DE102016100558A1

DE102016100558A1 - Polishing head and method for plasma polishing an inner surface of a workpiece

Info

Publication number: DE102016100558A1
Application number: DE102016100558.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Weise; Christian Kluchert; Matthias Cornelsen; Hermann Seitz; Vincent Klopsch
Original assignee: Plasotec GmbH; Universitaet Rostock
Current assignee: Plasotec De GmbH; Universitaet Rostock De
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2017-07-20
Anticipated expiration: 2036-01-15
Also published as: DE102016100558B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Polierkopf und ein Verfahren zum Plasmapolieren einer Innenfläche eines Werkstücks unter Verwendung einer Kathode und einer Anode, wobei ein zu bearbeitendes Werkstück die Anode bildet und der Polierkopf einen Kathodenkontakt und eine Elektrolytzufuhr aufweist. Verfahrensgemäß befindet sich der Polierkopf konzentrisch im Bereich der Innenfläche des Werkstücks, wobei das zu bearbeitende Werkstück bei Anlegen einer Spannung die Anode bildet. Der Polierkopf wirkt folglich als Kathode und wird über eine Elektrolytzufuhr permanent mit einem Volumenfluss des Elektrolyts versorgt, wobei der Elektrolyt die zu bearbeitende Innenfläche des Werkstücks anströmt.The invention relates to a polishing head and a method for plasma polishing an inner surface of a workpiece using a cathode and an anode, wherein a workpiece to be machined forms the anode and the polishing head has a cathode contact and an electrolyte supply. According to the method, the polishing head is concentric in the region of the inner surface of the workpiece, wherein the workpiece to be machined forms the anode upon application of a voltage. The polishing head consequently acts as a cathode and is permanently supplied with a volume flow of the electrolyte via an electrolyte feed, the electrolyte flowing against the inner surface of the workpiece to be processed.

Description

Die Erfindung betrifft einen Polierkopf und ein Verfahren zum Plasmapolieren einer Innenfläche eines Werkstücks nach dem Oberbegriff des 1. und 7. Patentanspruchs und findet insbesondere für die Veredelung von durchgehenden Innenflächen, bevorzugt Rohrinnenflächen mittels elektrolytischem Plasmapolierens Anwendung. The invention relates to a polishing head and a method for plasma polishing an inner surface of a workpiece according to the preamble of the 1st and 7th claim and is used in particular for the refinement of continuous inner surfaces, preferably inner tube surfaces by means of electrolytic Plasmapolierens application.

Das elektrolytische Plasmapolieren ist ein Verfahren um Oberflächen von elektrisch leitfähigen Werkstücken zu bearbeiten. Dabei stellt das zu behandelnde Werkstück die Anode dar, welche sich zur Bearbeitung in einer erwärmten wässrigen Elektrolytlösung befindet. Das Verfahren wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 70°C bis 95°C durchgeführt. Die Elektrolytlösung ist ein Gemisch von Ammoniumsalzen (2–3%) die in Wasser (97–98%) gelöst werden und hat einen pH-Wert von 3,0 bis 7,0. Beim elektrolytischen Plasmapolieren wird mit Spannungen von bis zu 320 Volt gearbeitet. Prozessbedingt entsteht durch die angelegte Spannung zwischen dem anodisch gepolten Werkstück und dem kathodisch gepolten Elektrolytbecken ein Gasfilm, der das zu polierende Werkstück benetzt. Der so formierte Gasfilm verdrängt die Elektrolytlösung von der Oberfläche des Werkstücks. Dadurch sinkt die Stromstärke sehr stark und die Spannung fällt über dem Gasfilm ab. Es kommt zu einer partiellen Ionisation des Gasstroms und somit zur Formierung eines Plasmas um das Werkstück, durch welches elektrische Entladungen stattfinden. Diese so geschaffene aktive Umgebung nimmt Einfluss auf die Anodenoberfläche bzw. das Werkstück und dient zum Erzeugen von Glanz, zum Entgraten, Passivieren, zur Verringerung von Materialspannungen und Rauheiten, zur Entfernung von organischen und anorganischen Verunreinigungen, zum Reinigen und zum Entfernen aller Arten von Rückständen wie Zunder, Rost, Oxide, Farben und Lacke. Electrolytic plasma polishing is a process to process surfaces of electrically conductive workpieces. In this case, the workpiece to be treated represents the anode, which is located in a heated aqueous electrolyte solution for processing. The process is preferably carried out at a temperature of 70 ° C to 95 ° C. The electrolyte solution is a mixture of ammonium salts (2-3%) dissolved in water (97-98%) and has a pH of 3.0 to 7.0. Electrolytic plasma polishing uses voltages of up to 320 volts. Due to the process caused by the applied voltage between the anodically poled workpiece and the cathodically polarized electrolyte tank, a gas film which wets the workpiece to be polished. The thus-formed gas film displaces the electrolyte solution from the surface of the workpiece. As a result, the current drops very strong and the voltage drops over the gas film. It comes to a partial ionization of the gas stream and thus to form a plasma around the workpiece, take place by which electrical discharges. This active environment created in this way influences the anode surface or the workpiece and is used to create gloss, deburring, passivation, reducing material stresses and roughness, removing organic and inorganic contaminants, cleaning and removing all types of residues such as scale, rust, oxides, paints and varnishes.

Das Verfahren des elektrolytischen Plasmapolierens wird in der Druckschrift DE 10 2006 016 368 A1 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden die Werkstücke zur Bearbeitung in ein Elektrolytbad eingetaucht. Die von Elektrolyten umschlossene Oberfläche wird vollständig bearbeitet. Es fließt ein entsprechend hoher Strom. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt dabei unter anderem bei der Bearbeitung von größeren Oberflächen, da sich der Strom bezogen auf die zu polierende Fläche einstellt. Durch den hohen Stromeintrag wird der Elektrolyt teileweise erwärmt und verdampft. Weiterhin führt das langsame Eintauchen zu einem unterschiedlichen Materialabtrag, bedingt durch eine unterschiedliche Bearbeitungszeit. Für Rohrinnenflächen ist das Verfahren nicht geeignet, da das elektrolytische Plasma lediglich die äußere Materialoberfläche bearbeitet, nicht aber ins Rohrinnere eindringt. The process of electrolytic Plasmapolierens is in the document DE 10 2006 016 368 A1 described. In this process, the workpieces are immersed in an electrolyte bath for processing. The electrolyte-enclosed surface is completely processed. It flows a correspondingly high current. The disadvantage of this method is, inter alia, in the processing of larger surfaces, since the current is adjusted based on the surface to be polished. Due to the high current input of the electrolyte is partly heated and evaporated. Furthermore, the slow immersion leads to a different material removal, due to a different processing time. For internal pipe surfaces, the method is not suitable, since the electrolytic plasma processed only the outer material surface, but does not penetrate into the tube interior.

Die Druckschrift DE 102 07 632 A1 betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung von Metallen, Metalllegierungen und Metallverbindungen. Dabei gilt die Anode als zu behandelnder Gegenstand, der sich zur Bearbeitung in einer erwärmten wässrigen Elektrolytlösung befindet, wobei als Elektrolytlösung ein Gemisch von Ammoniumsalzen in Wasser gelöst, eingesetzt wird. Der zu behandelnde Gegenstand besteht aus Titan oder einer Titanlegierung. Die Nachteile dieses genannten Standes der Technik sind gleich der vorher beschriebenen Druckschrift DE 10 2006 016 368 A1 . The publication DE 102 07 632 A1 relates to a process for the electrochemical machining of metals, metal alloys and metal compounds. In this case, the anode is considered as the object to be treated, which is located for processing in a heated aqueous electrolyte solution, being used as the electrolyte solution, a mixture of ammonium salts dissolved in water, is used. The object to be treated consists of titanium or a titanium alloy. The disadvantages of this cited prior art are the same as previously described DE 10 2006 016 368 A1 ,

In der Druckschrift 20 2008 01 646 U1 wird eine Einrichtung zum Plasmapolieren unter Verwendung eines flüssigen Elektrolyten beschrieben. Es handelt sich dabei um das Polieren von leitfähigen Folien bzw. Blechen. Neben dem elektrolytischen Plasmapolieren von Blechen wird auch der Prozess zum Polieren von metallischen Rohrinnenflächen beschrieben. Die Austrittsöffnung des Polierkopfes dient als Elektrolytzufuhr beim Polierprozess. Während des Prozesses kann lediglich der Elektrolyt zwischen der Rohrinnenfläche und dem Röhrchen, welches zum Ableiten von überschüssigem Elektrolyt gedacht ist, genutzt werden. Während des Polierens wird der Elektrolyt verbraucht, wobei sehr viel Wasser- und Sauerstoff entsteht. An die Elektrolytzufuhr wurde radial die Kathode angebracht. Durch Variation des Begrenzungsröhrchens soll die Höhe der zu polierenden Fläche eingestellt werden. Während des Polierens wird prozessbedingt ein Großteil des Elektrolyten verdampft. Um einen stabilen Polierprozess zu gewährleisten muss der Elektrolyt nachgeführt werden (laminare Strömung), wobei dies bei dem beschriebenen Polierkopf nur sehr schwer realisierbar ist. Das entstehende Gas kann lediglich nach oben entweichen wodurch das Plasma häufig gestört wird und somit oft zusammenbricht. Konstruktionsbedingt ist es mit dem Polierkopf des Weiteren nicht möglich einen stabilen Plasmaprozess an der Rohrinnenfläche zu gewährleisten, da der Elektrolytpegel nicht ausreichend ist The document 20 2008 01 646 U1 describes a device for plasma polishing using a liquid electrolyte. It is the polishing of conductive foils or sheets. In addition to the electrolytic plasma polishing of metal sheets, the process for polishing metallic inner pipe surfaces is also described. The outlet opening of the polishing head serves as an electrolyte supply during the polishing process. During the process, only the electrolyte between the tube inner surface and the tube, which is intended for the discharge of excess electrolyte, can be used. During polishing, the electrolyte is consumed, creating a lot of water and oxygen. The cathode was attached radially to the electrolyte feed. By varying the limiting tube, the height of the surface to be polished should be set. During polishing, a large part of the electrolyte is evaporated due to the process. In order to ensure a stable polishing process, the electrolyte must be tracked (laminar flow), and this is very difficult to achieve in the described polishing head. The resulting gas can only escape upwards, which often disturbs the plasma and thus often collapses. Due to the design, it is also not possible with the polishing head to ensure a stable plasma process on the pipe inner surface, since the electrolyte level is insufficient

Aus der Druckschrift RU 02166565 C1 ist ebenfalls ein zweistufiges Plasmapolierverfahren bekannt, bei dem in der 1. Stufe eine Spannung von 90–190 V und in der zweiten Stufe eine von 200–400 V angelegt wird. Die Verwendung von Ammoniumsalzen als Elektrolyt ist daraus nicht bekannt. Auch wird nichts über die im Verfahren herrschende Temperatur offenbart, so dass angenommen werden kann, dass bei Raumtemperatur gearbeitet wird. From the publication RU 02166565 C1 Also, there is known a two-stage plasma polishing method in which a voltage of 90-190 V is applied in the 1st stage and 200-400 V in the second stage. The use of ammonium salts as the electrolyte is not known. Also, nothing is disclosed about the temperature prevailing in the process so that it can be assumed that it is operated at room temperature.

Weiterhin ist die Bearbeitung von Gegenständen mittels Elektropolieren zum Glätten und Passivieren der Oberfläche des Gegenstands aus der Druckschrift US 5026304 bekannt. Beim Einsetzen hoher Spannungen wird das Elektropolieren auch Plasmapolieren genannt, da es zu einer "Plasmabildung" an der Anode, die den zu polierenden Gegenstand darstellt, kommt. Bekannt ist ein Verfahren zum Elektropolieren von elektrisch leitenden Materialien bei einer Spannung von 200–400 V in einer 2–12 %igen Ammoniumsulfatlösung als Elektrolyten bei einer Temperatur von 40–95°C. Nachteile dieses Verfahrens sind die ungleichmäßig polierten Oberflächen des Werkstückes und die Filmbildung mit erhöhter Rauheit an der Oberfläche und folglich ein verminderter Glanz. Furthermore, the treatment of objects by means of electropolishing for smoothing and passivating the surface of the article from the document US 5026304 known. When high voltages are applied, electropolishing is also called plasma polishing because it leads to "plasma formation" the anode, which represents the object to be polished, comes. A method for electropolishing electrically conductive materials at a voltage of 200-400 V in a 2-12% ammonium sulfate solution as an electrolyte at a temperature of 40-95 ° C is known. Disadvantages of this method are the unevenly polished surfaces of the workpiece and the film formation with increased roughness on the surface and consequently a reduced gloss.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Polierkopf und ein Verfahren zum Plasmapolieren einer Innenfläche eines Werkstücks zu entwickeln, welche eingleichmäßiges Polierergebniss und geringe Rauheiten der bearbeiteten Innenfläche ermöglichen, wobei auf den Einsatz von hochkonzentrierten Säuren verzichtet werden kann und somit ein unweltfreundliches Bearbeitungsverfahren zur Verfügung gestellt wird. The object of the invention is to develop a polishing head and a method for plasma polishing an inner surface of a workpiece, which allow uniform polishing result and low roughness of the machined inner surface, which can be dispensed with the use of highly concentrated acids and thus an environmentally friendly processing method is provided ,

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des 1. und 7. Patentanspruchs gelöst. This object is achieved with the characterizing features of the 1st and 7th claim.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.

Der Polierkopf zum Plasmapolieren einer Innenfläche eines Werkstücks weist eine einer Kathode auf, wobei die Anode wird vom zu bearbeitenden Werkstück gebildet wird. Das Werkstück kann mit einer Durchgangsbohrung versehen sein, deren Innenfläche bearbeitet werden soll oder das Werkstück kann ein Rohr, bevorzugt ein Rundrohr bzw. ein rotationssymmetrisches Rohrprofil sein, dessen Innenfläche mittels Plasmapolieren bearbeitet werden soll. Die Kathode wird vom Polierkopf gebildet, wobei der Polierkopf erfindungsgemäß neben dem Kathodenkontakt auch die Elektrolytzufuhr beinhaltet. Der einströmende Elektrolyt fließt durch eine Durchgangsbohrung des Polierkopfes entlang der Längsachse des Polierkopfes in Richtung einer Elektrolytaustrittsöffnung in Form eines am Außenumfang gebildeten umlaufenden Spalts in den Arbeitsbereich des Polierkopfes, wobei der Spalt von einem sich entlang der Längsachse erstreckenden elektrisch leitfähigen Grundkörper bevorzugt aus metallischem Werkstoff wie beispielsweise nichtrostender Stahl und einer Prallplatte aus bevorzugt nichtrostenden Stahl gebildet werden. Die Höhe des Spalts ist einstellbar, die Einstellung erfolgt über eine Schraubverbindung zwischen dem Grundkörper und der Prallplatte. Der metallisch leitfähige Körper sowie die Prallplatte sind von einem isolierenden Mantel, vorzugsweise Porzellan/Keramik oder eine Hochleistungskeramik wie Polyetheretherketon (PEEK) umschlossen. The polishing head for plasma polishing an inner surface of a workpiece has a cathode, wherein the anode is formed by the workpiece to be machined. The workpiece may be provided with a through hole whose inner surface is to be machined or the workpiece may be a tube, preferably a round tube or a rotationally symmetrical tube profile whose inner surface is to be processed by means of plasma polishing. The cathode is formed by the polishing head, wherein the polishing head according to the invention in addition to the cathode contact also includes the electrolyte supply. The inflowing electrolyte flows through a through bore of the polishing head along the longitudinal axis of the polishing head in the direction of an electrolyte outlet opening in the form of a circumferential gap formed on the outer circumference in the working region of the polishing head, wherein the gap of a along the longitudinal axis extending electrically conductive base body preferably made of metallic material For example, stainless steel and a baffle plate are preferably made of stainless steel. The height of the gap is adjustable, the adjustment is made via a screw connection between the base body and the baffle plate. The metallic conductive body and the baffle plate are enclosed by an insulating sheath, preferably porcelain / ceramic or a high performance ceramic such as polyetheretherketone (PEEK).

Der Polierkopf wird mit Zentrierelementen, beispielsweise mittels Zentrierstiften, die sich in den isolierenden Mantel des Polierkopfes einschrauben lassen, im Rohr zentriert. Das bedeutet, dass immer der gleiche Abstand zwischen Rohr und dem isolierenden Mantel vorliegt, wobei dieser durch die Länge der Zentrierstifte einstellbar ist. Die Zentrierstifte sind vorzugsweise aus PTFE gefertigt. The polishing head is centered in the tube with centering elements, for example by means of centering pins, which can be screwed into the insulating jacket of the polishing head. This means that there is always the same distance between the tube and the insulating jacket, which is adjustable by the length of the centering pins. The centering pins are preferably made of PTFE.

Verfahrensgemäß befindet sich der Polierkopf konzentrisch im Inneren der zu bearbeitenden Innenfläche des Bauteils, bevorzugt des Rohres. Bei Anlegen einer Spannung bildet das zu bearbeitende Werkstück, bevorzugt ein Rohr, die Anode. Der Polierkopf wirkt folglich als Kathode und wird über eine Elektrolytzufuhr permanent mit einem Volumenfluss des Elektrolyts versorgt, wobei der Elektrolyt die Rohrinnenfläche anströmt. According to the method, the polishing head is located concentrically in the interior of the component to be machined, preferably of the tube. When a voltage is applied, the workpiece to be machined, preferably a tube, forms the anode. The polishing head thus acts as a cathode and is permanently supplied via an electrolyte supply with a volume flow of the electrolyte, wherein the electrolyte flows against the pipe inner surface.

Mittels Variation des Volumenflusses und der Höhe der Elektrolytaustrittsöffnung über die Einstellung des Spalts kann der Arbeitsbereich verändert werden. Der Arbeitsbereich ist dabei der durch den Elektrolyt im Bereich des Spaltes des Polierkopfes angeströmte Flächenbereich der bearbeiteten Innenfläche des Werkstücks. By means of variation of the volume flow and the height of the electrolyte outlet opening via the adjustment of the gap, the working range can be changed. In this case, the working region is the area of the machined inner surface of the workpiece which has flowed through the electrolyte in the region of the gap of the polishing head.

Der beim Poliervorgang im Arbeitsbereich auftretende überschüssige Elektrolyt fließt an der Innenfläche bzw. Rohrinnenfläche herunter, wodurch diese komplett benetzt wird. Eine Werkstückbearbeitung erfolgt jedoch nur im Arbeitsbereich. The excess electrolyte which occurs in the working area during the polishing process flows down the inner surface or inner surface of the pipe, as a result of which it is completely wetted. However, a workpiece machining takes place only in the work area.

Verfahrensgemäß entsteht zwischen dem anodisch gepolten Werkstück und dem kathodisch gepolten Polierkopf ein Gasfilm, der das zu polierende Werkstück im Bereich einer Elektrolytaustrittsöffnung benetzt. Der formierte Gasfilm verdrängt die Elektrolytlösung von der Oberfläche des Werkstücks, wodurch sich die Stromstärke verringert und folgend die Spannung über dem Gasfilm abfällt. Es kommt zu einer partiellen Ionisation des Gasstroms und somit zur Formierung eines Plasmas um das Werkstück, durch welches elektrische Entladungen stattfinden. According to the method, a gas film is formed between the anodically poled workpiece and the poled polish head, which wets the workpiece to be polished in the region of an electrolyte outlet opening. The formed gas film displaces the electrolyte solution from the surface of the workpiece, thereby decreasing the current and subsequently decreasing the voltage across the gas film. It comes to a partial ionization of the gas stream and thus to form a plasma around the workpiece, take place by which electrical discharges.

Vorteilhafter Weise sind verschiedene Parameter in Form von Temperatur, Durchflussvolumen, Leitwert, pH-Wert oder Poliergeschwindigkeit, sowie Anzahl der Poliervorgänge einstellbar, was zu einer großen Variabilität führt. Advantageously, various parameters in the form of temperature, flow volume, conductance, pH or polishing rate, as well as the number of polishing operations are adjustable, resulting in a large variability.

Die erfindungsgemäße Lösung betrifft somit einen Polierkopf zum Polieren von elektrisch leitfähigen Innenflächen eines Werkstücks, bevorzugt der Rohrinnenfläche eines Rohres, wobei man durch die Erfindung erstmalig in der Lage ist, diese Innenflächen durch elektrolytisches Plasmapolieren zu veredeln, d.h. hinsichtlich der Oberflächenqualität im Vergleich zur unbearbeiteten Innenfläche / Rohrinnenfläche wesentlich zu verbessern, da es mit dem erfindungsgemäßem Polierkopf und dem Verfahren erstmalig möglich ist, dass das elektrolytische Plasma durch den Polierkopf die Innenfläche / Rohrinnenfläche anströmt. Dabei kommen im Gegensatz zum Elektropolieren keine Säuren als Elektrolyt zum Einsatz, sondern Elektrolyte aus nichttoxischen Salzverbindungen. Weiterhin entfällt der Nachbearbeitungsschritt des intensiven Reinigens, wie er beim Elektropolieren mit Säuren als Elektrolyt stattfindet. The solution according to the invention thus relates to a polishing head for polishing electrically conductive inner surfaces of a workpiece, preferably the inner tube surface of a tube, which is for the first time by the invention in a position to refine these inner surfaces by electrolytic plasma polishing, ie in terms of surface quality compared to the unprocessed inner surface / Pipe inner surface substantially, since it is possible for the first time with the polishing head according to the invention and the method that the electrolytic plasma through the polishing head, the inner surface / Pipe inner surface flows to. In contrast to electropolishing, no acids are used as electrolyte, but electrolytes from non-toxic salt compounds. Furthermore, eliminates the post-processing step of intensive cleaning, as it takes place during the electropolishing with acids as the electrolyte.

Über den Durchfluss durch den Polierkopf über den umlaufenden, bevorzugt rotationssymmetrischen Ringspalt wird die gleichmäßige Elektrolytzufuhr während des Plasmapolierens gewährleistet, wobei der zentrische metallische und elektrisch leitfähige Körper, der sich in Richtung zur Rohrlängsachse erstreckt, einen Kathodenkontakt aufweist. Through the flow through the polishing head on the rotating, preferably rotationally symmetric annular gap uniform electrolyte supply is ensured during the plasma polishing, the centric metallic and electrically conductive body which extends in the direction of the tube longitudinal axis, has a cathode contact.

Der den zentrischen elektrisch leitfähigen Körper umringende isolierende Mantel besteht aus Porzellan oder Keramik oder aus einem Hochleistungskunststoff, bevorzugt aus PEEK (Polyetheretherketon). Polyetheretherketon ist ein teilkristalliner, thermoplastischer Hochtemperatur-Kunststoff, der sich auch unter thermischer Belastung durch hervorragende Zug- und Biegefestigkeit auszeichnet und bei einem günstigen Gleit- und Abriebverhalten eine ausgezeichnete chemische Strahlenbeständigkeit aufweist. Die Plasmabildung erfolgt somit an der Innenwand / Rohrinnenwand wobei der Elektrolyt die gesamte Innenfläche / Rohrinnenfläche benetzt. Der Elektrolyt wird durch den kathodisch kontaktierten leitfähigen Körper des Polierkopfes geführt und tritt an dem umlaufenden / bevorzugt rotationssymmetrischen Spalt aus. Dabei kann durch Variation des Volumenflusses und der Höhe des Spaltes der angeströmte Arbeitsbereich verändert werden. The insulating jacket surrounding the centric electrically conductive body consists of porcelain or ceramic or of a high-performance plastic, preferably of PEEK (polyetheretherketone). Polyetheretherketone is a semi-crystalline, thermoplastic high-temperature plastic, which is also characterized under thermal stress by excellent tensile and flexural strength and has a favorable sliding and abrasion behavior excellent chemical radiation resistance. The plasma formation thus takes place on the inner wall / tube inner wall, wherein the electrolyte wets the entire inner surface / tube inner surface. The electrolyte is passed through the cathodically contacted conductive body of the polishing head and exits at the circumferential / preferably rotationally symmetrical gap. In this case, by varying the volume flow and the height of the gap of the flowed working area can be changed.

Es werden durch das Plasmapolieren geringere Rauheiten und ein gleichmäßigeres Polierergebnis als beim Elektropolieren erreicht. Es sind Rauheiten im sub-μm Bereich erreichbar und eine Reproduzierbarkeit des Prozesses ist gegeben. Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The plasma polishing achieves lower roughness and a more uniform polishing result than electropolishing. Roughness in the sub-micron range can be achieved and a reproducibility of the process is given. The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment and associated drawings. Show it:

1 schematische Darstellung des Polierkopfes, 1 schematic representation of the polishing head,

2 Dreidimensionale Ansicht des Polierkopfes mit Elektrolytzuführung. 2 Three-dimensional view of the polishing head with electrolyte feed.

In 1 ist ein erfindungsgemäßer Polierkopf für den Einsatz beim elektrolytischen Plasmapolieren in einer Plasmapolieranlage schematisch dargestellt. Der Polierkopf weist eine Elektrolytzufuhr 1 auf, welche durch einen metallisch leitfähigen Körper 2 hindurchführt. Dieser metallisch leitfähige Körper 2 besitzt einen Kathodenanschluss und dient demzufolge im elektrolytischen Plasmapolierverfahren als Kathode, während das hier zu bearbeitende Werkstück 3, in diesem Fall ein Rohr mit einer Rohrinnenfläche 3.1 als Anode dient. In 1 a polishing head according to the invention for use in electrolytic plasma polishing in a plasma polishing plant is shown schematically. The polishing head has an electrolyte supply 1 on, which by a metallic conductive body 2 passes. This metallic conductive body 2 has a cathode connection and therefore serves as a cathode in the electrolytic plasma polishing process, while the workpiece to be machined here 3 , in this case a tube with a tube inner surface 03.01 serves as an anode.

Die Kathode besitzt einen Mantel 4, der eine isolierende Funktion besitzt. Bevorzugt besteht der Mantel 4 aus Porzellan, Keramik oder Polyetheretherketon. The cathode has a jacket 4 which has an insulating function. Preferably, the jacket exists 4 made of porcelain, ceramic or polyetheretherketone.

Der in den Polierkopf einströmende Elektrolyt fließt über eine horizontal umlaufende Elektrolytaustrittsöffnung in Form eines Spalts 5 aus dem Polierkopf direkt an die Rohrinnenfläche 3.1 in den Arbeitsbereich des Polierkopfes. Dadurch entsteht eine permanente Zufuhr von Elektrolyt im Arbeitsbereich, wobei der überschüssige Elektrolyt an der Rohrinnenfläche 3.1 herunter fließt. Daraus folgt, dass die gesamte Rohrinnenfläche benetzt wird, wobei während des Polierens nicht die gesamte benetzte Oberfläche der Rohrinnenfläche poliert wird. Durch Variation des Volumenflusses des Elektrolyts und der Höhe der Elektrolytaustrittsöffnung 5 kann der Arbeitsbereich verändert und angepasst werden. In der schematischen Darstellung besteht der Polierkopf aus zwei Teilen, wobei der untere Teil als Prallplatte 6 dient und den Fluss des Elektrolyts in Richtung der Rohrinnenflächen 3.1 lenkt. The electrolyte flowing into the polishing head flows in the form of a gap via a horizontally circulating electrolyte outlet opening 5 from the polishing head directly to the pipe inner surface 03.01 in the working area of the polishing head. This creates a permanent supply of electrolyte in the work area, with the excess electrolyte on the pipe inner surface 03.01 flows down. It follows that the entire inner surface of the pipe is wetted, during polishing not the entire wetted surface of the pipe inner surface is polished. By varying the volume flow of the electrolyte and the height of the electrolyte outlet opening 5 the working area can be changed and adapted. In the schematic representation of the polishing head consists of two parts, the lower part as a baffle plate 6 serves and the flow of the electrolyte in the direction of the pipe inner surfaces 03.01 directs.

Durch Anlegen einer Spannung von bis zu 320 Volt (bevorzugt im Bereich von 260 V bis 320 Volt) zwischen der Anode in Form des Werkstücks 3 und der Kathode in Form des metallisch leitenden Körpers 2 im Polierkopf entsteht ein Gasfilm, der das zu polierende Werkstück im Bereich der Elektrolytaustrittsöffnung 5 benetzt. Der formierte Gasfilm verdrängt die Elektrolytlösung von der Oberfläche der Rohrinnenfläche 3.1. Dadurch sinkt die Stromstärke sehr stark und die Spannung fällt über den Gasfilm ab. Es kommt zu einer partiellen Ionisation des Gasstroms und somit zur Formierung eines Plasmas entlang der Rohrinnenfläche 3.1, durch welche elektrische Entladungen stattfinden. Durch den erfindungsgemäßen Polierkopf, der keine direkte Begrenzung zum Rohr aufweist, kann das gesamte im Prozess entwickelte Gas sowohl nach oben als auch noch unten entweichen. Des Weiteren ist es durch den Polierkopf möglich, Rohre nahezu waagerecht zu polieren. By applying a voltage of up to 320 volts (preferably in the range of 260V to 320 volts) between the anode in the form of the workpiece 3 and the cathode in the form of the metallically conductive body 2 In the polishing head, a gas film is formed, which is the workpiece to be polished in the region of the electrolyte outlet opening 5 wetted. The formed gas film displaces the electrolyte solution from the surface of the pipe inner surface 03.01 , As a result, the current drops very strong and the voltage drops over the gas film. There is a partial ionization of the gas flow and thus the formation of a plasma along the pipe inner surface 03.01 through which electrical discharges take place. As a result of the polishing head according to the invention, which does not have a direct boundary to the tube, the entire gas developed in the process can escape both upwards and downwards. Furthermore, it is possible by the polishing head to polish tubes almost horizontally.

2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Polierkopfes. Die Prallplatte 6 ist von einer PTFE-Isolierung 4 ummantelt und wird über ein innen liegendes Gewinde 7 mit dem metallisch leitfähigen Körper 2 (Kathode) mittels eines nicht dargestellten Gewindestücks mit Durchgangsbohrung verschraubt. Diese Schraubverbindung lässt sich über das Gewinde stufenlos verstellen. Durch Drehung der Prallplatte 6 mit Isolierung 4 kann somit der Polierspalt 5 stufenlos eingestellt werden. 2 shows a three-dimensional representation of the polishing head. The flapper 6 is of a PTFE insulation 4 sheathed and has an internal thread 7 with the metallic conductive body 2 (Cathode) screwed by means of a threaded piece, not shown, with through hole. This screw connection can be infinitely adjusted via the thread. By turning the baffle plate 6 with insulation 4 can thus the polishing gap 5 be adjusted continuously.

Daraus folgt die Möglichkeit der Einstellung der Spaltbreite 5 mittels Drehung der Prallplatte 6. Durch Änderung der Spaltbreite 5 wird der Volumenfluss des Elektrolyts am Spalt beeinflusst, was zu einer Änderung des Arbeitsbereichs führt. Bitte den Arbeitsbereich definieren. From this follows the possibility of adjusting the gap width 5 by rotation of the baffle plate 6 , By changing the gap width 5 the volume flow of the electrolyte at the gap is affected, which leads to a change in the working range. Please define the workspace.

Bevorzugt wird eine Spaltbreite 5 im Bereich von 1 mm bis 20 mm eingestellt. A gap width is preferred 5 set in the range of 1 mm to 20 mm.

Der Polierspalt lässt sich während des Betriebes mit der vorgenannt beschriebenen Lösung nicht einstellen und muss vorher definiert werden – dazu können einige Referenzversuche durchgeführt werden. The polishing gap can not be adjusted during operation with the solution described above and must be defined beforehand - for this purpose, some reference tests can be carried out.

Die Spaltgröße ist von keiner anderen Größe abhängig. Durch Änderung des Polierspaltes kann man den Elektrolytschwall an der Austrittsöffnung und somit den Durchfluss des Elektrolyten beeinflussen. Versuche ergaben, dass die Polierspaltgröße keinen Einfluss auf das Polierergebnis hat. The gap size is not dependent on any other size. By changing the polishing gap one can influence the surge of electrolyte at the outlet opening and thus the flow of the electrolyte. Experiments showed that the polishing gap size has no influence on the polishing result.

Vorteilhafter Weise sind die Isoliermäntel 4 der Kathode 2 und der Prallplatte 6 in Höhe der Elektrolytaustrittsöffnung 5 getrennt, wobei die isolierenden Mäntel 4 an der Öffnung 5 eine Phase von 45° aufweisen, die den Elektrolytaustritt optimiert. Advantageously, the insulating jackets 4 the cathode 2 and the flapper 6 in the amount of the electrolyte outlet opening 5 separated, with the insulating coats 4 at the opening 5 have a phase of 45 °, which optimizes the electrolyte outlet.

Die Zuleitung des Elektrolyts des in 2 gezeigten Polierkopfes erfolgt über Elektrolytzuführungen 8 aus temperaturbeständigem Kunststoff, welche über ein Schlauchstück 9 miteinander verbunden sind, wobei das Schlauchstück 9 als Schwingungsdämpfer fungiert. The supply of the electrolyte of in 2 shown polishing head via electrolyte feeds 8th Made of temperature-resistant plastic, which has a hose piece 9 connected to each other, wherein the hose piece 9 acts as a vibration damper.

Die Verbindung zwischen Polieranlage und Polierkopf erfolgt über ein Gewindestück 10, welches mindestens einen Strömungskanal für die Elektrolytzuführung aufweist. The connection between the polishing system and the polishing head takes place via a threaded piece 10 , which has at least one flow channel for the electrolyte supply.

Gemäß eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels ist es auch möglich, die Prallplatte 6 stufenlos verstellbar beispielsweise über eine teleskopartige Aufnahme an dem zentrischen elektrisch leitfähigem Körper 2 zu befestigen und ggf. auch elektrisch (stufenlos) verstellbar zu gestalten, so dass der Spalt 5 auch während des Plasmapolierens verändert werden kann. According to an embodiment not shown, it is also possible, the baffle plate 6 infinitely adjustable, for example via a telescopic receptacle on the central electrically conductive body 2 to attach and possibly also electrically (stepless) to make adjustable, so that the gap 5 can also be changed during plasma polishing.

Der Polierkopf ist entsprechend der Querschnittsform der zu bearbeitendes Innenfläche des Werkstücks ausgebildet. The polishing head is formed according to the cross-sectional shape of the inner surface of the workpiece to be machined.

Bevorzugt werden Rundrohre bearbeitet, wobei dann der Polierkopf ebenfalls einen runden Querschnitt aufweist. Es ist jedoch auch möglich, dass in einem Werkstück vorhandene Bohrungen durch den Polierkopf und das erfindungsgemäße Verfahren an ihrer Innenfläche durch Plasmapolieren bearbeitet werden. Preferably, round tubes are processed, in which case the polishing head also has a round cross-section. However, it is also possible for existing holes in a workpiece to be processed by the polishing head and the method according to the invention on its inner surface by plasma polishing.

Der Außendurchmesser des Polierkopfes sollte etwas geringer sein als der Innendurchmesser der zu bearbeitenden Ausnehmung des Werkstücks (z.B. des Rohres. Vorteilhaft ist ein Abstand von 1 bis 5 mm zwischen dem Außendurchmesser des Polierkopfes und dem Innendurchmesser des Rohres. The outer diameter of the polishing head should be slightly less than the inner diameter of the recess of the workpiece (e.g., tube) to be machined, Advantageously, a distance of 1 to 5 mm between the outer diameter of the polishing head and the inner diameter of the tube.

Es ist jedoch auch möglich, dass sich die Prallplatte am Innendurchmesser des Rohres abstützt. In diesem Fall müssen in der Prallplatte Durchströmöffnungen vorhanden sein, die ein Abfließen des Elektrolyts gewährleisten. However, it is also possible that the baffle plate is supported on the inner diameter of the tube. In this case, flow openings must be present in the baffle plate, which ensure a drainage of the electrolyte.

Beim Polierprozess können Parameter wie Temperatur, Durchflussvolumen, Leit- und PH-Wert, Poliergeschwindigkeit sowie die Anzahl der Poliervorgänge verändert werden. During the polishing process parameters such as temperature, flow volume, conductivity and PH value, polishing speed and the number of polishing operations can be changed.

Bevorzugt werden folgende Werte als Prozessparameter eingestellt:

– Temperatur des Elektrolyten 80C°–95C°
– Durchflussvolumen des Elektrolyten 5 Liter / Minute
– Leitwert des 100–200 mS/cm
– PH-Wert des Elektrolyten 3–7
– Poliergeschwindigkeit variabel

The following values are preferably set as process parameters:

- Temperature of the electrolyte 80C ° -95C °
- Flow volume of the electrolyte 5 liters / minute
- Conductance of 100-200 mS / cm
- PH value of the electrolyte 3-7
- Polishing speed variable

Als Elektrolytflüssigkeit wird bevorzugt nichttoxische Salzverbindung. As the electrolyte liquid, non-toxic salt compound is preferably used.

Es ist möglich, durch Reverenzversuche die für die Bearbeitung eines Werkstücks (Rohres) aus einem bestimmten metallischen Material günstigsten Parameter für das Plasmapolieren zu ermitteln. It is possible to determine by Reverenzversuche the most favorable for the machining of a workpiece (pipe) from a particular metallic material parameters for the plasma polishing.

Angestrebt wird nur ein Poliervorgang. Es ist jedoch auch möglich, beim Einfahren des Polierkopfes in das Rohr einen ersten Poliervorgang und beim Rückfahren des Polierkopfes aus dem Rohr einen zweiten Poliervorgang durchzuführen und diese Vorgänge auch zu wiederholen, bis das geforderte Polierergebnis erreicht wurde. Beim elektrischen Plasmapolieren wird nicht mit Säuren als Elektrolyt gearbeitet. Damit entfällt der Nachbearbeitungsschritt des intensiven Reinigens. Weiterhin sind Rauheiten im sub-μm Bereich erreichbar. Auch eine Reproduzierbarkeit des Prozesses ist gegeben. The aim is only a polishing process. However, it is also possible to perform a second polishing process when retracting the polishing head into the tube and a first polishing process when returning the polishing head from the tube and to repeat these processes until the required polishing result has been achieved. Electric plasma polishing does not work with acids as the electrolyte. This eliminates the post-processing step of intensive cleaning. Furthermore, roughnesses in the sub-micron range can be achieved. There is also a reproducibility of the process.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Elektrolytzufuhr electrolyte supply
2 2: Metallisch leitfähiger Körper / Kathode Metallic conductive body / cathode
3 3: Werkstück / Anode Workpiece / anode
3.13.1: Rohrinnenfläche Pipe inside
4 4: Isolierender Mantel Insulating coat
5 5: Elektrolytaustrittsöffnung / Spalt Electrolyte outlet opening / gap
6 6: Prallplatte flapper
7 7: Gewinde thread
8 8th: Elektrolytzuführung electrolyte supply
9 9: Schlauchstück hose Connector
1010: Gewindestück threaded piece

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006016368 A1 [0003, 0004]
DE 10207632 A1 [0004]
RU 02166565 C1 [0006]
US 5026304 [0007]

Claims

A polishing head for plasma polishing an inner surface of a workpiece using a cathode and an anode, wherein the workpiece to be machined forms the anode, characterized in that the polishing head comprises a cathode contact and an electrolyte supply.

Polishing head according to claim 1, characterized in that the polishing head has an electrolyte outlet opening in the form of a peripheral gap formed on the outer circumference.

Polishing head according to claim 2, characterized in that the height of the gap is adjustable.

Polishing head according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the interior of the polishing head an electrically conductive body forms the cathode and flows through an opening along a longitudinal axis of the polishing head extending the cathode of the electrolyte into the gap.

Polishing head according to claim 4, characterized in that the metallically conductive body is enclosed by an electrically insulating sheath, preferably porcelain / ceramic or polyetheretherketone (PEEK).

Polishing head according to one of claims 1 to 5, characterized in that the polishing head has circumferentially arranged centering elements which center the polishing head in the inner surface of the workpiece.

A method for plasma polishing an inner surface of a component using a polishing head, wherein workpiece to be machined upon application of a voltage forms the anode, characterized in that the polishing head is connected as a cathode and is supplied via an electrolyte supply permanently with a volume flow of the electrolyte, wherein the electrolyte the pipe inner surface flows.

A method according to claim 7, characterized in that the electrolyte flows against the inner surface of the workpiece via an existing in the polishing head outwardly open gap in the form of an electrolyte outlet opening and that by means of the variation of the volume flow of the electrolyte and the height of the electrolyte outlet opening of the working area can be changed.

Method according to one of claims 7 and 8, characterized in that the excess electrolyte flows on the inside of the inner surface of the workpiece to be machined.

Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that between the anodically poled workpiece and the cathodically polished polishing head, a gas film is formed, which wets the workpiece to be polished in the region of the electrolyte outlet opening. wherein the formed gas film displaces the electrolytic solution from the surface of the workpiece, thereby decreasing the current and subsequently decreasing the voltage across the gas film and resulting in partial ionization of the gas stream and thus forming a plasma around the workpiece through which electrical discharges occur ,

Method according to one of claims 7 to 10, characterized in that various parameters in the form of temperature, flow volume, conductance, pH or polishing rate, and the number of polishing operations are adjustable.