bei hohen Relativgeschwindigkeiten
zwischen der Elektrode und dem Bauteil eine Beschädigung
des Bauteils aufgrund von Kurzschlüssen zuverlässig
verhindert. Aufgrund der erhöhten Präzision können
somit aufwändige und kostenintensive Nachbearbeitungsschritte
vermieden und kürzere Verfahrenszeiten erzielt werden.
Des weiteren kann eine besonders kompakt, leicht und bauraumsparend
ausgebildete Vorrichtung zum Abtragen der Oberfläche verwendet werden,
wodurch eine wesentliche Erhöhung der Abbildungsgenauigkeit
auch bei Bauteilen mit komplexen Geometrien und eng benachbarten
Oberflächen erzielbar ist. Vorzugsweise ist die zum Abtragen
verwendete Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden
Ausführungsbeispiele ausgebildet.
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Dabei
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn zwei Elektroden bereitgestellt
und beim Abtragen gegenläufig zueinander in Richtung auf
das Bauteil und zurück bewegt werden. Hierdurch können gleichzeitig
einander gegenüberliegende Oberflächen eines Bauteils
bearbeitet und abgetragen werden, wodurch sich entsprechende Zeit-
und Kostenvorteile ergeben. Beispielsweise kann gleichzeitig eine
Saugseitenkontur und eine Druckseitenkontur einer Schaufel eines
Rotors für eine Strömungsmaschine erzeugt werden.
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Indem
der Bewegung jeder Elektrode zumindest beim Abtragen eine Zustellbewegung
des Bauteils entlang einer Bewegungsachse überlagert wird. Hierdurch
kann eine besonders präzise und optimal an die jeweilige
Bauteilgeometrie angepasste Kinematik erzeugt werden, wodurch sich
hohe Abbildungsgenauigkeiten in kurzen Prozesszeiten erzielen lassen.
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Besondere
Kostenvorteile ergeben sich, wenn als Bauteil eine Schaufel eines
Rotors, insbesondere eines integral beschaufelten Rotors, bearbeitet
wird, da aufgrund der hohen Präzision und Schnelligkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens hierbei besondere
Zeit- und Kostensenkungen erzielbar sind. Zudem kann auf aufwändige
Nachbearbeitungsschritte verzichtet werden.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Hydraulikdruckeinrichtung,
die einen mit einer Elektrode koppelbaren Druckkolben und einen
mit dem Druckkolben in Wirkverbindung stehenden Hydraulikraum zur
Aufnahme von Hydraulikmedium aufweist, wobei der Druckkolben mittels
des Hydraulikmediums mit einer Stellkraft beaufschlagbar und relativ
zur Hydraulikdruckeinrichtung bewegbar ist. Dabei ist eine verbesserte
und präzisere Erzeugung der Außenkontur des Bauteils
erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass
der Hydraulikraum fluidisch gegenüber dem Druckkolben gekapselt
ist. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind den vorhergehenden
Beschreibungen zu entnehmen. Die erfindungsgemäße
Hydraulikdruckeinrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung
in einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren gemäß einem
der vorhergehenden Ausführungsbeispiele.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen,
den Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen
sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten
Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen
Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung
verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten
Vorrichtung zum elektrochemischen Abtragen einer Oberfläche
eines Bauteils;
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2 eine
schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum elektrochemischen Abtragen einer Oberfläche
eines Bauteils;
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3 eine
schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
einer Hydraulikdruckeinrichtung;
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4 eine
schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Hydraulikdruckeinrichtung;
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5 eine
schematische Schnittansicht zweier Elektroden der in
-
2 gezeigten
Vorrichtung zu Beginn eines elektrochemischen Abtrag-Schrittes;
und
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6 eine
schematische Schnittansicht zweier Elektroden der in
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2 gezeigten
Vorrichtung nach Abschluss des elektrochemischen Abtrag-Schrittes.
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1 zeigt
eine schematische Schnittansicht einer aus dem Stand der Technik
bekannten Vorrichtung 1 zum elektrochemischen Abtragen
einer Oberfläche eines Bauteils 2 mit Hilfe eines
gepulsten elektrochemischen Verfahrens (PECM). Das Bauteil 2,
welches zumindest im abzutragenden Bereich ein Aufmaß aufweist,
wird dabei unter Ausbildung eines Spalts 3 relativ zu Elektroden 4 der
Vorrichtung 1 bewegt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit
die die Elektroden 4 bewegenden Hydraulikeinrichtungen
der Vorrichtung 1 nicht abgebildet sind. Die Elektroden 4 werden
gemäß den Doppelpfeilen Ia senkrecht oder im Kreisbogen
mit überlagerten mechanischen Pulsen aufeinander zu bewegt,
während das Bauteil 2 eine Zustellbewegung gemäß Pfeil
Ib entlang einer Bewegungsachse A ausführt. Das Abtragen
der Oberfläche des Bauteils 2 wird zumindest im abzutragenden
Bereich mit Hilfe eines an sich bekannten elektrochemischen Verfahren
(ECM bzw. PECM) durchgeführt. Bei dem Bauteil 2 handelt
es sich um ein integral beschaufeltes Verdichterlaufrad einer Strömungsmaschine.
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Der
Nachteil dieser Bearbeitung liegt darin, dass der Spalt 3 zwischen
den Elektroden 4 und dem Bauteil 2 insbesondere
im Bereich eines Ringraumes 3a nicht ausreichend gespült
werden kann und deshalb ein langsamer Vorschub mit größerem
Spalt 3 gewählt werden muss. Die Abbildungsgenauigkeit
im Ringraum 3a ist deshalb gering. Beim Erhöhen
der Vorschubgeschwindigkeit wächst dagegen die Gefahr der
Beschädigung des Bauteils 2 durch Kurzschlüsse
stark an. Zudem ist eine synchronisierte überlagerte Schwingbewegung
des Bauteils 2 wegen seiner vergleichsweise hohen Masse
problematisch. Auch die bekannte Vorrichtung 1 besitzt
ein vergleichsweise hohes Gewicht sowie einen hohen Bauraumbedarf,
um die erforderliche Steifigkeit zur präzisen Bewegung
der Elektroden 4 zu erzielen. Da die Toleranzen großer
Maschinen aufgrund von Wärmebeeinflussung und langen Hebelarmen
naturgemäß größer sind, ist
es mit erheblichem Aufwand verbunden, Bauteile 2 mit kleinen
Toleranzen herzustellen.
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2 zeigt
eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 10 zum elektrochemischen Abtragen einer Oberfläche
eines vorliegend als Schaufel eines integral beschaufelten Rotors
ausgebildeten Bauteils 2. Die Vorrichtung 10 umfasst
zwei einander gegenüberliegend angeordnete Elektroden 12,
die jeweils eine mit einer herzustellenden Oberfläche des
Bauteils 2 korrespondierende Außenkontur aufweisen.
Jeder Elektrode 12 ist eine Hydraulikdruckeinrichtung 14 zugeordnet,
wobei jede Hydraulikdruckeinrichtung 14 einen mit der jeweiligen
Elektrode 12 gekoppelten Druckkolben 16 und einen
mit dem Druckkolben 16 in Wirkverbindung stehenden Hydraulikraum 18 zur
Aufnahme von Hydraulikmedium aufweist. Das Hydraulikmedium kann dabei
gemäß den Pfeilen 11a über entsprechende Versorgungskanäle 20 in
die Hydraulikräume 18 eingebracht werden, wodurch
die Druckkolben 16 mittels des Hydraulikmediums mit einer
Stellkraft beaufschlagt und relativ zur jeweiligen Hydraulikdruckeinrichtung 14 bewegt
werden. Entsprechend kann durch Abführen von Hydraulikmedium
aus den Hydraulikräumen 18entgegen der Pfeilrichtung
der Pfeile IIa ein Abbruch der Stellkraftbeaufschlagung erzielt
werden, so dass die mit den Druckkolben 16 gekoppelten
Elektroden 12 gemäß den Doppelpfeilen
IIa auf das Bauteil 2 zu oder von diesem wegbewegt werden
können. Die Bewegung der Elektroden 12 wird durch
eine nicht gezeigte Regel- und/oder Steuereinrichtung der Vorrichtung 1 gesteuert,
so dass beispielsweise eine linear oszillierende oder gepulste Stellkraft
auf die Druckkolben 16 und eine entsprechende Schwingungs-
oder Pulsbewegung der Elektroden 12 erzeugbar ist. Beispielsweise
kann eine Amplitude der Stellkraft auf einen Wert zwischen 0,01
mm und 1,0 mm und/oder eine Frequenz der Stellkraft auf einen Wert
zwischen 0 Hz und 250 Hz eingestellt werden.
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Die
Vorrichtung 10 ist dabei auf minimale Abmessungen ausgelegt,
so dass die Länge ihrer gezeigten Elemente, d. h. die Länge
der Hydraulikdruckeinrichtungen 14 und der Elektroden 12,
nicht mehr als das fünffache der zu bearbeitenden Oberflächenlänge
des Bauteils 2 beträgt. Die Hydraulikdruckeinrichtungen 14 können
dabei aufgrund ihres kompakten und einfachen Aufbaus grundsätzlich durch
sogenannte Rapid Manufacturing-Verfahren hergestellt werden, wodurch
sich entsprechende Kostenvorteile ergeben.
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Die
Vorrichtung 10 ist dabei derart ausgebildet, dass die durch
die Doppelpfeile IIb symbolisierten Bewegungsachsen der Elektroden 12 in
einem Anstellwinkel von etwa 45° gegenüber der
Bewegungsachse A des Bauteils 2 angeordnet sind. Auf diese
Weise kann eine Zwangsspülung eines engen Spalts 22 zwischen
dem Bauteil 2 und den Elektroden 12 mit Elektrolyt
sowohl im Schaufelblattbereich als auch im Ringraum des Bauteils 2 bei
entsprechend genauer Abbildung der Außenkontur der Elektroden 12 gefahren
werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die
Elektroden 12 gemäß den Pfeilen IIc senkrecht
auf das Bauteil 2 zu oder von diesem weg zu bewegen und/oder
das Bauteil 2 gemäß Pfeil IId entlang
der Bewegungsachse A auf die Elektroden 12 zu bzw. von
diesen weg zu bewegen. Dabei können beispielsweise Geschwindigkeiten
in der Größenordnung zwischen 0,01 mm/min und
2,50 mm/min vorgesehen sein. Die Vorschubbewegungen der Elektrodenzustellung
und der Bauteilzustellung können als gewöhnliche
NC-Achsen ausgeführt werden.
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Der
Elektrolyt kann seinerseits gemäß Pfeil IIe zugeführt
werden, wobei die zwei Elektroden 12 einen Zuführkanal 24 für
den Elektrolyten ausbilden. Zum Abtragen der Oberfläche
des Bauteils 2 zumindest im Bereich des Aufmaßes
wird dann eine elektrische Spannung, vorzugsweise eine pulsierende Gleichspannung,
bzw. ein elektrischer Strom, vorzugsweise ein pulsierender Gleichstrom,
zwischen dem Bauteil 2 und den Elektroden 12 angelegt.
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Die
Bewegung der Elektroden 12 unter dem Anstellwinkel bei
gleichzeitig hoher Abbildungsgenauigkeit und kurzen Prozesszeiten
wird dabei durch die speziell konzipierte Vorrichtung 10 erzielt. Wie
aus 2 erkennbar ist, sind die Hydraulikdruckeinrichtungen 14 jeweils
als kompakte Bewegungseinheiten ausgebildet, wobei beide Hydraulikräume 18 durch
jeweilige Festkörpergelenke 26 fluidisch gegenüber
ihren jeweiligen Druckkolben 16 gekapselt sind. Die Hydraulikdruckeinrichtungen 14 sind
somit dichtungsfrei und beaufschlagen die Druckkolben 16 ausschließlich
unter elastischer Verformung der Festkörpergelenke 26.
Mit Hilfe der Vorrichtung bzw. der Hydraulikdruckeinrichtungen 14 sind
grundsätzlich eine wesentliche Erhöhung der Abbildungsgenauigkeit
des Bauteils 2, eine wesentliche Verkleinerung und Kostenreduzierung
der Vorrichtung 10 und eine erhöhte Qualität
der hergestellten Bauteile 2 ermöglicht.
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3 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
der Hydraulikdruckeinrichtung 16, welche zur Verwendung
in der in 2 gezeigten Vorrichtung 10 geeignet
ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der
Druckkolben 16 nicht abgebildet. Die Hydraulikdruckeinrichtung 16 umfasst
ein Gehäuse 28, welches den Grundkörper bildet.
In das Gehäuse 28 ist das Festkörpergelenk 26 integriert,
welches membranartig und ringförmig ausgebildet ist. Durch
Zuführen des Hydraulikmediums gemäß Pfeil
IIa in den ebenfalls ringförmigen Hydraulikraum 18 wird
eine Stellkraft auf den am Festkörpergelenk 26 anliegenden
Druckkolben 16 erzeugt. Zum Zurückbewegen des
Druckkolbens 16 in seine Nulllage umfasst das Gehäuse 28 eine
Rückstelleinrichtung 30, welche vorliegend als
integral mit dem Gehäuse 28 ausgebildetes Festkörpergelenk ausgebildet
ist und mittels welcher der Druckkolben 16 mit einer der
Stellkraft entgegengerichteten Rückstellkraft beaufschlagbar
ist.
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4 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Hydraulikdruckeinrichtung 14. Im Unterschied zum vorhergehenden
Ausführungsbeispiel besteht das Gehäuse 28 aus
einem Gehäuseoberteil 28a und einem Gehäuseunterteil 28b.
Der Druckkolben 16 ist über zwei Federelemente 32 mit
dem Gehäuse 28 der Hydraulikdruckeinrichtung 14 gekoppelt,
wodurch seine Nulllage definiert ist. Die Federelemente 32 sind ebenfalls
als elastisch verformbare Festkörpergelenke ausgebildet.
Das Gehäuseoberteil 28a und das Gehäuseunterteil 28b umfassen
jeweils einen Hydraulikraum 18a bzw. 18b, die
ihrerseits durch Festkörpergelenke 26 fluiddicht
gegenüber dem Druckkolben 16 gekapselt sind. Durch
Umpumpen der Hydraulikflüssigkeit über die Versorgungskanäle 20a, 20b gemäß Doppelpfeil 11a kann
der Druckkolben 16 mit einer Stell- oder einer Rückstellkraft
beaufschlagt werden. Die Bewegung des Druckkolbens 16 wird dabei
durch zwei Anschläge 34a, 34b begrenzt.
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5 zeigt
eine schematische Schnittansicht der beiden Elektroden 12 der
in 2 gezeigten Vorrichtung 10 zu Beginn
eines elektrochemischen Abtrag-Schrittes, wobei die Elektroden 12 gemäß Doppelpfeil
V mit einer oszillierenden Schwingungsbewegung bewegt werden. Die
dabei realisierten Amplituden liegen zwischen 0 und 1 mm bei einer Frequenz
von 0 bis 250 Hz.
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6 zeigt
eine schematische Schnittansicht der Elektroden 12 der
in 2 gezeigten Vorrichtung 10 nach Abschluss
des elektrochemischen Abtrag-Schrittes. Hierbei ist insbesondere
die exakte Abbildung der Außenkontur der Elektroden 12 auf
der Oberfläche des Bauteils 2 erkennbar.
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Die
in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von
Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung
von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch
im Rahmen von Abweichungen – beispielsweise aufgrund von
Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und
dergleichen – als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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