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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektro-chemischen Bearbeitung eines Werkstücks durch eine Elektrode, bei dem unter Vorschub der Elektrode oder/und des Werkstücks in Bearbeitungsrichtung die Elektrode mit dem Werkstück in Kontakt gebracht wird, um eine Kontaktposition (s0) der Elektrode oder/und des Werkstücks als Bezugswert für die Einstellung eines Arbeitsspalts zwischen der Elektrode und dem Werkstück zu bestimmen.
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Ein Verfahren solcher Art geht aus der
WO 99/51381 hervor. Bei diesem bekannten Verfahren folgen auf die Ermittlung der Kontaktposition (s
0) die Einstellung des Arbeitsspalts und eine entsprechende Materialabtragungsphase. Je ein Bearbeitungszyklus wird beendet durch eine der Abtragungsphase folgende Einstellung eines Spülspalts und eine entsprechende Spülphase.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art derart weiterzubilden, dass gegenüber diesem Stand der Technik eine höhere Bearbeitungsproduktivität, verbesserte Oberflächenqualität und erhöhte Funktionssicherheit erreicht wird.
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Dass diese Aufgabe lösende Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Kontaktposition der Abstand (d) zwischen der Elektrode und dem Werkstück über die Weite (dA) des Arbeitsspalts hinaus erhöht und der Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück danach bis zum Erreichen der Arbeitsspaltweite verringert wird.
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Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Einstellung des Arbeitsspalts im Unterschied zum Stand der Technik nicht mit einer Vergrößerung sondern mit einer Verringerung der Spaltweite verbunden. So herrscht im Arbeitsspalt ein erhöhter Fluiddruck, welcher die Größe im Elektrolyten gebildeter Gasblasen begrenzt. Kleinere Gasblasen, die den Stromfluss zwischen der Elektrode und dem Werkstück weniger stören, führen zu einer effizienteren Materialabtragung. Zudem ist die Gefahr durch Gasblasen verursachter elektrischer Durchschläge zwischen der Elektrode und dem Werkstück gemindert.
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Vorzugsweise werden zyklisch der Arbeitsspalt und ein gegenüber dem Arbeitsspalt erweiterter Spülspalt eingestellt und ausgehend von der Kontaktposition (s0) erfolgt zunächst die Einstellung des Spülspalts und davon ausgehend die Einstellung des Arbeitsspalts.
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Die Kontaktposition kann in jedem Zyklus oder nach einer vorgegebenen Anzahl von Zyklen ermittelt werden, vorzugsweise jeweils unter Registrierung eines elektrischen Kontakts.
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Bei dem Bearbeitungsverfahren nach dem Stand der Technik ist die Bildung des Arbeitsspalts unmittelbar nach der Kontaktierung mit einer starken Reduktion des Elektrolyts verbunden. Beim Auffahren des Spalts aus der Kontaktposition, also ausgehend von der Spaltweite Null, kann in den engen Spalt Elektrolyt nur in begrenzten Maßen nachfließen.
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Indem ggf. im jeweils nächstfolgenden Zyklus die Bestimmung der Kontaktposition im Anschluss an die Abtragungsphase erfolgt, in der eine Doppelschicht gebildet wird, kann in der Phase der Bestimmung der Kontaktposition ein negativer Strom fließen, durch den vorteilhaft Katodenablagerungen abgebaut werden. Dies führt zu einer wesentlichen Erhöhung der Oberflächenqualität des bearbeiteten Werkstücks.
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Vorteilhaft wird in einer Zyklenphase, in welcher der Arbeitsspalt eingestellt ist, eine Betriebsspannung (UB) impulsweise zwischen der Elektrode und dem Werkstück angelegt.
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Anhand aufeinanderfolgend bestimmter Kontaktpositionen (s0) kann die Geschwindigkeit der Materialabtragung ermittelt und in der Phase, in welcher der Arbeitsspalt eingestellt ist, eine Nachführung der Elektrode oder/und des Werkstücks unter Konstanthaltung der Weite des Arbeitsspalts erfolgen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegt außer in einer Phase der Abtragung an der Elektrode und dem Werkstück jeweils eine Messspannung (UM) an, anhand deren Zusammenbrechens ein Kurzschluss detektiert und die Kontaktposition bestimmt werden kann. Alternativ wird die Messspannung nur unmittelbar während der Kontaktierbewegung angelegt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden, sich auf dieses Ausführungsbeispiel beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
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1 eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, und
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2 das Verfahren nach der Erfindung erläuternde Zeit-Diagramme.
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Eine in 1 schematisch darstellte Anlage zur elektro-chemischen Bearbeitung eines Werkstücks 1 durch eine Elektrode 2 umfasst einen Werkstückhalter 3 und einen Elektrodenhalter 4. Der Werkstückhalter 3 und der Elektrodenhalter 4 sind über eine Trägereinrichtung 5 miteinander verbunden. Die Trägereinrichtung 5 umfasst eine Bewegungseinrichtung 6, durch die der Werkzeughalter 4 mit dem Werkzeug 2 gemäß Pfeil 7 hin und her bewegbar ist. Die Bewegungseinrichtung 6 erlaubt die Einstellung unterschiedlicher Weiten eines Spalts 8 zwischen dem Werkstück 1 und der Elektrode 2 und umfasst eine Einrichtung zur Bestimmung der jeweiligen Positionskoordinate s des Elektrodenhalters 4 und damit der Elektrode 2.
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Strichlinien 9 in 1 deuten ein Reservoir für einen das Werkstück 1 und die Elektrode 2 umgebenden Elektrolyten an. Nicht gezeigte Pumpeinrichtungen sorgen für eine Elektrolytströmung durch den Spalt 8. Als Elektrolyten in Betracht kommen z.B. eine Natriumnitrat- und/oder Natriumchloridlösung.
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Das Werkstück 1 und die Elektrode 2 stehen elektrisch über den Werkstückhalter 3 bzw. den Elektrodenhalter 4 mit einer Versorgungsspannungsquelle 10 in Verbindung, die neben (nicht gezeigten) Schalteinrichtungen zum Anlegen einer Betriebsspannung an den Spalt 8 Einrichtungen zur Messung des durch den Spalt 8 fließenden Stromes I und der daran anliegenden Spannung U umfassen. Die Versorgungsspannungsquelle 10 steht ihrerseits in Verbindung mit einer Steuer- und Auswerteinrichtung 11.
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An Verbindungsleitungen 12, 13 zwischen der Versorgungsspannungsquelle 10 und dem Werkstückhalter 3 bzw. Elektrodenhalter 4 ist eine Messspannungsquelle 14 angeschlossen, die ihrerseits in Verbindung mit der Steuer- und Auswerteinrichtung 11 steht und durch die eine Messspannung UM an die Leitungen 12, 13 anlegbar ist.
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Neben den Verbindungen zu der Messspannungsquelle 14 und der Versorgungsspannungsquelle 10 steht die Steuer- und Auswerteinrichtung 11 in Verbindung mit der Bewegungseinrichtung 6, wie 1 ferner zu entnehmen ist.
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Die Bearbeitung des Werkstücks 1 durch die vorangehend beschriebene Anlage erfolgt gemäß 2 nach einer Startphase in aufeinanderfolgenden Bearbeitungszyklen.
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In der Startphase der Werkstückbearbeitung wird obengenannte Pumpe in Betrieb genommen und in dem Spalt 8 eine Elektrolytströmung erzeugt. Signale der Steuer- und Auswerteinrichtung 11 sorgen dafür, dass zu Beginn eines ersten Bearbeitungszyklus die Bewegungseinrichtung 6 durch Bewegung der Elektrode 2 mit vorgegebener Geschwindigkeit die Weite des Spalts 8 verringert und dass über die Leitungen 12, 13 zwischen dem Werkstück 1 und der Elektrode 2 die durch die Messspannungsquelle 14 erzeugte Messspannung UM anliegt. Durch den erhöhten Druck ist der Durchmesser im Elektrolyt gebildeter Gasblasen reduziert und damit der Elektrolytwiderstand vorteilhaft verkleinert.
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Wenn es zu einem Zeitpunkt bei 15 zwischen dem Werkstück 1 und der Elektrode 2 zu einem elektrischen Berührungskontakt kommt, bricht die Messspannung UM zusammen, was die Spannungsmesseinrichtung der Versorgungsspannungsquelle 10 und damit die Steuer- und Auswerteinrichtung 11 registriert. Die Steuer- und Auswerteinrichtung 11 erfasst und speichert die bei diesem Kurzschluss vorliegende Koordinate S0 der Elektrode.
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Der Startzyklus der Bearbeitung wird fortgesetzt, indem die Weite d = s – s0 des Spalts 8 mit vorgegebener Geschwindigkeit wieder vergrößert und ausgehend von der bei der Kontaktierung ermittelten Koordinate S0 der Elektrode 2 bei 16 ein Spülspalt eingestellt wird. Weite ds und Dauer der Aufrechterhaltung des Spülspalts sind so bemessen, dass in nachfolgenden Bearbeitungszyklen jeweils ein Austausch des zwischen dem Werkstück 1 und der Elektrode 2 befindlichen Elektrolyten erfolgen kann.
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Im Anschluss an die Spülphase werden das Werkstück 1 und die Elektrode 2 durch die Bewegungseinrichtung 6 wieder mit vorgegebener Geschwindigkeit aufeinander zu bewegt, wobei zum Zeitpunkt bei 17 basierend auf dem Wert S0 ein Arbeitsspalt eingestellt wird. Die Weite dA des Arbeitsspaltes ist so bemessen, dass eine effiziente Abtragung von Material von dem Werkstück 1 erfolgt. Mit der Einstellung des Arbeitsspalts bei 17 beginnt die eigentliche Bearbeitung, während der durch die Versorgungsspannungsquelle 10 in dem gezeigten Beispiel impulsweise eine Betriebsspannung UB zwischen dem Werkstück 1 und der Elektrode 2 angelegt wird. Wie 2 erkennen lässt, führen die Impulse der Spannung UB zu entsprechenden Impulsen des zwischen der Elektrode 2 und dem Werkstück 1 fließenden Stroms I.
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Die Weite des Arbeitsspalts dA wird während dieser Bearbeitungsphase konstant gehalten, indem die Elektrode 2 entsprechend der Abtragungsgeschwindigkeit nachgeführt wird.
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Vorteilhaft fällt die Bearbeitung in eine Phase erhöhten Drucks im Elektrolyten, wobei diese Erhöhung auf die schnelle Verringerung der Spaltweite d im Anschluss an die Spülphase zurückzuführen ist. Durch den erhöhten Druck ist der Durchmesser im Elektrolyt gebildeter Gasblasen reduziert und damit der Elektrolytwiderstand vorteilhaft verkleinert.
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Bei 18 endet mit dem Ende des letzten Impulses der Betriebsspannung UB die Abtragungsphase.
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In einem folgenden Bearbeitungszyklus werden das Werkstück 1 und die Elektrode 2 nun wieder mit vorgegebener Geschwindigkeit zwecks Kontaktierung aufeinander zu bewegt. Währenddessen liegt anstelle der Betriebsspannung UB wieder die Messspannung UM zwischen dem Werkstück 1 und der Elektrode 2 an. Der von der Spannungsmesseinrichtung der Versorgungsspannungsquelle 10 registrierten Spannung U ist eine Polarisationsspannung des durch das Werkstück 1 und die Elektrode 2 mit dem Elektrolyten gebildeten Elements überlagert, die bei 19 zu einem negativen Endladungsstrom führt, wie 2 ferner erkennen lässt. Vorteilhaft sorgt dieser negative Entladungsstrom in der Phase der Kontaktierung für einen Abbau von Kathodenablagerungen und damit für eine hohe Oberflächenqualität des bearbeiteten Werkstücks. Der negative Strom fließt während der Kurzschlussphase der sich durch die Änderung der Stromrichtung bei der Entladung der Kapazität der Doppelschicht ergibt. Der Bearbeitungszyklus setzt sich in der vorangehend beschriebenen Weise fort. Es versteht sich, dass bei der weiteren elektro-chemischen Bearbeitung des Werkstücks die Bearbeitungsparameter jeweils an den fortgeschrittenen Bearbeitungszustand angepasst und z.B. die Spülspaltweite, die Zahl der Versorgungsspannungsimpulse und die Häufigkeit der Kontaktphase variiert werden können.
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Um zunächst die Abtragungsgeschwindigkeit zu ermitteln, kann zumindest im Startzyklus die Nachführung der Elektrode, um die Weite des Arbeitsspalts konstant bei dA zu halten, unterbleiben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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