DE102013110179A1

DE102013110179A1 - Generator für die Erzeugung von Bearbeitungsimpulsen am Elektrodenspalt einer Vorrichtung zur elektromechanischen Bearbeitung von Werkstücken

Info

Publication number: DE102013110179A1
Application number: DE201310110179
Authority: DE
Inventors: Igor Agafonov; Frank Otto; Sergej Siniavski; Thomas Kuhnert
Original assignee: pEMTec SNC
Current assignee: pEMTec SNC
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2015-03-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Generator für die Erzeugung von Bearbeitungsimpulsen am Elektrodenspalt (3) einer Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung von Werkstücken (1), mit einer Stromversorgungseinrichtung (7) und Schalteinrichtungen (9) zum impulsweisen Verbinden der Stromversorgungseinrichtung (7) mit Anschlusskabeln (5, 6), die an den Elektrodenspalt (3; 11) geführt sind. Erfindungsgemäß ist eine Schaltung (8, 9, 13, 15) zur Erhöhung der Steilheit der Flanken durch den Elektrodenspalt (3) fließender Stromimpulse unter Rekuperation von Feldenergie aus den Anschlusskabeln (5, 6) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Generator für die Erzeugung von Bearbeitungsimpulsen am Elektrodenspalt einer Vorrichtung zu elektrochemischen Bearbeitung von Werkstücken, mit einer Stromversorgungseinrichtung und Schalteinrichtungen zum impulsweisen Verbinden der Stromversorgungseinrichtung mit Anschlusskabeln, die an den Elektrodenspalt geführt sind.
Bei der Erzeugung hochfrequenter, durch den Elektrodenspalt fließender Bearbeitungsstromimpulse besteht das Problem, dass der Anstieg des durch den Elektrolyten im Elektrodenspalt fließenden Stromes nach Verbinden der Stromversorgungseinrichtung mit den Anschlusskabeln durch die Induktivität der Anschlusskabel begrenzt ist. Entsprechend lässt sich die Impulslänge, innerhalb der im Elektrodenspalt eine gewünschte Stromstärke erreicht wird, nicht beliebig reduzieren bzw. die Impulsfrequenz nicht beliebig steigern.
Aus der WO 2006/111 345 A1 und der EP 1 714 725 A1 sind Impulsgeneratoren für den eingangs genannten Zweck bekannt, die einen regulierbaren Stromgenerator und einen damit in Reihe geschalteten hochfrequenten elektronischen Schalter für die Kommutierung des Stromes im Mikrosekundenbereich verwenden. Zur Kompensation des Einflusses der Induktivität der Anschlusskabel wird Energie in einer Induktivität als Feldenergie gespeichert und während der Impulse die Energie auf den Elektrodenspalt umgeschaltet, um einen schnelleren Stromanstieg zu erzielen.
Nachteilig treten bei einem solchen als Stromimpulsgenerator arbeitenden Generator bei kurzfristiger Vergrößerung des durch den Elektrodenspalt gebildeten Widerstands entsprechende Erhöhungen der Spannung auf, was zum elektrischen Durchschlag am Elektrodenspalt führen kann. Ferner wirkt es sich nachteilig auf die Höhe der Frequenz der Stromimpulse aus, dass zur Erhöhung des Stromes bzw. Stromanstiegs eine gewisse Dauer der Pause zwischen den Impulsen zum Aufbauen des Stromes notwendig ist. Ferner ist ein aufwendiges Steuerungssystems für die Kontrolle der Spannung und Regulierung des Stromes erforderlich.
Ein weiterer, zur Steuerung des Stromanstiegs an den Elektrodenspalt zusätzlich anzulegende Spannungsquellen verwendender Impulsgenerator geht aus der DE 10 2006 008 994 A1 hervor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Impulsgenerator der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der es bei geringem Bauaufwand ermöglicht, am Elektronenspalt Stromimpulse mit Impulslängen im Mikrosekundenbereich zu erzeugen.
Der diese Aufgabe lösende Generator nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Schaltung zur Erhöhung der Steilheit der Flanken durch den Elektrodenspalt fließender Stromimpulse unter Rekuperation in den Anschlusskabeln während der Impulse gespeicherter Feldenergie.
Vorteilhaft wird während der Dauer der Impulse in der Induktivität der Anschlusskabel unvermeidlich aufgebaute Feldenergie beim jeweils nächsten Impuls zur Vergrößerung des Stromanstiegs pro Zeit genutzt und durch Rekuperation am Ende jedes Stromimpulses die Steilheit der Abstiegsflanke des Stromimpulses erhöht.
Vorteilhaft kann also gemäß der Erfindung die während der Dauer der Impulse unvermeidlich durch die Induktivität der Anschlusskabel aufgebaute Feldenergie zur Erhöhung der Steilheit der beiden Impulsflanken genutzt werden. Die Dauer der Pausen zwischen den Impulsen lässt sich dadurch gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Impulsgenerator verringern und die Impulsfrequenz entsprechend erhöhen.
Die Möglichkeit zur Erzeugung von Stromimpulsen mit Impulslängen im Mikrosekundenbereich erschließt weitere Möglichkeiten zur elektrochemischen Werkstückbearbeitung, insbesondere ermöglicht es eine qualitativ höherwertige Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen. Darüber hinaus können Hochfrequenzeffekte der elektrochemischen Metallbearbeitung genutzt werden, was noch höhere Genauigkeiten der Bearbeitung ermöglicht. Der Herstellungsaufwand für den erfindungsgemäßen Generator ist im Vergleich zu dem erwähnten Generator nach dem Stand der Technik merklich verringert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltung zur Rekuperation der Feldenergie zum Anlegen einer gegenüber der Spannung der Stromversorgungseinrichtung erhöhten Spannung an die Anschlusskabel vorgesehen. Durch die erhöhte Spannung erhöht sich entsprechend der Anstieg des Stroms pro Zeit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltung zur Rekuperation der Feldenergie zur Aufladung eines Kondensators durch einen Strom vorgesehen, den die Induktivität nach Trennung der Anschlusskabel von der Stromversorgungseinrichtung durch die Schalteinrichtung erzeugt, wenn das durch die Induktivität aufgebaute Magnetfeld zusammenbricht.
Zweckmäßig liegt die gegenüber der Spannung der Stromversorgungseinrichtung erhöhte Spannung über diesem durch die Induktivität aufgeladenen Kondensator.
Die genannte Schaltung umfasst vorzugsweise eine gemeinsam mit der erstgenannten Schaltung von Sperrstellung auf Durchgang umschaltbare Schalteinrichtung.
Zweckmäßig ist die gegenüber der Spannung der Stromversorgungseinrichtung erhöhte, über dem Kondensator liegende Spannung über diese beiden Schalteinrichtungen an die Anschlusskabel anlegbar.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Schaltung zur Rekuperation eine die Entladung des Kondensators über die Stromversorgungseinrichtung verhindernde Diode auf.
Bei der Stromversorgungseinrichtung, d.h. eine Strom- oder Spannungsquelle, handelt es sich zweckmäßig um eine einstellbare Einrichtung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden, sich auf dieses Ausführungsbeispiel beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
1 eine Schemadarstellung einer Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks,
2 ein Schaltungsschema eines in der Vorrichtung von 1 verwendeten Impulsgenerators, und
3 ein die Erzeugung eines Stromimpulses durch einen Spannungsimpuls des erfindungsgemäßen Impulsgenerators erläuterndes Oszillogramm.
Eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstücks 1 durch eine Bearbeitungselektrode 2 unter Durchströmung eines Spalts 3 zwischen dem Werkstück 1 und der Elektrode 2 mit einem Elektrolyten umfasst einen Impulsgenerator 4 sowie den Impulsgenerator 4 mit dem Werkstück 1 und der Elektrode 2 verbindende Anschlusskabel 5 und 6.
Der Impulsgenerator 4 weist als Stromversorgungseinrichtung eine Spannungsquelle 7 auf, deren Spannung einstellbar ist. Die Spannungsquelle 7 steht über eine Diode 8 und eine elektronische Schalteinrichtung 9 in Verbindung mit den Anschlusskabeln 5, 6, die eine Induktivität 10 aufweisen. Der Spalt 3 zwischen dem Werkstück 1 und der Bearbeitungselektrode 2 bildet eine Last, die vereinfacht als Widerstand 11 dargestellt ist.
Der elektronischen Schalteinrichtung 9, welche impulsweise eine positive Steuerspannung von einem Generator 12 empfängt, sind ein Kondensator 13 und eine Diode 14 parallel geschaltet. Eine zweite elektronische Schalteinrichtung 15, die ebenfalls Steuerimpulse von dem Generator 12 empfängt, kann eine Verbindung des Kondensators 13 zum Massepotential herstellen.
Parallel zur Spannungsquelle 7 liegt ein Filterkondensator 16. Mit 17 und 18 sind Schutzdioden für die Schalteinrichtungen 9, 15 bezeichnet. Ein Widerstand 19 bezieht sich auf den Widerstand der Schalteinrichtungen 9 im ausgeschalteten Zustand. Ein Widerstand 20 stellt den Widerstand eines Messzweiges dar. Mit 21 ist ein zu dem Kondensator 13 paralleler Schutzwiderstand bezeichnet.
Im Betrieb des Impulsgenerators liegt bei gesperrten Schalteinrichtungen 9, 15 eine Gleichspannung US der Spannungsquelle 7 an der Schalteinrichtung 9 an. Durch Stromfluss über die Diode 14 oder/und die Schutzdiode 17 wird der Kondensator 13 mit der Spannung US der Spannungsquelle 7 aufgeladen.
Bei Erzeugung eines positiven Steuerspannungsimpulses durch den Steuerimpulsgenerator 12 werden die Unterbrechungen durch die Schalteinrichtungen 9, 15 aufgehoben und zumindest die Spannung US der Spannungsquelle 7 liegt an der Reihenschaltung aus der Induktivität 10 und dem Spaltwiderstand 11 an, im ersten Moment ausschließlich an der Induktivität 10. Durch die Anschlusskabel 5, 6 beginnt ein Strom I zu fließen, dessen anfänglicher zeitbezogener Anstieg İ proportional zur anliegenden Spannung ist.
Bei Abschaltung der positiven Steuerspannung am Ende des Steuerspannungsimpulses unterbrechen die Schalteinrichtungen 9, 15 die betreffenden Leitungszweige. Der durch die Induktivität 10 fließende Strom I kann nicht augenblicklich auf den Wert null abfallen und bewirkt unter Stromfluss durch die Dioden 8 und 14 eine Aufladung des Kondensators 13. Wenn die Spannung des Kondensators 13 die Spannung US der Spannungsquelle 7 überschreitet, verhindert die Diode 8, dass über die Spannungsquelle 7 ein den Kondensator 13 entladender Strom abfließt.
Bei erneutem Schalten der Schalteinrichtungen 9, 15 in den leitenden Zustand durch den nächstfolgenden Steuerspannungsimpuls des Steuerimpulsgenerators 12 wird der Kondensator 13 über die Schalteinrichtungen 9, 15 bis zur Höhe der Spannung US der Spannungsquelle 7 entladen. Bei Unterschreitung der Spannung US durch die Spannung des Kondensators 13 liegt die Spannung US der Spannungsquelle 7 über die Diode 8 und die Schalteinrichtung 9 über der Reihenschaltung aus der Induktivität 10 und dem Widerstand 11 an.
Durch die Aufladung des Kondensators 13 auf eine Spannung, die größer als die Spannung US der Spannungsquelle 7 ist, steht beim Einschalten eines Steuerimpulses durch den Generator 12 jeweils eine erhöhte Spannung an den Anschlusskabeln 5, 6 vor der Induktivität 10 zur Verfügung. Wegen der Proportionalität zwischen dem Stromanstieg pro Zeit İ und der Spannung ergibt sich daher ein steilerer Anstieg der Stromimpulse, die über den Spaltwiderstand 11 fließen. Auch die abfallende Flanke der Stromimpulse wird steiler infolge oben beschriebenen Aufladung des Kondensators 13.
Kurve 22 in 3 zeigt die an den Anschlusskabeln 5, 6 anliegende, über der Induktivität 10 und dem Spaltwiderstand 11 abfallende Spannung. Kurve 23 gibt den daraus resultierenden, durch den Elektrodenspalt 3 bzw. den Widerstand 11 fließenden Strom wieder. Zum Zeitpunkt t1 schalten die Schalteinrichtungen 9 und 15 auf Durchgang, zum Zeitpunkt t2 wird der Durchgang wieder unterbrochen. Nach dem Zeitpunkt t1 ist die an den Anschlusskabeln 5, 6 vor der Induktivität 10 anliegende Spannung während der Entladung des Kondensators 13 gemäß Spannungsspitze 24 erhöht. Diese Erhöhung hat einen steilen Anstieg des Stroms gemäß Flanke 25 zur Folge. Zum Zeitpunkt t2, zu dem die Schalteinrichtungen 9, 15 wieder unterbrechen, fällt die Spannung an den Anschlusskabeln 5, 6 vor der Induktivität 10 durch die Aufladung des Kondensators 13 steil ab und es kommt zu einer negativen Spannungsspitze 26. Die negative Spannungsspitze 26 sorgt für eine entsprechend steil abfallende Flanke 27 des Stromimpulses.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/111345 A1 [0003]
EP 1714725 A1 [0003]
DE 102006008994 A1 [0005]

Claims

Generator für die Erzeugung von Bearbeitungsimpulsen am Elektrodenspalt (3) einer Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung von Werkstücken (1), mit einer Stromversorgungseinrichtung (7) und Schalteinrichtungen (9) zur impulsweisen Verbindung der Stromversorgungseinrichtung (7) mit Anschlusskabeln (5, 6), die an den Elektrodenspalt (3) geführt sind, gekennzeichnet durch eine Schaltung (8, 9, 13, 15) zur Erhöhung der Steilheit der Flanken (25, 27) durch den Elektrodenspalt (3) fließender Stromimpulse unter Rekuperation in den Anschlusskabeln (5, 6) während der Impulse gespeicherter Feldenergie.
Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (8, 9, 13, 15) zur Rekuperation von infolge der Induktivität (10) der Anschlusskabel (5, 6) gespeicherter Feldenergie vorgesehen ist.
Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (8, 9, 13, 15) zur Rekuperation der während der Verbindung der Stromversorgungseinrichtung (7) mit den Anschlusskabeln (5, 6) gespeicherten Feldenergie vorgesehen ist.
Generator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (8, 9, 13, 15) zur Rekuperation der Feldenergie unter Aufladung eines Kondensators (13) durch einen Strom, den die Induktivität (10) nach Trennung der Anschlusskabel (5, 6) von der Stromversorgungseinrichtung (7) durch die Schalteinrichtung (9) erzeugt, vorgesehen ist.
Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (8, 9, 13, 15) zur Rekuperation der Feldenergie zum Anlegen einer gegenüber der Spannung der Stromversorgungseinrichtung (7) erhöhten Spannung an die Anschlusskabel (5, 6) vorgesehen ist.
Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Spannung über dem durch die Induktivität (10) aufgeladenen Kondensator (13) liegt.
Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (8, 9, 13, 15) eine gemeinsam mit der erstgenannten Schaltung (9) von Sperrstellung auf Durchgang umschaltbare Schalteinrichtung (15) umfasst.
Generator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüber der Spannung der Stromversorgungseinrichtung (7) erhöhte, über dem Kondensator (13) liegende Spannung über die beiden Schalteinrichtungen (9, 15) an die Anschlusskabel (5, 6) anlegbar ist.
Generator nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (8, 9, 13, 15) eine die Entladung des Kondensators (13) über die Stromversorgungseinrichtung (7) verhindernde Diode (8) umfasst.
Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinrichtung eine einstellbare Einrichtung ist.