DE102014016729A1

DE102014016729A1 - Verfahren und Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstücks

Info

Publication number: DE102014016729A1
Application number: DE102014016729.1A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Fleig
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2016-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstücks, insbesondere zum Einbringen von Lagerrillenstrukturen in die Oberfläche eines Lagerbauteils eines fluiddynamischen Lagers, welche umfasst: ein Spannmittel, eine fest im Spannmittel angeordnete Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung des Werkstücks, eine Werkstückaufnahme zur Aufnahme und Positionierung des Werkstücks relativ zur Elektrode, Mittel zum selbsttätigen Zentrieren des Werkstücks in der Werkstückaufnahme, Mittel zum Zuführen eines Elektrolyts in einen Arbeitsspalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück, und Mittel zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstücks.
Stand der Technik
Im Maschinenbau und der Feinwerktechnik, insbesondere auch bei der Bearbeitung von Lagerbauteilen von fluiddynamischen Miniaturlagern, wird oftmals ein elektro-chemisches Abtragungsverfahren (electro chemical machining, ECM) eingesetzt.
Bei dieser elektrochemischen Metallbearbeitung wird eine entsprechend geformte Elektrode verwendet, die getrennt durch einen Arbeitsspalt in einem geringen Abstand zum bearbeitenden Werkstück positioniert wird. Die Elektrode wird negativ als Kathode und das Werkstück positiv als Anode unter Spannung gesetzt. Die Ladung zwischen Kathode und Anode im Arbeitsspalt fließt über eine Elektrolytlösung, meist eine Salzlösung. Hierbei werden Metallionen vom Werkstück abgelöst und über den Elektrolyt abgeführt. Die Form der Elektrode wird an das Werkstück und die Bearbeitungsaufgabe angepasst.
Ein derartiges ECM-Verfahren wird bei der Herstellung von fluiddynamischen Lagersystemen beispielsweise zum Einbringen von Lagerrillenstrukturen in die Lagerbauteile oder zum Entgraten von Bohrungen eingesetzt.
Durch dieses berührungslose Abtragungsverfahren lassen sich selbst filigrane Strukturen reproduzierbar und präzise bearbeiten.
Zur Durchführung des Verfahrens wird beispielsweise eine Lagerbuchse eines fiuiddynamischen Lagers in eine Spannvorrichtung eingelegt und positioniert. Hierbei soll die Lagerbohrung der Lagerbuchse bearbeitet werden, insbesondere sollen Lagerrillenstrukturen in die Oberfläche der Lagerbohrung eingebracht werden.
Eine entsprechend ausgebildete ECM-Elektrode wird mittels eines Schlittens axial und radial zur Lagerbohrung positioniert und in die Lagerbohrung eingeführt, wobei zwischen der Lagerbohrung und der Elektrode ein Arbeitsspalt verbleibt. Im Arbeitsspalt zwischen der Lagerbohrung und der Elektrode wird der Elektrolyt zugeführt und es wird eine Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück angelegt, so dass das ECM-Verfahren durchgeführt werden kann.
Bei diesem bisher bekannten Verfahren ist es notwendig, die Elektrode exakt zum eingespannten Werkstück auszurichten und zu zentrieren. Nur so ist sichergestellt, dass einerseits um die zylindrische Elektrode ein gleichförmiger Arbeitsspalt verbleibt und andererseits keine mechanische Kollision zwischen der Elektrode und dem Werkstück erfolgt, wenn die Elektrode in die Lagerbohrung des Werkstückes eingeführt wird.
Ferner darf die Elektrode das Werkstück nicht berühren, da sonst ein elektrischer Kurzschluss entsteht.
Das Ausrichten, Zentrieren und Einführen der Elektrode ist zeitaufwendig und daher insbesondere für eine Anwendung in der Massenproduktion unbefriedigend.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung vorzuschlagen, bei welchen die Ausrichtung zwischen Werkstück und Elektrode sehr viel einfacher, kostengünstiger und mit weniger Zeitaufwand durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein Verfahren zur elektrochemischen Verarbeitung unter Verwendung dieser Vorrichtung ist in Anspruch 12 beschrieben.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstückes umfasst ein Spannmittel, dass im Wesentlichen den Grundkörper der Vorrichtung darstellt, eine fest im Spannmittel angeordnete Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung des Werkstückes, eine am Spannmittel angeordnete Werkstückaufnahme zur Aufnahme und Positionierung des Werkstückes relativ zur Elektrode, Mittel zum Zentrieren des Werkstückes in der Werkstückaufnahme, Mittel zum Zuführen eines Elektrolyts in einen Arbeitsspalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück und Mittel zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück.
Erfindungsgemäß umfasst das Mittel zum Zentrieren des metallischen Werkstückes in der Werkstückaufnahme eine hydrostatische Ausgleichsvorrichtung, wobei ein Fluid unter einem vorbestimmten Druck in einen Zwischenraum zwischen der Werkstückaufnahme und dem Werkstück eingebracht wird.
Durch die hydrostatische Ausgleichsvorrichtung wird das in die Werkstückaufnahme eingelegte Werkstück selbsttätig relativ zur Werkstückaufnahme und zum Spannmittel und somit auch zur Elektrode zentriert.
Durch die hydrostatische Ausgleichsvorrichtung ist das Werkstück frei beweglich in der Werkstückaufnahme gehalten und richtet sich selbsttätig relativ zur Werkstückaufnahme und zur Elektrode aus.
Damit eine Zentrierung des Werkstückes relativ zur Werkstückaufnahme und insbesondere relativ zur Elektrode ermöglicht wird, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest die dem Werkstück zugewandten Oberflächen des Spannmittels, der Elektrode und der Werkstückaufnahme zusammen in einer Aufspannung maschiniert und zueinander ausgerichtet wurden.
In vorteilhafter Weise wird das Fluid zum Zentrieren des Werkstückes zugleich als Elektrolyt zur elektrochemischen Bearbeitung des Werkstückes verwendet. Hierbei kann als Elektrolyt in bekannter Weise beispielsweise eine Salzlösung dienen.
Desweiteren kann ein Einlass an der Vorrichtung vorgesehen sein, so dass das Fluid zum Zentrieren des Werkstücks von außen zugeführt werden kann. Es kann dabei vorgesehen sein, dass während des Zentriervorgangs ablaufendes Fluid zurückgeführt wird und in der Vorrichtung weiter zum Zentrieren und/oder zum elektrochemischen Bearbeiten des Werkstücks bereitsteht. In manchen Ausgestaltungen der Erfindung wird das Fluid zum Zentrieren des Werkstücks auch zur elektrochemischen Bearbeitung des Werkstücks verwendet. Es kann daher besonders vorteilhaft sein, wenn das Fluid zum Zentrieren des Werkstücks durch einen Elektrolyt gegeben ist.
In manchen Ausgestaltungen der Erfindung kann ein zweiter Einlass an der Vorrichtung vorgesehen sein, über den zusätzlicher Elektrolyt zur elektrochemischen Bearbeitung des Werkstücks eingebracht wird. Auch hier ist es vorteilhaft, wenn ablaufender Elektrolyt in den Kreislauf zurückgespeist werden kann. Dabei kann es vorgesehen sein, dass sich über den Einlass zum Zentrieren des Werkstücks und über den zweiten Einlass eingespeiste Elektrolyte während dem Bearbeitungsprozess vermischen. Somit muss in solchen Ausgestaltungen der Erfindung nicht auf eine Trennung der beiden Elektrolyt-Kreisläufe geachtet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Spaltbreite des Zwischenraums zwischen der Oberfläche der Werkstückaufnahme und dem Werkstück etwa 20 bis 50 Mikrometer und ist in Form eines Ringspaltes ausgebildet, sofern die Werkstückaufnahme und das Werkstück im Wesentlichen zylindrische Oberflächen aufweisen.
Insbesondere können in der dem Werkstück gegenüberliegenden Oberfläche der Werkstückaufnahme Aussparungen in Form von Taschen vorgesehen sein, in welche Bohrungen münden, über die der Elektrolyt in den Zwischenraum zwischen der Werkstückaufnahme und dem Werkstück zugeführt wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Bohrungen ein Gewinde aufweisen, in welche beispielsweise Madenschrauben eingesetzt werden, die wiederum jeweils mit einer Bohrung an ihren Stirnenden versehen sind. Dadurch kann eine exakt dimensionierte Durchströmöffnung bereitgestellt werden, so dass die Durchflussmenge des Elektrolyts genau eingestellt werden kann. Diese Ausführung ist vorteilhaft, da eine Bohrung an der Stirnseite der Madenschraube genauer maschinierbar ist, als eine relativ lange Bohrung durch die Werkstückaufnahme.
Der Elektrolyt wird unter gleichmäßigem Druck von einigen Bar in den Zwischenraum zwischen der Werkstückaufnahme und dem Werkstück zugeführt, und das Werkstück zentriert sich selbstständig in der Aufnahmeöffnung der Werkstückaufnahme. Durch die taschenförmigen Aussparungen in der Werkstückaufnahme wird die Druckverteilung und Zentrierung unterstützt.
Insbesondere sind die Elektrode und die Werkstückaufnahme in einer gemeinsamen Achse ausgerichtet, wobei die Werkstückaufnahme eine rotationssymmetrische Aussparung zur Aufnahme des Werkstückes umfasst. Eine solche rotationssymmetrische Aussparung zur Aufnahme des Werkstückes ist insbesondere zur Aufnahme eines Werkstücks mit rotationssymmetrischem Außenumfang geeignet.
Vorzugsweise ist an der Spannvorrichtung eine Stopperfläche oder ein Rand als axialer Anschlag für das Werkstück angeordnet, um so das Werkstück in axialer Richtung zu positionieren.
Eine radiale Positionierung und Zentrierung erfolgt ausschließlich durch die hydrostatische Ausgleichsvorrichtung.
Die Erfindung betrifft insbesondere auch ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstückes, insbesondere ein Verfahren zum Einbringen von Lagerrillenstrukturen in die Oberfläche eines Lagerbauteils eines fluiddynamischen Lagers. Beispielsweise kann das fluiddynamische Lager ein Radiallager eines Elektromotors sein,
Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Spannmittels mit einer fest im Spannmittel angeordneten Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung des Werkstückes, des Einbringens des Werkstückes in eine Werkstückaufnahme, ein selbsttätiges Zentrieren des Werkstückes in der Werkstückaufnahme und eine Bearbeitung des Werkstückes durch Zuführen eines Elektrolyts in einen Arbeitsspalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück und Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück.
Das selbsttätige Zentrieren des Werkstücks in der Werkstücksaufnahme erfolgt mittels einer hydrostatischen Ausgleichsvorrichtung, wobei ein Fluid unter Druck in einen Zwischenraum zwischen der Werkstückaufnahme und dem Werkstück eingebracht wird.
Nach dem Einsetzen des Werkstückes in die Werkstückaufnahme zentriert sich das Werkstück auf Grund der hydrostatischen Ausgleichsvorrichtung selbsttätig in der Werkstückaufnahme.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere des Spannmittels, der Elektrode und der Werkstückaufnahme erfolgt mittels Feinbearbeitung in einer einzigen Aufspannung. So ist sichergestellt, dass alle Oberflächen, insbesondere die dem Werkstück zugewandten Oberflächen des Spannmittels, der Elektrode und der Werkstückaufnahme genau zueinander ausgerichtet sind und bleiben.
Bei der bisher bekannten Vorrichtung wurden die Teile, d. h. die Spanneinrichtung, die Werkstückaufnahme und die Elektrode separat hergestellt und bearbeitet und erst dann wurde die Vorrichtung zusammengebaut, wobei sich die jeweiligen Toleranzen der Bauteile addierten. Ferner musste die Elektrode bei jeder Bearbeitung relativ zum Werkstück genau positioniert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren sind nicht nur für Werkstücke mit kreisförmigem oder ovalem Querschnitt und zylindrischen Oberflächen anwendbar, sondern auch beispielsweise für Werkstücke mit rechteckigem Querschnitt, mit konischen Oberflächen etc.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Hieraus ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 zeigt einen perspektivischen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstückes mit einer schematischen Darstellung eines eingelegten Werkstückes.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 1.
3 zeigt einen schematischen und perspektivischen Querschnitt einer alternativen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
In 1 ist ein perspektivischer Schnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Als Grundlage der Vorrichtung dient ein Spannmittel 10, welches beispielsweise aus einem zylindrischen Körper aus Kunststoff besteht, der eine zentrale Bohrung aufweist.
In der zentralen Bohrung ist eine Elektrode 14 zur elektrochemischen Bearbeitung angeordnet.
Der Grundkörper 14a der Elektrode ist in der Bohrung des Spannmittels 10 befestigt, während der Kopf 14b der Elektrode von der Oberfläche des Spannmittels herausragt.
Eine Werkzeugaufnahme 16, welche beispielsweise dieselben Außendimensionen aufweisen kann wie das Spannmittel 10, ist mit dem Spannmittel verbunden.
Hierzu weist das Spannmittel 10 beispielsweise Bohrungen 12 auf und die Werkzeugaufnahme 16 Gewindebohrungen 18, so dass die Werkzeugaufnahme 16 mittels Schraubverbindungen mit dem Spannmittel 10 verbunden werden kann.
Das Spannmittel 10 und die Werkzeugaufnahme 16 können aber auch aus einem einzigen Teil gefertigt sein.
Die Werkzeugaufnahme 16 hat eine zylindrische Öffnung, in welche die Elektrode 14 hinein ragt.
Erfindungsgemäß werden das Spannmittel 10, die Werkzeugaufnahme 16 sowie die Elektrode 14 in zusammengebautem Zustand nochmals in einer gemeinsamen Aufspannung bearbeitet, so dass die dem Werkzeug zugewandten Oberflächen des Spannmittels 10, der Elektrode 14 und der Werkzeugaufnahme 16 genau zueinander ausgerichtet sind und bleiben.
Die Öffnung der Werkzeugaufnahme 16 umfasst an der Wandung mehrere über den Umfang der Öffnung verteilte Aussparungen 20 in Form von Taschen, wobei in jede Tasche jeweils eine Bohrung 22 mündet.
Diese Bohrungen 22 können alle mit einem gemeinsamen Zufuhrring 24 verbunden sein, über welchen ein Fluid über einen Einlass 26 gleichmäßig über die Bohrungen 22 der Öffnung der Werkzeugaufnahme 16 zugeführt werden kann. Die Bohrungen 22 können als Gewindebohrungen ausgeführt sein, in die beispielsweise Madenschrauben 40 eingesetzt werden. Diese Madenschrauben 40 können an ihren Stirnseiten eine Bohrung 22 aufweisen, so dass die Durchflussmenge des Fluids durch die Bohrungen 22 exakt einstellbar ist.
Der Zufuhrring 24 weist einen ringförmigen Kanal 24a auf, der sowohl mit dem Einlass 26 als auch mit den Öffnungen 22 kommuniziert. Der Kanal 24a ist im Beispiel als umlaufende Nut am Innenumfang des Zufuhrrings 24 realisiert. Zur passgenauen Montage des Zufuhrrings 24 kann dieser unterbrochen sein, wobei an beiden Seiten der Unterbrechung Teile einer Gewindebohrung vorgesehen sind. Der Zufuhrring kann dann mit Hilfe einer die beiden Teile der Gewindebohrung verbindenden Schraube 44 zusammengezogen werden. Dadurch wird der Innenumfang des Zufuhrrings 24 gegen die Werkzeugaufnahme 16 gepresst, so dass der Kanal 24a dicht ist und ein unkontrolliertes Austreten des Fluids unterbunden wird. Das über den Einlass 26 zugeführte Fluid dient in manchen Ausgestaltungen der Erfindung gleichzeitig als Arbeitsfluid, d. h. als Elektrolyt 38 für den elektrochemischen Bearbeitungsprozess.
Ein zu bearbeitendes Werkstück 30, beispielsweise eine Lagerbuchse eines fluiddynamischen Lagers, wird in die Vorrichtung, d. h. in die Öffnung und der Werkstückaufnahme 16 eingelegt.
Die Lagerbuchse hat eine zentrale Lagerbohrung, deren Oberflächen mit Lagerrillenstrukturen versehen werden soll.
Hierzu wird die zylindrische ECM-Elektrode 14 verwendet, die nach dem Einbringen des Werkstückes 30 in die Aufnahme der Werkstückaufnahme 16 im Inneren der Lagerbohrung zu liegen kommt.
Zwischen dem Außenumfang der Elektrode 14 und dem Innenumfang der Lagerbohrung verbleibt ein Arbeitsspalt 34 mit einer Spaltbreite von einigen 10 bis einigen 100 Mikrometern.
Der Elektrolyt wird nun über den Einlass 26 in den Kanal 24a des Zufuhrrings 24 und auf diesem Weg zu den Öffnungen 22 geleitet. Über die Öffnungen 22 wird nun in den Zwischenraum 36 zwischen der Werkstückaufnahme 16 und dem Werkstück 30 das Arbeitsfluid, d. h. der Elektrolyt 38 unter Druck zugeführt.
Im Zwischenraum 36 ergibt sich somit ein hydrostatischer Druck, welcher das Werkstück 30 in der Werkstückaufnahme 16 zentriert, so dass zwischen dem Werkstück und der Werkstückaufnahme ein gleichmäßiger Zwischenraum mit einer Breite von etwa 20 bis 60 Mikrometern verbleibt.
Hierbei schwimmt das Werkstück 30 auf, so dass zwischen der durch das Spannmittel 10 gebildeten Bodenfläche und der Stirnseite des Werkstückes 30 ein Spalt verbleibt, über den der Elektrolyt 38 in Richtung der Elektrode 14 gelangt und auch in den Arbeitsspalt 34 zwischen der Elektrode 14 und der Lagerbohrung des Werkstückes 30 fließen kann.
Überschüssiger Elektrolyt 38 kann nach oben, über einen Spalt 56 zwischen dem Werkstück 30 und der Werkstückaufnahme 16, abfließen und danach wieder in den Kreislauf eingespeist werden.
Alternativ kann es vorgesehen sein, dass überschüssiger Elektrolyt 38 nach unten über eine Öffnung im Spannmittel 10 und einen nicht gezeigten Auslass abfließen und wieder in den Kreislauf eingespeist werden kann. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Werkstück 30 und der Werkstückaufnahme 16 kein Spalt 56 vorhanden ist, so dass eine Strömung des Elektrolyts 38 in Richtung des Auslasses gewährleistet ist und der Elektrolyt 38 möglichst vollständig durch frischen Elektrolyt 38 ersetzt wird.
Da sich das Werkstück 30 selbsttätig innerhalb der Werkstückaufnahme 16 zentriert und die Werkstückaufnahme 16 und die Elektrode 14 durch gemeinsame Bearbeitung bereits zueinander ausgerichtet sind, wird erfindungsgemäß auch die Elektrode 14 genau in der Bohrung des Werkstückes 30 zentriert.
Zur Ausrichtung in axialer Richtung wird das Werkstück dann nach unten gedrückt, so dass es auf einer Stopperfläche 11 des Spannmittels 10 aufliegt. Dabei ist es wichtig, dass noch Durchflussmöglichkeiten für den Elektrolyt 38 bleiben, so dass dieser in den Arbeitsspalt 34 fließen und zirkulieren kann. Beispielsweise können sich nach dem Positionieren des Werkstückes 30 in axialer Richtung ein oder mehrere Spalte zwischen dem Werkstück 30 und dem Spannmittel 10 bilden.
Somit wird erreicht, dass die Elektrode 14 relativ zur Lagerbohrung exakt ausgerichtet und zentriert ist, so dass der Vorgang der elektrochemischen Bearbeitung durchgeführt werden kann.
Hierzu wird zwischen dem Elektrodenkopf 14b der Elektrode 14 und dem Werkstück 30 eine elektrische Spannung angelegt, wobei die Elektrode 14 die Kathode und das Werkstück 30 die Anode bilden. In dieser Ausgestaltung der Erfindung wird die Elektrode 14 von unten durch das Spannmittel 10 an das Werkstück 30 herangeführt. Zur elektrischen Kontaktierung des Werkstücks 30 umfasst das Spannmittel 10 in dieser Ausführung eine in der Mitte des Spannmittels 10 konzentrisch angeordnete Buchse 58 aus Metall, an deren Innenumfang eine Isolierung 60, beispielsweise eine Buchse aus Kunststoff, angeordnet ist. Die Metallbuchse 58 wird von außen über eine radial verlaufende Bohrung, beispielsweise mittels eines Metallstiftes 46, kontaktiert. Im Beispiel hat der Metallstift 46 ein Außengewinde 52 an seinem einen Ende, wobei das Außengewinde 52 in eine entsprechende Bohrung der Metallbuchse 58 geschraubt werden kann um einen sicheren elektrischen Kontakt zu gewährleisten. An seinem anderen Ende hat der Metallstift 46 ein Innengewinde 54 zur Befestigung der elektrischen Anschlüsse von außen. Die Isolierung 60 verhindert dabei, dass eine elektrische Verbindung zwischen der Buchse 60 und der Elektrode 14, beziehungsweise dem Elektrodenkörper 14a, entsteht.
Das Werkstück 30 kann nun, nachdem es durch den hydrostatischen Druck in radialer Richtung zentriert wurde, von oben angepresst werden, so dass es auf der Stopperfläche 11 des Spannmittels aufliegt und damit elektrisch kontaktiert werden kann. Gleichzeitig sorgt der Anschlag an dem Spannmittel 10, beziehungsweise an der Metallbuchse 58 des Spannmittels 10, für eine axiale Ausrichtung des Werkstücks 30. Zum Anpressen des Werkstückes wird beispielsweise ein Stempel aus Kunststoff verwendet.
Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die elektrische Kontaktierung des Werkstücks 30 direkt über das Anpresswerkzeug, beispielsweise einen Stempel aus Metall, erfolgt. In solchen Abwandlungen der Erfindung kann dann auf den Metallstift 46, die Metallbuchse 58 sowie auf die Isolierung 60 verzichtet werden, weshalb das Spannmittel 10 in diesem Fall vollständig aus Kunststoff gefertigt sein kann.
Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrode 14 kann der Elektrodenkörper 14a einen entsprechenden Anschluss zum Befestigen der Stromversorgung an seinem dem Werkstück 30 abgewandten Ende aufweisen. Im Beispiel ist dies mittels eines Innengewindes 55 realisiert. Es können aber ebenso Steckverbindungen oder andere Verbindungen verwendet werden.
Durch die elektrische Spannung erfolgt eine elektrochemische Abtragung von Material des Werkstückes 30, das in Form von Metallionen über den Elektrolyt 38 abtransportiert wird.
In anderen Ausgestaltungen der Erfindung kann eine weitere Bohrung 28 als zweiter Einlass für das Arbeitsfluid vorhanden sein, so dass der Elektrolyt 38 für den Bearbeitungsprozess gezielt zu der zu bearbeitenden Oberfläche geleitet werden kann. Im Beispiel der 1 ist der zweite Einlass als radial verlaufende Bohrung 28 im Spannmittel 10 realisiert, die in der zentralen Bohrung des Spannmittels mündet.
Falls der über den Einlass 26 zugeführte Elektrolyt 38 nicht oder nur schwer zu der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstück 30 geleitet werden kann, ist es in manchen Ausgestaltungen der Erfindung vorteilhaft, den Elektrolyt 38 über einen zweiten Einlass zuzuführen. Im Beispiel der 1 wird der zweite Einlass durch eine weitere, radial verlaufende Bohrung 28 im Spannmittel 10 bereitgestellt, wobei die Bohrung 28 in der zentralen Bohrung des Spannmittels mündet. Dabei werden im Beispiel der 1 auch die Metallbuchse 58 sowie die Isolierung 60 durchbohrt. Somit kann der Elektrolyt 38 von unten in den Arbeitsspalt 32 geleitet werden und dann nach oben abfließen. In anderen Abwandlungen dieser Ausgestaltung der Erfindung kann der zweite Einlass auch auf andere Art und Weise realisiert sein.
Nach Beendigung der elektrochemischen Bearbeitung kann das Werkstück 30 aus der Werkstückaufnahme 16 entfernt werden.
2 zeigt eine schematische und perspektivische Aufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei weitere Merkmale und Details der Vorrichtung ersichtlich sind.
Insbesondere erkennt man die Aufnahmeöffnung in der Werkzeugaufnahme 16, in deren Zentrum die Elektrode bzw. der Elektrodenkopf 14b hinein ragt.
Verteilt über den Umfang der Aufnahmeöffnung sind die Bohrungen 22 in ihren Aussparungen 20 ersichtlich.
Desweiteren ist neben dem Einlass 26 auch die Bohrung 28 für den optionalen, zweiten Einlass zu sehen, über den der Elektrolyt 38 in den Arbeitsspalt 32 geleitet werden kann.
3 zeigt eine alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die im Wesentlichen der Vorrichtung aus 1 entspricht. In dieser Variante wird die Elektrode 14 jedoch nicht von unten durch das Spannmittel 10, sondern von oben an das Werkstück 30 herangeführt. Zur elektrischen Kontaktierung des Werkstücks 30 umfasst das Spannmittel 10 in dieser Ausführung ebenfalls eine konzentrisch angeordnete Buchse 48 aus Metall. In dieser Variante der Vorrichtung ist jedoch keine Isolierung 60 am Innenumfang der Metallbuchse 48 nötig, da die Elektrode von Oben herangeführt wird.
Eine weitere Besonderheit dieser Ausgestaltung ist, dass zur elektrochemischen Bearbeitung des Werkstücks der Elektrolyt 38 nicht über eine den zweiten Einlass bildende, radial verlaufende Bohrung 28, in den Arbeitsspalt 32 geleitet wird. In dieser Variante wird der zweite Einlass durch eine axial durch die Elektrode 14 verlaufende Bohrung 62 gebildet. Der Elektrolyt 38 kann dann wie zuvor über den Arbeitsspalt 32 nach oben abfließen. Die Zufuhr des Elektrolyts 38 zum Zentrieren des Werkstücks erfolgt jedoch analog zu den Ausgestaltungen der 1 und 2.
Die elektrische Kontaktierung ist in dieser Ausführung nicht gezeigt, kann aber wie zuvor über eine Gewindebohrung mit Innengewinde 55 oder beispielsweise über eine Steckverbindung realisiert werden.
Erfindungsgemäß können die Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert oder im Sinne der Erfindung abgewandelt werden. Beispielsweise können verschiedene Arten der elektrischen Kontaktierung vorgesehen sein. Ebenso kann der Abfluss des Elektrolyts 38 auf verschiedene Arten realisiert werden. Neben der beschriebenen Variante, in welcher der Elektrolyt 38 in den Figuren oben, radial nach außen zwischen Werkstück 30 und Werkzeugaufnahme 16 abfließt, sind auch andere Varianten möglich. Beispielsweise kann ein Abflusskanal durch das Spannmittel 10 in den Figuren nach unten geführt werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn in den Figuren oben, zwischen Werkstück 30 und Werkzeugaufnahme 16, kein Spalt 56 vorhanden ist. Zusätzlich kann dort eine Dichtung, beispielsweise ein Dichtungsring, an der Werkzeugaufnahme 16 vorhanden sein, so dass das Werkstück 30 gegen den Dichtungsring gedrückt wird und kein Fluid nach oben entweichen kann. Dadurch kann eine gute Zirkulation des gesamten Fluids erreicht werden, so dass Rückstände des elektrochemischen Abtrageverfahrens möglichst vollständig abtransportiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Spannmittel
11: Stopperfläche
12: Bohrungen
14: Elektrode
14a: Elektrodenkörper
14b: Elektrodenkopf
16: Werkstückaufnahme
18: Gewindebohrungen
20: Aussparung
22: Bohrung
24: Zufuhrring
24a: Kanal
26: Einlass
28: Bohrung
30: Lagerbauteil
32: Lagerbohrung
34: Arbeitsspalt
36: Zwischenraum
38: Fluid, Elektrolyt
40: Madenschraube
42: Durchflussbohrung
44: Schraube
46: Metallstift
48: Metallbuchse
50: Schraube
52: Außengewinde
54, 55: Innengewinde
56: Spalt zwischen Werkstück und Werkzeugaufnahme
58: Metallbuchse
60: Isolierung
62: Bohrung

Claims

Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstücks (30), welche umfasst: ein Spannmittel (10), eine fest im Spannmittel (10) angeordnete Elektrode (14) zur elektrochemischen Bearbeitung des Werkstücks (30), eine am Spannmittel angeordnete Werkstückaufnahme (16) zur Aufnahme und Positionierung des Werkstücks (30) relativ zur Elektrode (14), Mittel (20, 22, 38) zum selbsttätigen Zentrieren des Werkstücks (30) in der Werkstückaufnahme (16), Mittel (20, 22, 28, 62) zum Zuführen eines Elektrolyts (38) in einen Arbeitsspalt (34) zwischen der Elektrode (14) und dem Werkstück (30), und Mittel zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Elektrode (14) und dem Werkstück (30).
Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstücks nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zum Einbringen von Lagerrillenstrukturen in die Oberfläche eines Lagerbauteils eines fluiddynamischen Lagers verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum selbsttätigen Zentrieren des metallischen Werkstücks eine hydrostatische Ausgleichvorrichtung umfasst, wobei ein Fluid (38) unter Druck in einen Zwischenraum (36) zwischen der Werkstückaufnahme (16) und dem Werkstück (30) eingebracht wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (30) mittels der hydrostatischen Ausgleichsvorrichtung frei beweglich in der Werkstückaufnahme (16) gehalten ist und selbsttätig relativ zur Elektrode (14) zentriert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Werkstück (30) zugewandten Oberflächen des Spannmittels (10), der Elektrode (14) und der Werkstückaufnahme (16) nach deren Montage zusammen in einer Aufspannung maschiniert und dadurch zueinander ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (38) zum Zentrieren des Werkstücks (30) zugleich das Elektrolyt (38) zur elektrochemischen Bearbeitung des Werkstücks (30) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (36) mit dem Arbeitsspalt (34) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (36) zwischen der Werkstückaufnahme (16) und dem Werkstück (30) ein Spalt mit einer Spaltbreite von 20–50 Mikrometer ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der dem Werkstück (30) zugewandten Oberfläche der Werkstückaufnahme (16) Aussparungen (20) vorgesehen sind, in welche Bohrungen (22) münden, über die der Elektrolyt (38) in den Zwischenraum (36) zwischen der Werkstückaufnahme (16) und dem Werkstück (30) zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückaufnahme (16) eine Aussparung zur Aufnahme des Werkstücks (30) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Spannvorrichtung (10) eine Stopperfläche (11) als axialer Anschlag für das Werkstück (30) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen zweiten Einlass (28, 62) aufweist, über den der Elektrolyt (38) in den Arbeitsspalt zur elektrochemischen Bearbeitung des Werkstücks (30) geleitet werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (10) eine konzentrisch angeordnete Metallbuchse (58) umfasst, wobei die Metallbuchse (58) einerseits von außen elektrisch kontaktierbar ist und andererseits mit dem zu bearbeitenden Werkstück (30) elektrisch verbunden werden kann.
Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstücks (30), mit den Schritten: Bereitstellen eines Spannmittels (10) mit einer fest im Spannmittel angeordneten Elektrode (14) zur elektrochemischen Bearbeitung des Werkstücks (30), Einbringen des Werkstücks (30) in eine Werkstückaufnahme (16), selbsttätiges Zentrieren des Werkstücks (30) in der Werkstückaufnahme (16), elektrochemische Bearbeitung des Werkstücks (30) durch Zuführen eines Elektrolyts (38) in einen Arbeitsspalt (34) zwischen der Elektrode (14) und dem Werkstück (30) und Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Elektrode (14) und dem Werkstück (30).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das selbsttätige Zentrieren des Werkstücks (30) in der Werkstückaufnahme (16) mittels einer hydrostatische Ausgleichvorrichtung erfolgt, wobei ein Fluid (38) unter Druck in einen Zwischenraum (36) zwischen der Werkstückaufnahme (16) und dem Werkstück (30) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Bearbeitung das Einbringen von Lagerrillenstrukturen in die Oberfläche eines Lagerbauteils eines fluiddynamischen Lagers umfasst.