DE102015201080A1

DE102015201080A1 - Verfahren und Vorrichtung zum elektrochemischen Abtragen von Material von einem Werkstück

Info

Publication number: DE102015201080A1
Application number: DE102015201080.5A
Authority: DE
Inventors: Axel Arndt; Manuela Schneider; Martin Schäfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2016-07-28
Also published as: WO2016116292A1; US20170368626A1; CN107206519A; EP3223987A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Abtragen von Material von einem Werkstück (12). Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (15), die zum Abtragen des Materials geeignet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen dem Werkstück (12) und einem Elektrolytträger in Form einer Bürste oder eines Schwamms (14) eine mechanisch geführte Relativbewegung ausgeführt wird, wodurch vorteilhaft eine exakte Bearbeitung der Oberfläche unter vorgegebenen Bedingungen ermöglicht wird. Bei der zu bearbeitenden Oberfläche kann es sich beispielsweise um eine Bohrung (13) handeln, wobei der Schwamm (14) in diesem Fall zylindrisch ausgeführt ist, und damit genau an die Oberfläche der Bohrung (13) angepasst ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Abtragen von Material von einem Werkstück, bei dem ein Elektrolytträger mit einem Elektrolyt getränkt wird. Dieser Elektrolytträger, beispielsweise ein Schwamm oder eine Bürste, wird anschließend auf die Oberfläche des Werkstücks aufgesetzt, wobei das Werkstück mit dem Elektrolyt in Kontakt kommt. An den Elektrolytträger wird in Bezug auf das Werkstück ein negatives Potential angelegt. Dies bewirkt einen elektrolytischen Abtrag von Material von dem Werkstück, wobei dieses Material elektrochemisch aufgelöst wird. Dies erfolgt vorzugsweise bei metallischen Materialien.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum elektrochemischen Abtragen von Material von einem Werkstück. Diese Vorrichtung weist eine Aufnahme für das Werkstück auf. Ein Elektrolytträger aus einem mit Elektrolyt tränkbaren Material ist vorgesehen, wobei dieser auf die Oberfläche eines in der Aufnahme vorgesehenen Werkstücks aufgesetzt werden kann. An dem Elektrolytträger ist außerdem ein in Bezug auf das Werkstück negatives Potential anlegbar. Dies kann beispielsweise mit einer elektrischen Anschlussstelle für eine Spannungsquelle realisiert sein. Diese Spannungsquelle kann an den Elektrolytträger dann mit dem negativen Pol angeschlossen werden, während an die Oberfläche des in der Aufnahme befindlichen Werkstücks der positive Pol der Spannungsquelle anschließbar ist.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art sind beispielsweise aus der WO 2006/080948 A2 und aus der AU 2013242795 A1 bekannt. Danach können Vorrichtungen zum elektrochemischen Abtragen mit einer Bürste oder einem Schwamm als Elektrolytträger ausgestattet sein, wobei der Elektrolyt in diesen Strukturen aufgrund von Kapillarkräften aufgesaugt werden kann. Werden diese Elektrolytträger dann auf eine zu behandelnde Oberfläche aufgesetzt, so ermöglicht dies einen Transport des Elektrolyts durch die Kanäle in dem Elektrolytträger hin zur zu behandelnden Oberfläche. Mit den Vorrichtungen kann ein Verfahren zum elektrochemischen Abtragen auf Oberflächen durchgeführt werden. Beispielsweise können hierbei Rückstände eines Schweißverfahrens, wie beispielsweise Schweißspritzer, lokal von der Oberfläche einer Schweißkonstruktion entfernt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens derart weiterzubilden, dass die Qualität des Ergebnisses des elektrochemischen Abtragens verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem Werkstück und dem Elektrolytträger eine mechanisch geführte Relativbewegung ausgeführt wird. Dies wird erreicht, indem der Elektrolytträger durch eine geeignete mechanische Vorrichtung gegenüber dem Werkstück geführt wird, so dass eine definierte Bewegung des Elektrolytträgers auf der Oberfläche des Werkstücks ausgeführt werden kann. Die mechanische Führung der Relativbewegung wird mit anderen Worten durch die kinematische Festlegung von Freiheitsgraden der besagten Relativbewegung erreicht, während die Bewegung in anderen Freiheitsgraden zugelassen wird. Dies kann entweder durch eine geeignete mechanische Kopplung zwischen dem Bauteil und dem Elektrolytträger bewerkstelligt werden, oder es eine programmierbare Einrichtung wie ein Roboterarm verwendet, dessen Bewegung genau vorgegeben werden kann, wodurch bestimmte Freiheitsgrade blockiert und anderen Freiheitsgrade für die Relativbewegung ausgenutzt werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass beispielsweise jede der zu bearbeitenden Regionen des Werkstücks in gleichem Maße der Behandlung des Abtragens zugeführt wird. Damit lässt sich vorteilhaft die Qualität des Abtragungsergebnisses verbessern.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Elektrolytträger derart an die Oberflächenstruktur des Werkstücks angepasst wird, dass dieser einen Querschnitt aufweist, dessen Kontur zumindest in einem Teilbereich genau mit der zu erzeugenden Oberfläche des Werkstücks übereinstimmt. Weiterhin ist ein Freiheitsgrad vorhanden, der die Bewegung des Elektrolytträgers relativ zum Werkstück erlaubt. Dieser Freiheitsgrad kann beispielsweise durch eine Bewegungsrichtung senkrecht zum genannten Querschnitt des Elektrolytträgers vorhanden sein. Auf diesem Wege lassen sich Strukturen herstellen, die durch einen Querschnitt definiert sind, der sich in Richtung einer zum Querschnitt senkrechten Richtung auf dem Werkstück erstreckt. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Absatz oder eine Nut handeln. Diese Struktur kann auf oder in einer ebenen Fläche vorgesehen sein oder auch auf oder in dem Umfang eines rotationssymmetrischen Werkstückes.
Vorteilhaft kann die zu erzeugende Oberfläche auch aus einem Loch bestehen. Dieses Loch kann durch eine Bohrung gebildet sein oder durch andere Herstellungsverfahren, beispielsweise einem Additive Manufacturing-Verfahren (auch additives Herstellungsverfahren genannt), in das Bauteil eingebracht werden. Wenn nämlich an die Wandungen des Lochs Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit bestehen, die durch das gewählte Herstellungsverfahren für das Loch nicht erreicht werden können, ist es vorteilhaft, wenn das Loch anschließend mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nachbearbeitet werden kann. Der Elektrolytträger weist dabei genau den Querschnitt des Lochs auf. Er kann durch eine translatorische Bewegung in das Loch eingeführt werden, wobei diese Bewegung auch verwendet werden kann, um während des elektrochemischen Abtragens eine Relativbewegung zwischen den Lochwänden und dem Elektrolytträger zu gewährleisten. Wenn es sich um ein kreiszylindrisches Loch handelt, kann die Relativbewegung insbesondere auch durch eine Drehung des Elektrolytträgers um seine zentrale Symmetrieachse erreicht werden.
Die Relativbewegung zwischen dem Elektrolytträger und dem Werkstück während des Abtragens kann also rotatorisch und/oder linear ausgestaltet sein. Die Relativbewegung kann vorteilhaft entweder durch Bewegen des Werkstücks unter einem feststehenden Elektrolytträger oder durch Bewegung des Elektrolytträgers an der Oberfläche des Werkstücks erzeugt werden. Insbesondere rotationssymmetrische Bauteile, wie z. B. Wellen, lassen sich leicht in Drehung versetzen, so dass ein feststehender Elektrolytträger vorteilhaft ist. Wenn die Bauteile sehr groß sind und z. B. nur kleine Oberflächenregionen, wie z. B. Löcher, bearbeitet werden sollen, ist es vorteilhaft, wenn der Elektrolytträger gegenüber dem ortsfesten Werkstück bewegt wird.
Der Elektrolytträger kann vorteilhaft auch durch einen Roboter geführt werden. Hierbei können vorteilhaft räumlich beliebig angeordnete Flächen des Bauteils bearbeitet werden. Besonders vorteilhaft ist die Bearbeitung mittels eines Roboters, wenn die Geometrie des Bauteils ohnehin als dreidimensionaler Datensatz zur Verfügung steht, wie dies beispielsweise für die Herstellung mittels Additive Manufacturing gewährleistet ist.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Bauteil, das durch das elektrochemische Abtragen bearbeitet werden soll, durch ein additives Herstellungsverfahren (auch als Additive Manufacturing bezeichnet) hergestellt wird. Als Additive Manufacturing-Verfahren sind insbesondere das Laserschmelzen, das Lasersintern und das Lasercladding zu nennen. Hierbei werden die Bauteile lagenweise aufgebaut, wobei hierdurch eine stufige Oberfläche des Bauteils entstehen kann. Wenn die Oberflächenanforderungen an das Bauteil jedoch eine Oberflächenqualität erfordern, die sich durch diese „stufige“ Oberflächenbeschaffenheit nicht erreichen lässt, so bietet es sich an, das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden. Je nach Geometrie des Bauteils kann eine Führung des Bauteils oder die Verwendung eines Elektrolytträgers mit einem Roboter gewählt werden.
Weiterhin wird die Aufgabe durch die eingangs angegebene Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen der Aufnahme und dem Elektrolytträger eine mechanische Kopplung vorgesehen ist, die eine Relativbewegung hinsichtlich mindestens eines Freiheitsgrades zulässt. An das Werkstück kann der positive Pol einer Spannungsquelle und an den Elektrolytträger der negative Pol einer Spannungsquelle angeschlossen werden. Hierdurch wird das eingangs angegebene Verfahren in Gang gesetzt, wobei der Elektrolytträger dabei mit einem Elektrolyt getränkt wird. Die mechanische Kopplung von Elektrolytträger und Werkstück ist vorteilhaft durch dessen Einspannung in die Aufnahme genau definiert, weswegen vorteilhaft das Abtragungsergebnis durch das durchgeführte elektochemische Abtragen (z. B. Elektropolieren) genau vorherbestimmt werden kann. Dabei erlaubt die mechanische Kopplung vorteilhaft eine Rotation und/oder Translation zwischen Aufnahme- und Elektrolytträger.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung im schematischen Schnitt und Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens als Seitenansicht und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung während Ausführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens als dreidimensionale Ansicht.
Eine Vorrichtung zum elektrochemischen Abtragen gemäß 1 weist eine Aufnahme 11 auf, in die ein Werkstück 12 eingesetzt werden kann. Das Werkstück 12 ist mit einem Loch 13 in Form einer Bohrung versehen, wobei dieses durch das elektrochemische Abtragen bearbeitet werden soll. Zu diesem Zweck wird ein zylindrischer Elektrolytträger 14 in Form eines Schwammes von oben in die Bohrung eingeführt. Dazu wird der Elektrolytträger 14 an einer Vorrichtung 15 befestigt, welche zum senkrechten Verschieben eine Linearführung 16 aufweist. Die translatorische Bewegung in Richtung des angedeuteten Doppelpfeils 17 kann auch dazu verwendet werden, um eine Relativbewegung zwischen dem Elektrolytträger 14 und dem Werkstück 12 zu erzeugen.
Der Elektrolytträger 14 ist auf einer Versorgungsleitung 18 montiert, welche Löcher 19 aufweist, durch die der Elektrolyt in den Elektrolytträger 14 gelangen kann. Durch Poren 20 der schwammartigen Struktur des Elektrolytträgers 14 gelangt der Elektrolyt anschließend zu den Wänden des Lolchs 13. Es tropft anschließend in eine Auffangwanne 21, von wo es über eine mit einer Pumpe 22 ausgestattete Saugleitung der Vorrichtung 15 wieder zugeführt werden kann. Dort gelangt es in nicht näher dargestellter Weise wieder in die Versorgungsleitung 18.
Die Vorrichtung ist weiterhin mit einem Motor 24 ausgestattet, die die Versorgungsleitung 18 entsprechend des angedeuteten Doppelpfeils 25 in Rotation versetzen kann. Damit rotiert auch der Elektrolytträger 14, der die Versorgungsleitung 18 ringförmig umgibt, um die Symmetrieachse 30 der Versorgungsleitung 18. Dies ist eine weitere Möglichkeit, eine Relativbewegung zwischen dem Elektrolytträger 14 und dem Werkstück 12 zu erzeugen.
Dargestellt ist außerdem eine Spannungsquelle 26, deren Pluspol an das Werkstück 12 und deren Minuspol über die Vorrichtung 15 in nicht näher dargestellter Weise mit der elektrisch leitenden Versorgungsleitung 18 kontaktiert ist. Durch Anlegen des Potentials wird die Wandung des Lochs 13 elektrochemisch abgetragen. Hierbei gehen Bestandteile des Werkstückmaterials in Lösung, wobei hierdurch eine Glättung der Oberfläche erreicht werden kann. Außerdem ist es möglich, auf diesem Wege Verunreinigungen aus dem Material des Werkstücks herauszulösen und hierdurch beispielsweise die Korrosionseigenschaften der Oberfläche zu verbessern.
Gemäß 2 soll als Werkstück 12 eine Welle bearbeitet werden. Die Oberfläche 27 dieser Welle weist an den Enden zwei Bereiche auf, die als Laufflächen genutzt werden sollen und deswegen eine Oberflächenbeschaffenheit aufweisen sollen, die durch das elektrochemische Abtragen (Elektropolieren) verbessert werden soll. Diese Teilbereiche stellen geometrisch betrachtet Teile von Zylindern 28 dar. Außerdem weist die Welle eine ringförmig verlaufende Nut 29 auf, die ebenfalls durch elektrochemisches Abtragen nachbearbeitet werden soll.
Zum Zwecke der Bearbeitung ist das Werkstück 12 um seine Symmetrieachse 30 über die stangenförmige Aufnahme 11 in Lagern 31 drehbar gelagert. Die Drehung ist mit dem Doppelpfeil 25 angedeutet und wird durch den Motor 26 ausgeführt. Während der Drehung des Werkstücks wird die Vorrichtung 15 über die Linearführung 16 von oben auf den Umfang des Bauteils 12 abgesetzt, wobei drei Elektrolytträger 14 in Form von Schwämmen mit dem Bauteil 12 in Berührung kommen. Zwei dieser Elektrolytträger 14 tragen Material von der Oberfläche des Bauteils 12 im Bereich der Zylinder 28 ab. Der dritte Elektrolytträger 14 ist in seinem Querschnitt derart angepasst, dass er genau in die Nut 29 hineinpasst. Auf diesem Wege lassen sich in der Nut 29 sowohl die Nutflanken 32 als auch der Nutgrund 33 gleichzeitig bearbeiten.
Eine Saugleitung 23 mit Pumpe 22 und eine der Versorgungsleitung 18 vergleichbare Struktur zur Versorgung der Elektrolytträger 14 ist in 2 nicht dargestellt, jedoch analog zu der Ausführung gemäß 1 realisiert. Auf diesem Wege kann das Elektrolyt aus der Auffangwanne 21 den Elektrolytträgern 14 zugeführt werden und über die Poren 20 zur Oberfläche 27 transportiert werden.
Gemäß 3 besteht die zu behandelnde Oberfläche 27 aus einem ringförmigen Bereich auf einem ebenen Bauteil 12. Als Elektrolytträger 14 wird im Falle der 3 eine Bürste verwendet, die an einem Roboterarm 34 befestigt ist. Mit diesem lässt sich der Elektrolytträger 14 wiederholt über den ringförmigen Bereich der zu behandelnden Oberfläche 27 führen, wobei hierbei ein Materialabtrag erfolgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/080948 A2 [0003]
AU 2013242795 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum elektrochemischen Abtragen von Material von einem Werkstück (12), bei dem • ein Elektrolytträger (14) mit einem Elektrolyt getränkt wird, • der Elektrolytträger (14) auf der Oberfläche (27) des Werkstücks (14) aufgesetzt wird, wobei das Werkstück (14) mit dem Elektrolyt in Kontakt kommt und • an den Elektrolytträger (14) in Bezug auf das Werkstück (12) ein negatives Potential erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Werkstück (12) und dem Elektrolytträger (14) eine mechanisch geführte Relativbewegung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytträger (14) derart an die Oberflächenstruktur +13 des Werkstücks angepasst wird, dass dieser einen Querschnitt aufweist, dessen Kontur zumindest in einem Teilbereich genau mit der zu erzeugenden Oberfläche des Werkstückes übereinstimmt, wobei für die Bewegung des Elektrolytträgers relativ zum Werkstück (12) zumindest ein Freiheitsgrad zur Verfügung steht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu erzeugende Oberfläche aus einem Loch (19) besteht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu erzeugende Oberfläche einen Teil eines Zylinders (28) bildet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu erzeugende Oberfläche aus einer Nut (32) besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytträger (14) während des Abtragens linear und/oder rotatorisch gegenüber dem Werkstück (12) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (12) während des Abtragens linear und/oder rotatorisch gegenüber dem Elektrolytträger (14) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytträger durch einen Roboter geführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch ein additives Herstellungsverfahren hergestelltes Bauteil durch das elektrochemische Abtragen bearbeitet wird.
Vorrichtung zum elektrochemischen Abtragen von Material von einem Werkstück (12), bei dem • eine Aufnahme (11) für das Werkstück (12) vorgesehen ist, • ein Elektolytträger (14) aus einem mit Elektrolyt tränkbaren Material vorgesehen ist, • an dem Elektrolytträger (14) ein in Bezug auf das Werkstück negatives Potential erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Aufnahme (11) und dem Elektrolytträger (14) eine mechanische Kopplung vorgesehen ist, die eine Relativbewegung hinsichtlich mindestens eines Freiheitsgrades zulässt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Kopplung eine Rotation und/oder Translation zwischen Aufnahme (11) und Elektrolytträger (14) zulässt.