DE102018003937A1 - Vorrichtung zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks mittels ECM - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verkürzen der Bearbeitungszeit und Verbessern der Oberflächenqualität eines metallischen Werkstücks mittels ECM (electrochemical machining) oder „pulsed electrochemical machining“ (PECM), wobei zum Einstellen von Strom- und Spannungskurvenverläufen einer ECM oder PECM-Prozessstelle eine Schaltungstopologie zwischen einer Versorgungsgleichspannung und der Prozesszelle angeordnet ist, mittels dieser Arbeitsspannungspulse für eine ECM- oder PECM-Bearbeitung bereitgestellt werden, wobei die Steilheit der Pulsflanken über die Beschleunigungsspannung und deren Ausgabezeit beeinflusst werden kann.

Description

• Für die elektrochemische Bearbeitung metallischer Werkstoffe mittels „electrochemical machining“ (ECM) werden Strom- und /oder Spannungsquellen, oft auch allgemeinen als Energiequellen bezeichnet eingesetzt. Die Energiequellen dienen unter anderem dazu, den Prozess zu starten, in geeigneter Weise zu unterstützen und am Laufen zu halten.
• Abhängig von der Bearbeitungsaufgabe, werden unterschiedliche Anforderungen an den zeitlichen Verlauf, die Höhe sowie die Polarität der Strom- und Spannungskurven gestellt. Hierbei ist es vor allem wichtig, welchen Verlauf die Strom-und Spannungskurven direkt an der Prozesszelle bestehend aus anodischem Werkstück und kathodischem Werkzeug aufweisen und weniger welchen Verlauf die Strom- und Spannungskurven am Ausgang der Energiequelle aufweisen.
• Bild 1 zeigt die Grundtopologie einer ECM-Anlage. Die Gleichspannungsquelle und die Pulsstufe bilden gemeinsam die Energiequelle, wobei die Pulsstufe dazu dient, neben einer kontinuierlichen DC-Spannung auch DC-Pulse auszugeben.
• Bild 2 zeigt Ausgangsspannung und -strom der Energiequelle, zu Beginn eines Bearbeitungsprozesses.
• Bei einer Variante der ECM-Bearbeitung wird anstelle einer Gleichspannung eine gepulste Gleichspannung eingesetzt. Dieser gepulste ECM-Prozess „pulse electrochemical machining“ oder auch „pulsed electrochemical machining“ (PECM) wird angewendet, um die Abbildungsgenauigkeit und Oberflächengüte gegenüber der Bearbeitung mit Gleichspannung zu erhöhen. Für den PECM-Prozess ist es vorteilhaft, wenn zu jedem Pulsbeginn der Strom rasch auf seinen Endwert ansteigt. Durch diese hohe Stromanstiegsgeschwindigkeit kann die Abbildungsgenauigkeit und die Oberflächengüte noch einmal verbessert werden. Aus den gleichen Gründen ist es wichtig, dass der Strom bei Pulsende wieder rasch auf den Wert Null zurückgeht. Neben dem verbesserten Prozessergebnis wird durch die hohe Flankensteilheit die Strom-Zeit-Fläche des Pulses vergrößert, was zu einer höheren Abtragsrate führt.
• Bild 3 zeigt eine gepulste Gleichspannung mit beispielhaftem Verlauf des Zellstroms.
• Abhängig von den Eigenschaften der Übertragungsstrecke von der Energiequelle hin zur Prozesszelle, unterscheidet sich die Spannung am Ausgang der Energiequelle von der Spannung welche über der Prozesszelle abfällt. Verantwortlich hierfür ist der Widerstands-, vor allem aber der Induktivitätsbelag der Verbindungsleitung. Durch die nicht beeinflussbaren Teilstrecken der Übertragungsstecke, welche durch die räumlichen Gegebenheiten vorgegeben sind, kann die Übertragungsstrecke mit parasitären Induktivitätswerten beaufschlagt sein.
• Beim PECM sind Übertragungsstrecken die kleine Induktivitäten aufweisen von Vorteil, da über diesen Induktivitäten nicht nur ein Teil der Energiequellen-Ausgangsspannung abfällt, sondern diese Induktivitäten auch einer schnellen Stromänderung entgegen wirken.
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche an ihrem Ausgang die elektrische Energie in der Weise bereit stellt, um den durch die parasitären Eigenschaften der Übertragungsstrecke verursachten Effekten in geeigneter Weise entgegen zu wirken, sodass sich an der Prozesszelle die gewünschten Strom- und Spannungskurvenverläufe einstellen.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt dahingehend, dass am Ausgang der Energiequelle eine hohe Spannung ausgeben wird, welche die an der Prozesszelle zulässige Maximalspannung überschreitet. Diese hohe Spannung wird nur für kurze Zeit ausgegeben und mit der eigentlichen Ausgangsspannung der Energiequelle überlagert. Sie beschleunigt den Stromanstieg bzw. -abfall des Ausgangsstromes und führt trotz der Induktivitäten der Übertragungsstrecke zu einem nahezu rechteckförmigen Stromverlauf in der Prozesszelle. Hierfür wird zu Beginn des Spannungspulses eine positive und am Ende des Spannungspulses eine negative Beschleunigungsspannung ausgegeben.
• Im Weiteren werden die Strom- und Spanungspulse am Ausgang der Energiequelle wie folgt charakterisiert:
• Arbeitsspannung:
• Spannung am Ausgang der Energiequelle, die den Arbeitsstrom zur Bearbeitung des Bauteils über die Verbindungsleitungen zur Zelle und durch die Zelle hindurch treibt. Über die Arbeitsspannung und den Arbeitsstrom wird die Energie bereitgestellt, die zum Abtragen des anodischen Werkstücks benötigt wird.
• Prozess-Hilfsspannung:
• Spannung am Ausgang der Energiequelle, die für andere prozessrelevante Effekte benötigt wird, als dem Abtragen des Werkstücks. Die Prozess-Hilfsspannung und der daraus resultierende Prozess-Hilfsstrom sind in ihrer Amplitude meist kleiner, als die Arbeitsspannung und der Arbeitsstrom. Die Prozess-Hilfsspannung kann positiv als auch negativ am Ausgang der Energiequelle bereitgestellt werden, abhängig davon, welcher Effekt erzielt werden soll.
• Beschleunigungsspannung:
• Über die Beschleunigungsspannung wird die Energie bereitgestellt, die benötigt wird, um den Arbeitsstrom in gewünschter Weise zu formen. Die Beschleunigungsspannung besitzt eine höhere Amplitude als die Arbeitsspannung. Auch der Prozess-Hilfsstrom kann durch die Unterstützung einer Beschleunigungsspannung in seiner Kurvenform beeinflusst werden. Die Beschleunigungsspannung kann positiv als auch negativ am Ausgang der Energiequelle ausgegeben werden, abhängig davon, ob der Stromanstieg oder der Stromabfall beschleunigt werden soll.
• Bild 4 zeigt eine gepulste Gleichspannung mit überlagerter positiver und negativer Beschleunigungsspannung, sowie der resultierende Arbeitsstrom durch die Prozesszelle.
• Die Höhe der positiven und negativen Beschleunigungsspannung und deren Ausgabezeit wird so gewählt, dass die zulässige Maximalspannung an der Prozesszelle nie überschritten wird und die erzielten Stromflanken möglichst steil sind, um auch bei hohen Pulsfrequenzen einen möglichst rechteckförmigen Stromverlauf bzw. eine große Strom-Zeitfläche des Pulses zu erreichen.
• Bild 5 zeigt Details eines Pulses mit gesteigerten Pulsflanken.
• Die zugrunde liegende Erfindung ist eine Vorrichtung bzw. Schaltungstopologie, die zwischen der Versorgungsgleichspannung und der Prozesszelle platziert wird. Mit dieser Schaltung werden die Arbeitsspannungspulse für die PECM-Bearbeitung bereitgestellt, wobei die Steilheit der Pulsflanken über die Beschleunigungsspannung und deren Ausgabezeit beeinflusst werden kann.
• Es wird vorbehalten, die Schaltungstopologie auch in der Weise anzusteuern, dass inmitten eines Arbeitspulses, über die Beschleunigungsspannung ein rascher Stromanstieg oder Stromabfall von einem Niveau 1 auf ein Niveau 2 erfolgt.
• Die Schaltungstopologie kann auch in der Weise angesteuert werden, dass an ihrem Ausgang ein einziger Arbeitsspannungspuls mit sehr langer zeitlicher Ausdehnung ausgegeben wird, was einer klassischen DC-Bearbeitung entspricht.
• Die Schaltungstopologie soll des Weiteren in der Lage sein, negative Strompulse durch Ausgabe einer gepulsten negativen Prozess-Hilfsspannung zu generieren. Diese Prozess-Hilfsstrompulse mit negativer Stromflussrichtung können zwischen den positiven Arbeitsspannungspulsen erfolgen oder einzeln auftreten.
• Bild 6 zeigt negative Strompulse zwischen den positiven Strompulsen.
• Die Flankensteilheit des Prozess-Hilfsstroms wird an dessen Pulsende durch Ausgabe einer positiven Beschleunigungsspannung erhöht. Die Schaltungstopologie kann auch in der Weise angesteuert werden, dass die Flankensteilheit des Prozess-Hilfsstroms zusätzlich zu dessen Pulsbeginn durch Ausgabe einer negativen Beschleunigungsspannung erhöht wird.
• Bild 7 zeigt negative Strompulse mit erhöhter Flankensteilheit am Pulsbeginn und Pulsende.
• Die Schaltungstopologie soll es des Weiteren ermöglichen, ein oder mehrere dieser Schaltungsaufbauten als Module parallel zu verschalten, wobei ein oder mehrere Module inaktiv bleiben können.
• Bild 8 zeigt die Topologie bei Parallelbetrieb zweier Module.
• Die Schaltungstopologie soll des Weiteren für eine mehrkanalige Bearbeitung für zwei oder mehr Kanäle geeignet sein. Die Schaltungstopologie soll bei mehrkanaliger Bearbeitung das Abschalten einzelner Kanäle ermöglichen.
• Bild 9 zeigt die Topologie bei Mehrkanalbetrieb mit zwei Kanälen.
• Grundtopologie der ECM-Anlage
• Der Grundaufbau der ECM-Anlage besteht aus einer Gleichspannungsquelle, der Pulsstufe sowie der Prozesszelle und deren Zuleitung. Die Gleichspannungsquelle dient primär zur Bereitstellung der Prozessenergie in Form einer Gleichspannung. Diese Gleichspannung kann sich außerhalb, oder auch innerhalb der Pulsstufe befinden. Die Aufgabe der Pulsstufe besteht hingegen darin aus der Gleichspannung eine pulsierende Gleichspannung zu formen, um damit eine Abfolge von rechteckförmigen, positiven Strompulsen zu erzeugen. Zusätzlich kann die Pulsstufe über eine Prozess-Hilfsspannung ebenso negative Strompulse generieren. Im nachfolgenden wird Schrittweise auf den inneren erfinderischen Aufbau der Pulsstufe eingegangen, mit denen die beschriebene Erfindung bzw. Funktionalität realisiert wird.
• Bild 10: Grundtopologie mit Pulsstufe als Blockschaltbild
1. 1. Erzeugung der positiven Pulse In Bild 11 wurde das Blockschaltbild durch den Teil der Pulsstufenelemente ersetzt, welche für die generelle Generierung der positiven Pulse verwendet werden. Zusätzlich wurde das Ersatzschaltbild der Gleichspannungsquelle um die Kondensatorbatterie C₁ sowie deren Zuleitung zur Pulsstufe (R₅, L₅, R₆, L₆), bzw. Gleichspannungsquelle (R₃, L₃, R₄, L₄) erweitert (siehe Bild 11). Die Kondensatorbatterie dient primär zur Reduzierung des induktiven Einflusses der Zuleitung (L₃, L₄) zwischen der Kondensatorbatterie und der Gleichspannungsquelle U_{DC_P_Puls}, sowie diese vor einer Belastung durch die pulsförmigen Eingangsströme der Pulsstufe zu schützen. Bild 11 zeigt Schaltelemente für die Erzeugung der positiven Pulse. Der Transistor T₁ dient zur Generierung der Strompulse aus der Gleichspannung U_{DC_P_Puls}. Hierfür wird der Transistor T1 eingeschaltet um einen Strom durch die Prozesszelle (R₁) aufzubauen, bzw. bei Bedarf diesen auch dauerhaft zu führen. Zum Ende des Pulses wird T₁ ausgeschaltet. Aufgrund der Induktivitäten der Zuleitungen (L₁, L₂, L₅, L₆) muss für den Strom durch den Transistor T₁ der Kommutierungspfad über den Kondensator C₂ und die Diode D₂ bereitgestellt werden. Hierbei nimmt der Kondensator die in den Induktivitäten der Zuleitungen gespeicherte Energie auf und ermöglicht so eine rasch abfallende Flanke des Strompulses. Der Widerstand R₂ repräsentiert die Durchführung des Anodenanschlusses durch die Pulsstufe.
2. 2. Erhöhung der Anstiegsgeschwindigkeit der positiven Pulse Da die Induktivitäten der Zuleitungen (L₁, L₂, L₅, L₆) die Anstiegsgeschwindigkeit der Strompulse nach dem Induktionsgesetz mit $$\frac{d{i}_L\left(t\right)}{dt}=\frac{U_L}{L}$$
   
   begrenzen, wird die Schaltung aus Bild 11 um die Diode D₁ und den Transistor T₂ erweitert. Durch zeitgleiches einschaltet der beiden Transistoren T₁ und T₂ am Pulsbeginn, wird der Kondensator C₂ in den Pfad des Prozessstromes so eingefügt, dass seine Spannung zusammen mit jener der Spannungsquelle eine deutlich höhere Gesamtspannung ergibt, welche größtenteils an den Induktivitäten der Zuleitungen abfällt. Hierdurch wird die Anstiegsgeschwindigkeit der Pulsflanke des Stromes wesentlich gesteigert, um eine möglichst rechteckförmige Pulsform zu erhalten. Die vom Kondensator C₂ abgegebene Energie entspricht dabei überwiegend derjenigen, welche der Kondensator beim vorherigen Pulsende aufgenommen hat. Kurz vor dem Erreichen des Spitzenwertes des Strompulses wird der Transistor T₂ abgeschaltet und der Strom kommutiert vom Transistor T₂ und Kondensator C₂ auf die Diode D₁. Bild 12 zeigt Schaltelemente für Beschleunigung des Anstiegs des positiven Pulses.
3. 3. Erzeugung der negativen Pulse Um auch negative Strompulse generieren zu können wird die Schaltung aus Bild 12, um die Spannungsquelle U_{DC_N_Puls} sowie den Transistor T₃ erweitert. Wird der Transistor T₃ eingeschaltet während die anderen beiden Transistoren ausgeschaltet sind, baut die Spannung der Spannungsquelle U_{DC_N_Puls} einen Strom durch die Prozesszelle in umgekehrter Richtung wie bei den vorherigen Pulsen auf. Zum Pulsende dieses negativen Strompulses wird der Transistor T₃ ausgeschaltet. Der Strom durch den Transistor kommutiert auf den Strompfad durch den Kondensator C₃, die Diode D₅, den Kondensator C₂ und die Freilaufdiode des Transistors T₂. Hierdurch ergibt sich ein rascher Abfall der Pulsflanke des negativen Strompulses. Die Diode D₃ hat zudem die Aufgabe den Kommutierungspfad des positiven Stromes über die Freilaufdiode von T₃ beim Abschalten des Transistors T₁ zu sperren. Bild 13 zeigt Schaltelemente für die Erzeugung der negativen Pulse
4. 4. Beschleunigung des Anstiegs des negativen Pulses Auch die Anstiegsgeschwindigkeit des negativen Pulses wird durch die Induktivitäten der Zuleitungen zur Prozesszelle (L₁, L₂) verringert. Um auch diese erhöhen zu können wurde die Schaltung aus Bild 13 um den Transistor T₄ und die Diode D₄ erweitert. Werden zu Beginn des negativen Pulses die Transistoren T₃ und T₄ zeitgleich eingeschaltet, so wird der Kondensator C₃ in den Strompfad des negativen Pulses eingefügt. Auch hier führt eine höhere Gesamtspannung zu einer Erhöhung der Anstiegsgeschwindigkeit des Strompulses. Die Diode D₄ dient wie die Diode D₃ zur Sperrung eines alternativen Kommutierungspfades für den positiven Strompuls. Bild 14 zeigt Schaltelemente für die Beschleunigung des Anstiegs des negativen Pulses.
• Für die Bereitstellung und Regulierung der Spannungen der Kondensatoren C₂ und C₃ sowie der Spannungsquelle U_{DC_N_Puls} enthält die Pulsstufe weitere Komponenten auf die in dieser Beschreibung jedoch nicht weiter eingegangen wird.
• Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die an der Prozesszelle erforderlichen Strom- und Spannungskurvenverläufe derart eingestellt werden, indem durch parasitäre Eigenschaften der Übertragungsstrecke verursachten Effekte, vorzugsweise parasitäre Induktivitätswerte einer Übertragungsstrecke und/oder Verbindungsleitung, in geeigneter Weise entgegen gewirkt wird.
• Darüber hinaus können die an der Prozesszelle erforderlichen Strom- und Spannungskurvenverläufe derart eingestellt werden, dass eine Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit und/oder der Oberflächengüte und/oder Oberflächenrauheit des Werkstücks erreicht wird.
• Die Vorrichtung kann mit einer Regel- und/oder Steuerungseinrichtung zum Einstellen und/oder Freischalten und/oder Ausgeben der Strom- und Spannungsverläufe vorgesehen sein.
• Zum Verkürzen der Bearbeitungszeit eines metallischen Werkstücks mittels ECM (electrochemical machining) oder „pulsed electrochemical machining“ (PECM) kann die Vorrichtung am Ausgang einer Energiequelle eine hohe Spannung als Beschleunigungsspannung ausgeben, welche die an der Prozesszelle zulässige Maximalspannung bei weitem überschreitet, wobei diese hohe Spannung nur für kurze Zeit ausgegeben und mit der eigentlichen Ausgangsspannung der Energiequelle überlagert werden kann, wobei die hohe Spannung den Stromanstieg bzw. -abfall des Ausgangsstromes beschleunigt.
• Die vorliegende Vorrichtung kann in einem ersten Schritt am Ausgang einer Energiequelle eine hohe Spannung als Beschleunigungsspannung ausgeben, welche die an der Prozesszelle zulässige Maximalspannung überschreitet, in einem weiteren Schritt wird diese hohe Spannung nur für kurze Zeit ausgegeben, wobei die hohe Spannung den Stromanstieg bzw. -abfall des Ausgangsstromes beschleunigt, wobei die Beschleunigungsspannung der eigentlichen Ausgangsspannung überlagert oder dieser zeitlich vorgelagert ausgegeben werden kann.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Einstellen von Strom- und Spannungskurvenverläufen einer ECM-Prozesszelle zur Bearbeitung von Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungstopologie zwischen einer Versorgungsgleichspannung und der Prozesszelle angeordnet ist, mittels dieser Arbeitsspannungspulse für eine PECM-Bearbeitung bereitgestellt werden, wobei die Steilheit der Pulsflanken über die Beschleunigungsspannung und deren Ausgabezeit beeinflussbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungstopologie auch in der Weise anzusteuern ist, dass inmitten eines Arbeitspulses, über die Beschleunigungsspannung ein rascher Stromanstieg oder Stromabfall von einem ersten Niveau auf ein zweites Niveau erfolgt.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Schaltungstopologie negative Strompulse durch Ausgabe einer gepulsten negativen Prozess-Hilfsspannung generierbar sind, wobei diese Prozess-Hilfsstrompulse mit negativer Stromflussrichtung zwischen den positiven Arbeitsspannungspulsen erfolgen und/oder einzeln auftreten.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flankensteilheit des Prozess-Hilfsstroms an dessen Pulsende durch Ausgabe einer positiven Beschleunigungsspannung erhöhbar ist, wobei die Schaltungstopologie derart ansteuerbar ist, dass die Flankensteilheit des Prozess-Hilfsstroms zusätzlich zu dessen Pulsbeginn durch Ausgabe einer negativen Beschleunigungsspannung erhöht wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungstopologie als ein- oder mehrfach Modul aufgebaut ist, wobei die Module parallel zu verschalten sind, wobei ein oder mehrere Module inaktiv schaltbar ist bzw. sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungstopologie für eine mehrkanalige Bearbeitung für wenigstens zwei Kanäle, insbesondere Bohren mit zwei ECM-Bohrern, aufgeführt ist, wobei bei mehrkanaliger Bearbeitung das Abschalten einzelner Kanäle ermöglicht ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein negativer Spannungspuls als Reinigungspuls zur Reinigung der mit dem metallischen Werkstück im Eingriff befindlichen wenigstens einen Kathode fungiert.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regel- und/oder Steuerungseinrichtung zum Einstellen und/oder Freischalten und/oder Ausgeben der Strom- und Spannungsverläufe vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Spannungspulses eine positive und am Ende des Spannungspulses eine negative Beschleunigungsspannung ausgebbar ist, wobei ein nahezu rechteckförmiger Stromverlauf in der Prozesszelle erreicht wird und/oder am Ausgang einer Energiequelle eine hohe Spannung als Beschleunigungsspannung ausgebbar ist, welche die an der Prozesszelle zulässige Maximalspannung überschreitet, wobei diese hohe Spannung nur für kurze Zeit ausgegeben wird, wobei die hohe Spannung den Stromanstieg bzw. -abfall des Ausgangsstromes beschleunigt, wobei die Beschleunigungsspannung der eigentlichen Ausgangsspannung überlagert oder dieser zeitlich vorgelagert ausgegeben ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der positiven und negativen Beschleunigungsspannung und deren Ausgabezeit derart wählbar ist, dass die zulässige Maximalspannung an der Prozesszelle nie überschritten wird und die erzielten Stromflanken möglichst steil sind, um auch bei hohen Pulsfrequenzen einen möglichst rechteckförmigen Stromverlauf bzw. eine große Strom-Zeitfläche des Pulses zu erreichen.

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