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HINTERGRUND
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Die Erfindung betrifft allgemein die elektrochemische Bearbeitung. Mehr im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine elektrochemische Bearbeitungseinrichtung und ein elektrochemisches Bearbeitungsverfahren zur Erzeugung von gekrümmten Löchern.
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Eine spezielle Ausbildung der elektrochemischen Bearbeitung, die als STEM-Verfahren (Shaped-Tube Electrochemical Machining) bekannt ist, wird zum Bohren von engen, tiefen Löchern in elektrisch leitenden Materialien benutzt. Das STEM-Verfahren ist ein kontaktfreies elektrochemisches Bohrverfahren, das Bohrungen mit einem Länge/Durchmesser-Verhältnis von bis zu 300 erzeugt. Es ist das einzige bekannte Verfahren, das dazu in der Lage ist, enge tiefe Bohrungen herzustellen, die zum Kühlen von Laufschaufeln leistungsfähiger Gasturbinen benutzt werden.
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Die Leistungsfähigkeit einer Gasturbinenmaschine ist direkt proportional zu der Temperatur der Turbinengase, die von der Brennkammer der Maschine zugeleitet werden und über die Turbinenlaufschaufeln strömen. Bspw. bei Gasturbinenmaschinen mit verhältnismäßig großen Laufschaufeln sind Turbinengastemperaturen, die bis 1500°C (2700°F) heranreichen, typisch. Um derart hohen Temperaturen zu widerstehen, sind die großen Laufschaufeln aus hochentwickelten Materialien hergestellt und enthalten typischerweise an sich bekannte Kühlmerkmale.
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Eine Turbinenschaufel ist typischerweise unter Verwendung eines Kühlmittels, wie der von einem Verdichter abgegebenen Luft gekühlt. Die Schaufel enthält typischerweise einen Kühlkanal, den die Luft durchströmt. Eine weitere Konstruktionsverbesserung bestand darin, innen liegende Riffel in der Kühlbohrung hinzuzufügen, um damit eine turbulente Strömung durch die Bohrung zu erzielen und die Wirksamkeit der Kühlung zu erhöhen. Kühlmaßnahmen in der Bohrung wie turbulenzsteigernde Rippen oder Turbulenzerzeuger erhöhen dadurch den Wirkungsgrad der Turbine.
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Die Kühlbohrungen haben normalerweise ein Aspektverhältnis oder ein Tiefe/Durchmesser-Verhältnis, das bis zu 300:1 groß ist, mit einem Durchmesser, der so klein ist, dass er nur wenige Millimeter beträgt. Die Turbulenzerzeuger erstrecken sich von den Seitenwänden der Bohrung aus in den Luftkanal, um bspw. 0,2 Millimeter (mm).
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Das gegenwärtig verwendete Verfahren zum Bohren der Kühlbohrungen in Turbinenschaufeln ist ein elektrochemisches Bearbeitungsverfahren, so genanntes STEM-Verfahren (STEM = Shaped-Tube Electrochemical Machining). Bei diesem Verfahren wird ein elektrisch leitendes Werkstück in einer festen Position bezüglich eines beweglichen Verteilers angeordnet. Der Verteiler trägt eine Anzahl Bohrrohre, von denen jedes dazu verwendet wird, eine Öffnung in dem Werkstück zu erzeugen. Die Bohrrohre wirken bei dem elektrochemischen Bearbeitungsverfahren als Kathoden, während das Werkstück als die Anode wirkt. Beim Fluten des Werkstücks mit einer Elektrolytlösung aus den Bohrrohren, wird Material an der Stirnwandkante der Bohrrohre abgetragen, um Löcher auszubilden. Ein derartiges elektrochemisches Bearbeitungsverfahren und eine zugehörige Bearbeitungseinrichtung sind beispielsweise aus der
WO 98/ 14 297 A1 bekannt.
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Bisher vorhandene STEM-Verfahren und -Einrichtungen, können lediglich gerade Bohrungen erzeugen. Es besteht aber ein Wunsch nach der Möglichkeit, gekrümmte Bohrungen zu bohren, die der Werkstückgeometrie besser angepasst sind, um die Kühlung heißer Bereiche, wie etwa von Gasturbinenschaufelplattformen, zu verbessern. Demgemäß besteht der Wunsch zur Schaffung einer verbesserten elektrochemischen Bearbeitungseinrichtung und eines verbesserten elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens zur Ausbildung von gekrümmten Löchern in elektrisch leitenden Werkstücken.
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DE 35 31 761 A1 offenbart eine elektrochemische Bearbeitungseinrichtung zur Bearbeitung gekrümmter Bohrungen in einem Werkstück mit einer gekrümmten, elektrisch leitenden Elektrode, die einen isolierenden Überzug aufweist.
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EP 0 248 068 B1 offenbart eine elektrochemische Bearbeitungseinrichtung zur Bearbeitung gekrümmter Bohrungen in einem Werkstück mit einer hohlen gekrümmten Elektrode, einer Spannungsquelle zur Beaufschlagung der gekrümmten Elektrode und des Werkstücks mit einer gepulsten Spannung, einer Drehantriebseinrichtung, um die gekrümmte Elektrode längs eines gekrümmten Weges in dem Werkstück zu bewegen und einem Vorratsbehälter zur Zuleitung eines Elektrolyts zu der gekrümmten Elektrode, wobei die Elektrode aus einer Seite des Vorratsbehälters herausragt.
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DE 44 28 207 A1 offenbart eine weitere elektrochemische Bearbeitungseinrichtung zur Bearbeitung gekrümmter Bohrungen mit einer verschwenkbaren hohlen kreisbogenförmigen Elektrode.
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KURZBESCHREIBUNG
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Ein erster Aspekt der Erfindung liegt in einer elektrochemischen Bearbeitungseinrichtung zur Bearbeitung gekrümmter Bohrungen in einem Werkstück. Die Bearbeitungseinrichtung weist mehrere hohle gekrümmte Elektroden und eine Spannungsquelle auf, die betriebsmäßig angeschlossen ist, um die mehreren hohlen gekrümmten Elektroden und das Werkstück mit einer gepulsten Spannung zu beaufschlagen. Die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung beinhaltet außerdem eine Drehantriebseinrichtung, die betriebsmäßig so angekuppelt ist, dass sie die mehreren hohlen gekrümmten Elektroden längs eines gekrümmten Weges in dem Werkstück bewegt. Die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung ist dazu eingerichtet, bei der Beaufschlagung der mehreren hohlen gekrümmten Elektroden und des Werkstückes mit der gepulsten Spannung, Material aus dem Werkstück abzutragen. Die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung beinhaltet außerdem einen Vorratsbehälter zur Zuleitung eines Elektrolyts zu den mehreren hohlen gekrümmten Elektroden, wobei der Vorratsbehälter mehrere Öffnungen definiert und jede der mehreren hohlen gekrümmten Elektroden sich jeweils durch eine der Öffnungen erstreckt, wobei die Drehantriebseinrichtung betriebsmäßig mit dem Vorratsbehälter verbunden ist, um jede der mehreren hohlen gekrümmten Elektroden längs eines jeweiligen Weges von mehreren gekrümmten Wegen in dem Werkstück zu bewegen. Wenigstens eine der Öffnungen ist in einer ersten Seite des Vorratsbehälters derart ausgebildet ist, dass jeweils eine der mehreren hohlen gekrümmten Elektroden sich von der ersten Seite des Vorratsbehälters aus erstreckt. Wenigstens eine der Öffnungen ist in einer zweiten Seite des Vorratsbehälters derart angeordnet ist, dass jeweils eine der mehreren hohlen gekrümmten Elektroden sich von der zweiten Seite des Vorratsbehälters aus erstreckt. Die jeweilige von der ersten Seite des Vorratsbehälters aus sich erstreckende Elektrode ist dazu eingerichtet, einen ersten Teil einer gekrümmten Bohrung in dem Werkstück zu erzeugen, und die jeweilige von der zweiten Seite des Vorratsbehälters aus sich erstreckende Elektrode ist dazu eingerichtet, einen zweiten Teil der gekrümmten Bohrung in dem Werkstück zu bearbeiten.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in einem elektrochemischen Bearbeitungsverfahren zur Ausbildung eines oder mehrerer gekrümmter Bohrungen in einem elektrisch leitenden Werkstück. Das Verfahren beinhaltet die Schritte des Zuführens einer gepulsten Spannung zu mehreren hohlen gekrümmten Elektroden und dem Werkstück, um Teile des Werkstückes unter Ausbildung der einen oder mehrerer gekrümmten Bohrunge(n) in dem Werkstück zu elektroerodieren, des Versetzens der mehreren hohlen gekrümmten Elektroden in Drehbewegung, um die jeweilige Elektrode längs eines gekrümmten Wegs in dem Werkstück vor zu bewegen, und des Zuleitens eines Elektrolyts in die eine oder mehreren Bohrungen, um elektroerodierte Teile des Werkstücks aus der jeweiligen Bohrung zu entfernen. Das elektrochemische Bearbeitungsverfahren weist insbesondere die folgenden Schritte auf: Zuführen der gepulsten Spannung zu einem ersten Satz der mehreren hohlen gekrümmten Elektroden und zu dem Werkstück, um Teile des Werkstückes zu elektroerodieren, um so einen oder mehrere Teile der jeweiligen einen oder mehreren gekrümmten Bohrung(en) in dem Werkstück auszubilden; Versetzen des ersten Satzes der mehreren hohlen gekrümmten Elektroden in Drehbewegung, um die jeweilige Elektrode(n) längs eines ersten Teiles des oder der gekrümmten Weg(e) in dem Werkstück vor zu bewegen; Zuführen der gepulsten Spannung zu einem zweiten Satz der mehreren hohlen gekrümmten Elektroden und zu dem Werkstück um Teile des Werkstückes zu elektroerodieren, um so einen oder mehrere zweite Teile der jeweiligen einen oder mehreren gekrümmten Bohrung(en) in dem Werkstück auszubilden; und Versetzen des zweiten Satzes der mehreren hohlen gekrümmten Elektroden in Drehbewegung, um die jeweilige Elektrode(n) längs eines zweiten Teiles des bzw. der jeweiligen Weg(e) in dem Werkstück vor zu bewegen. Jeder der jeweiligen ersten und zweiten Teile schneiden sich unter Ausbildung einer gekrümmten Bohrung. Die mehreren hohlen gekrümmten Elektroden werden von einer gemeinsamen Drehantriebseinrichtung in Drehung versetzt, wobei das elektrochemische Bearbeitungsverfahren außerdem das Zuleiten des Elektrolyten zu den mehreren hohlen gekrümmten Elektroden über einen gemeinsamen Vorratsbehälter beinhaltet und wobei die gepulste Spannung an die mehreren hohlen gekrümmten Elektroden über einen gemeinsamen Bus angelegt wird.
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ZEICHNUNG
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Das Verständnis dieser und anderer Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung erleichtert, in der in der ganzen Zeichnung gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen und in der:
- 1 eine beispielhafte Ausführungsform einer elektrochemischen Bearbeitungseinrichtung gemäß der Erfindung veranschaulicht;
- 2 ein Ausführungsbeispiel einer gekrümmten Elektrode zur Verwendung bei der elektrochemischen Bearbeitungseinrichtung nach 1 schematisch veranschaulicht;
- 3 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung zusätzlicher Elemente der elektrochemischen Bearbeitungseinrichtung nach 1 ist;
- 4 eine beispielhafte Vorratsbehälterausbildung schematisch veranschaulicht;
- 5 eine beispielhafte Führungsbüchse zur Führung der gekrümmten Elektrode der 2 bei der elektrochemischen Bearbeitungseinrichtung nach 1 schematisch veranschaulicht;
- 6 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens gemäß der Erfindung zur Ausbildung gekrümmter Bohrungen in einem Werkstück ist;
- 7 optionale Bearbeitungsschritte bei dem elektrochemischen Bearbeitungsverfahren nach 6 veranschaulicht;
- 8 eine Turbinenschaufelplattform in einer Draufsicht auf die Plattform veranschaulicht; und
- 9 ein anderes Ausführungsbeispiel einer gekrümmten Elektrode zur Verwendung in der elektrochemischen Bearbeitungseinrichtung nach 1 und zur Ausbildung wirbelerzeugender Riffel in einem gekrümmten Kühlkanal schematisch veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf
2 wird eine Elektrode 10 für ein elektrochemisches Bearbeitungsverfahren beschrieben. Wie beispielsweise in
2 veranschaulicht, weist die gebogene Elektrode 10 ein gekrümmtes elektrisch leitendes Teil 12 auf. So wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck „gekrümmt“, dass das elektrisch leitende Teil 12 nicht zylindrisch (oder gerade) ist, wie dies bei in gebräuchlicher Weise gestalteten STEM-Elektroden der Fall ist, wie sie beispielsweise in den
US-Patentschriften 6 200 439 und
6 303 193 der Anmelderin dargestellt sind, sondern dass sie vielmehr einen Krümmungsradius R aufweist, wie er beispielsweise in
2 veranschaulicht ist. Der Krümmungsradius R variiert abhängig von der jeweiligen Anwendung und dem entsprechenden Krümmungsradius, der in das Werkstück 20 einzubohrenden gekrümmten Bohrung 22. Die gekrümmte Elektrode 10 weist außerdem einen isolierenden Überzug 14 auf, der wenigstens einen Teil einer Seitenoberfläche des gekrümmten, elektrisch leitenden Teils 12 abdeckt. Bei der in
2 dargestellten beispielhaften Ausbildung erstreckt sich der isolierende Überzug über die gesamte freiliegende Seitenoberfläche des leitenden Teils 12, während bei der in
9 dargestellten beispielhaften Anordnung der isolierende Überzug 14 teilweise entfernt ist, um ausgewählte Teile des leitenden Teils 12 freizulegen. Nicht beschränkende Ausführungsbeispiele des isolierenden Überzugs 14 umfassen dielektrische Materialien - wobei das dielektrische Material vorzugsweise glatt sein soll - gleichmäßiger Dicke, die an der Oberfläche des Körpers satt haften, und frei von Poren oder Fremdmaterial sind. Beispielhafte geeignete dielektrische Materialien umfassen Polyethylen, Polytetrafluorethylen, Keramik und verschiedene Kautschukarten.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf ein spezielles Werkstück 20 beschränkt, sondern kann vielmehr zum Einbringen gekrümmter Bohrungen 22 in verschiedene elektrisch leitende Werkstücke 20 eingesetzt werden, zu denen, ohne darauf beschränkt zu sein, Gasturbinenkomponenten gehören. Zu nicht beschränkenden Beispielen geeigneter Materialien zur Ausbildung der elektrisch leitenden Komponenten 12 gehören Metalle und Metalllegierungen.
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Gemäß der Erfindung ist das bogenförmige, elektrisch leitende Endteil 12 hohl und dazu eingerichtet, einen Elektrolyten aufzunehmen, wobei das bogenförmige elektrisch leitende Teil 12 ein korrosionsfestes Material aufweist. Unter „korrosionsfest“ ist verstanden, dass das Material gegen elektrolytische Einwirkung widerstandsfähig ist. Nicht beschränkende Beispiele eines korrosionsfesten Materials, das zur Ausbildung des bogenförmigen Teils 12 geeignet ist, umfassen Titan und Titanverbindungen. Der Elektrolyt für STEM-Bearbeitungsvorgänge ist typischerweise eine saure Lösung. Beispielsweise kann ein saurer Elektrolyt wie eine HNO3- oder H2SO4- Lösung (8-20 Gewichtsprozent) verwendet werden.
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Bei bestimmten Ausführungsformen weist das bogenförmige, elektrisch leitende Teil 12 einen nicht kreisförmigen Querschnitt auf. Der Querschnitt der Elektrode kann z.B. elliptisch, oval, rennbahnförmig oder als ausgezogenes Oval gestaltet sein. Zu den Vorteilen solcher nicht kreisförmiger Querschnitte zählen eine verbesserte Kühlung für verschiedene Teile-(Werkstück 20-) Geometrien. Bei anderen Ausführungsformen kann die Elektrode auch einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
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Bei der in
9 dargestellten beispielhaften Ausbildung ist die seitliche Oberfläche des bogenförmigen, elektrisch leitenden Teils 12 lediglich teilweise mit dem isolierenden Überzug 14 abgedeckt. Wie beispielsweise in den
US Patentschriften 6 200 439 und
6 303 193 der Anmelderin beschrieben, die in ihrer Gesamtheit hier mit einbezogen sind, können durch Freilegen von Teilen der Seiten des elektrisch leitenden Teils einer STEM-Elektrode Turbulenz erzeugende Grate (Riffel) in den Stammbohrungen 22 in den Werkstücken 20 wirkungsvoll erzeugt werden. Zum Hintergrund sei gesagt, dass turbulenzerzeugende Riffel (oder Wirbelerzeuger) Kühlmerkmale in einem Kühlkanal sind, die Turbulenzen in dem Kühlkanal fördern und damit die Kühlung verbessern, wodurch wiederum z.B. der Wirkungsgrad einer Turbinenmaschine verbessert werden kann, indem die Temperatur erhöht wird, mit der die Turbinenmaschine betrieben werden kann. Zusätzlich können turbulenzerzeugende Grate 24 durch zyklische Veränderung der Spannung und/oder der Werkzeugvorschubgeschwindigkeit verändert werden.
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Vorteile der gekrümmten Elektrode 10 gegenüber gebräuchlichen zylindrischen STEM-Elektroden umfassen die Möglichkeit, gebogene STEM-Bohrungen 22 zu erzeugen. Die gebogenen STEM-Bohrungen 22 können die kritischen heißen Bereiche einer Komponente (z.B. Gasturbinen und Schaufeln) mit einer optimalen Kühlfächenüberdeckung überziehen.
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Eine Ausführungsform einer elektrochemischen Bearbeitungseinrichtung 30 gemäß der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 und 3 beschrieben. Die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 kann vorteilhafterweise dazu verwendet werden, gebogene Bohrungen (Kühlkanäle) 22 in einem Werkstück 20 zu erzeugen, um die Kühlung in kritischen heißen Bereichen des Werkstückes zu verbessern. Wie in den 1, 3 gezeigt, weist die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 wenigstens eine bogenförmige Elektrode 10 auf. Bei dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 vier bogenförmige Elektroden 10 auf. Dieses Beispiel ist aber lediglich illustrativ. Die bogenförmige Elektrode 10 ist im Vorstehenden im Einzelnen unter Bezugnahme auf die 2 und 9 erläutert.
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Wie beispielsweise in 3 dargestellt, weist die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 außerdem eine Spannungsquelle 32 auf, die betriebsmäßig angeschlossen ist, um eine gepulste Spannung an die wenigstens eine bogenförmige Elektrode 10 und an das Werkstück 20 anzulegen. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel ist die Spannungsquelle 32 eine bipolare, gepulste Spannungsquelle.
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Wie beispielsweise in den 1 und 3 dargestellt, weist die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 außerdem eine Drehantriebseinrichtung 34 auf, die betriebsmäßig so angekuppelt ist, dass sie die wenigstens eine gekrümmte Elektrode 10 längs eines bogenförmigen Weges in dem Werkstück 20 bewegt, wie dies beispielsweise in 2 angedeutet ist. Bei der in 1 beispielhaft dargestellten Anordnung, weist die Drehantriebseinrichtung 34 eine Ausführung einer zur Rotationsbewegung eingerichteten Welle 33 und eine auf der Welle 33 angeordnete Lagerhülse 35 auf, wobei die Lagerhülse 35 betriebsmäßig mit dem Vorratsbehälter 38 gekuppelt ist. Die Welle 33 kann ihrerseits durch einen Motor 48 angetrieben sein, wie dies beispielsweise in 3 angedeutet ist. Außerdem kann die Welle 33 optional von dem Motor 48 über ein (nicht dargestelltes) Untersetzungsgetriebe angetrieben sein. Diese spezielle Auslegung der Drehantriebseinrichtung 34 ist lediglich beispielhaft zu verstehen, und die Erfindung ist nicht auf diese speziellen Mechanismen zum Drehantrieb der Elektrode 10 beschränkt. Es können vielmehr verschiedene Drehantriebsmechanismen eingesetzt werden, vorausgesetzt, dass diese dazu geeignet sind, die Elektrode(n) 10 längs eines gekrümmten Weges in dem Werkstück 20 zu bewegen. Außerdem ist der Ausdruck „betriebsmäßig gekuppelt“ wie er hier verwendet ist, in der Bedeutung zu verstehen, dass die jeweiligen Komponenten (beispielsweise mechanisch oder elektrisch) direkt oder über andere Komponenten angekuppelt sein können. Außerdem bewegt sich zum Einrichten des Bohrvorgangs das Werkstück 20 bezüglich der Elektrode 10 um die Elektrode 10 in die jeweils gewünschte Position zu verbringen. Typischerweise ist während eines Bohrvorgangs lediglich die Drehbewegung notwendig. Außerdem können die Bewegungsteuereinrichtungen von gebräuchlichen STEM-Maschinen verwendet werden. Die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 ist demgemäß dazu ausgelegt, beim Anlegen der gepulsten Spannung an die wenigstens eine gekrümmte Elektrode 10 und an das Werkstück 20 Material aus dem Werkstück 20 abzutragen.
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Wie im Vorstehenden, unter Bezugnahme auf 2, erläutert, ist bzw. sind die gekrümmte Elektrode(n) 10 hohl, um einen Elektrolyten aufzunehmen und zu der Bearbeitungsstelle hin zu leiten. Bei der in 3 dargestellten Anordnung ist bzw. sind die Elektrode(n) 10 hohl und die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 weist außerdem eine Elektrolytfluidquelle 36 auf, die in Fluidverbindung mit der jeweiligen gekrümmten, hohlen Elektrode(n) steht, um einen Elektrolyten der jeweiligen gekrümmten, hohlen Elektrode(n) zuzuleiten. Bei einer nicht beschränkenden, beispielhaften Ausführungsform weist die Elektrolytfluidquelle 36 eine Pumpe auf. Die Elektrolytefluidquelle 36 kann zusätzliche (nicht dargestellte) Elemente enthalten, um den Elektrolyten zu konditionieren und rezirkulieren zu lassen, wie etwa einen oder mehrere (nicht dargestellte) Filter.
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Bei der in 1 dargestellten, beispielhaften Anordnung weist die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 außerdem einen Vorratsbehälter 38 auf, der an die Drehantriebseinrichtung 34 und die gekrümmte(n), hohle(n) Elektrode(n) 10 betriebsmäßig so angekuppelt ist, dass er die gekrümmte Elektrode(n) 10 längs des gekrümmten Weges in dem Werkstück 20 bewegt. Ein beispielhafter Vorratsbehälter ist schematisch in 4 veranschaulicht. Wie dargestellt, steht der Vorratsbehälter 38 in Fluidverbindung mit der Elektrolytfluidquelle 36, um den Elektrolyt aus der Elektrolytfluidquelle 36 aufzunehmen und den Elektrolyt der bzw. den Elektrode(n) 10 zuzuleiten. Bei der veranschaulichten Ausführungsform weist die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 außerdem einen Bus 39 auf, der an die Spannungsquelle 32 und die gekrümmte(n), hohle(n) Elektrode(n) 10 elektrisch angeschlossen ist, um der bzw. den Elektrode(n) 10 die gepulste Spannung zuzuleiten. Bei der in 4 veranschaulichten, beispielhaften Ausbildung ist der Bus 39, zumindest teilweise, in dem Vorratsbehälter 38 angeordnet. Mehr im Einzelnen ist bei der in 4 veranschaulichten Anordnung der isolierende Überzug 14 von den Enden der Elektrode(n) abgenommen, um das Ende des leitfähigen Teils 12 zum elektrischen Anschluss an dem Bus 39 freizulegen. Der in 4 veranschaulichte Vorratsbehälter 38 weist, genauer betrachtet, eine Anzahl Öffnungen 31 auf. Wie dargestellt, erstreckt sich jede der gekrümmten, hohlen Elektrode(n) 10 durch jeweils eine der Öffnungen 31. Wie beispielsweise in 1 veranschaulicht, ist die Drehantriebseinrichtung 34 mit dem Vorratsbehälter 38 betriebsmäßig so gekuppelt, dass sich jede der gekrümmten, hohlen Elektrode(n) 10 längs des jeweiligen gekrümmten Weges in dem Werkstück 20 bewegt.
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Bei den in den 1 und 4 dargestellten, beispielhaften Ausführungsformen sind zwei Öffnungen 31 in einer ersten Seite 41 des Vorratsbehälters 38 derart angeordnet, dass zwei der gekrümmten, hohlen Elektroden 10 sich, wie dargestellt, von der ersten Seite 41 des Vorratsbehälters 38 aus erstrecken. Zu bemerken ist, dass dies lediglich ein Beispiel ist und die Erfindung nicht auf eine spezielle Anzahl Öffnungen 31 oder Elektroden 10 beschränkt ist, sondern dass diese vielmehr abhängig von der speziellen Anwendung variieren. In ähnlicher Weise sind bei den in den 1 und 4 dargestellten beispielhaften Ausführungsformen zwei Öffnungen 31 auf einer zweiten Seite 43 des Vorratsbehälters 38 vorgesehen, und zwei gekrümmte, hohle Elektrode(n) 10 erstrecken sich von der zweiten Seite 43 des Vorratsbehälters 38 aus. Wie beispielsweise in 4 veranschaulicht, sind die von der ersten Seite 41 des Vorratsbehälters aus sich erstreckenden Elektrode(n) 10 dazu eingerichtet, jeweils einen ersten Teil 21 einer Anzahl gekrümmter Bohrungen 22 in dem Werkstück 20 zu bearbeiten. In ähnlicher Weise sind die von der zweiten Seite 43 des Vorratsbehälters 38 aus erstreckenden Elektrode(n) 10 dazu eingerichtet, jeweils einen zweiten Teil 23 der gekrümmten Bohrungen in dem Werkstück zu bearbeiten. Wie in 4 dargestellt, schneiden sich der jeweils erste und zweite Teil 21 bzw. 23, um eine jeweilige gekrümmte Bohrung 22 zu erzeugen. Auf diese Weise kann eine gekrümmte Bohrung 22 von beiden Seiten der gekrümmten Bohrung 22 aus bearbeitet werden.
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Wie beispielsweise in den 1 und 4 dargestellt, kann die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 außerdem eine Anzahl Führungen 42 aufweisen, um die jeweiligen von der ersten Seite 41 des Vorratsbehälters 38 aus sich erstreckenden Elektrode(n) 10 jeweils zu einer ersten Anfangsbearbeitungsstelle 45 auf dem Werkstück 20 hin zu führen und um die jeweiligen, von der zweiten Seite 43 des Vorratsbehälters 38 aus sich erstreckenden Elektrode(n) 10 jeweils zu einer zweiten Anfangsbearbeitungsstelle 47 auf dem Werkstück 20 hin zu führen. Generell kann die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 wenigstens eine Führung 42 aufweisen, die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine gekrümmte Elektrode 10 zu einer Ausgangsbearbeitungsstelle 45 und 47 auf dem Werkstück 20 hin zu führen. Bei einer nicht beschränkenden, beispielhaften Ausführungsform sind die Führungen 42 Führungshülsen oder -büchsen 42, wie sie beispielsweise in den 1 und 5 dargestellt sind.
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Bei der in 1 dargestellten, beispielhaften Anordnung weist die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 darüber hinaus eine Schutzplatte 44 auf, die abnehmbar auf einer Bearbeitungsstelle des Werkstückes 20 angeordnet sein kann. Bei der dargestellten Anordnung sind die Führungen 42 auf der Schutzplatte 44 angebracht. Die Schutzplatte 44 kann aus einem korrosionsfesten Material, wie Teflon®, Kunststoff oder aus keramischen Materialien ausgebildet sein. Teflon® ist ein von E.I. du Pont de Nemours and Company, mit dem Sitz in Wilmington, Delaware, vertriebenes Material.
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Wiederum Bezug nehmend auf das in 3 dargestellte schematische Blockschaltbild kann die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 außerdem eine Steuereinrichtung 46 aufweisen, die mit der Drehantriebseinrichtung 34 betriebsmäßig gekuppelt und dazu eingerichtet ist, die Bewegung der Drehantriebseinrichtung zu steuern. Beispielsweise kann, wie in 3 gezeigt, die Steuereinrichtung 46 mit einem Motor 48 verbunden sein, der zum Antreiben der Drehantriebseinrichtung 34 verwendet ist. Bei der in 3 dargestellten Anordnung ist die Steuereinrichtung 46 mit der zur Spannungsversorgung des Motors 48 verwendeten Spannungsquelle 80 verbunden. Die Steuereinrichtung 46 steuert ihrerseits den Vorschub der Elektrode(n) 10. Bei einer nicht beschränkenden beispielhaften Ausführungsform weist die Steuereinrichtung 46 eine numerische Computersteuerung (CNC) 46 auf, die betriebsmäßig mit dem Motor 48 und der bipolaren Spannungsquelle 32 gekuppelt ist. Die CNC 46 kann vorteilhafter Weise so programmiert sein, dass sie die Drehantriebseinrichtung 34 in einer Art und Weise ansteuert, die es erlaubt, das Werkstück 20 durch elektrochemische Korrosion so zu gestalten, dass (in 3 nicht dargestellte) gekrümmte Bohrungen 22 schnell und wirtschaftlich erzeugt werden können.
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Zu bemerken ist, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine spezielle Steuereinrichtung zur Durchführung der Verfahrensaufgaben der Erfindung beschränkt ist. Bei bestimmten Ausführungsformen beinhaltet die Steuereinrichtung einen oder mehrere Prozessoren. Der Ausdruck „Prozessor“ soll, so wie er hier verwendet ist, ein Gerät bezeichnen, das in der Lage ist, die Berechnungen oder rechnerischen Arbeitsschritte auszuführen, die notwendig sind, um die Aufgaben der Erfindung zu erfüllen. Der Ausdruck „Prozessor“ soll auch jegliches Gerät bezeichnen, das in der Lage ist, eine strukturierte Eingangsgröße zu empfangen und die Eingangsgröße entsprechend vorgegebenen Regeln zu verarbeiten, um eine Ausgangsgröße zu erzeugen. Außerdem ist zu bemerken, dass der Ausdruck „ausgelegt für oder eingerichtet“ so wie er hier verwendet ist, bedeutet, dass der Prozessor mit einer Kombination von Hardware und Software ausgerüstet ist, um die Aufgaben der Erfindung zu erfüllen, wie dies für den Fachmann selbstverständlich ist. Bei anderen Ausführungsformen ist die Steuereinrichtung vorprogrammiert um die Aufgaben der Erfindung zu lösen.
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Bei der in 3 dargestellten beispielhaften Anordnung ist die Steuereinrichtung 46 betriebsmäßig an die bipolare Spannungsquelle 32 angeschlossen und außerdem so ausgelegt, dass sie eine Impulsfolgesteuerung ausführt. Damit steuert die Steuereinrichtung 46 die Impulsdauer, Frequenz und Spannung der an die Elektrode(n) 10 und das Werkstück 20 angelegten gepulsten Spannung. Zusätzlich und für spezielle Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung außerdem so ausgelegt sein, dass sie selektiv eine Vorschubsgeschwindigkeit für die gekrümmten Elektrode(n) 10 und/oder die an die gekrümmte Elektrode(n) 10 angelegte, gepulste Spannung steuert, um eine oder mehrere turbulenzerzeugende Riffel 24 in einer in das Werkstück 20 eingebrachten gekrümmten Bohrung auszubilden. Eine beispielhafte turbulenzerzeugende Riffelung 24 ist in 9 dargestellt. Wie im Vorstehenden erläutert, verbessern turbulenzerzeugende Riffel 24 die Kühlung in einer Kühlbohrung, wodurch z.B. der Gesamtwirkungsgrad einer Turbinenmaschine erhöht wird.
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Zusätzlich zu den im Vorstehenden erörterten Merkmalen kann die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 weitere Elemente enthalten, zu denen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein graphisches oder anderes Display, wie etwa ein (nicht dargestelltes) graphisches CRT-Display gehören, um Signale zu überwachen, die von irgendeiner der Komponenten der im Vorstehenden beschriebenen Einrichtung geliefert werden. Ein solches graphisches oder sonst wie gestaltetes Display kann eine Diagnoseinformation für einen Maschinenbediener liefern, um sicherzustellen, dass jede Elektrode ordnungsgemäß arbeitet, oder um irgendeinen anderen Diagnosezweck zu erfüllen.
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Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens ist unter Bezugnahme auf die 1-7 beschrieben. Wie im Weiteren in Einzelheiten beschrieben, kann das elektrochemische Bearbeitungsverfahren zur Ausbildung einer oder mehrerer gekrümmter Bohrungen 22 in einem elektrisch leitenden Werkstück 20 benutzt werden. Wie beispielsweise in 6 dargelegt beinhaltet das Verfahren bei einem Schritt 60 das Anlegen einer gepulsten Spannung an eine oder mehrere gekrümmte Elektrode(n) 10 und an das Werkstück 20, um Teile des Werkstücks 20 zu elektroerodieren, um so eine oder mehrere gekrümmte Bohrungen in dem Werkstück 20 zu erzeugen. Beispielhafte gekrümmte Bohrungen 22 sind in den 2 und 4 veranschaulicht. Das Verfahren beinhaltet außerdem bei einem Schritt 62 jeweils einer oder mehreren gekrümmten Elektrode(n) 10 eine Drehantriebsbewegung zu erteilen, um die jeweilige Elektrode(n) 10 längs eines gekrümmten Weges in dem Werkstück 20 vor zu bewegen. Techniken zum Drehantrieb der Elektrode(n) 10 sind im Vorstehenden unter Bezugnahme auf die Ausführungsform der elektrochemischen Bearbeitungseinrichtung beschrieben. Das Verfahren beinhaltet weiterhin bei einem Schritt 64 das Einströmenlassen eines Elektrolyten in die eine oder die mehreren gekrümmten Bohrungen 22, um die elektroerodierten Teile des Werkstückes 20 aus der jeweiligen gekrümmten Bohrung 22 zu entfernen. Dies kann z.B. unter Verwendung der im Vorstehenden unter Bezugnahme auf 3 erläuterten Elektrolytfluidquelle 36 geschehen.
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Weitere Bearbeitungsschritte 66-74 sind unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Mehr im Einzelnen können der Zuleitungsschritt 64 und der Drehantriebsschritt 62 des elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens nach 6, jeweils Schritte 66-74 aufweisen. Bei der in den 4 und 7 speziell dargestellten Ausführungsform beinhaltet das Verfahren bei dem Schritt 66 das Anlegen der gepulsten Spannung an einen ersten Satz gekrümmter Elektrode(n) 10 und an das Werkstück 20, um Teile des Werkstückes 20 zu elektroerodieren, um so jeweils einen oder mehrere erste Teile 21 der jeweiligen Bohrungen der einen oder mehreren gekrümmten Bohrungen 22 in dem Werkstück 20 auszubilden. Der erste Satz Elektroden kann eine oder mehrere Elektrode(n) 10 beinhalten. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der erste Satz aus zwei Elektrode(n) 10. Wie in 7 veranschaulicht, beinhaltet das Verfahren bei einem Schritt 68 den Drehantrieb des ersten Satzes gekrümmter Elektrode(n)10, um die jeweilige Elektrode(n) längs eines ersten Teiles des gekrümmten Weges bzw. Wege, in dem Werkstück vor zu bewegen. Das Verfahren beinhaltet weiterhin bei einem Schritt 70 das Anlegen der gepulsten Spannung an einen zweiten Satz der gekrümmten Elektrode(n) 10 und an das Werkstück 20, um Teile des Werkstücks zu elektroerodieren, um so eine oder mehrere zweite Teile 23 der einen oder mehreren gekrümmten Bohrunge(n) in dem Werkstück auszubilden. Der zweite Satz Elektroden kann eine oder mehrere Elektrode(n) 10 beinhalten. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform besteht der zweite Satz aus zwei Elektrode(n) 10. Wie in 7 dargestellt, beinhaltet das Verfahren außerdem bei einem Schritt 72 den Drehantrieb des zweiten Satzes gekrümmter Elektrode(n) 10, um die jeweilige(n) Elektrode(n) 10 längs eines zweiten Teiles des jeweiligen gekrümmten Weges in dem Werkstück 10 vor zu bewegen. Wie in 4 aufgezeigt, schneiden sich jeder der jeweiligen ersten und zweiten Teile 21 und 23 unter Ausbildung einer jeweiligen gekrümmten Bohrung 22. Unter Verwendung des Verfahrens nach 7 kann vorteilhafterweise eine gekrümmte Bohrung 22 von beiden Enden der gekrümmten Bohrung 22 aus bearbeitet werden.
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Gemäß einer noch spezielleren Ausführungsform können Schritte 68 und 72 ausgeführt werden, indem jede der gekrümmten Elektrode(n) 10 unter Verwendung einer gemeinsamen Drehantriebseinrichtung 34 in Rotationsbewegung versetzt wird, wie dies im Vorstehenden, beispielsweise unter Bezugnahme auf die 1 und 3, erörtert wurde. Die eine oder die mehreren gekrümmten Elektrode(n) 10 sind hohl, und das elektrochemische Bearbeitungsverfahren beinhaltet weiterhin als Schritt 74 die Zufuhr eines Elektrolyten zu der oder den hohlen Elektrode(n) 10 über einen gemeinsamen Vorratsbehälter 38, wie im Vorstehenden beispielsweise unter Bezugnahme auf 4 erläutert worden ist. Zusätzlich kann die gepulste Spannung bei Schritten 66, 70 der bzw. den gekrümmten Elektrode(n) 10 über einen gemeinsamen Bus 39 zugeführt werden, wie dies im Vorstehenden unter Bezugnahme auf 4 erläutert worden ist.
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Zusätzlich kann das elektrochemische Bearbeitungsverfahren bei einem optionalen Schritt 76 die selektive Steuerung einer Vorschubgeschwindigkeit für die gekrümmte Elektrode(n) 10 und/oder der an die gekrümmten Elektrode(n) angelegten, gepulsten Spannung beinhalten, um eine oder mehrere wirbelerzeugende Riffel 24 in der jeweiligen in das Werkstück 10 eingebrachten, gekrümmten Bohrung 22 auszubilden. Wirbelerzeugende Vorsprünge 24 sind im Vorstehenden unter Bezugnahme auf 9 bereits erläutert und der Schritt 76 kann beispielsweise unter Verwendung einer Steuereinrichtung 46 ausgeführt werden, die im Vorstehenden unter Bezugnahme auf 3 erörtert worden ist.
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Das elektrochemische Bearbeitungsverfahren sowie die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung der vorliegenden Erfindung können zur Ausbildung gekrümmter Bohrungen in verschiedenen Komponenten verwendet werden. Eine Klasse von Komponenten beinhaltet Komponenten, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind (beispielsweise Gasturbinenkomponenten) und die deshalb Kühlkanäle erfordern. Die unter Verwendung der gekrümmten Elektrode, der elektrochemischen Bearbeitungseinrichtung und des Verfahrens gemäß der Erfindung erzeugten gekrümmten Bohrungen 22 ergeben eine verbesserte Kühlung. Abhängig von der jeweiligen Anwendung kann die Komponente (Werkstück) 20 eine oder mehrere gekrümmte Bohrungen 22 umschließen, die unter Verwendung des vorstehend beschriebenen elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens hergestellt worden sind. Ein nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel einer Komponente 20, die Vorteile aus den gekrümmten Bohrungen 22 zieht, ist eine Gasturbinenschaufel 20, wie sie in 1 dargestellt ist. 8 veranschaulicht eine Plattform der Turbinenschaufel (Laufschaufel) 20 bei einer Draufsicht auf die Plattform. Bei der in 8 veranschaulichten beispielhaften Anordnung sind mehrere gekrümmte Kühlbohrungen 22 in der Plattform 26 ausgebildet. Bei der veranschaulichten Anordnung stehen die gekrümmten Kühlbohrungen 22 in Fluidverbindung mit einer oder mehreren jeweils benachbarten Kühlbohrungen 28. Bei anderen Anordnungen jedoch können die gekrümmten Bohrungen 22 durch direkte Verbindung mit dem Laufschaufelkühlsystem in Fluidverbindung mit dem Laufschaufelkühlsystem stehen. Bei anderen Anordnungen können die gekrümmten Kühlbohrungen 22 mit dem Laufschaufelkühlsystem über gekrümmte (nicht dargestellte) Verbindungskühlbohrungen in Fluidverbindung stehen.
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Wenngleich lediglich bestimmte Merkmale der Erfindung hier veranschaulicht und beschrieben sind, so sind doch für den Fachmann viele Abwandlungen und Veränderungen denkbar. Es versteht sich deshalb, dass die beigefügten Patentansprüche alle diese Abwandlungen und Veränderungen mit umfassen sollen, soweit sie in den Rahmen der Erfindung fallen.
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Es wird eine Elektrode 10 für ein elektrochemisches Bearbeitungsverfahren geschaffen. Die Elektrode weist ein gekrümmtes, elektrisch leitendes Teil 12 und einen isolierenden Überzug 14 auf, der wenigstens einen Teil einer Seitenfläche des gekrümmten, elektrisch leitenden Teils abdeckt. Außerdem ist eine elektrochemische Bearbeitungseinrichtung 30 zur Bearbeitung gekrümmter Bohrungen 22 in einem Werkstück 20 geschaffen. Die Einrichtung weist wenigstens eine gekrümmte Elektrode 10 und eine Energiequelle 32 auf, die betriebsmäßig so angeschlossen ist, dass sie eine gepulste Spannung an die wenigstens eine gekrümmte Elektrode und an das Werkstück anlegt. Die Einrichtung verfügt außerdem über eine Drehantriebseinrichtung 34, die betriebsmäßig so angekuppelt ist, dass sie die wenigstens eine gekrümmte Elektrode längs eines gekrümmten Weges in dem Werkstück bewegt. Die Einrichtung ist dazu eingerichtet, beim Anlegen der gepulsten Spannung an die wenigstens eine gekrümmte Elektrode und an das Werkstück Material von dem Werkstück abzutragen. Außerdem ist ein elektrochemisches Bearbeitungsverfahren zur Ausbildung einer oder mehrerer gekrümmter Bohrungen in einem elektrisch leitenden Werkstück geschaffen.
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Teileliste:
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- 10
- Elektroden
- 12
- gekrümmtes elektrisch leitendes Teil
- 14
- isolierender Überzug
- 20
- Werkstück
- 21
- erster Teil einer STEM-Bohrung
- 22
- STEM-Bohrungen
- 23
- zweiter Teil einer STEM-Bohrung
- 24
- wirbelerzeugende Riffel oder Vorsprünge
- 26
- Turbinenschaufelplattform
- 28
- radiale Kühlbohrungen
- 30
- elektrochemische Bearbeitungseinrichtung
- 31
- Öffnungen in dem Vorratsbehälter
- 32
- STEM-Spannungsquelle
- 33
- Welle
- 34
- Drehantriebseinrichtung
- 35
- Lagerhülse
- 36
- Elektrolytfluidquelle
- 38
- Vorratsbehälter
- 39
- Bus
- 41
- erste Seite des Vorratsbehälters
- 42
- Führungen
- 43
- zweite Seite des Vorratsbehälters
- 44
- Schutzplatte
- 45
- erste Bearbeitungsanfangsstelle
- 46
- Steuereinrichtung
- 47
- zweite Bearbeitungsanfangsstelle
- 48
- Motor
- 60
- Schritt des Anlegens einer gepulsten Spannung an gekrümmte Elektrode(n)
- 62
- Schritt des Drehantriebs einer gekrümmten Elektrode bzw. von gekrümmten Elektroden
- 64
- Schritt des Einströmenlassens von Elektrolyt in gekrümmte Bohrung(en)
- 66
- Schritt der Zufuhr einer gepulsten Spannung an einen ersten Satz gekrümmter Elektrode(n)
- 68
- Schritt des Drehantriebs eines ersten Satzes von gekrümmten Elektrode(n)
- 70
- Schritt der Zufuhr einer gepulsten Spannung an einen zweiten Satz gekrümmter Elektrode(n)
- 72
- Schritt des Drehantriebs eines zweiten Satzes gekrümmter Elektrode(n)
- 74
- Schritt der Zufuhr eines Elektrolyten zu der bzw. den hohlen gekrümmten Elektroden
- 80
- Energiequelle
