DE102015103224A1

DE102015103224A1 - Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstückes

Info

Publication number: DE102015103224A1
Application number: DE102015103224.4A
Authority: DE
Inventors: Fabio Wosniak; Vital Weber
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Extrude Hone GmbH
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2016-09-08

Abstract

Bei einem Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstücks (10) mit einer Oberfläche (20), wird ein Elektrolyt durch einen Arbeitsspalt (16) geleitet wird, der zwischen der Werkstückoberfläche (20) und einem nicht oszillierenden Werkzeug (14) gebildet ist. Ein gepulster Strom wird durch das Werkstück (10) und das Werkzeug (14) geleitet, wobei der Strom eine Folge von mehreren, sich wiederholenden Pulspaketen (22) umfasst, die voneinander durch eine Pausenzeit toff getrennt sind. Jedes Pulspaket (22) umfasst während einer Paketzeit ton wenigstens eine erste Paketphase (24) mit einer Dauer t1 und eine zweite Paketphase (26) mit einer Dauer t2, wobei die erste Paketphase (24) während der Dauer t1 wenigstens einen Arbeitspuls (30) und die zweite Paketphase (26) während der Dauer t2 mehrere Arbeitspulse (32) mit einer Frequenz f2 umfasst, und wobei ein Produkt aus der Frequenz f2 und der Dauer t1 größer als 1 ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Das elektrochemische Abtragen („Electrochemical Machining" = ECM) eignet sich insbesondere zum Verrunden und/oder Polieren metallischer Werkstoffe wie beispielsweise von hochfesten Stählen und diversen Nichteisenlegierungen. Das Verfahren beruht auf dem kontrollierten elektrochemischen Abbau der Oberfläche des zu bearbeitenden metallischen Werkstückes mit einem Werkzeug in einer mit einem Elektrolyt gefüllten, elektrochemischen Zelle durch Elektrolyse. Dazu wird an das Werkstück (Anode) ein positives Potential und an das Werkzeug (Kathode) ein negatives Potential angelegt. Der Elektrolyt durchströmt einen zwischen dem Werkstück und der Kathode gebildeten Arbeitsspalt. Durch die angelegte Spannung fließt ein Strom zwischen der Kathode und dem Werkstück durch die Elektrolytlösung. Die durch Elektrolyse am Werkstück gebildeten Metallionen wandern in die Elektrolytlösung und werden von der Werkstückoberfläche entfernt.
In den herkömmlichen ECM-Verfahren wird üblicherweise eine kontinuierliche Spannung bzw. ein kontinuierlich fließender Gleichstrom verwendet. Darüber hinaus sind gepulste ECM-Verfahren bekannt, bei denen die an die Elektroden angelegte Spannung oder der zwischen den Elektroden fließende Strom gepulst wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der US 6,402,931 B1 beschrieben. Der dort vorgeschlagene Wechsel zwischen anodischen und kathodischen Strompulsen führt aber zu einem Abtrag des Kathodenmaterials und kann deshalb höhere Bearbeitungskosten verursachen.
Schließlich sind auch elektrochemische Bearbeitungsverfahren beschrieben, bei denen das Werkzeug relativ zum Werkstück bewegt wird, um den Arbeitsspalt im Wesentlichen konstant zu halten, oder Verfahren, bei denen das Werkzeug oszilliert.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten ECM-Verfahren können Ablagerungen auf dem Werkstück zu einer Passivierung der Werkstückoberfläche führen. Zudem können Verfärbungen auf den Werkstückoberflächen und eine hohe Oberflächenrauhigkeit auftreten, wenn beim elektrochemischen Bearbeiten mit zu geringen Stromdichten gearbeitet wird. Zu hohe Stromdichten beeinträchtigen dagegen die Bearbeitungsgenauigkeit.
Durch Verwendung eines gepulsten Gleichstroms kann die Oberflächengüte zwar verbessert werden. Aufgrund der in den Randbereichen der Bearbeitungszone abfallenden Stromdichte ist jedoch ein Streuabtrag (Pitting) in den Übergangsbereichen zwischen der Bearbeitungszone und den nicht bearbeiteten Bereichen zu beobachten. Hochbelastete Werkstücke können in diesen Übergangsbereichen reißen. Daher werden solche Werkstücke abrasiv nachbearbeitet oder sogar durch andere zerspanende Verfahren hergestellt.
Die WO 2006/111345 A1 offenbart ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung elektrisch leitender Werkstücke aus Komponenten mit unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften. Mittels hochfrequenter Anodenstromimpulse von geringer Dauer werden Komponenten aus dem Werkstück über ein oszillierendes Werkzeug herausgelöst. Die Anodenstromimpulse werden als Impulsgruppe im Zeitpunkt maximaler Annäherung des Werkstücks an das Werkzeug erzeugt. Zwischen zwei Impulsgruppen wird ein Zwischenstromimpuls längerer Dauer erzeugt, um den pH-Wert des Elektrolyten im Arbeitsspalt zur Auflösung der jeweiligen Komponente des Werkstücks optimal einzustellen.
Elektrochemische Bearbeitungsverfahren mit oszillierender Kathode erfordern jedoch einen hohen apparativen Aufwand zur Steuerung der Bearbeitungsparameter.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten von metallischen Werkstücken anzugeben, das eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit zulässt, kostengünstig in der Anwendung ist und eine hohe Oberflächengüte des Werkstücks erzielt. Insbesondere besteht Bedarf an einem ECM-Verfahren, mit dem ein Streuabtrag in den Übergangsbereichen zwischen der Bearbeitungszone und nicht bearbeiteten Bereichen verhindert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstücks mit einer Oberfläche wird ein Elektrolyt durch einen Arbeitsspalt geleitet, der zwischen der Werkstückoberfläche und einem nicht oszillierenden Werkzeug gebildet ist, wobei ein gepulster Strom durch das Werkstück und das Werkzeug geleitet wird, der eine Folge von mehreren, sich wiederholenden Pulspaketen umfasst, die voneinander durch eine Pausenzeit t_off getrennt sind.
Erfindungsgemäß umfasst jedes Pulspaket wenigstens eine erste Paketphase mit einer Dauer t₁ und eine zweite Paketphase mit einer Dauer t₂. Die erste Paketphase umfasst während der Dauer t₁ wenigstens einen Arbeitspuls mit einer Frequenz f₁, und die zweite Paketphase umfasst während der Dauer t₂ mehrere Arbeitspulse mit einer Frequenz f₂, wobei ein Produkt aus der Frequenz f₂ und der Dauer t₁ größer als 1 ist.
Die Reihenfolge der ersten und der zweiten Paketphase ist jedoch beliebig. Dies bedeutet, dass die erste Paketphase auf die zweite Paketphase folgen kann, und umgekehrt. Bevorzugt folgt die zweite Paketphase auf die erste Paketphase.
Unter „Arbeitspuls“ wird hier und im folgenden ein Strompuls verstanden, bei dem der durch das Werkzeug (Kathode) und das als Anode geschaltete Werkstück fließende Strom eine Stromdichte an der Werkstückoberfläche erzeugt, die oberhalb einer für die Ablösung von Metallionen aus der Werkstückoberfläche benötigten Grenzstromdichte liegt. Bei einer Stromdichte unterhalb der Grenzstromdichte tritt lediglich eine Zersetzung des Elektrolyten unter Bildung von Sauerstoff an der Anode auf, wodurch Werkstückoberfläche passiviert werden kann.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem auf herkömmlichen ECM-Geräten nur durch Modifizierung der Pulsfolge eine pittingfreie Werkstückoberfläche erzeugt werden kann, die es gestattet auf eine abrasive Nachbearbeitung der Werkstücke zu verzichten. Vorteilhaft können daher auch gehärtete Werkstücke mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne Nachbearbeitung verrundet und/oder poliert werden. Somit ist eine effiziente und kostengünstige Herstellung von Werkstücken mit hoher Oberflächengüte möglich.
Die Pulspakete können durch Steuerung der Stromstärke und/oder der zwischen dem Werkstück (Anode) und dem Werkzeug (Kathode) anliegenden Spannung erzeugt werden. Bevorzugt wird die Spannung geregelt, wobei die Spannung eingestellt und die Stromstärke überwacht wird.
Die Stromdichte an der Werkstückoberfläche ergibt sich aus dem Verhältnis der Stromstärke in Ampere und der freien Bearbeitungsfläche am Werkstück in Quadratmillimeter.
Die Anwendung von mehreren, sich wiederholenden Pulspaketen nutzt zunächst die Vorteile des gepulsten ECM-Verfahrens gegenüber einer Bearbeitung mit kontinuierlich fließendem Gleichstrom. Während der Pausenzeit t_off liegt die Stromdichte an der Werkzeugoberfläche mindestens unterhalb der Grenzstromdichte, so dass keine Ablösung von Anodenmaterial stattfindet. Der in der Pausenzeit t_off im Arbeitsspalt zwischen Werkstückoberfläche und Werkzeug fließende Elektrolyt entfernt die von der Werkstückoberfläche abgetragenen Produkte aus dem Arbeitsspalt.
Die sich wiederholenden Pulspakete weisen ein übereinstimmendes Profil auf. Dies bedeutet, dass die zeitliche Abfolge der Arbeitspulse in den Pulspaketen, die Pausenzeiten und das Verhältnis der Amplituden der Arbeitspulse zueinander festgelegt sind. Damit kann der apparative Aufwand zur Steuerung der Pulspakete wesentlich verringert werden. Die Stromdichte an der Werkzeugoberfläche kann über die Regelung der Spannung und/oder Stromstärke an der Stromquelle gesteuert werden und sich über die Folge der Pulspakete ändern.
Die Pulspakete sind erfindungsgemäß aus wenigstens zwei Paketphasen zusammengesetzt, deren Abfolge jedoch variabel ist. Durch den Wechsel zwischen zwei Paketphasen mit Arbeitspulsen unterschiedlicher Frequenz und wahlweise unterschiedlicher Stromdichte an der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche kann sowohl ein Streuabtrag (Pitting) als auch die Bildung von Ablagerungen in den Randbereichen der Bearbeitungszone durch ungesteuerte Passivierung der Werkstückoberfläche verhindert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Pulspaket die erste Paketphase und die auf die erste Paketphase folgende zweite Paketphase, sowie eine sich an die zweite Paketphase des Pulspaketes anschließende dritte Paketphase mit einer Dauer t₃, wobei die dritte Paketphase während der Dauer t₃ wenigstens einen Arbeitspuls umfasst wobei ein Produkt aus der Frequenz f₂ und der Dauer t₃ größer als 1 ist.
In der dritten Paketphase wird der gegebenenfalls noch vorhandene Streuabtrag im Randbereich der Bearbeitungszone im Wesentlichen vollständig beseitigt, so dass ein homogener Übergang zwischen den nicht bearbeiteten Bereichen des Werkstücks und der elektrochemisch bearbeiteten Werkstückoberfläche entsteht.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen sind. In den Zeichnungen zeigen:
1 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks;
2 die schematische Darstellung der Form eines Pulspaketes des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 die schematische Darstellung der Form eines Pulspaketes gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
4 die schematische Darstellung der Form eines Pulspaketes gemäß einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
5 die elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Werkstücks; und
6 die elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines nach dem Stand der Technik bearbeiteten Werkstücks.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks 10 gezeigt. Eine Stromquelle 12 ist elektrisch leitend mit dem Werkstück 10 und einem Werkzeug 14 verbunden. Das Werkstück 10 ist hier als Anode und das Werkzeug 14 als Kathode geschaltet. Zwischen dem Werkstück 10 und dem Werkzeug 14 ist ein Arbeitsspalt 16 ausgebildet. Das Werkstück 10 ist somit in einem Abstand zum Werkzeug 14 angeordnet. Der Spalt 16 ist von einem hier nicht dargestellten Elektrolyt durchströmt. Das Werkzeug 14 weist eine freie Kathodenfläche 18 auf, über die beim Anlegen einer Gleichspannung durch die Stromquelle 12 ein Strom (hier gestrichelt dargestellt) zu einer Oberfläche 20 des Werkstücks fließt. Ab Erreichen einer Grenzstromdichte an der Werkstückoberfläche werden Metallionen von der Oberfläche 20 des Werkstücks 10 abgelöst.
Das Werkzeug 14 (Kathode) kann relativ zum Werkstück 10 mit einer vorbestimmten Vorschubgeschwindigkeit bewegt werden, beispielsweise um den im Verlauf der Bearbeitung größer werdenden Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück auszugleichen und den Arbeitsspalt konstant zu halten.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Werkstück 10 relativ zum Werkzeug 14 feststehend angeordnet.
Elektrochemische Bearbeitungsverfahren mit oszillierenden Kathoden erfordern einen hohen apparativen Aufwand und sind nicht Gegenstand der Erfindung.
Die Zusammensetzung der Elektrolytlösung ist abhängig vom Material des zu bearbeitenden Werkstücks 10. Bekannt sind Elektrolytlösungen, die Natriumchlorid und/oder Natriumnitrat enthalten. Die an das Werkstück 10 und das Werkzeug 14 angelegte Spannung und die Stromstärke des zwischen Werkstück und Werkzeug fließenden Stroms sind ebenfalls abhängig von dem zu bearbeitenden Material, der Ausdehnung des Spalts, der Elektrolytlösung und dem jeweiligen Bearbeitungsverfahren.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das metallische Werkstück 10 mit der zur Bearbeitung vorgesehenen Oberfläche 20 gegenüber dem als Kathode geschalteten Werkzeug 14 angeordnet und der Elektrolyt durch den Arbeitsspalt 18 geleitet, der zwischen der Werkstückoberfläche 20 und dem Werkzeug 14 gebildet ist.
Über die Stromquelle 12 wird während einer vorbestimmten Bearbeitungszeit ein gepulster Strom durch das Werkstück 10 und das Werkzeug 14 geleitet, der eine Folge von mehreren sich wiederholenden Pulspaketen 22 umfasst. Eine Ausführungsform der Pulspakete 22 ist schematisch in 2 gezeigt.
Die Pulspakete 22 sind voneinander durch eine Pausenzeit t_off getrennt. Die Dauer eines Pulspakets ist mit t_on bezeichnet.
In der Pausenzeit t_off zwischen den Pulspaketen erfolgt kein Abtrag von Metallionen aus der Werkstückoberfläche. Die Stromdichte an der Werkzeugoberfläche liegt während der Pausenzeit t_off unterhalb der Grenzstromdichte. Bevorzugt fließt während der Pausenzeit t_off kein Strom, so dass auch keine Zersetzung des Elektrolyten erfolgt. In der Pausenzeit entfernt der im Arbeitsspalt 16 zwischen Werkstückoberfläche und Werkzeug fließende Elektrolyt die während der Dauer des Pulspaketes t_on von der Werkstückoberfläche abgetragenen Produkte aus dem Arbeitsspalt, wodurch die Werkstückoberfläche 20 geglättet wird.
Jedes Pulspaket 22 umfasst wenigstens eine erste Paketphase 24 mit einer Dauer t₁ und eine zweite Paketphase 26 mit einer Dauer t₂. Die erste Paketphase umfasst während der Dauer t₁ wenigstens einen Arbeitspuls 30 mit einer Frequenz f₁, und die zweite Paketphase 26 umfasst während der Dauer t₂ mehrere Arbeitspulse 32 mit einer Frequenz f₂, wobei ein Produkt aus der Frequenz f₂ und der Dauer t₁ größer als 1 ist.
Bei der in 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform folgt die die zweite Paketphase 26 auf die erste Paketphase 24. Die Reihenfolge der ersten und zweiten Paketphase ist jedoch beliebig.
Die Dauer t₁ der ersten Paketphase 24 bezeichnet in der in 2 gezeigten Ausführungsform die Zeit vom Beginn des wenigstens einen Arbeitspulses 30 der ersten Paketphase bis zum Beginn der Gruppe von Arbeitspulsen 32 der zweiten Paketphase 26. Besonders bevorzugt umfasst die erste Paketphase 24 genau einen Arbeitspuls 30, an den wahlweise eine Zwischenpause t_im anschließen kann, bevor die zweite Paketphase 26 beginnt. Der Arbeitspuls 30 weist in diesem Fall eine Frequenz f₁ = 0 auf.
Gemäß einer hier nicht dargestellten Variante kann die erste Paketphase 24 auch mehrere Arbeitspulse mit einer Frequenz f₁ umfassen, die jeweils von einer Zwischenpause t_im unterbrochen sein können. In der Zwischenpause t_im liegt die Stromdichte an der Werkzeugoberfläche mindestens unterhalb der Grenzstromdichte, und bevorzugt unterhalb eines für eine Passivierung der Oberfläche erforderlichen Schwellenwerts der Stromdichte. Ganz besonders bevorzugt fließt in der Zwischenpause t_im kein Strom.
Die Frequenz f₁ ist bevorzugt kleiner als die Frequenz f₂. Besonders bevorzugt ist das Verhältnis der Frequenzen f₂ zu f₃ gleich oder größer 2:1, vorzugsweise gleich oder größer 5:1 und besonders bevorzugt gleich oder größer 10:1.Die Balance B₁ des wenigstens einen Arbeitspulses 30 in der ersten Paketphase 24, d. h., das Verhältnis der Anschaltzeit, in welcher ein Strom zwischen dem Werkzeug 14 und dem Werkstück 10 fließt, zur Dauer t₁ der ersten Paketphase 24, kann beliebig gewählt werden und liegt bevorzugt in einem Bereich von 30 bis 100 %, besonders bevorzugt von 50 bis 100 %.
In 2 ist der Arbeitspuls in der ersten Paketphase 24 als Rechteckpuls dargestellt. Der Arbeitspuls kann jedoch ein beliebiges Profil aufweisen. Beispielsweise ist möglich, dass der Puls in Form einer steigenden oder fallenden Rampe oder einer Treppe erzeugt wird. Auch gemischte Profile mit Plateaus und steigenden oder fallenden Rampen oder Treppen sind möglich und können je nach dem zur Bearbeitung vorgesehenen Material und der Werkstückgeometrie eingestellt werden.
Die Dauer t₂ der zweiten Paketphase 26 bezeichnet in der in 2 gezeigten Ausführungsform die Zeit vom Beginn bis zum Ende der mehreren Arbeitspulse 32 der zweiten Paketphase 26. Sofern die erste Paketphase 24 oder eine weitere Paketphase auf die zweite Paketphase 26 folgt, bezeichnet die Dauer t₂ der zweiten Paketphase 26 die Zeit vom Beginn der mehreren Arbeitspulse 32 bis zum Beginn der ersten oder weiteren Paketphase. Besonders bevorzugt umfasst die zweite Paketphase 26 eine Gruppe von mehreren hochfrequenten Arbeitspulsen 32, die jeweils durch eine Zwischenpause t_im unterbrochen sind. Ebenso kann sich eine Zwischenpause t_im an die Gruppe der Arbeitspulse 32 anschließen, bevor die erste oder weitere Paketphase beginnt.
Die Balance B₂ der Gruppe von mehreren Arbeitspulsen 32 in der zweiten Paketphase 26, d. h., das Verhältnis der Anschaltzeit, in welcher ein Strom zwischen dem Werkzeug 14 und dem Werkstück 10 fließt, zur Dauer t₂ der zweiten Paketphase 26, kann beliebig gewählt werden liegt bevorzugt in einem Bereich von 30 bis 90 %, besonders bevorzugt von 50 bis 80 %.
In 2 ist die Gruppe von mehreren Arbeitspulsen in der zweiten Paketphase 26 als Gruppe von Rechteckpulsen mit gleichbleibender Amplitude dargestellt. Die Arbeitspulse können jedoch ein beliebiges Profil aufweisen. Beispielsweise ist möglich, dass die Pulse ein Profil in Form einer Sinusschwingung oder Sägezahnschwingung aufweisen. Die Gruppe von Arbeitspulsen 32 kann mit konstanter Amplitude oder in Form einer steigenden oder fallenden Rampe oder einer Treppe erzeugt werden. Auch gemischte Amplitudenprofile mit Plateaus und steigenden oder fallenden Rampen oder Treppen sind möglich und können je nach dem zur Bearbeitung vorgesehenen Material und der Werkstückgeometrie eingestellt werden.
Das Produkt aus der Frequenz f₂ der Gruppe von Arbeitspulsen 32 in der zweiten Paketphase 26 und der Dauer t₁ der ersten Paketphase 24 ist erfindungsgemäß größer als 1. Bevorzugt ist das Produkt aus der Frequenz f₂ und der Dauer t₁ gleich oder größer 2, vorzugsweise gleich oder größer 3, besonders bevorzugt gleich oder größer 5 und ganz besonders bevorzugt gleich oder größer 8.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform umfasst jedes Pulspaket 22 die erste Paketphase 24 und die auf die erste Paketphase 24 folgende zweite Paketphase 26, sowie eine sich an die zweite Paketphase 26 des Pulspakets anschließende dritte Paketphase 28 mit einer Dauer t₃. Die dritte Paketphase 28 umfasst während der Dauer t₃ wenigstens einen oder mehrere Arbeitspulse 34 mit einer Frequenz f₃, wobei ein Produkt aus der Dauer t₃ und der Frequenz f₂ größer als 1 ist.
Bevorzugt ist das Produkt aus der Frequenz f₂ und der Dauer t₃ gleich oder größer 2, vorzugsweise gleich oder größer 3, besonders bevorzugt gleich oder größer 5 und ganz besonders bevorzugt gleich oder größer 8.
Die erste Paketphase 24 und die zweite Paketphase 26 entsprechen bei dieser Ausführungsform den oben im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Ausführungsformen. Insoweit wird auf diese Beschreibung Bezug genommen.
Die Dauer t₃ der dritten Paketphase 28 bezeichnet in der in 3 gezeigten Ausführungsform die Zeit vom Beginn bis zum Ende des wenigstens einen Arbeitspulses 34 der dritten Paketphase 28. An die dritte Paketphase 28 kann sich die Pausenzeit t_off anschließen.
Besonders bevorzugt umfasst die dritte Paketphase 28 genau einen Arbeitspuls 34. In diesem Fall weist der Arbeitspuls 34 der dritten Paketphase 28 eine Frequenz f₃ = 0 auf.
Gemäß einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann die dritte Paketphase 28 auch mehrere Arbeitspulse 34 umfassen, die jeweils von einer Zwischenpause t_im unterbrochen sein können. In der Zwischenpause t_im liegt die Stromdichte an der Werkzeugoberfläche mindestens unterhalb der Grenzstromdichte. Besonders bevorzugt fließt in der Pausenzeit t_im kein Strom.
Die Frequenz f₃ ist bevorzugt kleiner als die Frequenz f₂. Besonders bevorzugt ist das Verhältnis der Frequenzen f₂ zu f₃ gleich oder größer 2:1, besonders bevorzugt gleich oder größer 10:1.
Die Balance B₃ des wenigstens einen Arbeitspulses 34 in der dritten Paketphase 28, d. h., das Verhältnis der Anschaltzeit, in welcher ein Strom zwischen dem Werkzeug 14 und dem Werkstück 10 fließt, zur Dauer t₃ der dritten Paketphase 28, kann beliebig gewählt werden und liegt bevorzugt in einem Bereich von 30 bis 100 %, besonders bevorzugt von 50 bis 100 %.
In 3 ist der Arbeitspuls in der dritten Paketphase 28 als Rechteckpuls dargestellt. Der Arbeitspuls kann jedoch ein beliebiges Profil aufweisen. Beispielsweise ist möglich, dass der Puls in Form einer steigenden oder fallenden Rampe oder Treppe erzeugt wird. Auch gemischte Profile mit Plateaus und steigenden oder fallenden Rampen, Treppen oder Stufen sind möglich und können je nach dem zur Bearbeitung vorgesehenen Material und der Werkstückgeometrie eingestellt werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 4 schematisch dargestellt. Das Pulspaket 22 umfasst die erste Paketphase 24, die auf die erste Paketphase folgende zweite Paketphase 2 und eine dritte Paketphase 28. Die erste Paketphase 24 umfasst mehrere Arbeitspulse mit einer Frequenz f₁, die jeweils von einer Zwischenpause t_im unterbrochen sind. In der Zwischenpause t_im liegt die Stromdichte an der Werkzeugoberfläche mindestens unterhalb der Grenzstromdichte, und bevorzugt unterhalb eines für eine Passivierung der Oberfläche erforderlichen Schwellenwerts der Stromdichte. Ganz besonders bevorzugt fließt in der Zwischenpause t_im kein Strom.
Die Frequenz f₁ ist bevorzugt kleiner als die Frequenz f₂. Besonders bevorzugt ist das Verhältnis der Frequenzen f₂ zu f₃ gleich oder größer 2:1, vorzugsweise gleich oder größer 5:1 und besonders bevorzugt gleich oder größer 10:1.
Im Übrigen entspricht die in 4 dargestellte Ausführungsform den oben beschriebenen Ausführungsformen der 2 und 3, so dass auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
Die durch die Arbeitspulse in den jeweiligen Paketphasen an der Werkzeugoberfläche 20 erzeugte Stromdichte kann gleich oder verschieden sein. Bevorzugt ist die Spitzenstromdichte an der Werkzeugoberfläche während der Dauer t₁ kleiner oder gleich der Spitzenstromdichte während der Dauer t₂.
Besonders bevorzugt ist die Spitzenstromdichte während der Dauer t₃ in der dritten Paketphase 28 größer als die Spitzenstromdichte während der Dauer t₁ und/oder während der Dauer t₂. Mit dieser Ausführungsform wird eine effektive Verminderung des Streuabtrags in den Randbereichen der Bearbeitungszone erreicht.
Die Pulspakete 22 können durch Steuerung der Stromstärke und/oder der zwischen dem als Anode geschalteten Werkstück 10 und dem als Kathode geschalteten Werkzeug 14 anliegenden Spannung erzeugt werden. In den Ausführungsformen der 2 und 3 ist die Spannung U gesteuert. Mit U_A ist die Spannung während der ersten Paketphase, mit U_B die Spannung während der zweiten Paketphase und mit U_C die Spannung während der dritten Paketphase bezeichnet.
Die Steuerung der während der Pulspakete 22 an der Werkstückoberfläche 20 erzeugten Stromdichte kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die für die jeweiligen Paketphasen festgelegte Spitzenstromstärke oder Spitzenspannung während der Bearbeitungszeit stetig, nach Art einer Rampe, oder in Stufen, nach Art einer Treppe, erhöht wird. Die Stromdichte folgt dann der Änderung der Stromstärke und/oder Spannung.
Bevorzugt werden die Pulspakete 22 so gesteuert, dass die während der Dauer t_on eines Pulspakets 22 an der Werkstückoberfläche 20 erzeugte Spitzenstromdichte über die Gesamtdauer der Bearbeitung des Werkstücks (Bearbeitungszeit) im Wesentlichen konstant bleibt.
In allen Ausführungsformen können die Pulspakete 22 auch so gesteuert werden, dass die während der Dauer t_on eines Pulspakets 22 an der Werkstückoberfläche 20 am Anfang der Bearbeitungszeit erzeugte Spitzenstromdichte während der Bearbeitungszeit über wenigstens einen Teil, bevorzugt mehr als die Hälfte, der Pulspakete 22 zunimmt. Besonders erfolgt die Steuerung derart, dass die Spitzenstromdichte eines Pulspakets 22 während der Bearbeitungszeit über alle Pulspakete 22 zunimmt.
Bevorzugt liegt die zwischen Werkstück 10 und Werkzeug 14 anliegende Spannung U in einem Bereich von 0 bis 100 V, vorzugsweise von 0 bis 60 V. Die Spannung U_A in der ersten Paketphase 24 liegt bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 20 V, die Spannung U_B in der zweiten Paketphase 26 liegt bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 50 V und die Spannung U_C in der dritten Paketphase 28 liegt bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 50 V. Die angegebenen Spannungswerte eignen sich insbesondere für die elektrochemische Bearbeitung von Oberflächen aus gehärtetem und nicht gehärtetem Stahl.
Die Dauer t_on der Pulspakete 22 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 100 ms, bevorzugt von 10 bis 80 ms und besonders bevorzugt von 10 bis 40 ms.
Das Verhältnis der Dauer t₁ der ersten Paketphase 24 zur Dauer t_on der Pulspakete 22 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1:20 bis 4:10.
Das Verhältnis der Dauer t₂ der zweiten Paketphase 26 zur Dauer t_on der Pulspakete 22 liegt vorzugsweise im Bereich von 3:10 bis 9:10.
Das Verhältnis der Dauer t₃ der dritten Paketphase 28 zur Dauer t_on der Pulspakete 22 liegt bevorzugt in einem Bereich von 0:10 bis 4:10.
Die Pausenzeit t_off kann zwischen 1 ms und 500 ms variieren. Bevorzugt liegt die Pausenzeit t_off in einem Bereich von 2 bis 400 ms und besonders bevorzugt von 2 bis 200 ms.
Das Verhältnis der Dauer t_on der Pulspakete 22 zur Pausenzeit t_off beträgt bevorzugt von von 5:1 bis 1:5.
Die Frequenz F der Pulspakete 22 kann als Kehrwert der Summe aus der Dauer t_on der Pulspakete 22 und der Pausenzeit t_off in Sekunden 1/(t_off + t_on) angegeben werden. Die Frequenz F liegt bevorzugt in einem Bereich von 2 Hz bis 100 Hz, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 20 Hz und 80 Hz und besonders bevorzugt von 40 Hz bis 60 Hz.
Die Bearbeitungszeit der elektrochemischen Bearbeitung des Werkstücks, während der ein gepulster Strom mit einer sich wiederholenden Abfolge von mehreren Pulspaketen 22 zwischen dem Werkstück 10 und dem Werkzeug 14 fließt, beträgt vorzugsweise von 10 s bis 1 min.
Da der Stromfluss zwischen dem Werkstück 10 und dem Werkzeug 14 in der ersten Paketphase 24 des Pulspaketes 22 eine Stromdichte an der Werkzeugoberfläche 20 oberhalb der Grenzstromdichte erzeugt, werden in dieser Phase Metallionen von der Werkstückoberfläche 20 abgelöst.
Die Arbeitspulse 30, 32, 34 in den Paketphasen 24, 26, 28 des Pulspaketes 22 können über die den jeweiligen Paketphasen zwischen dem Werkstück 10 und dem Werkzeug 14 angelegte Spannung U_A,B,C oder die Stromstärke gesteuert werden. Die Spannung U_A,_B,C beziehungsweise die Stromstärke variiert dann zwischen einem Schwellenwert und einem Peakwert der Spannung U_A,B,C oder Stromstärke, der eine Stromdichte oberhalb der Grenzstromdichte erzeugt. Beispielsweise kann der Schwellenwert der Stromstärke oder Spannung etwa 50 % oder weniger des Peakwertes der Stromstärke oder Spannung U_A,B,C betragen, vorzugsweise von 10 bis 50 %. Besonders bevorzugt liegt am Schwellenwert die Stromdichte an der Werkzeugoberfläche unterhalb der Grenzstromdichte. Ganz besonders bevorzugt fließt am Schwellenwert der Spannung U_A,B,C oder der Stromstärke kein Strom zwischen dem Werkstück 10 und dem Werkzeug 14.
Der Peakwert der Spannung U_A,B,C kann in Abhängigkeit vom zu bearbeitenden Material gewählt und über die Dauer t_1,2,3 der jeweiligen Paketphase 24, 26, 28 variiert werden.
Die Frequenz f₁ des wenigstens einen Arbeitspulses 30 in der ersten Paketphase 24 beträgt vorzugsweise von 0 bis 100 kHz, und liegt bevorzugt in einem Bereich von 0 Hz bis 10 kHz, besonders bevorzugt von 0 Hz bis 1 kHz.
Die Frequenz f₂ der Gruppe von mehreren Arbeitspulsen in der zweiten Paketphase 26 beträgt vorzugsweise mindestens 400 Hz, und liegt bevorzugt in einem Bereich von 400 Hz bis 100 kHz, besonders bevorzugt von 1 kHz bis 15 kHz und am meisten bevorzugt von 2 bis 8 kHz.
Die zweite Paketphase 26 folgt bevorzugt auf die erste Paketphase 24 des Pulspaketes. Dazu kann die zweite Paketphase 26 direkt an die erste Paketphase 24 anschließen, wobei beispielsweise die Spannung U_A ohne Unterbrechung auf eine Spannung U_B erhöht wird, die dem Peakwert des folgenden Arbeitspulses 32 entspricht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Pulspaketes 22 kann die Spannung U_A in der ersten Paketphase 24 zuerst auf den der Spannung U_B entsprechenden Schwellenwert, vorzugsweise auf Null, abgesenkt und nach einer Zwischenpause t_im auf den Peakwert des ersten Arbeitspulses der zweiten Paketphase 26 erhöht werden.
Die Anwendung einer Gruppe von Arbeitspulsen 32 in der zweiten Paketphase 26 bewirkt einen verringerten Streuabtrag in den Randzonen der bearbeiteten Werkstückoberfläche 20.
Gemäß der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen folgt auf die zweite Paketphase 26 des Pulspaketes 22 eine dritte Paketphase 28 zur Feinbearbeitung der Werkstückoberfläche 20.
Die Frequenz f₃ des wenigstens einen Arbeitspulses 34 in der dritten Paketphase 24 liegt bevorzugt in einem Bereich von 0 bis 100 kHz, besonders bevorzugt von 0 bis 10 kHz und am meisten bevorzugt von 0 bis 1 kHz.
Durch die dritte Paketphase 28 kann der Streuabtrag in den Randbereiche der Bearbeitungszone im Wesentlichen vollständig beseitigt werden, so dass sich ein homogener Übergang zwischen den nicht bearbeiteten Bereichen des Werkstücks 10 und der elektrochemisch bearbeiteten Werkstückoberfläche 20 ausbildet.
Besonders bevorzugt bestehen alle Pulspakete 22 aus der ersten Paketphase 24, der zweiten Paketphase 26 und der dritten Paketphase 28.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Werkstücke mit einer Oberflächenrauhigkeit R_z von unter 1 µm, vorzugsweise R_z < 0,9 µm erhalten werden, gemessen nach DIN EN ISO 25178.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt zur elektrochemische Bearbeitung von Werkstücken aus Stahl verwendet, vorzugsweise aus gehärtetem Stahl. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitete Oberfläche der Werkstücke müssen nicht durch andere abrasive Verfahren nachbearbeitet werden. Außerdem kann die Bearbeitungszeit der Werkstücke im Vergleich zu herkömmlichen gepulsten ECM-Verfahren verkürzt werden.
Weitere Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind für den Fachmann offensichtlich. Beispielsweise kann zu Beginn der elektrochemischen Bearbeitung in bekannter Weise eine Kurzschlussprüfung durchgeführt werden, bevor der Strom in Form einer Folge von Pulspaketen durch das Werkstück und das Werkzeug geleitet wird. Darüber hinaus kann die am Werkstück und dem Werkzeug anliegende Spannung vor, während oder nach einem oder mehreren der Pulspakete kurzzeitig umgepolt werden, um die Kathode von Ablagerungen zu befreien. Das Umpolen der Spannung kann auch während der Pausenzeit oder einer Zwischenpause erfolgen. Nach der Durchführung der elektrochemischen Bearbeitung kann die bearbeitete Werkstückoberfläche gereinigt werden, beispielsweise durch Behandlung mit Ultraschall.
Ausführungsbeispiel
Der Strömungskanal einer Einspritzpumpe aus gehärtetem Kohlenstoffstahl wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren elektrochemisch bearbeitet. Für die Pulspakete wurden folgende Parameter verwendet:

Spannung U_A = 20 V U_B = 25 V U_C = 30 V
Pulszeiten t_on = 30 ms t_off = 20 ms t₁ = 10 ms t₂ = 15 ms t₃ = 5 ms
Frequenz F = 20 Hz f₁ = 0 Hz f₂ = 9 kHz f₃ = 0 Hz
Balance B₁ = 100 % B₂ = 70 % B₃ = 100 %
Elektrolyt: NaNO3

Die Gesamtdauer des Bearbeitungszyklus betrug 30 Sekunden.
Das erhaltene Werkstück hatte eine Rauhigkeit R_z der bearbeiteten Oberfläche von etwa 0,85 µm, gemessen nach DIN EN ISO 25178.
5 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme in 200facher Vergrößerung der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks im Übergangsbereich zu den nicht bearbeiteten Bereichen. Der Übergang zwischen der polierten, bearbeiteten Oberfläche und der nicht bearbeiteten Oberfläche ist homogen und fein, und im Wesentlichen frei von Streuabtrag.
6 zeigt als Vergleich die elektronenmikroskopische Aufnahme eines Werkstücks, das mit einem herkömmlichen gepulsten ECM-Verfahren bearbeitet wurde. Die Grenze zwischen dem bearbeiteten Bereich und dem nicht bearbeiteten Bereich ist inhomogen und grobkörnig ausgebildet. Die dunkle Verfärbung deutet auf das Vorliegen einer teilweise passivierten Schicht mit Ablagerungen aus der elektrochemischen Bearbeitung hin. Außerdem sind durch Streuabtrag (pitting) gebildete Löcher zu erkennen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6402931 B1 [0003]
WO 2006/111345 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 25178 [0089]
DIN EN ISO 25178 [0094]

Claims

Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstücks (10) mit einer Oberfläche (20), bei dem ein Elektrolyt durch einen Arbeitsspalt (16) geleitet wird, der zwischen der Werkstückoberfläche (20) und einem nicht oszillierenden Werkzeug (14) gebildet ist, wobei ein Strom durch das Werkstück (10) und das Werkzeug (14) geleitet wird, der eine Folge von mehreren, sich wiederholenden Pulspaketen (22) umfasst, die voneinander durch eine Pausenzeit t_off getrennt sind, wobei jedes Pulspaket (22) während einer Paketzeit t_on wenigstens eine erste Paketphase (24) mit einer Dauer t₁ und eine zweite Paketphase (26) mit einer Dauer t₂ umfasst, wobei die erste Paketphase (24) während der Dauer t₁ wenigstens einen Arbeitspuls (30) und die zweite Paketphase (26) während der Dauer t₂ mehrere Arbeitspulse (32) mit einer Frequenz f₂ umfasst, wobei ein Produkt aus der Frequenz f₂ und der Dauer t₁ größer als 1 ist, und wobei das Pulspaket (22) wahlweise eine dritte Paketphase (28) mit einer Dauer t₃ umfasst, und wobei die dritte Paketphase (28) während der Dauer t₃ wenigstens einen Arbeitspuls (34) umfasst, wobei ein Produkt aus der Frequenz f₂ und der Dauer t₃ größer als 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulspaket (22) die erste Paketphase (24), die zweite Paketphase (26) und die dritte Paketphase (28) umfasst, wobei die zweite Paketphase (26) auf die erste Paketphase (24) folgt, und wobei die dritte Paketphase (28) auf die zweite Paketphase (26) folgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Dauer t₁ der ersten Paketphase (24) zur Paketzeit t_on in einem Bereich von 1:20 bis 4:10 liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Dauer t₂ der zweiten Paketphase (26) zur Paketzeit t_on in einem Bereich von 3:10 bis 9:10 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Dauer t₃ der dritten Paketphase (28) zur Paketzeit t_on in einem Bereich von 0:10 bis 4:10 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pausenzeit t_off in einem Bereich von 1 ms bis 500 ms liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 200 ms.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Paketzeit t_on zur Pausenzeit t_off in einem Bereich von 10:1 bis 1:10 liegt, bevorzugt von 5:1 bis 1:5.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom mit einer Frequenz F der Pulspakete (22) in einem Bereich von 2 Hz bis 100 Hz, bevorzugt 20 Hz bis 80 Hz, gepulst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer t₁ der ersten Paketphase (24) in einem Bereich von 0,25 ms bis 40 ms liegt, bevorzugt von 0,5 bis 32 ms.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer t₂ der zweiten Paketphase (26) in einem Bereich von 1,5 ms bis 90 ms, bevorzugt von 3 ms bis 72 ms liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer t₃ der dritten Paketphase (28) in einem Bereich von 0 bis 40 ms liegt, bevorzugt von 0 bis 32 ms.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus der Frequenz f₂ und der Dauer t₁ gleich oder größer 2 is, insbesondere gleich oder größer 8.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus der Frequenz f₂ und der Dauer t₃ gleich oder größer als 2 ist, insbesondere gleich oder größer 8.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Arbeitspuls (30) in der ersten Paketphase (24) eine Balance B₁ im Bereich von 30 bis 100 % aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Arbeitspulse (32) in der zweiten Paketphase (26) eine Balance B₂ im Bereich von 30 bis 90 % aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Arbeitspuls (34) in der dritten Paketphase (28) eine Balance B₃ im Bereich von 30 bis 100 % aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz f₂ mindestens 400 Hz beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spitzenstromdichte an der Werkzeugoberfläche während der Dauer t₁ kleiner oder gleich einer Spitzenstromdichte während der Dauer t₂ ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spitzenstromdichte an der Werkzeugoberfläche während der Dauer t₃ größer oder gleich einer Spitzenstromdichte während der Dauer t₂ ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine über die Paketzeit t_on gemittelte Stromdichte an der Werkzeugoberfläche über die Folge der mehreren, sich wiederholenden Pulspakete (22) im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine während der Paketzeit t_on an der Werkzeugoberfläche erzeugte Spitzenstromdichte über die Folge der mehreren, sich wiederholenden Pulspakete (22) stetig oder stufenweise erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstück (10) mit einer Oberfläche (20) aus gehärtetem Stahl verwendet wird, wobei die Oberfläche (20) des Werkstücks (10) nach der elektrochemischen Bearbeitung nicht mittels eines zerspanenden Verfahrens nachbearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstück (10) mit einer Oberfläche (20) erhalten wird, die nach der elektrochemischen Bearbeitung eine Oberflächenrauhigkeit R_z von < 1 µm, vorzugsweise < 0,9 µm, aufweist, gemessen nach DIN EN ISO 25178.