DE102011051660A1

DE102011051660A1 - Verfahren, Vorrichtung und System zur flexiblen elektrochemischen Bearbeitung

Info

Publication number: DE102011051660A1
Application number: DE102011051660A
Authority: DE
Inventors: Yuefeng Luo; Larry Scott Duclos; Edward Adis William
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2012-01-12
Also published as: RU2011127685A; RU2572923C2; FR2962451A1; US8597489B2; JP5989975B2; JP2012016813A; US20120006691A1

Abstract

Ein herkömmlicher elektrochemischer Bearbeitungsprozess erfordert festgelegt geformte Werkzeugkathoden, was eine Werkzeugumrüstung zeitaufwendig und teuer macht. Flexible Werkzeugkathoden (400, 600, 900, 1000, 1100, 1200) enthalten elastisch verformbare Kathoden, die sich in zwei oder drei Dimensionen verformen und an die Kontur des Werkstückes (106) anpassen können, während sich das Werkstück (106) in Bezug auf die flexible Werkzeugkathode (400, 600, 900, 1000, 1100, 1200) bewegt. Das heißt, die flexible Werkzeugkathode kann einen Abfahrvorgang durchführen. Bestimmte flexible Werkzeugkathoden (900, 1000) können auch für spezielle Konfigurationen, wie z. B. Ecken und Kanten, verwendet werden. Die flexiblen Werkzeugkathoden (400, 600, 900, 1000, 1100, 1200) können auch dazu genutzt werden, das Werkstück (106) mittels elektrochemischer Prozesse zu polieren, endzubearbeiten oder zu formen.

Description

Einer oder mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein System zur flexiblen elektrochemischen Bearbeitung.
VERWANDTE ANMELDUNG
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Offenbarung kann mit den US-Anmeldungen 12/567,829 und 12/567,835, beide mit dem Titel ”SYSTEMS AND APPARATUS RELATING TO ELECTROCHEMICAL MACHINING” und eingereicht am 28. September 2009 verwandt sein, welche beide hierin in ihrer Gesamtheit durch Verweis aufgenommen sind.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Herkömmlicherweise umfassen Bearbeitungsverfahren, wie z. B. Drehen, Schleifen, Bohren und Fräsen, die Anwendung mechanischer Kräfte. In diesen Verfahren wird ein hartes Werkzeug zum Bearbeiten des Werkstückes verwendet, und somit muss das Werkzeug härter als das Werkstück sein. Jedoch kann es in einigen Anwendungen erwünscht sein, dass das Werkstück selbst aus harten Materialien besteht. Beispielsweise haben Laufschaufeln von Turbinentriebwerken hohe Anforderungen, einschließlich an die Härte, da sie widrigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Wenn das Werkstück selbst hart ist, ist eine herkömmliche mechanische Bearbeitung typischerweise nicht durchführbar.
Elektrochemische Bearbeitung (ECM – electrochemical machining) wird üblicherweise als ein alternatives Verfahren zum Bearbeiten harter Werkstücke genutzt. In der ECM wird ein elektrisch leitendes hartes Werkstück mit einem Werkzeug bearbeitet, welches ebenfalls elektrisch leitend ist. Während der ECM wird das als eine Kathode dienende Werkzeug in Bezug auf das als die Anode dienende Werkstück dergestalt angeordnet, dass ein Spalt dazwischen definiert wird, und der Spalt wird mit einem strömenden Elektrolyt, wie z. B. einer wässrigen Natriumnitratlösung, gefüllt. Ein Gleichstrom hoher Dichte mit niedriger Spannung wird zwischen dem kathodischen Werkzeug und dem anodischen Werkstück angelegt, um eine elektrolytische Auflösung des Werkstückes zu bewirken. Die Auflösungswirkung findet in einer elektrolytischen Zelle statt, die von dem kathodischen Werkzeug und dem durch den strömenden Elektrolyt getrennten anodischen Werkzeug gebildet wird. Das erodierte Material oder der Schlamm, eine Form von Metallhydroxid, wird mit dem strömenden Elektrolyt aus dem Spalt entfernt. Das anodische Werkstück nimmt im Wesentlichen eine Kontur an, die mit der Kontur des kathodischen Werkzeugs übereinstimmt. Der Schlamm kann aus dem Elektrolyt gefiltert werden, und dann kann der reine Elektrolyt wiederverwendet werden.
In der ECM verschleißt das Werkzeug nicht. Außerdem ist die Bearbeitungsgeschwindigkeit von der Härte des Werkstückes unabhängig. Somit können weiche Metalle, wie z. B. Kupfer und Messing, als das Werkzeug verwendet werden, um Werkstücke aus harten oder zähen Metallen, wie z. B. Kohlenstoffstahl, Inconel, Titan, Hastelloy oder Kovar und Legierungen davon zu formen, und die Werkzeugkathode kann wiederholt verwendet werden. Dieses ist vorteilhaft, da Formen, und sogar komplexe Formen, an weichen Metallen relativ leicht erzeugt und zum Formen von Werkstücken aus harten Metallen und Legierungen verwendet werden können.
Die ECM hat auch ihre Nachteile. Es muss für jede gewünschte Form in der herkömmlichen ECM ein spezielles Werkzeug gebaut werden. In einer Industrie, wie z. B. der Stromerzeugung, stellt selbst ein kleiner Wirkungsgradgewinn, wie z. B. von einem Prozent, signifikante Betriebskosteneinsparungen dar. Somit gestalten Turbinenhersteller ständig Turbinenlaufschaufeln und andere Turbinenteile neu, um schrittweise Wirkungsgradgewinne zu erzielen. Die Verwendung der herkömmlichen ECM unter solchen Umständen erfordert die regelmäßige Herstellung neuer Werkzeuge, was sehr teuer sein kann. Somit wäre es wünschenswert, elektrochemische Bearbeitungsverfahren, Vorrichtungen und Systeme bereitzustellen, die sich flexibel an Werkstücke mit unterschiedlichen Formen anpassen können, um die Kosten und die Zeit in Verbindung mit der herkömmlichen ECM zu reduzieren.
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein nicht einschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein flexibles elektrochemisches Werkzeug, um einen flexiblen elektrochemischen Prozess an einem Werkstück durchzuführen. Das flexible elektrochemische Werkzeug kann ein in zwei Dimensionen (2D) elastisch verformbares Metallblechband (streifenförmiges Metallblech), einen Maschinenstößel und mehrere Halteverbinder, die mit dem Maschinenstößel an ihren oberen Enden verbunden sind und mit der Bandkathode (streifenförmigen Kathode) an ihren unteren Enden entlang einer Längserstreckung der Bandkathode verbunden sind, aufweisen. Die mehreren Halteverbinder können wenigstens einen ortsfest fixierten Halteverbinder enthalten, dessen seitliche Position in Bezug auf den Maschinenstößel fixiert ist. Jeder Halteverbinder kann so angeordnet sein, dass sein Hub variiert, wenn sich die Bandkathode elastisch verformt. Jeder Halteverbinder kann auch einen Drehkoppler enthalten, der eingerichtet ist, um mit dem unteren Ende des Halteverbinders gekoppelt zu sein, und eingerichtet ist, um sich zu drehen, wenn sich die Bandkathode elastisch verformt.
Ein weiterer nicht einschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines flexiblen elektrochemischen Prozesses an einem Werkstück. In dem Verfahren kann ein flexibles elektrochemisches Werkzeug dergestalt positioniert werden, dass eine flexible Kathode der flexiblen elektrochemischen Werkzeugkathode mit einem Oberflächenabschnitt des Werkstückes in Eingriff steht, das in einem mit einem Elektrolyt gefüllten Arbeitsbehälter eingetaucht ist. Nachdem das Werkstück in Eingriff gebracht wurde, kann der Strom und Elektrolytfluss initiiert werden, um den elektrochemischen Bearbeitungsprozess zu starten. Dann kann die flexible Kathode zu einem ersten oder zweiten Ende des Werkstückes hin nachgeführt werden. Die Nachführung kann die Aufrechterhaltung des Strom- und Elektrolytflusses beinhalten, während die flexible Kathode in Bezug auf das Werkstück bewegt wird.
Ein weiterer nicht einschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein System zum Durchführen eines flexiblen elektrochemischen Prozesses an einem Werkstück. Das System kann einen Arbeitsbehälter, ein flexibles elektrochemisches Werkzeug mit einer flexiblen Kathode, einen Maschinenstößel, mehrere Klemmeinrichtungen (Klemmen) und eine Steuereinrichtung (Steuerung) aufweisen. Der Arbeitsbehälter kann mit einem Elektrolyt gefüllt sein. Die flexible Kathode kann in der Lage sein, sich kontinuierlich an eine Oberflächenkontur eines Werkstückes anzupassen. Der Maschinenstößel kann zur Bewegung der Werkzeugkathode eingerichtet sein. Die mehreren Klemmen können dafür eingerichtet sein, das Werkstück in dem Arbeitsbehälter zu befestigen. Die Steuerung kann dafür eingerichtet sein, die Werkzeugkathode dergestalt zu positionieren, dass die Werkzeugkathode mit einem Oberflächenabschnitt des in dem mit Elektrolyt gefüllten Arbeitsbehälter eingetauchten Werkstückes in Eingriff steht. Oder die Werkzeugkathode enthält Elektrolytkanäle, um den Elektrolyt ohne Eintauchen des Werkstückes der Elektrolytzelle zuzuführen. Die Steuerung kann auch dafür eingerichtet sein, den Strom- und Elektrolytfluss zu initiieren, nachdem das Werkstück In Eingriff gebracht wurde, um die flexible elektrochemische Bearbeitung zu starten. Die Steuerung kann ferner dafür eingerichtet sein, die Arbeitskathode zu einem ersten oder zweiten Ende des Werkstückes hin nachzuführen. Die Nachführung kann die Aufrechterhaltung des Strom- und Elektrolytflusses beinhalten, während die flexible Kathode in Bezug auf das Werkstück bewegt wird.
Ein weiterer nicht einschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein flexibles elektrochemisches Eckenbearbeitungswerkzeug, um einen flexiblen elektrochemischen Prozess an einem Werkstück durchzuführen. Das flexible elektrochemische Eckenbearbeitungswerkzeug kann eine Kathode, einen Maschinenstößel und ein Elastomer zwischen der Kathode und dem Maschinenstößel aufweisen, um eine adaptive Unterstützung bereitzustellen, so dass sich die Kathode an eine Form einer Ecke des Werkstückes anpasst. Die Ecke des Werkstückes kann durch zwei Seitenflächen gebildet sein, die sich im Wesentlichen in geraden Richtungen von einem Eckpunkt unter Ausbildung einer konkaven Oberfläche mit einem Eckenwinkel θ erstrecken. Die Kathode kann unter einem Winkel α für Eckenwinkel vorgebogen sein, der größer als θ ist. Der Unterschied sorgt für den erforderlichen Andruck der Eckenbearbeitungswerkzeugkathode an die Werkstückecke.
Ein weiterer nicht einschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein flexibles elektrochemisches Kantenbearbeitungswerkzeug, um einen flexiblen elektrochemischen Prozess an einem Werkstück durchzuführen. Das flexible elektrochemische Kantenbearbeitungswerkzeug kann eine Bandkathode, einen Maschinenstößel und ein Elastomer zwischen der Kathode und dem Maschinenstößel aufweisen, um eine adaptive Unterstützung zu schaffen, so dass sich die Kathode einer Form einer Kante des Werkstückes anpasst. Eine Kante des Werkstückes kann durch zwei Seitenoberflächen gebildet sein, die sich im Wesentlichen in geraden Richtungen von einem Kantenpunkt 1060 aus unter Ausbildung einer konvexen Oberfläche mit einem Kantenwinkel φ erstrecken. Die Bandkathode kann unter einem Winkel β für Kantenwinkel vorgebogen sein, der kleiner als φ ist. Der Unterschied sorgt für den erforderlichen Andruck der Kantenkathode an die Werkstückkante.
Ein weiterer nicht einschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein flexibles elektrochemisches Werkzeug, um einen flexiblen elektrochemischen Prozess an einem Werkstück durchzuführen. Das flexible elektrochemische Werkzeug kann eine Blechkathode, einen Maschinenstößel und mehrere Halteverbinder aufweisen. Die Blechkathode kann so eingerichtet sein, dass sie sich elastisch in drei Dimensionen (3D) verformen kann. Die mehreren Halteverbinder können an ihren oberen Enden mit dem Maschinenstößel verbunden sein und an ihren unteren Enden mit der Blechkathode entlang einer Oberseite der Blechkathode verbunden sein. Jeder Halteverbinder kann so angeordnet sein, dass sein Hub variiert, während sich die Blechkathode elastisch verformt. Jeder Halteverbinder kann auch einen unteren Koppler enthalten, der dafür eingerichtet ist, das untere Ende des Halteverbinders mit der flexiblen Blechkathode zu koppeln, während sich die Blechkathode elastisch verformt.
Ein weiterer nicht einschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein flexibles elektrochemisches Werkzeug, um einen flexiblen elektrochemischen Prozess an einem Werkstück durchzuführen. Das flexible elektrochemische Werkzeug kann eine Blechkathode, einen Maschinenstößel eine Elastomerverstärkung und wenigstens einen Sensor aufweisen. Die Blechkathode kann sich in 3D elastisch verformen. Der Maschinenstößel kann dafür eingerichtet sein, das flexible elektrochemische Werkzeug zu bewegen und eine Andruckkraft aufzubringen. Die Elastomerverstärkung kann dafür eingerichtet sein, eine elastische Unterstützung für die Blechkathode zu schaffen. Der Sensor kann dafür eingerichtet sein, eine Oberflächenhöhe eines Werkstückes zu messen, wenn das flexible elektrochemische Werkzeug mit einem Werkstück in Eingriff steht. Die Blechkathode kann sich fortwährend an eine Kontur des Werkstückes anpassen, wenn die Werkzeugkathode bewegt wird, während sie mit dem Werkstück in Eingriff steht.
Ein weiterer nicht einschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines flexiblen elektrochemischen Endbearbeitungsprozesses. In dem Verfahren kann ein flexibles elektrochemisches Werkzeug so positioniert werden, dass eine flexible Kathode des flexiblen elektrochemischen Werkzeuges mit einem Oberflächenabschnitt eines Werkstückes in Eingriff steht, das in einem mit einem Elektrolyt gefüllten Tank eingetaucht ist oder mit einem Elektrolyt aus der Werkzeugkathode besprüht wird. Nach der Herstellung des Eingriffs mit dem Werkstück kann der Strom- und Elektrolytfluss initiiert werden, um den flexiblen elektrochemischen Endbearbeitungsprozess zu starten. Das Werkstück kann flexibel elektrochemisch endbearbeitet werden, während das flexible elektrochemische Werkzeug zu einem ersten oder zweiten Ende des Werkstückes hin geführt wird. Der flexible elektrochemische Endbearbeitungsprozess kann die Endbearbeitung des Werkstückes dergestalt umfassen, dass Oberflächenfehler des Werkstückes korrigiert werden, wobei Oberflächenfehler als Abweichungen in einer Oberflächenhöhe eines Oberflächenteils definiert sind, die außerhalb eines vorbestimmten Toleranzgrenzwertes für den Oberflächenteil liegen. Der flexible elektrochemische Endbearbeitungsprozess kann durchgeführt werden, während die Werkzeugkathode mit dem Werkstück in Eingriff steht und sich relativ zu dem Werkstück bewegt.
Ein weiterer nicht einschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein System zum Durchführen eines flexiblen elektrochemischen Endbearbeitungsprozesses an einem Werkstück. Das System kann einen Arbeitsbehälter, ein flexibles elektrochemisches Werkzeug mit einer flexiblen Kathode, einen Maschinenstößel, mehrere Klemmeinrichtungen und eine Steuerung aufweisen. Der Arbeitsbehälter kann mit Elektrolyt gefüllt sein, oder das Werkzeug wird mit Elektrolyt aus der Werkzeugkathode besprüht. Das flexible elektrochemische Werkzeug kann eine Bandkathode enthalten, und das flexible elektrochemische Werkzeug kann sich fortwährend an eine Oberflächenkontur eines Werkstückes anpassen. Der Maschinenstößel kann zur Bewegung des flexiblen elektrochemischen Werkzeugs eingerichtet sein. Die mehreren Klemmeinrichtungen können dafür eingerichtet sein, das Werkstück in dem Arbeitsbehälter zu sichern. Die Steuerung kann dafür eingerichtet sein, das flexible elektrochemische Werkzeug dergestalt zu positionieren, dass die flexible Kathode mit einem Oberflächenabschnitt des Werkstückes, der in dem mit Elektrolyt gefüllten Arbeitsbehälter eingetaucht ist oder mit Elektrolyt aus dem flexiblen elektrochemischen Werkzeug besprüht wird, in Eingriff steht. Die Steuerung kann auch dafür eingerichtet sein, den Strom- und Elektrolytfluss zu initiieren, nachdem die Eingriffsverbindung mit dem Werkstück hergestellt wurde, um den flexiblen elektrochemischen Endbearbeitungsprozess zu starten. Die Steuerung kann ferner dafür eingerichtet sein, eine Endbearbeitung an einem ersten oder einem zweiten Ende des Werkstückes auszuführen. Der flexible elektrochemische Endbearbeitungsprozess kann die Endbearbeitung des Werkstückes dergestalt umfassen, dass Oberflächenfehler des Werkstückes korrigiert werden, wobei Oberflächenfehler als Abweichungen in einer Oberflächenhöhe eines Oberflächenabschnitts definiert sind, die sich außerhalb eines vorbestimmten Toleranzgrenzwertes für den Oberflächenabschnitt befinden. Das Werkstück kann flexibel elektrochemisch endbearbeitet werden, während das flexible elektrochemische Werkzeug mit dem Werkstück in Eingriff steht und sich in Bezug auf das Werkstück bewegt.
Die Erfindung wird nun detaillierter in Verbindung mit den nachstehend angegebenen Zeichnungen beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verständlich, in welchen zeigen:
1 ein herkömmliches elektrochemisches Bearbeitungssystem;
2 ein Beispiel einer Werkzeugkathode der verwandten Anmeldung;
3 die Werkzeugkathode der verwandten Anmeldung, angelegt an ein Werkstück;
4a und 4b ein flexibles elektrochemisches 2D-Werkzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in zusammengedrücktem und nicht zusammengedrücktem Zustand;
5 einen Aufbau einer flexiblen Bandkathode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ein flexibles elektrochemisches 2D-Werkzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ein System zum Durchführen einer flexiblen elektrochemischen Prozesses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Durchführen eines flexiblen elektrochemischen Polierprozesses gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
9a und 9b ein flexibles elektrochemisches Eckenbearbeitungswerkzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10a und 10b ein flexibles elektrochemisches Kantenbearbeitungswerkzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11a und 11b ein flexibles elektrochemisches 3D-Werkzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12a und 12b ein flexibles elektrochemisches 3D-Werkzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13a und 13b ein flexibles elektrochemisches Werkzeug mit Sensoren gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Durchführen eines flexiblen elektrochemischen Endbearbeitungsprozesses gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung; und
15 ein Flussdiagramm eines beispielhaften flexiblen elektrochemischen Endbearbeitungsprozesses, der während einer Werkstücknachführung ausgeführt wird, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie hierin beschrieben, können flexible elektrochemische Prozesse gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung eine relativ schnelle Möglichkeit zum Endbearbeiten, Polieren und/oder Formen von Werkstücken bereitstellen. In einem oder mehreren nicht einschränkenden Aspekten werden flexible elektrochemische Werkzeuge bereitgestellt, welche sich an die allgemeinen Konturen unterschiedlicher Werkstücke anpassen können.
In 1 ist ein herkömmliches ECM-System dargestellt. Das ECM-System 100 enthält eine Energieversorgung 102, ein Werkzeug 104 bzw. ein Werkstück 106, die als eine Kathode bzw. eine Anode einer elektrolytischen Zelle dienen, eine Elektrolytpumpe 108 und einen Elektrolytbehälter 110. Die Form des Werkzeugs 104 ist festgelegt. Im Betrieb werden das Werkzeug 104 und das Werkstück 106 so positioniert, dass ein relativ enger Zwischenelektrodenspalt 112 durch den Raum dazwischen definiert wird. Die Energieversorgung 102 wird dazu genutzt, eine Spannung über dem Werkstück 106 und dem Werkzeug 104 anzulegen.
Das System 100 enthält ein Elektrolytsystem, um einen ständigen Strom von unter Druck stehendem Elektrolyt in den Spalt 112 zu pumpen, in welchem der Elektrolyt aus einem Elektrolytbehälter 110 durch die Pumpe 108 gepumpt und an hohle Elektrolytkanäle 114 geliefert wird, die in dem Werkzeug 104 ausgebildet sind. Die Kanäle 114 führen den Elektrolyt in Richtung auf das Werkstück 106. Der Elektrolyt tritt aus dem Kanal aus der Werkzeugkathode 104 aus und strömt mit relativ hoher Geschwindigkeit und hohem Druck durch den Spalt 112.
Das Werkstück 106 wird durch Metallabtrag des Werkstückmetalls durch elektrochemische Auflösung des anodisch polarisierten Werkstückes 106 geformt. Während des ECM-Vorgangs entfernt der sich durch den Spalt 112 bewegende Elektrolyt das elektrochemische Auflösungsmaterial von dem Werkstück 106 und verringert dadurch den Formfehler des Werkstückes 106. Die Metallabtragsrate ist im Wesentlichen umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen der Kathode und der Anode. Wenn das Werkzeug 104 näher an das Werkstück 106 herangeführt wird, tendiert der Abstand, d. h. der Spalt 112, zwischen dem kathodischen Werkzeug 104 und dem anodischen Werkstück 106 entlang dem Längsverlauf des Werkzeugs 104 und des Werkstückes 106 zu einem stationären Zustandswert, und das Werkstück 106 nimmt im Wesentlichen die Kontur der Werkzeugkathode 104 an.
Wie angemerkt, ist das Werkzeug 104 für die Erzeugung des entsprechenden Werkstückes 106 in der herkömmlichen ECM besonders, einzigartig geformt. Die Herstellung vieler Werkzeuge 104, jedes mit seiner einzigartigen Form und mit den darin konfigurierten notwendigen Elektrolytkanälen 114, kann teuer sein. Wenn ein Werkzeug 104 zum Herstellen einer relativ kleinen Anzahl entsprechender Werkstücke 106 verwendet wird, kann das Kostenproblem übermäßig werden.
In der vorstehend erwähnten verwandten Anmeldung ist ein Kathodenwerkzeug beschrieben, welches einen erheblichen Grad an Austauschbarkeit bereitstellt. 2 veranschaulicht ein Beispiel eines verwandten Werkzeugs 300, das aufgrund seiner Flexibilität, welche für das herkömmliche Werkzeug nicht zutrifft, bei einer Vielzahl von Werkstückformen verwendet werden kann. Das in 2 dargestellte Werkzeug 300 enthält eine Kathode 302, Abstandshalterbeläge 304, eine Elastomerverstärkung 306, leitende Bänder 308 und einen Elektrolytkanal 310. Ein Maschinenstößel 312 kann die Werkzeugkathode 302 bewegen oder positionieren, so dass sie in einer gewünschten Weise mit einem Werkstück in Eingriff steht.
Die Kathode 302 ist ein relativ dünnes und flexibles elektrisch leitendes Material. Gemäß Darstellung in 3 stellt die Elastomerverstärkung 306 eine Formnachgiebigkeit bereit, um der Kathode 302 eine Verformung und somit eine Anpassung an die Oberflächenkontur des Werkstückes 106 zu ermöglichen. Die elastische Verformung ist dergestalt, dass sich die Außenoberfläche der Kathode 302 in einem gewünschten Abstand von der Oberfläche des Werkstückes 106 befindet, was die Ausführung effizienter ECM-Prozesse ermöglicht. Auf diese Weise ermöglicht das verwandte Werkzeug 300 das Polieren einer im Wesentlichen dreidimensionalen Oberfläche, ohne mehrere Kathodenformen zu erfordern.
Wenn das Werkstück 106 eine größere Oberfläche als das Werkzeug 300 hat, wird das Werkzeug 300 an unterschiedliche Abschnitte des Werkstückes 106 mit jeweils einem Abschnitt pro Zeitpunkt angelegt. Insbesondere wird das Werkzeug 300 und genauer die Kathode 302 nach unten gedrückt, um einen Oberflächenabschnitt des Werkstückes 106 zu umfassen. Nachdem der Oberflächenabschnitt umfasst ist, werden die Elektrolyt- und Stromversorgung eingeschaltet, um den in Eingriff stehenden Oberflächenabschnitt unterhalb der Kathode 302 zu polieren. Nach dem Polieren des Oberflächenabschnittes wird das Werkzeug 300 angehoben und verschoben, um einen neuen Oberflächenabschnitt zu umfassen und den neuen Oberflächenabschnitt zu polieren. Dieser Zyklus eines intermittierenden Polierprozesses dauert an, bis die gesamte Oberfläche des Werkstückes poliert ist.
4a und 4b veranschaulichen ein flexibles zweidimensionales (2D) elektrochemisches Werkzeug (FEC-Werkzeug) 400, welches zum Durchführen einer flexiblen elektrochemischen Prozesses (FEC-Prozesses) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Zur Erleichterung der Bezugnahme sind die Richtungen X, Y und Z in diesen Figuren angezeigt. ”X” bezeichnet eine Seite-zu-Seite- oder Lateralrichtung; ”Y” bezieht sich auf eine Aufwärts/Abwärts- oder Vertikalrichtung; und ”Z” bezieht sich auf die Ein-/Auswärtsrichtung. Es dürfte erkennbar sein, dass, wenn Komponenten oder Ausführungsformen als in einer speziellen Position befindlich oder in einer speziellen Richtung sich bewegend beschrieben werden, dieses für beschreibende Zwecke erfolgt und nicht als Einschränkung gedacht ist. Beispielsweise bedeutet es, wenn eine Komponente, wie z. B. ein FEC-Werkzeug, als sich vertikal bewegend beschrieben wird, nicht notwendigerweise, dass sich die Komponente in der tatsächlichen Implementierung in der Schwerkraftrichtung bewegen muss.
Eine von mehreren Motivationen hinter der vorliegenden Erfindung besteht in der Möglichkeit, das Werkstück abzufahren oder nachzuführen. So wie in diesem Dokument verwendet, bezieht sich ”Abfahren” oder „Nachführen” auf eine Möglichkeit, einen flexiblen elektrochemischen Prozess durchzuführen, während das Werkstück und das FEC-Werkzeug in Bezug zueinander bewegt werden. Beispielsweise kann ein Werkzeug durch Abfahren poliert werden. Es dürfte erkennbar sein, dass im Vergleich zu dem intermittierenden Polierprozess, der vorstehend im Zusammenhang mit der verwandten Anmeldung beschrieben wurde, der kontinuierliche Polierprozess schneller sein sollte. Das Abfahren hat auch weitere wünschenswerte Qualitäten, wie es durchgängig durch dieses Dokument hinweg dargestellt ist.
Der Ausdruck ”flexibler elektrochemischer Prozess” (auch als FEC-Prozess bezeichnet) ist in dem vorstehenden Absatz eingeführt. Der FEC-Prozess umfasst in weitem Sinne unter anderem Prozesse, wie z. B. Polieren, Endbearbeiten und Formen. Die FEC-Prozesse sollten von dem herkömmlichen ECM-Prozess unterschieden werden, in welchem eine feste Kathodenform dazu verwendet wird, Metallstücke von den Werkstücken zu entfernen. Die in diesem Dokument beschriebenen FEC-Prozesse beziehen sich, soweit nicht anderweitig ausdrücklich festgestellt, auf die Entfernung einer Schicht oder von Schichten aus Metall von der Werkstückmetalloberfläche unter Verwendung flexibler elektrochemischer Werkzeuge.
Es dürfte auch erkennbar sein, dass das Werkstück und das FEC-Werkzeug in Bezug zueinander bewegt werden können, indem das eine, das andere oder beide bewegt werden. Somit sollten, soweit nicht andererseits explizit angegeben, Feststellungen, wie z. B. ”A in Bezug auf B bewegt” als äquivalent zu Feststellungen, wie z. B. ”B in Bezug auf A bewegt, und ”A und B in Bezug zueinander bewegt”, betrachtet werden und sollten somit alle Möglichkeiten einer Relativbewegung umfassen. Außerdem sollten Feststellungen wie z. B. ”A auf B zu/davon weg bewegt” und ”A und B aufeinander zu/voneinander weg bewegt” als eine Angabe relativer Bewegungen betrachtet werden.
Um eine sanfte Abfahrbewegung zu ermöglichen, ist ein gewisser Grad an lateraler Steifigkeit wünschenswert. Laterale Steifigkeit sorgt für eine stabilere laterale Bewegung auf gekrümmten Teileoberflächen. Die in den 4a und 4b dargestellte Ausführungsform eines FEC-Werkzeugs stellt eine derartige laterale Steifigkeit und vertikale Flexibilität bereit. 4a veranschaulicht einen nicht angedrückten Zustand des FEC-Werkzeugs 400, und 4b stellt einen angedrückten Zustand dar. Das FEC-Werkzeug 400 kann eine Bandkathode (streifenförmige Kathode) 402, einen Maschinenstößel 412 und mehrere Halteverbinder 420 enthalten. Wie es nachstehend weiter erläutert ist, können die mehreren Halteverbinder 420 wenigstens einen fixierten Halteverbinder und wenigstens einen nicht-fixierten Halteverbinder aufweisen. Der Maschinenstößel 412 kann mit den Halteverbindern 420 an den oberen Enden der Halteverbinder 420 verbunden sein. Die unteren Enden der Halteverbinder 420 können mit der Bandkathode 402 entlang eines Längsverlaufs der Bandkathode 402 verbunden sein.
Die Bandkathode 402 ist bevorzugt elastisch verformbar, d. h., in 2D flexibel. Die Erläuterung ist wie folgt. In 4a ist die Bandkathode 402 im nicht angedrückten Zustand längsweise in der lateralen Richtung positioniert. D. h., die Bandkathode 402 ist in der X-Richtung in dem nicht angedrückten Zustand geradlinig. In dem angedrückten Zustand, wie in 4b zu sehen, verformt oder verbiegt sich die Bandkathode 402 elastisch in der vertikalen Richtung an unterschiedlichen Punkten entlang ihrer Längserstreckung in der lateralen Richtung, und der Verformungsgrad in der Y-Richtung kann entlang unterschiedlichen X-Positionen der Bandkathode 402 unterschiedlich sein und stimmt mit der Oberflächenkontur des Werkstückes 106 überein.
Eine Analogie ist die eines Scheibenwischers, der sich einer Krümmung einer Autowindschutzscheibe anpasst, wenn der Wischer und die Windschutzscheibe in Bezug zueinander bewegt werden. Einer von mehreren Vorteilen des FEC-Werkzeuges 400 besteht darin, dass die Bandkathode 402 leichter für eine 2D-Krümmungslinie gebogen werden kann. Die Bandkathode 402 kann auch leicht zurückfedern, wenn das Werkstück 106 seine Oberfläche verändert.
Wenn das FEC-Werkzeug 400 unter Andruck steht, wie es in 4b dargestellt ist, ist zu sehen, dass vertikale Längen der unterschiedlichen Halteverbinder 420 unterschiedlich sind, d. h., deren Hübe unterschiedlich sind, um sich an die Krümmung des Werkstückes 106 anzupassen. Somit können die Halteverbinder 420 ihre Hübe verändern, während sich die Bandkathode 402 elastisch in 2D verformt. Jedoch wird es bevorzugt, dass die Halteverbinder 420 unabhängig von den Hüben einen gleichmäßigen Druck ausüben. Dies schafft eine vertikale Flexibilität dergestalt, dass sich die Bandkathode 402 an die gekrümmte Oberfläche des Werkstückes 106 anpassen kann.
In einer Ausführungsform sind die Halteverbinder 420 Luftzylinder, und jeder Zylinder 420 kann ein vertikales Gleitlager 427 und eine Feder 428 enthalten. Das Lager 427 und die Feder 428 ermöglichen dem Zylinder 420, eine elastische Unterstützung so zu schaffen, dass sich die flexible Bandkathode 402 der Oberflächenkontur des Werkstückes 106 anpassen kann.
Der Luftzylinder 420 kann ferner einen Kolben 429 enthalten, welcher in der vertikalen Richtung durch irgendeinen bekannten Antriebsmechanismus bewegt werden kann, und der Luftdruck in dem Zylinder 420 kann beispielsweise über (in den 4a und 4b nicht dargestellte) Steuerungen genau gesteuert werden. Unter Verwendung der Konstantluftdruck- und Antriebsmechanismen kann der Hub jedes Zylinders 420 gemäß der Kontur des Werkstückes 106 eingestellt werden, was wiederum eine Steuerung der Verformung der Bandkathode 402 ermöglicht. Wie es nachstehend gezeigt wird, stellt die Fähigkeit, die Bandkathode 402 zu formen, eine vorteilhafte Fähigkeit zum Endbearbeiten des Werkstückes 106 bereit. Der Antriebsmechanismus kann in dem Maschinenstößel 402 eingebaut sein. Der Zylinder 420 kann durch den Antriebsmechanismus seinen Hub auf der Basis der Werkstückkontur variieren, um so die Bandkathode 402 elastisch zu verformen und die Werkstückoberfläche zu umfassen.
Wie erwähnt, wird es bevorzugt, dass der von den mehreren Zylindern 420, d. h. den mehreren Halteverbindern 420, ausgeübte Druck im Wesentlichen gleich ist. D. h., die Halteverbinder 420 können einen variablen Hub und einen im Wesentlichen konstanten Druck haben, welchen der konstante Luftdruck in dem Zylinder sicherstellt. Alternativ können neben anderen hydraulische oder elektromagnetische Mechanismen als Halteverbinder 420 verwendet werden.
Jeder Halteverbinder 420 kann einen Drehkoppler 450 enthalten, der das untere Ende des entsprechenden Halteverbinders 420 mit der Bandkathode 402 verbindet. Ein Beispiel für einen Drehkoppler 450 ist ein Zapfenlager. Gemäß Darstellung in 4b drehen sich die Zapfenlager 450, um die sich vertikal erstreckenden Halteverbinder 420 mit der gekrümmten Bandkathode 402 mit ihrem Elastomerverstärkungsband 445 zu koppeln.
Während die Bandkathode 402 elastisch in 2D verformt wird, wird sie in der lateralen Richtung verkürzt. Gleitkoppler 430 über den äußeren Halteverbindern 420 ermöglichen die Zylinderverschiebung 460, um die sich vertikal erstreckenden Halteverbinder 420 mit der gekrümmten und somit lateralen verkürzten Bandkathode 402 zu verbinden. Die mit den Gleitkopplern 430 verbundenen Halteverbinder 420 werden als nicht-fixierte Halteverbinder bezeichnet, da sie bevorzugt innerhalb bestimmter Grenzen in Bezug auf den Maschinenstößel 412 in der lateralen Richtung gleiten dürfen.
Andererseits kann es bevorzugt sein, dass wenigstens ein ortsfester oder fixierter Halteverbinder 420, dessen laterale Position in Bezug auf den Maschinenstößel 412 festgelegt ist, vorhanden ist. In den 4a und 4b ist der mittige Halteverbinder 420 mit seiner lateralen Position an einer festen Verbindung 440 mit der Maschine 412 fixiert dargestellt. Dies ist lediglich ein Beispiel und keine Einschränkung. Es kann jeder beliebige von den Halteverbindern 420, einschließlich der nicht mittigen Halteverbinder, fixiert sein.
Die Drehkoppler 450 und die Gleitkoppler 430 ermöglichen den nicht-fixierten Halteverbindern, sich im Wesentlichen vertikal geradlinig von dem Maschinenstößel 412 auszudehnen oder zusammenzuziehen und mit der gekrümmten und seitlich verkürzten Bandkathode 402 verbunden zu sein. Der fixierte Halteverbinder dehnt sich aufgrund seiner festen Verbindung im Wesentlichen vertikal gerade von dem Befestigungskolben bzw. Stößel 312 aus oder zieht sich zusammen. Die Drehkoppler 450 ermöglichen sowohl den fixierten als auch nicht-fixierten Halteverbindern 420, sich im Wesentlichen senkrecht zu der Oberflächenkontur anzupassen, wie in 4b zu sehen.
Es wird angenommen, dass während der flexiblen EC-Prozessoperation das FEC-Werkzeug 400 in der Z-Richtung – in die Papierebene in 4a und 4b hinein und aus dieser heraus – in Bezug auf das Werkstück 106 bewegt wird. Das FEC-Werkzeug 400 kann die Oberfläche des Werkstückes 106 entlang der Z-Richtung abfahren. Während das FEC-Werkzeug 400 in der Z-Richtung angetrieben wird, können alle Halteverbinder 420, sowohl fixierte als auch nicht fixierte, variierende Hübe annehmen, um eine laterale Steifigkeit für die Antriebskraft sowie einen vertikalen Freiheitsgrad für die Kathodenflexibilität bereitzustellen. Zur Verdeutlichung sind Elektrolyt- und Stromzufuhrverbindungen nicht dargestellt.
5 stellt einen exemplarischen flexiblen Kathodenaufbau dar, der die von unten betrachtete Bandkathode 402 enthält. Man beachte, dass in 5, da die Ansicht von unten zeigt, die Y-Richtung nun in das und aus dem Papier, wie dargestellt, verläuft. Bevorzugt ist die Bandkathode 402 flach, relativ lang und dünn. Die relativen Abmessungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Der Aufbau 500 ist bevorzugt wesentlich länger als breit, so dass die Kathode 402 in der Praxis als ein Band oder Streifen, d. h. eine linienförmige Kathode, betrachtet werden kann. Die Kathode 402 kann aus einem flexiblen Metallblech mit einer Gummibandverstärkung ausgebildet sein.
Der Aufbau 500 kann auch mehrere Einlässe 510 zur Zuführung des Elektrolyts und mehrere Auslässe 520 enthalten, um den Elektrolyt ausströmen zu lassen. Zwischenräume zwischen mehreren Isolationsabstandshaltern 530 definieren die Auslässe 520 in dieser Ausführungsform. Der Aufbau 500 enthält auch ein oder mehrere isolierende Distanzstücke 535. Die Distanzstücke 535 und Abstandshalter 530 führen den Elektrolyt von den Einlässen 510 zu den Auslässen 520 und verhindern Leckströme und Austritte des Elektrolyten zu den Seiten und nach hinten. Die isolierenden Distanzstücke 535 und die Isolationsabstandshalter 530 haben alle vorzugsweise eine vorbestimmte Dicke (in die Seite hinein und aus dieser heraus), um so einen gut definierten Zwischenelektrodenspalt zwischen der Kathode 402 und dem (in 5 nicht dargestellten) Werkstück 106 bereitzustellen.
Bevorzugt ist eine Isolationsbeschichtung 540 auf Bereiche aufgebracht, in welchen der Elektrolytfluss nicht stabil ist. Ein instabiler Elektrolytfluss kann eine unerwünschte Oberflächenaufrauung bewirken. Diese Bereiche umfassen üblicherweise die Elektrolyteinlässe 510 und -auslässe 520. Somit sind, wie in 5 dargestellt, isolierende Beschichtungen 540 in den den Einlässen 510 und Auslässen 520 entsprechenden Bereich aufgebracht, und die Mitte der Struktur 500, in der der Elektrolytfluss relativ stabil ist, liegt offen.
6 stellt ein flexibles 2D-FEC-Werkzeug 600 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das FEC-Werkzeug 600 kann viele ähnliche Komponenten wie das FEC-Werkzeug 400, wie z. B. den Bandkathodenaufbau 500 und den Maschinenstößel bzw. -kolben 602, enthalten. Das FEC-Werkzeug 600 kann auch die mehreren Halteverbinder 620 enthalten, welche wenigstens einen (mit Drehkopplern 630 verbundenen) fixierten Halteverbinder und wenigstens einen (mit einem festen Verbinder 640 verbundenen) nicht-fixierten Verbinder enthalten. Die Halteverbinder 620 können mit der Kathodenstruktur 500 an ihren unteren Enden über Drehkoppler 650, beispielsweise Zapfenlager, verbunden sein. Ferner können die Halteverbinder 620 ihre Hübe variieren und auch einen gleichmäßigen Druck aufbringen, während die Hübe variieren.
Jedoch können anstelle der Gleitkoppler Drehkoppler 630 die nicht-fixierten Halteverbinder 620 an ihren oberen Enden ankoppeln. Zur Erleichterung der Bezugnahme werden die Drehkoppler 650 und 630 als die unteren und oberen Drehkoppler bezeichnet. Die oberen Drehkoppler 630 ermöglichen eine Drehung der äußeren nicht-fixierten Halteverbinder zur Anpassung an die lateral verkürzte Bandkathode 402 bei deren elastischer Verformung. Die nicht-fixierten Halteverbinder müssen nicht notwendigerweise vertikal gerade von dem Maschinenstößel 612 ausfahren oder einfahren. Die unteren Drehkoppler 650 ermöglichen sowohl den fixierten als auch den nicht-fixierten Halteverbindern, sich im Wesentlichen senkrecht zu die Werkstückoberflächenkontur anzupassen.
Vom Betriebsablauf her sind sowohl das FEC-Werkzeug 400 als auch 600 sehr gut geeignet, um einen kontinuierlichen EC-Prozess, wie z. B. den kontinuierlichen EC-Polierprozess, durchzuführen. Während das FEC-Werkzeug 400, 600 bewegt wird, um die Oberfläche des Werkstückes 106 abzufahren, passt sich das FEC-Werkzeug 400, 600 kontinuierlich an die Oberflächenkontur des Werkstückes 106 an, um den EC-Polierprozess auszuführen.
7 veranschaulicht ein System zum Durchführen eines flexiblen EC-Prozesses, wie z. B. einer Politur, Endbearbeitung und/oder Formung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System 700 kann als ein Beispiel eines Elektrolytsystems beschrieben werden, in welchem der Elektrolyt einen Arbeitsbehälter 720 dergestalt füllen kann, dass das Werkstück 106, wie z. B. eine Dampfturbinenschaufel, und ein FEC-Werkzeug 704 während des EC-Prozesses untergetaucht sind. Alternativ kann, ohne das FEC-Werkzeug 704 und das Werkstück 106 einzutauchen, der Elektrolyt durch Fluidkanäle den Kathodeneinlässen zugeführt und aus den Kathodenauslässen des FEC-Werkzeugs 704 herausgeführt werden. Das FEC-Werkzeug 704 kann mit einem Maschinenstößel 712 verbunden sein. Das Werkstück 106 kann in dem Arbeitsbehälter 720 durch linke und rechte Klemmen 732, 734 gelagert sein. Eine Steuerung 760 kann den Systembetrieb automatisch oder unter manuellen Anweisungen von einem Bediener steuern. Die Steuerung 760 kann mittels verschiedener Kombinationen von Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten, wie z. B. Computer, Speichergeräten, Kommunikationseinheiten und numerischen Steuerprogrammen, implementiert sein.
Zur Verdeutlichung sind Komponenten, wie z. B. ein Elektrolytreservoir, eine Elektrolytpumpe, ein Elektrolytfilter, eine Energieversorgung, Steuerungen, ein Antriebsmechanismus, Rohre, Schläuche und Anschlussteile, hier nicht dargestellt. Außerdem sind Verbindungen zwischen der Steuerung 760 und weiteren Komponenten nicht dargestellt, um ein Verdecken von Informationen zu verringern.
8 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Durchführen eines flexiblen EC-Polierprozesses gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. In dem Verfahren 800 kann die Steuerung 760 im Schritt 810 das FEC-Werkzeug 704 in Eingriff mit einem Oberflächenabschnitt des Werkstückes 106 positionieren. Beispielsweise kann das FEC-Werkzeug 704 an einer bekannten Startstelle, wie z. B. einem rechten oder linken Ende des Werkstückes 106 in der Nähe der rechten oder linken Klemmeinrichtung 734, 732, positioniert werden. Im Schritt 820 kann die Steuerung 760 den Strom- und Elektrolytfluss initiieren, um den EC-Polierprozess zu starten.
Im Schritt 830 fährt das FEC-Werkzeug 704 das Werkstück 106 gesteuert von der Steuerung 760 ab, bis eine Endseite des Werkstückes 106 erreicht wird. Beispielsweise wäre, wenn das FEC-Werkzeug 704 zu Beginn mit dem Werkstück 106 in der Nähe der rechten Klemme 734 in Eingriff steht, die erste Abfahrbewegung eine Bewegung des FEC-Werkzeugs 704 zu der linken Klemme 732 hin, bis das FEC-Werkzeug 704 die linke Klemme 732 erreicht. Während sich das FEC-Werkzeug 704 bewegt, bewirkt die Steuerung 760, dass der Strom- und Elektrolytfluss aufrechterhalten bleiben, d. h., dass der EC-Polierprozess kontinuierlich ausgeführt wird. Während das FEC-Werkzeug 704 bewegt wird, passt es sich auch kontinuierlich an die Oberflächenkontur des Werkstückes 106 an.
Wenn die Endseite erreicht ist, kann die Steuerung 760 im Schritt 840 feststellen, ob der EC-Polierprozess abgeschlossen ist oder nicht. Die Kriterien für die Feststellung, ob der EC-Polierprozess abgeschlossen ist, können von den speziellen Umständen abhängen. Beispielsweise kann ein einmaliges Abfahren der gesamten Oberfläche des Werkstückes 106 als vollständig angesehen werden. In einem anderen Fall kann das Abfahren nur eines Abschnittes der gesamten Oberfläche ausreichen. Wenn eine sehr glatte Oberfläche gewünscht ist, kann das Werkstück 106 mehr als einmal abgefahren werden.
Wenn im Schritt 840 festgestellt wird, dass der EC-Polierprozess nicht abgeschlossen ist, kann dann die Steuerung 760 im Schritt 850 eine neue Positionierung des FEC-Werkzeugs 704 bewirken. Beispielsweise kann die Steuerung 760 die rechte und linke Klemmeinrichtung 734, 423 anweisen, das Werkstück 106 in der ”w”-Richtung zu verdrehen. Nach der Neupositionierung des FEC-Werkzeugs 704 kann der Schritt 830 wiederholt werden, um das Werkstück 106 abzufahren, bis das andere Ende erreicht wird. Während des Abfahrschrittes kann der EC-Polierprozess kontinuierlich ausgeführt werden. Die Steuerung 760 kann die Schleife mit den Schritten 830, 840 und 850 fortsetzen, bis im Schritt 840 festgestellt wird, dass der EC-Polierprozess abgeschlossen ist. Dann kann die Steuerung 760 im Schritt 860 ein Lösen des FEC-Werkzeugs 704 von dem Werkstück 106 bewirken.
Obwohl die FEC-Werkzeuge 400 und 600 äußerst nützlich sind, gibt es Fälle, in welchen die Werkstückkontur sehr scharf ist, wie z. B. an Ecken und Kanten. In diesen Fällen können alternative Konstruktionen des flexiblen FEC-Werkzeugs erwünscht sein. 9a und 9b veranschaulichen ein flexibles FEC-Werkzeug 900 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das FEC-Werkzeug 900 kann als ein Eckenbearbeitungs-FEC-Werkzeug 900 bezeichnet werden. 9a stellt eine Seitenansicht des FEC-Werkzeugs 900 dar, und 9b stellt das FEC-Werkzeug 900 aus der Sicht von der Position A in 9a dar.
Der Aufbau des FEC-Werkzeugs 900 kann ähnlich dem in 5 dargestellten Aufbau 500 sein. Das FEC-Werkzeug 900 kann mehrere Einlässe 910, mehrere Auslässe 920, mehrere Isolationsabstandshalter 930 und Distanzstücke 935, Isolationsbeschichtungen 940 und eine Kathode 902 enthalten, welche eine Band- oder Blechkathode, wie in 9b zu sehen, sein kann. Diese Komponenten können ähnlichen Funktionen wie die Komponenten des in 5 dargestellten Aufbaus 500 dienen und werden somit nicht weiter beschrieben.
Jedoch kann, wie es in 9a zu sehen ist, das FEC-Werkzeug 900 aber ein Elastomer 950 enthalten, das eine adaptive Unterstützung dergestalt bereitstellt, dass sich das FEC-Werkzeug 900 an eine Ecke des Werkstückes 106 anpassen kann. Man beachte, dass in 9b das Elastomer 950 so ausgeführt ist, das es in der Nähe der Kante der Kathode 902 stärker hinterfüllt ist als in der Mitte. Dies trägt dazu bei, eine enge Abdichtung für den Elektrolyten und Werkstückandruck für die Eckenanpassung zu erzielen.
Allgemein kann die Ecke des Werkstückes 106 als zwei Seitenoberflächen 962 und 964 betrachtet werden, die sich im Wesentlichen in geraden Richtungen von einem Eckpunkt 906 aus unter Ausbildung einer konkaven Oberfläche erstrecken, und der Eckenwinkel O kann als der von den Seitenoberflächen 962 und 964 gebildete Winkel betrachtet werden. Der Eckenwinkel O kann ein rechter Winkel sein, wie in 9b dargestellt, oder kann ein anderer Winkel sein. Der Winkel θ ist nicht speziell begrenzt. In vielen Fällen sind Eckenwinkel, die in einem Bereich zwischen 80° und 100° liegen, typisch.
Die untere Schicht des FEC-Werkzeugs 900 kann auf einen stumpfen Winkel α vorgebogen sein, der nicht notwendigerweise derselbe wie der Winkel θ ist. Bevorzugt sollte der vorgebogene Winkel α wenigstens im Wesentlichen gleich dem Eckenwinkel θ des Werkstückes sein, α – θ ≈ 0. Es wird noch mehr bevorzugt, dass die Beziehung α – θ > 0 gilt, d. h. der stumpfe Winkel α des FEC-Werkzeugs 900 ist bevorzugt größer als der Eckenwinkel θ des Werkstückes 106.
Im Betrieb kann dieses Eckenbearbeitungs-FEC-Werkzeug 900 zuerst in den Werkstückeckenabschnitt gequetscht werden, um einen engen Sitz unter der Kraft des Maschinenstößels 912 zu haben. Wenn das FEC-Werkzeug 900 in die Ecke gedrückt wird, ist der Andruck entlang des Randes der Kathode 902 meist niedriger als der Andruck in deren Mitte, wenn α – θ ≈ 0 ist, d. h., wenn sie im Wesentlichen den gleichen Winkel bilden. Wenn α – θ > 0 ist, nimmt der Andruck entlang des Randes zu, was dadurch die Andruckdifferenz zwischen dem Rand und dem Mittelpunkt der Kathode 902 minimiert. D. h., die Andruckdifferenz tendiert zu 0, sobald die Differenz α – θ zunimmt. Schließlich kann der Andruck an den Rändern größer werden als in der Mitte, wenn α – θ weiter zunimmt.
Somit ist in einem Aspekt das Eckenbearbeitungswerkzeug 900 derart eingerichtet, dass die Differenz α – θ größer als oder im Wesentlichen gleich einer minimalen Winkeldifferenz ist und kleiner als oder im Wesentlichen gleich einer maximalen Winkeldifferenz ist. Die minimale und maximale Winkeldifferenz können als der Bereich von Winkeldifferenzen bestimmt werden, in welchem die Andruckdifferenzen zwischen dem Rand und dem Mittelpunkt des FEC-Werkzeugs innerhalb eines vorbestimmten tolerierbaren Bereichs bleiben. Minimale und maximale Winkeldifferenzen, die jeweils zwischen 10 und 45° betragen, sind in einigen EC-Prozessen zufriedenstellend.
10a und 10b stellen ein FEC-Werkzeug 1000 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das FEC-Werkzeug 1000 kann als ein Kantenbearbeitungs-FEC-Werkzeug 1000 bezeichnet werden. 10a stellt eine Seitenansicht des FEC-Werkzeugs 1000 dar. 10b stellt eine Querschnittsansicht des Aufbaus des FEC-Werkzeugs 1000, aus der Position A entlang der Linie A-A betrachtet, dar. Allgemein kann eine Kante des Werkstückes 106 als zwei Seitenoberflächen 1062 und 1064 betrachtet werden, die sich im Wesentlichen in geraden Richtungen von einem Kantenpunkt 1060 aus unter Ausbildung einer konvexen Oberfläche erstrecken, und der Kantenwinkel kann als der Winkel φ betrachtet werden, der von den Seitenoberflächen 1062 und 1064 gebildet wird.
Das Kantenbearbeitungs-FEC-Werkzeug 1000 kann mehrere Einlässe 1010, mehrere Auslässe 1020, mehrere Isolationsabstandshalter 1030 und -distanzstücke 1035, Isolationsbeschichtungen 1040 und eine Kathode 1002 enthalten, welche eine Band- oder eine Blechkathode sein kann, wie es in 10b dargestellt ist. Diese Komponenten können ähnlichen Funktionen dienen, wie sie unter Bezugnahme auf ähnliche Komponenten der 5 und 9b beschrieben wurden, und werden somit nicht weiter beschrieben.
Wie das Eckenbearbeitungs-FEC-Werkzeug 900 kann das Kantenbearbeitungs-FEC-Werkzeug 1000 ein Elastomer 1050 enthalten, welches eine adaptive Verstärkung bzw. Unterstützung für die Anpassung an die Kante des Werkstückes 106 bereitstellt. Die Kanten können stärker als die Mitte hinterfüllt sein, bei der die Biegung auftritt. Die Kathode 1002 ist vorgebogen. Jedoch ist der vorgebogene Winkel β bevorzugt spitzer als der Winkel φ des Werkstückes 106 dergestalt, dass die Beziehung β – φ ≈ 0 gilt. Es wird sogar noch mehr bevorzugt, dass die Beziehung β – φ < 0 gilt.
Im Betrieb kann dieses Kantenbearbeitungs-FEC-Werkzeug 1000 zuerst in den Werkstückkantenabschnitt eingequetscht werden, um einen engen Sitz zwischen der flexiblen Kathode 1002 und der Abschnittkante zu haben. Während das FEC-Werkzeug 1000 über die Kante bewegt wird, variieren die FEC-Werkzeugöffnung und Seitenkrümmung, um einen engen Kontakt mit der Abschnittsoberfläche in der Nähe des Kantenbereiches zu halten.
Für einen vorgebogenen Winkel β der Kathode 1002 kann das FEC-Werkzeug 1000 an Kanten mit Winkeln φ benutzt werden, die von φ₀ bis φ₁ reichen, d. h. φ₀ ≤ φ ≤ φ₁, so dass in dem Kantenwinkelbereich φ₁ – φ₀ die Andruckdifferenz zwischen beliebigen Teilen der Kathode 1002 in den vorbestimmten Toleranzgrenzen liegt. Beispielsweise beträgt der Bereich φ₁ – φ₀ bevorzugt 10° oder weniger. D. h., ein Kantenbearbeitungswerkzeug 1000, das nominell für einen speziellen Winkel φ ausgelegt ist, kann zur Kantenbearbeitung von Oberflächen verwendet werden, deren Winkel innerhalb weniger Grade von dem nominellen Winkel abweichen. Noch bevorzugt wird, dass der Bereich φ₁ – φ₀ 2 Grad oder weniger beträgt.
Man beachte, dass ein Werkzeugwinkel von null für sehr scharfe Kantenwinkel vorgesehen sein kann. In dem Kantenbearbeitungswerkzeug 1000 für einen Winkel von null kann der durch die Seitenoberflächen 1062 und 1064 gebildete, vorgebogene Winkel β des Werkzeugs 1000 von dem Kantenpunkt 106 aus wenigstens zu einem Teil gleich null sein, wenn das Werkzeug 1000 nicht mit dem Werkstück 106 in Eingriff steht. Die durch das Elastomer 1050 bereitgestellte Hinterfüllung verformt sich dementsprechend, um den notwendigen vorgebogenen Winkel und Passsitz bereitzustellen. Das Kantenbearbeitungs-FEC-Werkzeug 1000 kann zum kontinuierlichen und intermittierenden Polieren verwendet werden, wenn das Werkstück 106 in Bezug auf das FEC-Werkzeug 1000 angetrieben wird.
Bis zu diesem Punkt wurden Beispiele eines 2D-FEC-Werkzeugs dargestellt und beschrieben. 11a und 11b veranschaulichen ein flexibles dreidimensionales (3D-)FEC-Werkzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das FEC-Werkzeug 1100 kann ein Metallblech 1102, einen Maschinenstößel 1112 und mehrere Halteverbinder 1120 enthalten. Der Maschinenstößel 1112 kann mit den Halteverbindern 1120 an ihren oberen Enden verbunden sein. Die unteren Enden der Halteverbinder 1120 können mit der Blechkathode 1102 an verschiedenen Teilen entlang einer Oberseite der Blechkathode 1102 verbunden sein.
Die Blechkathode 1102 ist bevorzugt elastisch in 3D verformbar. In den 11a und 11b kann die Blechkathode 1102 Teil einer geschichteten Aufbaus sein, der eine elastische Verstärkung 1145 in der XZ-Ebene enthält. Wenn ein Oberflächenabschnitt eines (nicht dargestellten) Werkstückes 106 die geschichtete Kathode 1102 entlang unterschiedlicher XZ-Punkte zusammendrückt, kann sich die Blechkathode 1102 in der Y-Richtung elastisch verformen, um sich an die Oberflächenkontur des Werkstückes 106 entweder konkav oder konvex anzupassen. Die Blechkathode 1102 kann sich verformen, um sich kontinuierlich an eine 3D-Oberflächenkontur des Werkstückes 106 dergestalt anzupassen, dass die Oberfläche des Werkstückes 106 abgefahren wird, während dieses in Bezug auf die Blechkathode 1102 bewegt wird. Auf diese Weise kann das Werkstück 106 kontinuierlich poliert werden.
Die Halteverbinder 1120 können ihre Hübe verändern, während sich die Blechkathode 1102 elastisch in 3D verformt. Jedoch wird es unabhängig von den Hüben bevorzugt, dass die Halteverbinder 1120 einen gleichmäßigen Druck aufbringen und somit eine vertikale Flexibilität bereitstellen, um der Blechkathode 1102 eine Anpassung an die gekrümmte Oberfläche des Werkstückes zu ermöglichen. In einer Ausführungsform weisen die Halteverbinder 1120 Luftzylinder ähnlich den in 4a dargestellten Zylindern 420 auf. Dies ist der Grund, dass, obwohl es den 11a und 11b nicht dargestellt ist, jeder Zylinder 1120 ein vertikales Gleitlager 1127 und eine Feder 1128 enthalten kann, die einen elastischen Halt bieten, und einen Kolben 1129 enthalten kann, welcher bewegt werden kann, um den Hub des Zylinders 1120 zu verändern. Das Ausmaß der Kolbenbewegung und damit die Hubgröße hängen von der Oberflächenhöhe der Werkstückkontur ab, wenn diese angedrückt wird. Der Antriebsmechanismus kann in dem Maschinenstößel 1112 eingebaut sein. Ferner wird bevorzugt, dass der von den mehreren Halteverbindern 1120 ausgeübte Druck unabhängig von der Länge des Hubes im Wesentlichen gleich ist.
An seinem oberen Ende kann wenigstens ein Halteverbinder 1120 mit dem Maschinenstößel 1112 über einen oberen Koppler 1130, welcher in zwei orthogonalen Richtungen drehbar ist, wie z. B. ein Kugelgelenk, gekoppelt sein. An seinem unteren Ende kann jeder Halteverbinder 1120 einen unteren Koppler 1150 aufweisen, der die Blechkathode 1102 mit dem Halteverbinder 1120 verbindet.
In einer Ausführungsform kann der untere Koppler 150 einen Mechanismus enthalten, der in zwei orthogonalen Richtungen drehbar ist (z. B. ein Kugelgelenk), der mit einem Auflageelement verbunden ist, und das Auflageelement kann an der Blechkathode 1102 befestigt sein. Derartige drehbare untere Koppler 1150 ermöglichen den Halteverbindern 1120, sich im Wesentlichen senkrecht zu der Werkstückoberflächenkontur anzupassen.
In einer weiteren Ausführungsform kann der untere Koppler 150 das Auflageelement, aber nicht den drehbaren Mechanismus enthalten. Es wurde vorstehend beschrieben, dass die Blechkathode 1102 einen geschichteten Aufbau aufweisen kann. Der Aufbau enthält bevorzugt eine elastische Verstärkung 1145 (z. B. eine elastomere Hinterfüllung oder Gummiverstärkung) auf der Metallplatte 1102 und das Auflageelement ist an der elastischen Verstärkung 1145 angebracht. Somit ist selbst dann, wenn der untere Koppler 150 keinen drehbaren Mechanismus enthält, die Verbindung des Halteverbinders 1120 mit der Blechkathode 1102 nicht notwendigerweise starr, und ein gewisser Anpassungsgrad senkrecht zu der Werkstückoberfläche kann weiter erfolgen.
Es ist anzumerken, dass selbst in der Ausführungsform, die den drehbaren Mechanismus enthält, die Blechkathode 1102 bevorzugt immer noch die elastische Verstärkung 1145 enthält.
In dem flexiblen EC-Betrieb kann das FEC-Werkzeug 1100 zwischen dem Werkstück 106 unten und dem Maschinenstößel 1112 oben zusammengedrückt werden. Die Halteverbinder 1120 können bei demselben Druck gemäß dem Oberflächenabschnitt des Werkstückes 106 unterschiedliche Hübe annehmen. Die unteren Koppler 1150 können das FEC-Werkzeug 1102 mit den Halteverbindern 1120 verbinden, und die oberen Koppler 1130 können die Einhaltung eines geeigneten Kontaktwinkels zwischen den Halteverbindern 1120 und dem Maschinenstößel 1112 ermöglichen. Während das FEC-Werkzeug 1100 den Oberflächenabschnitt abfährt, können die Halteverbinder 1120 unterschiedliche Hübe vollführen und für eine seitliche Steifigkeit für die Antriebskraft sorgen. Elektrolyt- und Stromzuführverbindungen sind zur Verdeutlichung weggelassen. Man beachte, dass der mittlere Halteverbinder mit Luftzylinder nicht das Kugelgelenk auf der Oberseite haben muss. Dieser mittlere Halteverbinder sorgt für die hauptsächliche seitliche Steifigkeit. Jedoch stellt dies keine strikte Anforderung dar, wie es nachstehend dargestellt wird.
Es wird bevorzugt, dass die oberen Koppler 1130 einen vorbestimmten begrenzten Drehwinkelbereich in den zwei orthogonalen Richtungen haben. In diesem Falle kann jeder Halteverbinder 1120 einen solchen entsprechenden oberen Koppler 1130 haben, dass sie alle nicht-fixierte Halteverbinder 1124 sind. Es ist jedoch auch möglich, dass wenigstens ein Halteverbinder 1120 eine feste Verbindung 1140 an seinem oberen Ende dergestalt enthält, dass der Halteverbinder 1120 in der XZ-Position in Bezug auf den Maschinenstößel 1112 fixiert ist. In 11a kann der fixierte Halteverbinder 1120 der mittlere Halteverbinder sein. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel und keine Einschränkung. Jeder von den Halteverbindern 1120 kann fixiert sein.
Die in den 4a–11b dargestellten Ausführungsformen der flexiblen FEC-Werkzeuge sind ausgezeichnete Wahlmöglichkeiten, um das Werkstück 106 für den flexiblen EC-Polierprozess abzufahren. Mit anderen Worten, das FEC-Werkzeug 704, das in dem in 8 dargestellten flexiblen EC-Polierverfahren verwendet wird, kann jedes von den FEC-Werkzeugen 400, 600 und 1100 sein. Wenn scharfe Oberflächen, wie z. B. Ecken und Kanten, eine EC-Polierung erfordern, können die Werkstücke 900 und 1000 verwendet werden.
Jedoch können die meisten, wenn nicht alle von den FEC-Werkzeug-Ausführungsformen auch zur flexiblen EC-Endbearbeitung verwendet werden. Für die Zwecke dieses Dokumentes bezieht sich Endbearbeitung auf einen Prozess, in welchem Oberflächenfehler des Werkstückes korrigiert werden. In diesem Zusammenhang ist ein Oberflächenfehler als eine Abweichung der Kontur eines Oberflächenabschnittes des Werkstückes, z. B. eine Abweichung der Oberflächenhöhe, definiert, welche über einen für diesen Oberflächenabschnitt zugelassenen vorbestimmten Toleranzbereich hinausgeht.
Die Endbearbeitung stellt eine Möglichkeit bereit, um eine präzise endabmessugsnahe Formgebung durchzuführen. Die Anwendung von Formungsprozessen, wie z. B. Gießen oder Schmieden, liefert die Endform des Werkstücks ohne Oberflächenendbearbeitung. Das Erzielen einer endabmessugsnahe Gestalt durch präzise Formung ist seit vielen Jahrzehnten erwünscht, um die Notwendigkeit einer maschinellen Endbearbeitung zu reduzieren oder sogar zu eliminieren, da dies den Prozess vereinfachen und die Kosten reduzieren würde.
Prozesse, wie z. B. Feingießen und Endschmieden können eine präzise Formgebung ermöglichen, um enge Toleranzen bis zu 0,001 Zoll oder 1 mil zu erfüllen. Dieses wird jedoch mit großen Kosten erreicht und kann nur für begrenzte Teilegrößen bewerkstelligt werden. Es ist für einen Formungsprozess grundsätzlich schwierig, Volumenmaterial unter Einhaltung der Oberflächengenauigkeit zu handhaben. Im Wesentlichen macht die Verschiebung des Volumenmaterials es schwierig, die Oberflächengenauigkeit einzuhalten. Außerdem steigen die Formungskosten exponentiell an, wenn die Teiletoleranzen enger und die Teileabmessungen größer werden. Wenn eine Endbearbeitung trotzdem für engere Toleranzen erforderlich ist, wird der ursprüngliche Zweck der endabmessungsnahen Formung verfehlt oder vermindert. Trotz des verringerten Materialabtrags kann eine genaue und teuere computergestützte numerisch gesteuerte (CNC-)Fünfachsen-Bearbeitung erforderlich sein, um die 3D-Oberflächen zu konturieren.
Zusätzlich kann die Oberflächenqualität aus den Formungsprozessen üblicherweise nicht die meisten Teilespezifikationen erfüllen. Die Oberflächerauheit ist üblicherweise hoch, nachdem der Oberflächenabschnitt direkt verfestigt oder geschmiedet wurde. In den meisten Fällen liegt aufgrund der niedrigen Oberflächenabkühlrate eine Lage rauer Oberflächenkörner auf jedem Guss- oder Schmiedestück vor. Ohne Endbearbeitung ist Oberflächenoxidation oft ein Problem.
Um den Kostendruck einer zwingenden Formungsgenauigkeit zu mindern und gleichzeitig eine wirtschaftliche Behandlung von Volumenmaterial und Oberfläche zu ermöglichen, wird es erforderlich, eine effiziente Oberflächenendbearbeitung nach der endabmessungsnahen Formung zu auszuführen. Auf diese Weise kann die herkömmliche Bearbeitung für einen großen Materialabtrag, um nur die Oberflächenmaterialien zu behandeln, vereinfacht oder sogar revolutioniert werden, da eine endabmessungsnahe Formgebung die Notwendigkeit einer Grobbearbeitung beseitigt. Eine grobe und schnelle Behandlung kann üblicherweise besser durch Formung erfolgen, um Materialien und Energie einzusparen.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die flexiblen FEC-Werkzeuge bereitgestellt, welche für eine flexible EC-Endbearbeitung eines Werkstückes nach einer endabmessungsnahen Formung verwendet werden können. Beispielsweise kann das Werkstück 106, wie z. B. Leitapparate oder Schaufeln einer Turbine, zu Beginn durch Feingießen endkonturnah geformt werden. Die flexiblen FEC-Werkzeuge, insbesondere die vorstehend beschriebenen FEC-Werkzeuge 400, 600, 900, 1000 und 1100, können sich an die ohne die CNC-Bewegung endabmessungsnah geformte Schaufelblattoberfläche anpassen. Während die flexible Kathode die Werkstückoberfläche abfährt, kann der FEC-Prozess die Oberfläche polieren und auch Restfehler korrigieren, d. h., die Oberfläche kann endbearbeitet werden.
Um die flexible EC-Endbearbeitung zu ermöglichen, enthält das FEC-Werkzeug bevorzugt einen Sensor, der eine Oberflächenhöhe des Werkstückes detektieren kann. Eine Steuerung kann die detektierte Höhe mit gespeicherter Teilegeometrie vergleichen. Abhängig von der Korrektur, die erforderlich ist, kann die Steuerung jede Kombination der Faktoren steuern, die den Materialabtrag beeinflussen, wie z. B. die elektrische Spannung, die Abfahrgeschwindigkeit, den Elektrolytfluss und die Impulsparameter, wenn ein Impulsstrom angewendet wird.
Es gibt zahlreiche Vorteile für die flexible EC-Endbearbeitung. Beispielsweise kann die flexible EC-Endbearbeitung die Notwendigkeit, eine leistungsstarke Maschinenspindel bereitzustellen, erübrigen. Außerdem liegt ein geringer bis kein Werkzeugverschleiß selbst für hartes und widerstandsfähiges Inconel vor. Die mechanische Belastung kann niedrig sein, während gleichzeitig eine hohe strukturelle Genauigkeit erzielt wird. Ferner können eine schnelle Politur und Endbearbeitung mit relativ wenigen flexiblen FEC-Werkzeugen erreicht werden.
12a und 12b veranschaulichen ein flexibles 3D-FEC-Werkzeug 1200 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das FEC-Werkzeug 1200 kann wie das FEC-Werkzeug 1100 zum flexiblen EC-Polieren verwendet werden. Zusätzlich kann jedoch das FEC-Werkzeug 1200 auch zum flexiblen EC-Endbearbeiten verwendet werden. 12a zeigt eine Seitenansicht, und 12b zeigt eine Unteransicht des FEC-Werkzeugs 1200.
Das FEC-Werkzeug 1200 kann eine Blechkathode 1202, Abstandshalter 1230, eine Elastomerverstärkung 1250 und einen Elektrolyteinlasskanal 1210 enthalten. Ein Maschinenstößel 1212 kann das FEC-Werkzeug 1200 so positionieren, dass dieses mit dem Werkstück in einer gewünschten Weise in Eingriff steht. Bevorzugt ist die Kathode 1202 ein relativ dünnes und flexibles, elektrisch leitendes Material, wie z. B. Kupfer und rostfreier Stahl. Die Elastomerverstärkung 1250 kann eine elastische Verstärkung bereitstellen, um eine Verformung der Kathode 1202 und somit eine Anpassung an die Oberflächenkontur des Werkstückes zu ermöglichen. Die elastische Verformung kann dergestalt sein, dass sich die Außenoberfläche der Kathode 1202 in einem gewünschten Abstand von der Oberfläche des Werkstückes 106 befindet, was die Ausführung effizienter ECM-Prozesse ermöglicht. Auf diese Weise kann das FEC-Werkzeug 1200 kontinuierlich eine im Wesentlichen 3D-Oberfläche ohne Notwendigkeit zahlreicher Kathodenformen polieren.
12b veranschaulicht einen Kathodenaufbau des FEC-Werkzeugs 1200. Zwischenräume zwischen mehreren Isolationsabstandshaltern 1230 definieren mehrere Auslässe 1220, um ein Ausströmen des von dem Einlasskanal 1210 einströmenden Elektrolyts zu ermöglichen. Die Abstandshalter 1230 führen den Elektrolyt von dem Einlass 1210 zu den Auslässen 1220. Die Abstandshalter 1230 bilden den Zwischenelektrodenspalt zwischen der Kathode 1202 und dem Werkstück aus. In dieser speziellen Ausführungsform können die näher an der Mitte liegenden Abstandshalter 1230 dicker als die Abstandshalter 1230 ausgebildet sein, die näher an dem Rand oder dem Umfang liegen, um einen besseren Elektrolytfluss aus der Mitte zu ermöglichen. Isolierende Beschichtungen 1240 in Bereichen ausgebildet sein, die den Abstandshaltern 1230 dort entsprechen, wo der Elektrolytfluss wahrscheinlich nicht stabil ist.
Das FEC-Werkzeug 1200 kann in dem in den 7 und 8 dargestellten ECM-Polierprozess verwendet werden. D. h., das FEC-Werkzeug 1200 kann auf unterschiedliche Abschnitte des Werkstückes 106 angewendet werden, und der Werkzeugaufbau kann zwischen dem Werkstückoberflächenabschnitt unten und dem Maschinenstößel oben zusammengedrückt werden. Die Elastomerverstärkung 1250 kann die erforderliche elastische Andrückung ermöglichen, um die Elektrolytzelle abzudichten, die der Oberfläche des Werkstückes entspricht. Da das Werkstück 106 und die Werkzeugkathode 1200 in Bezug zueinander bewegt werden, kann sich die Blechkathode 1202 der Kontur des mit der Blechkathode 1202 in Eingriff stehenden Oberflächenabschnittes anpassen, und der ECM-Polierprozess kann ausgeführt werden, indem der Strom einschaltet und der Elektrolyt zwischen dem Spalt der Werkstückoberfläche und der Blechkathode 1202 fließen gelassen wird.
Zusätzlich kann aber das FEC-Werkzeug 1200 einen Sensor enthalten, der die Oberflächenhöhe des Werkstückes 106 während des Abfahrens, d. h., während der kontinuierlichen Bewegung, erfasst. In den 12a und 12b ist der Sensor 1260 als eine Kombination eines Stiftes 1262, eines linearen Maßstabs 1264 und einer Feder 1266 ausgeführt. Diese Kombination ist lediglich nur eine von vielen Möglichkeiten, den Sensor 1260 zu realisieren. Weitere Realisierungen des Sensors beinhalten lineare variable Differentialtransformatoren (LVDT) und Kapazitätssensoren.
Der Stift 1262 kann im Wesentlichen an einer Mitte des FEC-Werkzeugs 1200, wie dargestellt, angeordnet sein, wobei dies aber keine Einschränkung ist. Der Stift 1262 kann an beliebiger sonstiger Stelle platziert sein. Beispielsweise kann der Stift 1262 ”vor” der Kathode 1202 in der Abfahrrichtung platziert sein. Ferner ist die Anzahl der Sensoren nicht auf einen einzigen beschränkt, d. h., es können mehrere Sensoren vorgesehen sein. Z. B. zwei Stifte 1262, einer auf jeder Seite der Kathode 1202 in der Abfahrrichtung.
Es ist anzumerken, dass Sensoren zu den FEC-Werkzeugen 400, 600 und/oder 1100 zur Verwendung in der flexiblen EC-Endbearbeitung gemäß der Darstellung in den 13a und 13b hinzugefügt werden können. In 13a ist der Kathodenaufbau 500 wiedergegeben, und in 13b ist die Unteransicht des FEC-Werkzeugs 1100 wiedergegeben. In diesen Figuren sind als doppelte Quadrate eingezeichnete Sensoren 1360 um jeden Kathodenaufbau herum verteilt. Weitere Komponenten, wie z. B. Einlässe, Abstandshalter, Koppler und Auslässe, sind der Deutlichkeit wegen nicht nummeriert. Obwohl mehr Sensoren 1360 wünschenswert sind, können einige praktische Überlegungen, wie z. B. Kosten, vorliegen, die bestimmen können, wie viele Sensoren tatsächlich eingesetzt werden. Es genügt anzumerken, dass mit der Art der in den 13a und 13b dargestellten Modifikationen die FEC-Werkzeuge 400, 600 und 1100 auch für eine flexible EC-Endbearbeitung von Werkstücken verwendet werden können.
14 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Durchführen einer flexiblen EC-Endbearbeitung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Man beachte, dass das Verfahren 1400 zur Durchführung der flexiblen EC-Endbearbeitung viele von den Schritten des in 8 dargestellten flexiblen EC-Polierverfahrens 800 gemeinsam hat. Wie der flexible EC-Polierprozess kann der flexible EC-Endbearbeitungsprozess sich an die Kontur der Werkstückoberfläche anpassen. Jedoch kann anstelle einer einfachen Anpassung an die vorhandene Oberflächenkontur die elastische Verformung des Kathodenwerkzeugs derart aktiv gesteuert werden, dass das Werkstück auf eine gewünschte Endform konturiert wird. In 14 wird angenommen, dass das Werkstück 106, wie z. B. eine Schaufel einer Dampfturbine, zu Beginn durch einen anderen Prozess, wie z. B. Feingießen, Schmieden, oder sogar durch eine herkömmliche ECM unter Verwendung eines fest geformten FEC-Werkzeugs endabmessungsnah geformt wurde. Das in 7 dargestellte System 700 wird in Verbindung zur Beschreibung des beispielhaften flexiblen EC-Endbearbeitungsverfahrens 1400 genutzt, in welchem das FEC-Werkzeug 704 ein beliebiges von den FEC-Werkzeugen 400, 600, 1100 und 1200 mit Sensoren sein kann.
In dem Verfahren 1400 kann die Steuerung 760 das FEC-Werkzeug 704 im Schritt 1410 derart positionieren, dass dieses mit einem Oberflächenabschnitt des Werkstückes 106 in Eingriff gelangt. Bevorzugt wird das FEC-Werkzeug 704 an einem bekannten Startpunkt des Werkstückes 106 positioniert. Im Schritt 1420 kann die Steuerung 760 den Strom- und Elektrolytfluss zum Starten des ECM-Prozesses initiieren.
Im Schritt 1430 kann die Steuerung 760 das FEC-Werkzeug 704 veranlassen, das Werkstück 106 abzufahren, bis eine Endseite des Werkstückes 106 erreicht wird. Während des Abfahrens wird das Werkstück 106 dem flexiblen EC-Endbearbeitungsprozess unterworfen. 15 stellt ein Flussdiagramm eines Beispielprozesses zum Ausführen des Schrittes 1430 zur Durchführung des flexiblen EC-Endbearbeitungsprozesses während des Abfahrens des Werkstückes gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dar. Es kann eine kontinuierliche Durchführung des in 5 dargestellten Prozesses angenommen werden, während das FEC-Werkzeug 704 von einem Ende zu dem anderen Ende des Werkstückes 106 bewegt wird.
Im Schritt 1510 kann die Höhe des Oberflächenteils durch einen Sensor, wie z. B. den Sensor 1260, 1360, detektiert werden. Der Sensor 1260, 1360 kann das detektierte Ergebnis an die Steuerung 760 liefern. Im Schritt 1520 kann die Steuerung 760 die detektierte Oberflächenhöhe mit einem gespeicherten Modell für diesen speziellen Oberflächenteil des Werkstückes 106 vergleichen. Im Schritt 1530 kann die Steuerung 760 ermitteln, ob eine Differenz zwischen der detektierten Höhe und der gespeicherten Modellhöhe innerhalb von Toleranzgrenzen liegt oder nicht.
Es ist zu beachten, dass Toleranzen für Werkstücke von sehr allgemein bis sehr spezifisch reichen können. In einem Falle können dieselben Toleranzgrenzen für die gesamte Oberfläche des Werkstückes oder sogar über mehrere Werkstücke hinweg gelten. In einem anderen Fall können unterschiedliche Oberflächenabschnitte in einem einzigen Werkstück Toleranzgrenzen haben, die nur für die speziellen Oberflächenabschnitte gelten. Tatsächlich können unterschiedliche Toleranzgrenzen für dasselbe Werkstück unter unterschiedlichen Umständen gelten. Beispielsweise kann ein Werkstückhersteller unterschiedliche Garantiestufen für dasselbe Werkstück anbieten. Für die höchste Garantiestufe, die den höchsten Preis erzielt, können sehr enge Toleranzen in der Endbearbeitung des Werkstückes angewendet werden. Für andere Garantiestufen können entsprechend größere Abweichungen von dem gespeicherten Modell toleriert werden.
Wenn die Differenz innerhalb der Toleranzgrenzen liegt, kann dann der Prozess zu dem Schritt 1550 übergehen um zu ermitteln, ob dieser Abfahrvorgang abgeschlossen ist, sa dass z. B. die Steuerung 760 ermitteln kann, ob die Endseite des Werkstückes 106 erreicht worden ist. Wenn der Abfahrvorgang nicht abgeschlossen ist, kann der Prozess vom Schritt 1510 aus wiederholt werden.
Wenn jedoch im Schritt 1530 ermittelt wird, dass die detektierte Höhe außerhalb der Toleranzgrenzen liegt, kann die Steuerung 760 eine Korrekturmaßnahme oder eine Kombination von Maßnahmen im Schritt 1540 vornehmen. Eine nicht erschöpfende Liste von Korrekturmaßnahmen enthält die nachstehenden. Erstens, die Form der Kathode 1202 kann verändert werden. Wie vorstehend beschrieben, können die FEC-Werkzeuge 400, 600 und 1100 Antriebsmechanismen enthalten, welche gesteuert werden können, um die Hübe der Halteverbinder 420, 620 und 1120 zu variieren. Abhängig von den Korrekturen, die erforderlich sein können, kann die Steuerung 760 die Halteverbinderhübe verändern, um so den Anteil der unter unterschiedlichen Abschnitten der Kathode erfolgenden EC-Prozessbearbeitung zu variieren. Beispielsweise kann für einen Oberflächenabschnitt, der relativ mehr oder weniger Materialabtrag erfordert, der Hub des Halteverbinders 420, 620, 1120 so gesteuert werden, dass er den Zwischenelektrodenspalt verringert oder vergrößert. Da die Werkstücke bereits endabmessungsnah geformt sind, ist es unwahrscheinlich, dass eine drastische aktive Formung der flexiblen Kathode notwendig ist.
Zweitens kann die Abfahrbewegung verändert werden. Beispielsweise kann die Steuerung 760 das FEC-Werkzeug 704 veranlassen, sich langsamer oder sogar schneller, wie dies erforderlich ist, zu bewegen. Die Geschwindigkeit der Bewegung kann der Menge des Materialabtrags entsprechen, die erforderlich ist, um die Höhe des Oberflächenabschnittes in den Toleranzgrenzbereich zu bringen. Im Allgemeinen ermöglicht eine geringere Geschwindigkeit die Ausführung von mehr EC-Bearbeitung an dem Oberflächenabschnitt. Tatsächlich kann es sogar der Fall sein, dass die Abfahrrichtung für eine kurze Strecke umgekehrt wird, bevor wieder zurück in der ursprüngliche Abfahrrichtung fortgefahren wird.
Drittens kann der Strom nach Bedarf erhöht oder verringert werden. Wenn ein Oberflächenabschnitt relativ mehr oder weniger EC-Bearbeitung erfordert, kann die Steuerung 760 die Energieversorgung veranlassen, den Stromfluss zu erhöhen oder zu verringern, während das FEC-Werkzeug 704 über dem Oberflächenabschnitt passiert. Die Steuerung 760 kann auch die Elektrolytpumpe zum Erhöhen oder Verringern des Elektrolytflusses nach Bedarf steuern.
Natürlich kann die Steuerung 760 beliebige von den beschriebenen Korrekturmaßnahmen kombinieren, um die ECM-Endbearbeitung zu bewirken. Nach der Vornahme der Korrekturmaßnahmen im Schritt 1540 kann die Steuerung 760 zu dem Schritt 1550 übergehen.
Wenn bei dem Schritt 1550 ermittelt wird, dass der spezielle Abfahrvorgang beendet ist, wird der Prozess 1430 verlassen und das Verfahren im Schritt 1440 in 14 wieder aufgenommen. In diesem Schritt kann die Steuerung 760 ermitteln, ob der gesamte flexible EC-Endbearbeitungsprozess abgeschlossen ist. Wie in Bezug auf das flexible EC-Polierverfahren von 8 angemerkt, können die Kriterien für die Feststellung, ob der flexible EC-Endbearbeitungsprozess abgeschlossen ist, von den speziellen Umständen abhängig sein.
Wenn im Schritt 1440 die Steuerung 760 feststellt, dass die flexible EC-Endbearbeitung nicht abgeschlossen ist, kann dann im Schritt 1450 die Steuerung 760 das FEC-Werkzeug 704 neu positionieren, indem beispielsweise die Klemmeinrichtungen 732, 734 veranlasst werden, das Werkstück 106 zu verdrehen. Nachdem das FEC-Werkzeug 704 neu positioniert worden ist, kann die Steuerung 760 zu dem Schritt 1430 übergehen, um die flexible EC-Endbearbeitung zu wiederholen, während sich das FEC-Werkzeug 704 in der anderen Richtung bewegt. Die Steuerung 760 kann die Schleife aus den Schritten 1430, 1440 und 1450 wiederholen, bis im Schritt 1440 festgestellt wird, dass die flexible EC-Endbearbeitung abgeschlossen ist. Dann kann das FEC-Werkzeug 704 im Schritt 1460 von dem Werkstück 106 gelöst werden.
Zusätzlich zu den flexiblen EC-Polier- und Endbearbeitungsprozessen kann das flexible Abfahren auch dazu genutzt werden, eine Endformung an den Werkstücken auszuführen. Es wurde beschrieben, dass in der Industrie, wie z. B. in der Stromerzeugung, selbst ein inkrementeller Zuwachs des Wirkungsgrades signifikante Kosteneinsparungen darstellen kann. Es wurde auch beschrieben, dass mit der herkömmlichen ECM eine Werkzeugumrüstung einen teuren Prozess darstellen kann. Eine Umrüstung, d. h., die Herstellung eines neuen FEC-Werkzeuges, kann auch eine signifikante Zeitdauer erfordern.
Die vorstehend beschriebenen flexiblen FC-Prozesse können dazu eingesetzt werden, derartige Kosten und Zeitbedarf zu mindern. Beispielsweise kann es Umstände geben, in welchen eine relativ kleine Änderung in der Auslegung eines bestehenden Werkstückes nachweislich vorteilhafte Wirkungsgradverbesserungen zeigt. Unter diesen Umständen kann das Werkstück anfangs unter Verwendung bestehender Formen, Gesenke oder FEC-Werkzeuge angefertigt werden. Das anfänglich angefertigte Werkstück kann dann dem flexiblen EC-Formungsprozess mit der neuen Auslegung unterworfen werden. Tatsächlich können die Änderungen zwischen der alten und der neuen Auslegung als Fehler behandelt werden, die während des flexiblen EC-Endbearbeitungsprozesses zu korrigieren sind. Ein derartiger Prozess kann dazu genutzt werden, die Fertigung der neu ausgelegten Werkstücke zu starten, während für die neue Auslegung spezifische Formen, Gesenke und FEC-Werkzeuge entstehen können. Dies kann die Chancen eines Herstellers verbessern, ”Erster am Markt” zu sein.
Ein derartiger Prozessor kann auch dazu verwendet werden, relativ schnell eine neue Auslegung zu testen. Beispielsweise kann eine Computermodellierung anzeigen, dass eine optimierte Konstruktion vielversprechend ist, dass aber ein Test unter Realbedingungen zur Bestätigung erforderlich ist. Anstelle des Aufwands an Zeit und Kosten für eine Werkzeugumrüstung für Testzwecke kann der flexible EC-Endbearbeitungsprozess zum Herstellen des Testwerkstückes verwendet werden.
Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart zu offenbaren und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung, einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren, in die Praxis umzusetzen. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortsinn der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
Ein herkömmlicher elektrochemischer Bearbeitungsprozess erfordert festgelegt geformte Werkzeugkathoden, was eine Werkzeugumrüstung zeitaufwendig und teuer macht. Flexible Werkzeugkathoden 400, 600, 900, 1000, 1100, 1200 enthalten elastisch verformbare Kathoden, die sich in zwei oder drei Dimensionen verformen und an die Kontur des Werkstückes 106 anpassen können, während sich das Werkstück 106 in Bezug auf die flexible Werkzeugkathode 400, 600, 900, 1000, 1100, 1200 bewegt. Das heißt, die flexible Werkzeugkathode kann einen Abfahrvorgang durchführen. Bestimmte flexible Werkzeugkathoden 900, 1000 können auch für spezielle Konfigurationen, wie z. B. Ecken und Kanten, verwendet werden. Die flexiblen Werkzeugkathoden 400, 600, 900, 1000, 1100, 1200 können auch dazu genutzt werden, das Werkstück 106 mittels elektrochemischer Prozesse zu polieren, endzubearbeiten oder zu formen.
Bezugszeichenliste

106: Werkstück
300, 400, 600, 704, 900, 1100, 1200: elektrochemisches Werkzeug
302, 402, 902, 1002, 1102, 1202: Kathode
304: Abstandshalterbelag
308: leitendes Band
310: Elektrolytkanal
312, 412, 612, 712, 912, 1012, 1112, 1212: Maschinenstößel
420, 620, 1120: Halteverbinder
427, 1127: Gleitlager
428, 1128: Feder
429, 1129: Kolben
430: Gleitkoppler
445, 1145, 1250: Elastomerverstärkung
450, 650: unterer Drehkoppler
500: flexible Kathode
510, 910, 1010, 1210: Einlass
520, 920, 1020, 1220: Auslass
530, 930, 1030, 1230: Isolationsabstandshalter
535, 935, 1035, 1235: Isolationsdistanzhalter
540, 940, 1240: Isolationsbeschichtung
630: oberer Drehkoppler
950, 1050, 1150: Elastomer
960: Eckpunkt
962, 964, 1062, 1064: Seitenoberfläche
1060: Kantenpunkt
1130: Oberer Koppler
1140: feste Verbindung
1260, 1360: Sensor
1262: Stift
1264: Maßstab
1266: Feder

Claims

Flexibles elektrochemisches Werkzeug (400, 600) zur Verwendung bei der Durchführung eines flexiblen elektrochemischen Prozesses an einem Werkstück (106), wobei das flexible elektrochemische Werkzeug (400, 600) aufweist: eine Bandkathode (402), die elastisch in zwei Dimensionen (2D) verformbar ist; einen Maschinenstößel (412, 612); und mehrere Halteverbinder (420, 620), die mit dem Maschinenstößel (412, 612) an ihren oberen Enden verbunden sind und mit der Bandkathode (402) an ihren unteren Enden entlang einer Längserstreckung der Bandkathode (402) verbunden sind, wobei: die mehreren Halteverbinder (420, 620) wenigstens einen fixierten Halteverbinder (420, 620) enthalten, dessen seitliche Position in Bezug auf den Maschinenstößel (412, 612) fixiert ist, jeder Halteverbinder (420, 620) eingerichtet ist, um seinen Hub zu verändern, während sich die Bandkathode (402) elastisch verformt, und jeder Halteverbinder (420, 620) einen Drehkoppler (450, 650) enthält, der eingerichtet ist, um das untere Ende des Halteverbinders (420, 620) anzukoppeln und eingerichtet ist, um sich zu drehen, während sich die Bandkathode (402) elastisch verformt.
Flexibles elektrochemisches Werkzeug (400) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Halteverbinder (420) ferner wenigstens einen nicht-fixierten Halteverbinder (420) enthalten, der verschiebbar mit dem Maschinenstößel (412) an seinem oberen Ende über einen Gleitkoppler (430) verbunden ist, um dem nicht-fixierten Halteverbinder (420) zu ermöglichen, sich in Bezug auf den Maschinenstößel (412) seitlich zu bewegen, während sich die Bandkathode (402) elastisch verformt, so dass sich der nicht-fixierte Halteverbinder (420, 620) von dem Maschinenstößel (412) aus im Wesentlichen vertikal ausdehnt oder zusammenzieht.
Flexibles elektrochemisches Werkzeug (600) nach Anspruch 1, wobei: die Drehkoppler (650) untere Drehkoppler (650) sind und die mehreren Halteverbinder (620) ferner wenigstens einen nicht-fixierten Halteverbinder (620) enthalten, der drehbar mit dem Maschinenstößel (612) an seinem oberen Ende über einen oberen Drehkoppler (630) verbunden ist, um dem nicht-fixierten Halteverbinder (620) zu ermöglichen, sich zu verdrehen, während sich die Bandkathode (402) elastisch verformt.
Flexibles elektrochemisches Werkzeug (400, 600) nach Anspruch 1, wobei: sich die Bandkathode (402) elastisch verformt, um sich kontinuierlich an eine 2D-Oberflächenkontur des Werkstückes (106) derart anzupassen, dass die Oberfläche des Werkstückes (106) abgefahren wird, wenn das Werkstück (106) in Bezug auf die Bandkathode (402) bewegt wird, und jeder Halteverbinder (420, 620) eingerichtet ist, um seinen Hub zur kontinuierlichen Anpassung an die elastische Verformung der Bandkathode (402) zu verändern, während gleichzeitig unabhängig von den Änderungen seines Hubs ein im Wesentlichen konstanter Druck aufgebracht wird.
Flexibles elektrochemisches Werkzeug (400, 600) nach Anspruch 1, wobei jeder Halteverbinder (420, 620) eingerichtet ist, um aktiv seinen Hub auf der Basis eines Steuersignals zu verändern, um so die Bandkathode (402) elastisch zu verformen.
Flexibles elektrochemisches Werkzeug (1100) zum Durchführen eines flexiblen elektrochemischen Prozesses an einem Werkstück (106), wobei das flexible elektrochemische Werkzeug (1100) aufweist: eine Blechkathode (1102), die eingerichtet ist, um sich elastisch in drei Dimensionen (3D) zu verformen; einen Maschinenstößel (1112); und mehrere Halteverbinder (1120), die mit dem Maschinenstößel (1112) an ihren oberen Enden verbunden sind und mit der Blechkathode (1102) an ihren unteren Enden entlang einer Oberseite der Blechkathode (1102) verbunden sind, wobei: jeder Halteverbinder (1120) eingerichtet ist, um seinen Hub zu verändern, während sich die Blechkathode (1102) elastisch verformt, und jeder Halteverbinder (1120) einen unteren Verbinder (1150) enthält, der eingerichtet ist, um das untere Ende des Halteverbinders (1120) mit der Blechkathode (1102) zu koppeln, während sich die Blechkathode (1102) elastisch verformt.
Flexibles elektrochemisches Werkzeug (1100) nach Anspruch 6, wobei die mehreren Halteverbinder (1120) alle nicht-fixierte Halteverbinder sind, wovon jeder einen oberen Koppler (1130) an seinem oberen Ende enthält, um den nicht-fixierten Halteverbinder (1120) mit dem Maschinenstößel (1112) zu koppeln, wobei der obere Koppler (1130) in zwei orthogonalen Richtungen innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereiches drehbar ist.
Flexibles elektrochemisches Werkzeug (1100) nach Anspruch 6, wobei: die mehreren Halteverbinder (1120) wenigstens einen fixierten Halteverbinder (1120) enthalten, dessen seitliche Position in Bezug auf den Maschinenstößel (1112) über eine feste Verbindung an seinem oberen Ende fixiert ist, und jeder nicht-fixierte Halteverbinder (1120) einen oberen Koppler (1130) an seinem oberen Ende enthält, um den nicht-fixierten Halteverbinder (420, 620, 1120) mit dem Maschinenstößel (1112) zu koppeln, wobei der Koppler (1130) in zwei orthogonalen Richtungen innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereiches drehbar ist.
Flexibles elektrochemisches Werkzeug (1100) nach Anspruch 6, wobei: sich die Blechkathode (1102) elastisch verformt, um sich kontinuierlich an eine 3D-Oberflächenkontur des Werkstückes (106) anzupassen, so dass die Oberfläche des Werkstückes (106) abgefahren wird, während das Werkstück (106) in Bezug auf die Blechkathode (1102) bewegt wird, und jeder Halteverbinder (1120) eingerichtet ist, um seinen Hub zur kontinuierlichen Anpassung an die elastische Verformung der Blechkathode (1102) zu verändern, während er unabhängig von Veränderungen seines Hubs einen im Wesentlichen konstanten Druck aufbringt.
Flexibles elektrochemisches Werkzeug (1100) nach Anspruch 6, das ferner wenigstens einen Sensor (1360) aufweist, der eingerichtet ist, um eine Oberflächenhöhe des Werkstückes (106) zu erfassen.