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Die Erfindung betrifft eine technische Lösung zur elektrochemischen Bearbeitung der Austrittsquerschnitte von Bohrungen (insbesondere von Einspritzdüsen) und ähnlichen Durchbrüchen an metallischen Werkstücken.
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Für verschiedenartige technische Anwendungen müssen Grundkörper mit Durchdringungen ausgestaltet werden, beispielsweise als eine Bohrung mit Kreisquerschnitt. Im Ergebnis einer solchen Bearbeitung haften an der Bohrungskontur oftmals Materialreste, die auch als Grat bezeichnet werden und zur Vermeidung funktioneller Mängel entfernt werden müssen. Ebenso ist eine Bearbeitung der Ein- und Auslässe von Bohrungen für eine Durchflussoptimierung notwendig. Zum Entgraten diesbezüglicher Konturabschnitte sind bereits verschiedenartige Verfahren und Werkzeuge bekannt. So gibt es manuell bzw. mechanisch zu handhabende Senkwerkzeuge, die an Bohrungsumfängen aufgesetzt werden und an den zugeordneten Kanten eine Fase ausbilden, so dass die Gratanhaftungen entfernt werden. Hierfür weisen die Senkwerkzeuge spezifisch angepasste Konturen auf, beispielsweise Kugel-, Viertelkreis- oder Kegelformen. Neben Senkwerkzeugen können an größeren Flächen auch Fräs- oder Schleifwerkzeuge für das Entgraten eingesetzt werden. Die Verfahren zum Entgraten unter Nutzung rotierender Werkzeuge haben sich grundsätzlich bewährt. Allerdings sind diese technischen Lösungen auf Anwendungen begrenzt, bei denen relativ große Flächen verfügbar sind. Insbesondere eine Bearbeitung von sehr kleinen Bauteilen oder Bohrungen ist hiermit nicht oder schwer möglich.
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Ein weiteres Verfahren zur Metallbearbeitung ist die elektrochemische Bearbeitung, mit der sowohl Werkstücke im Makro- als auch im μ-Bereich bearbeitet werden können. Gerade für den μ-Bereich ist diese elektrochemische Bearbeitung von großem Interesse. Dabei erfolgt eine materialabtragende Bearbeitung von metallischen Werkstücken, indem eine mit einem negativen Potential beaufschlagte Elektrode und ein mit einem positiven Potential beaufschlagtes Werkstück mit Hilfe eines Elektrolyten und einem durch diesen Elektrolyten fließenden Strom bearbeitet werden. Dabei erfolgt der Abtrag an der positiven Elektrode, dem Werkstück. Sofern die negative Elektrode in Form einer Formelektrode ausgebildet ist und sich gegenüber der zu bearbeitenden Stelle der positiven Elektrode befindet, erfolgt ein Formabtrag. Solche Verfahren sind bereits als elektrochemisches Bohren, elektrochemisches Entgraten, elektrochemisches Polieren, elektrochemisches Abwälzabtragen, elektrochemisches Auskesseln und elektrochemisches Weiten aus dem Stand der Technik bekannt.
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Den oben benannten Verfahren ist gemeinsam, dass um die jeweilige Bearbeitungsstelle ein geschlossener Elektrolytfluss notwendig ist und dass die Elektrode der Bearbeitungsstelle gegenüberliegt. Über das elektrische Feld der Elektroden und dem Elektrolyt als elektrischer Leiter erfolgt der elektrochemische Prozess.
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In
DE 34 31 079 A1 wird die Bearbeitung der Innenseite einer Einspritzdüse mit einer Formelektrode beschrieben, welche in das Werkstück eingefahren wird. Der Elektrolyt umspült diese negative Formelektrode und das positive Werkstück wird somit an der Innenseite abgetragen. Die Flussrichtung des Elektrolyten erfolgt von der Innenseite zur freien Austrittsöffnung der Elektrode. Nachteile des Verfahrens sind die notwendige genaue Positionierung der Formelektrode bezüglich der Bearbeitungsstelle, eine bestehende Kurzschlussgefahr zwischen der Elektrode und der Bearbeitungsstelle (Bohrung, Grat oder dergleichen) und die damit bestehende Gefahr einer Beschädigung der Elektrode. Bei der Definition der Bearbeitungsparameter von Bearbeitungsstrom und Bearbeitungsspannung ist man an die physikalischen Größen der Anordnung gebunden. Für kleine oder μ-Bohrungen sind die Elektroden entsprechend klein, so dass den Bearbeitungsstromdichten Grenzen auferlegt werden müssen. Gleiches gilt für Bearbeitungsspannungen > 15 VDC im Zusammenspiel kleiner Elektrodenabstände wegen der Gefahr sich ausbildender Lichtbögen und der damit verbundenen Beschädigung der Elektroden.
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Gemäß
DE 691 00 547 T2 wird der Elektrolyt von außen durch die Düse in den Innenraum der Eispritzdüse gedrückt. In der Kammer befindet sich in Bohrungsnähe eine in diesem Bereich rundum leitende Stiftelektrode. Die Bearbeitung der Innenkontur der Einspritzdüse erfolgt somit zwischen der Elektrode und der Außenkante. Nachteile dieser Lösung sind die Notwendigkeit einer äußeren Druckkammer und die Gefahr der allseitigen Bearbeitung im Innenraum der Düse infolge der umlaufenden leitenden Stiftelektrode bzw. die genaue Positionierung einer Formelektrode.
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Den beiden vorgenannten Verfahren ist gemeinsam, dass das Einführen einer Elektrode nur in axialer Richtung der Einspritzdüse möglich ist. Für nicht axial angeordnete Einspritzdüsen sind diese Verfahren nicht oder nur schwer anwendbar.
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In
DE 102 14 616 A1 wird eine technische Lösung zur Bearbeitung der Innenseite einer Einspritzdüse beschrieben, wobei diese Bearbeitung in einen Regelkreis zur Massestromoptimierung integriert ist. Der Massestrom wird dabei in Bearbeitungspausen ermittelt. Während der elektrochemischen Bearbeitung kommt es neben dem Masseabtrag zu einer Gasbildung. Nachteilig ist diese Gasbildung im Inneren des Einspritzdüsenkörpers, da die Eigenschaften des Elektrolyten verändert werden.
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Ein weiteres elektrochemisches Verfahren ist die Erzeugung von Mikrostrukturen durch das sog. ”Jet-ECM-Verfahren”. Durch eine mit negativem Potential beaufschlagte metallische Mikrodüse wird mit hohem Druck ein Elektrolyt gepumpt. Der so erzeugte Elektrolytjet trifft auf das mit positivem Potential beaufschlagte Werkstück. Durch Relativbewegung der Düse und des Werkstückes kann somit eine ein-, zwei-, oder dreidimensionale Bearbeitung im μm-Bereich erfolgen. Dabei sind die realisierbaren Strukturen in ihrer jeweils kleinsten Abmessung von den Abmessungen des Strahles auf dem Werkstück abhängig.
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Bei allen oben beschriebenen Verfahren sind die Elektroden mit hoher Genauigkeit an die zu bearbeitende Werkstückfläche zu positionieren. Beim Jet-Verfahren erfolgt die Strukturierung primär durch die Genauigkeit der Bahnbewegung der Elektrode. Diese Positioniergenauigkeit ist entscheidend dafür, mit welcher Formtreue der Prozess der Materialabtragung erfolgen kann.
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Der überwiegende Anteil elektrochemischer Bearbeitungen wird durch das elektrochemische Entgraten abgedeckt. Dabei ergeben sich allerdings Nutzungseinschränkungen, sofern sehr kleine Bohrungen zu entgraten sind. Während sowohl für einzelne als auch für mehrere Bohrungen mit Größen von mehreren 100 μm die Bearbeitungselektroden noch ausreichend genau zu positionieren sind, ist dies für Bohrungen mit einem Durchmesser von 100 μm oder kleiner nur noch bedingt oder überhaupt nicht möglich, wobei sich zusätzliche Probleme bei Guss- oder Schmiedewerkstücken ergeben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine technische Lösung zu schaffen, mit der Bohrungen vor allem auch im μm-Bereich ohne exakte Positionierung der zu bearbeitenden Bohrung und/oder der dieser zuzuordnenden Bearbeitungselektrode bearbeitet werden können und mit der gleichzeitig ohne Unterbrechung der Elektrolytzuführung Druck, Massestrom und Durchfluss in einem inline-Prozess gemessen werden können. Dabei soll insbesondere eine Bearbeitung der Bohrung im Austrittsbereich von Einspritzdüsen realisiert werden.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die zu bearbeitende Bohrung, im speziellen Fall die Einspritzdüse, mit einem positiven elektrischen Potential belegt wird und dass durch diese Bohrung ein Elektrolytstrahl geführt wird, der ausgehend von einem Eintrittsquerschnitt innerhalb der Bohrung in Richtung des gegenüberliegend angeordneten Austrittsquerschnittes strömt und der im weiteren Strömungsverlauf nach dem Austritt aus der Bohrung auf eine mit negativem elektrischem Potential belegte Potentialfläche auftrifft.
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Hierfür ist eine Anordnung geeignet, die zumindest ein metallisches Werkstück mit mindestens einer Bohrung, eine Potentialfläche, einen Spritzschutz, einen Elektrolytstrahl, eine Elektrolytaufbereitung und eine äußere Spannungsquelle umfasst, wobei das Werkstück mit einem positiven Potential und die Potentialplatte mit einem negativen Potential beaufschlagt sind und wobei der Spritzschutz derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass er eine Nebelkammer erzeugt und dass damit der äußere Bereich der Austrittsöffnung am Werkstück weitgehend elektrolytfrei bleibt.
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Der Elektrolyt wird mit hohem Druck durch die zu bearbeitende Bohrung gedrückt. Für die Bearbeitung der Bohrung werden Druck, Massestrom und Strömungsgeschwindigkeit gemessen. Die Vorrichtung mit dem Werkstück kann dabei, wie z. B. in der oben als Stand der Technik benannten
DE 102 14 616 A1 beschrieben, in einen Regelkreislauf eingebunden werden. Je nach technologischer Aufgabenstellung kann die dort beschriebene Bearbeitungsvorrichtung in Kombination mit einem Durchflussmesssystem, einem Massestrommesssystem oder Druckmesssystem erweitert werden.
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Die erfindungsgemäße technische Lösung weist in vorteilhafter Weise folgende Unterschiede gegenüber bisher bekannten Vorrichtungen und Verfahren auf:
- • eine Bearbeitung der Bohrung erfolgt im Außenbereich der Einspritzdüse
- • die Bearbeitung ist ohne innere und äußere Formelektroden möglich
- • die Bearbeitung erfolgt nur an der Stelle mit dem höchsten positiven Potential
- • es ist keine Positionierung der Bohrungen zur Gegenelektrode notwendig
- • Isolationen zur Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit entfallen
- • die Stromdichte und die Bearbeitungsspannung sind frei variabel
- • es kommt zu keiner Lichtbogen- und Kurzschlussausbildung
- • es sind keine zusätzlich Druckkammern notwendig
- • die Ausrichtung der Bohrungen zum Einspritzdüsenkörper ist in jeder Ausrichtung frei
- • der Abstand zwischen Bohrung und Potentialplatte ist in weiten Grenzen frei wählbar, solange ein Stromfluss zwischen den Elektroden (Werkstückbohrung und Potentialplatte) gewährleistet ist
- • die Gasbildung tritt außerhalb des Bearbeitungsraumes auf, so dass Eigenschaften des Elektrolyten im Messbereich nicht verändert werden
- • sowohl der Bearbeitungsstrom als auch der Elektrolytfluss können gepulst werden, solange eine leitende Verbindung zwischen den beiden Potentialen besteht
- • es besteht die Möglichkeit, jeden Bearbeitungsstrom getrennt zu messen
- • es besteht die Möglichkeit, jeden Bearbeitungsstrom getrennt zu schalten
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Schließlich ist auch eine Wirkbeziehung zwischen Bearbeitung und einer hydrodynamischen Messung der Durchflussgrößen bisher nicht bekannt. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen, die im Ausführungsbeispiel erläutert werden.
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Damit wird eine technische Lösung verfügbar, mit der es möglich ist, eine oder auch mehrere Bohrungen im μm-Bereich zu bearbeiten, ohne dass hierfür exakte Positionierungen der zu entgratenden Bohrung und/oder der Bearbeitungselektrode notwendig sind. Vorrangig, aber nicht ausschließlich, können μm-Bohrungen in ihrem Austrittsbereich entgratet oder ähnlich bearbeitet (z. B. aufgeweitet) werden. Eine Integration der Anordnung in einem Druck-, Massestrom- und Durchflussregelkreis sowie eine unterbrechungsfreie Messung der Parameter sind möglich. Dabei sind die Anordnung und die Auswahl in jeder das technische Problem lösenden Anordnung möglich. Weiterhin kann sowohl der Elektrolyt als auch der Bearbeitungsstrom kontinuierlich als auch gepulst sein.
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Das Bearbeitungsergebnis ist maßgeblich von der idealen Ausbildung des Elektrolytstrahles an der Austrittsfläche am Werkstück und von der nicht benetzten Außenseite der zu entgratenden Bohrung abhängig. Dies kann erreicht werden, indem die zu bearbeitende Bohrung von der Potentialplatte durch einen Spritzschutz abgegrenzt wird. Somit entstehen ein trockener Bereich an der Bohrung und ein Nassbereich an der Potentialplatte. Der Spritzschutz kann vorteilhaft als Schlitz, Bohrung, als feinmaschiges Sieb (Gaze) oder dergleichen ausgeführt werden. Die Nebelkammer ist so ausgestaltet, dass kein zusätzlicher Überdruck infolge der Gasentstehung entsteht.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erste Anordnung zur Bearbeitung eines Werkstücks unter Verwendung einer mehrfach segmentierten Potentialplatte
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2 eine zweite Anordnung zur Bearbeitung eines Werkstücks unter Verwendung einer geschlossenen Potentialplatte
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3 eine dritte Anordnung zur gleichzeitigen Bearbeitung und Messung des Elektrolytflusses
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Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung umfasst ein metallisches Werkstück 1 mit mehreren Bohrungen 5 im μm-Bereich, das mit einem elektrisch positiven Potential beaufschlagt wird. Weiterhin ist eine Potentialfläche 2 vorgesehen, die mit einem elektrisch negativen Potential beaufschlagt wird.
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Ein Spritzschutz 3 ist so angeordnet und ausgestaltet, dass er zwischen sich und der Potentialfläche 2 eine Nebelkammer erzeugt. Ferner umfasst die Anordnung eine äußere Spannungsquelle 6, welche einen gleichförmigen oder gepulsten Bearbeitungsstrom erzeugt.
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Weiterhin ist eine Elektrolytaufbereitung 7 vorgesehen, die als wesentliche Baugruppen (hier nicht näher dargestellt) eine Pumpe, eine Heizung und einen Elektrolytbehälter sowie eine ph-Wertregelung und eine Leitwertmessung aufweist.
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Bei der Ausführung in 1 weist das zu bearbeitende Werkstück 1 einen quaderförmigen Grundkörper mit einem Hohlraum auf, der hier beispielsweise mit drei in der Mantelfläche des Grundkörpers ausgestalteten Bohrungen 5 in Wirkverbindung steht. Weiterhin sind mehrere Potentialplatten 2 zur selektiven Strommessung über ein Strommesssystem 8 vorhanden, die Potentialfläche besteht demzufolge aus mehreren Segmenten zur getrennten Strommessung.
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Im Unterschied hierzu zeigt 2 ein Werkstück 1 mit einem rohrförmigen Grundkörper, dessen innenliegender Hohlraum mit vier in der Mantelfläche ausgestalteten Bohrungen 5 in Wirkverbindung steht. Außerdem ist lediglich eine Potentialplatte 2 vorhanden.
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Unabhängig von der konkreten Variante nach 1 oder 2 strömt der Elektrolytstrahl 4 ausgehend von den Hohlräumen im Werkstück 1 jeweils in die Bohrungen 5 und tritt nach dem Durchströmen dieser Bohrungen 5 an deren Austrittsseite aus, in 1 also dreifach parallel nach unten und in 2 radial nach vier Seiten. Anzahl, Anordnung und Ausströmrichtung zum Grundkörper können willkürlich gewählt werden und jede, dem Funktionsprinzip entsprechende andere Anordnung ist möglich.
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Mit den Anordnungen gemäß 1 und 2 kann ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung der Austrittsquerschnitte von Bohrungen 5 und ähnlichen Durchbrüchen an metallischen Werkstücken 1 realisiert werden, indem die zu bearbeitende Bohrung 5 mit einem positiven elektrischen Potential belegt wird und indem durch diese Bohrung 5 ein Elektrolytstrahl 4 geführt wird, der ausgehend von einem Eintrittsquerschnitt innerhalb der Bohrung 5 in Richtung des gegenüberliegend angeordneten Austrittsquerschnittes strömt und der im weiteren Strömungsverlauf nach dem Austritt aus der Bohrung 5 auf eine mit einem negativen elektrischen Potential belegte Potentialfläche 2 auftrifft. Sofern das zu bearbeitende Werkstück 1 wie im gezeigten Ausführungsbeispiel mehrere Bohrungen 5 aufweist, wird durch diese Bohrungen 5 jeweils ein Teilstrahl des Elektrolytstrahls 4 in Richtung des jeweiligen Austrittsquerschnittes geführt. Diese Anordnung kann dazu auch zusätzlich in einem Messkreis 10 zur Ermittlung von Druck, Massestrom und Durchflussgeschwindigkeit integriert werden, siehe hierzu auch 3
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkstück
- 2
- Potentialfläche/Potentialplatte
- 3
- Spritzschutz
- 4
- Elektrolytstrahl
- 5
- Bohrung (vorzugsweise auch μ-Bohrung)
- 6
- Stromversorgung
- 7
- Elektrolytaufbereitung
- 8
- Strommesssystem, Schaltelement
- 9
- Elektrolytmesskreis
- 10
- Mess- und/oder Regeleinrichtung des Elektrolyten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3431079 A1 [0005]
- DE 69100547 T2 [0006]
- DE 10214616 A1 [0008, 0015]
