DE102020202236A1

DE102020202236A1 - Bearbeitungseinrichtung und Verfahren zum elektrochemischen Abtragen von Bauteilschichten eines Bauteils

Info

Publication number: DE102020202236A1
Application number: DE102020202236.4A
Authority: DE
Inventors: Roland Huttner; Christian DOLL; Matthias Hillmann
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2021-08-26
Also published as: WO2021164802A1; EP4106941A1; US20230055362A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bearbeitungseinrichtung (10) zum elektrochemischen Abtragen von Bauteilschichten eines Bauteils (12), mit wenigstens einer Elektrode (20), welche entlang zumindest einer Zustellachse (30) bewegbar gelagert ist und mit wenigstens einer Zusatz-Elektrode (60), welche entlang einer Zusatz-Zustellachse (70) bewegbar gelagert ist, wobei sich zwischen der wenigstens einen Elektrode (20) und der wenigstens einen Zusatz-Elektrode (60) ein Spalt (90) zur Anordnung des Bauteils (12) zum elektrochemischen Abtragen der Bauteilschichten erstreckt. Zumindest die Zustellachse (30) und eine Längserstreckungsrichtung (92) des Spaltes (90) schließen einen spitzen Winkel (α) miteinander ein. Die Bearbeitungseinrichtung (10) umfasst wenigstens eine Oszillationsvorrichtung (40), welche zumindest dazu eingerichtet ist, die wenigstens eine Elektrode (20) oszillierend entlang der Zustellachse (30) und relativ zu der wenigstens einen Zusatz-Elektrode (60) zu bewegen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Abtragen von Bauteilschichten eines Bauteils (12) anhand einer Bearbeitungseinrichtung (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Bearbeitungseinrichtung zum elektrochemischen Abtragen von Bauteilschichten eines Bauteils, mit wenigstens einer Elektrode welche entlang zumindest einer Zustellachse bewegbar gelagert ist und mit wenigstens einer Zusatz-Elektrode, welche entlang einer Zusatz-Zustellachse bewegbar gelagert ist, wobei sich zwischen der wenigstens einen Elektrode und der wenigstens einen Zusatz-Elektrode ein Spalt zur Anordnung des Bauteils zum elektrochemischen Abtragen der Bauteilschichten erstreckt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Abtragen von Bauteilschichten eines Bauteils anhand einer Bearbeitungseinrichtung.
Das elektrochemische Abtragen, welches auch als ECM oder als Electro Chemical Maschining bezeichnet werden kann, zählt zu den sogenannten abtragenden Fertigungsverfahren. Eine Weiterentwicklung des ECM stellt das PECM, auch pulsed electrochemical machining genannt, dar. Eine Besonderheit des elektrochemischen Abtragens besteht darin, dass dieses berührungslos, also ohne Kontakt zwischen Werkzeug und zu bearbeitendem Bauteil erfolgen kann. Um das Abtragen anhand einer Bearbeitungseinrichtung zum elektrochemischen Abtragen von Bauteilschichten zu bewirken, kann das Bauteil als Anode und eine Elektrode der Bearbeitungseinrichtung als Kathode polarisiert werden. Zwischen dem Bauteil und der Elektrode wird ein Spalt eingestellt, durch welchen ein Elektrolyt zum Ladungstransport gefördert werden kann. Beim ECM entsteht ein Elektronenstrom zwischen der Kathode und der Anode, wodurch Metallionen aus dem Bauteil gelöst werden können. Die gelösten Metallionen können an der Anode Reaktionen mit Teilen des Elektrolyten eingehen. Beim ECM oder PECM gebildete Rückstände, insbesondere Metallhydroxid, können mittels des Elektrolytes aus dem Spalt ausgespült und damit aus dem Spalt entfernt werden.
Um eine verbesserte Bearbeitungsqualität, insbesondere Oberflächengüte, zu erzielen, ist es sinnvoll eine ausreichende Durchspülung des Spaltes mit dem Elektrolyt, also mit anderen Worten eine ausreichende Strömung des Elektrolytes durch den Spalt sicherzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bearbeitungseinrichtung sowie ein Verfahren zum elektrochemischen Abtragen von Bauteilschichten eines Bauteils bereitzustellen, anhand welchen eine verbesserte Durchspülung eines Spaltes zwischen zumindest einer Elektrode der Bearbeitungseinrichtung und dem zu bearbeitenden Bauteil ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Bearbeitungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Bearbeitungseinrichtung zum elektrochemischen Abtragen von Bauteilschichten eines Bauteils, mit wenigstens einer Elektrode, welche entlang zumindest einer Zustellachse bewegbar gelagert ist und mit wenigstens einer Zusatz-Elektrode, welche entlang einer Zusatz-Zustellachse bewegbar gelagert ist, wobei sich zwischen der wenigstens einen Elektrode und der wenigstens einen Zusatz-Elektrode ein Spalt zur Anordnung des Bauteils zum elektrochemischen Abtragen der Bauteilschichten erstreckt. Die Zustellachse und die Zusatz-Zustellachse können jeweils der Bearbeitungseinrichtung zugeordnet sein. Die Elektrode und die Zusatz-Elektrode können als jeweilige Kathoden ausgebildet sein. Somit kann die Elektrode auch als Kathode und die Zusatz-Elektrode auch als Zusatz-Kathode bezeichnet werden. Die Bearbeitungseinrichtung kann insbesondere zur PECM, welche auch als gepulste elektrochemische Bearbeitung oder als pulsed electrochemical machining bezeichnet werden kann, ausgebildet sein. Darüber hinaus kann die Bearbeitungseinrichtung zur PEM, welche auch als präzise elektrochemische Bearbeitung oder als precise electrochemical machining bezeichnet werden kann, ausgebildet sein.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest die Zustellachse und eine Längserstreckungsrichtung des Spaltes einen spitzen Winkel miteinander einschließen und die Bearbeitungseinrichtung wenigstens eine Oszillationsvorrichtung umfasst, welche zumindest dazu eingerichtet ist, die wenigstens eine Elektrode oszillierend entlang der Zustellachse und relativ zu der wenigstens einen Zusatz-Elektrode zu bewegen. Dies ist von Vorteil, da es anhand der Bearbeitungseinrichtung - im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zum elektrochemischen Abtragen - somit möglich ist, eine zuverlässige Elektrolyt-Durchströmung des Spaltes auch bei einer komplexen Außengeometrie des Bauteils sicherzustellen.
Die Elektrode und die Zusatz-Elektrode können beispielsweise jeweilige Flächenbereiche aufweisen, welche jeweilige Flächenwinkel miteinander einschließen können. Mit anderen Worten können also die jeweiligen Flächenbereiche der Elektrode ebenso zueinander gewinkelt sein, wie die jeweiligen Flächenbereiche der Zusatz-Elektrode. Die Flächenbereiche der Zusatz-Elektrode können nachfolgend auch als Zusatz-Flächenbereiche bezeichnet werden. Die Flächenbereiche der Elektrode bzw. der Zusatz-Elektrode können jeweils zum elektrochemischen Abtragen eingesetzt werden. Mit anderen Worten kann über diese Flächenbereiche ein entsprechender Elektronenstrom beim elektrochemischen Abtragen zwischen der Elektrode bzw. Zusatz-Elektrode und dem Bauteil erfolgen. Durch die derart geformte Elektrode bzw. Zusatz-Elektrode kann das Bauteil entsprechende Bauteil-Oberflächen aufweisen, welche einen Bauteil-Flächenwinkel miteinander einschließen können. Die Flächenwinkel und die Bauteil-Flächenwinkel können das gleiche Winkelmaß aufweisen.
Es liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch den spitzen Winkel zwischen der Zustellachse und der Längserstreckungsrichtung des Spaltes zumindest eine bereichsweise Spaltverengung zwischen der Elektrode und dem Bauteil und eine damit verbundene, zumindest bereichsweise eingeschränkte Elektrolyt-Durchströmung des Spaltes unterbunden werden kann, da die Spaltverengung durch den spitzen Winkel zwischen der Zustellachse und der Längserstreckungsrichtung des Spaltes während der oszillierenden Bewegung der Elektrode entlang der Zustellachse sogar über eine gesamte Spaltlänge des Spaltes gleichmäßig erfolgen kann. Somit können unterschiedliche Spalt-Zonen mit entsprechend unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit der Elektrolyt-Durchströmung unterbunden und damit eine gleichmäßige Durchströmung des Spaltes sichergestellt werden, wodurch insbesondere ein verbesserter Elektrolytaustausch und damit eine verbesserte Oberflächengüte des Bauteils infolge des elektrochemischen Abtragens erzielt werden können.
Eine einerseits durch die Elektrode und andererseits durch die Zusatz-Elektrode begrenzte Spaltbreite des Spaltes kann sich entlang einer senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des Spaltes orientierten Quererstreckungsrichtung des Spaltes erstrecken.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die wenigstens eine Oszillationsvorrichtung zudem dazu eingerichtet, die wenigstens eine Zusatz-Elektrode oszillierend entlang der Zusatz-Zustellachse und relativ zu der wenigstens einen Elektrode zu bewegen. Dies ist von Vorteil, da das elektrochemische Abtragen am Bauteil hierdurch somit an einander gegenüberliegenden Bauteilbereichen gleichzeitig einerseits durch die Elektrode und andererseits durch die Zusatz-Elektrode erfolgen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die wenigstens eine Oszillationsvorrichtung dazu eingerichtet, die wenigstens eine Elektrode und die wenigstens eine Zusatz-Elektrode synchron relativ zueinander oszillierend zu bewegen. Dies ist von Vorteil, da hierdurch ein besonders gleichmäßiges elektrochemisches Abtragen durch Verwendung sowohl der Elektrode als auch der Zusatz-Elektrode erzielt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung schließen die Zusatz-Zustellachse und die Längserstreckungsrichtung einen spitzen Zusatz-Winkel miteinander ein. Dies ist von Vorteil, somit auch eine besonders gleichmäßige Elektrolyt-Durchströmung zwischen der Zusatz-Elektrode und dem Bauteil sichergestellt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen der Winkel und der Zusatz-Winkel das gleiche Winkelmaß auf. Dies ist von Vorteil, da hierdurch ein besonders symmetrisches elektrochemisches Abtragen erfolgen kann. Das Winkelmaß kann als lineares Winkelmaß ausgebildet sein. Vorzugsweise kann das Winkelmaß einem Wert von 45° entsprechen. Der Winkel und der Zusatz-Winkel können dann gemeinsam und damit in Summe einen rechten Winkel bilden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn jeweilige, durch das elektrochemische Abtragen zu bearbeitende Bauteilbereiche des Bauteils ebenfalls rechtwinklig zueinander orientiert sind.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Längserstreckungsrichtung des Spaltes senkrecht zu einer der Bearbeitungseinrichtung zugeordneten Verstellachse, entlang welcher die Elektrode und die Zusatz-Elektrode relativ zueinander und unter Änderung einer Spaltbreite des Spaltes bewegbar sind, orientiert. Dies ist von Vorteil, da durch die Orientierung der Längserstreckungsrichtung des Spaltes und der Verstellachse relativ zueinander eine besonders schnelle Änderung der Spaltbreite des Spaltes erfolgen kann. Die Elektrode und die Zusatz-Elektrode können entlang der Verstellachse direkt, insbesondere auf kürzest möglichem Weg, aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden, wodurch die schnelle Änderung der Spaltbreite des Spaltes ermöglicht ist. Beispielsweise kann die Oszillationsvorrichtung oder eine Bewegungsvorrichtung der Bearbeitungseinrichtung dazu ausgebildet sein, die Elektrode und die Zusatz-Elektrode entlang der gemeinsamen Verstellachse relativ zueinander, also aufeinander zu und voneinander weg, zu bewegen. Dies kann hilfreich sein, um die Elektrode und die Zusatz-Elektrode vor dem elektrochemischen Abtragen, also vor der Bearbeitung des Bauteils, relativ zueinander und zusätzlich oder alternativ relativ zum Bauteil auszurichten und dadurch beispielsweise einen Maximalbetrag der Spaltbreite vor der Bearbeitung einzustellen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Bearbeitungseinrichtung wenigstens eine Spüleinrichtung zum Durchspülen zumindest eines Spaltbereichs des Spaltes mit einem Elektrolyt. Dies ist von Vorteil, da somit keine separaten, insbesondere externen, Spülvorrichtungen zum Durchspülen des Spaltes benötigt werden. Das Elektrolyt kann vorzugsweise als Natriumnitrat ausgebildet sein. Durch das Durchspülen des Spaltes können Abtragsprodukte, beispielsweise Metallhydroxid, aus dem Spalt ausgespült werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die wenigstens eine Oszillationsvorrichtung dazu eingerichtet, zumindest die wenigstens eine Elektrode oszillierend mit einer Oszillationsfrequenz zwischen 15 Hz und 60 Hz, bevorzugt zwischen 20 Hz und 40 Hz und besonders bevorzugt zwischen 28 Hz und 32 Hz zu bewegen. Darüber hinaus kann die wenigstens eine Oszillationsvorrichtung auch dazu eingerichtet sein, auch die wenigstens eine Zusatz-Elektrode oszillierend mit der Oszillationsfrequenz zwischen 15 Hz und 60 Hz, bevorzugt zwischen 20 Hz und 40 Hz und besonders bevorzugt zwischen 28 Hz und 32 Hz zu bewegen. Diese Oszillationsfrequenz gestattet es, das elektrochemische Abtragen besonders bedarfsgerecht durchzuführen, also beispielsweise eine Oberflächenqualität des Bauteils besonders bedarfsgerecht durch das elektrochemische Abtragen auszubilden. Damit sind auch Werte der Oszillationsfrequenz von, 15,0 Hz, 15,5 Hz, 16,0 Hz, 16,5 Hz, 17,0 Hz, 17,5 Hz, 18,0 Hz, 18,5 Hz, 19,0 Hz, 19,5 Hz, 20,0 Hz, 20,5 Hz, 21,0 Hz, 21,5 Hz, 22,0 Hz, 22,5 Hz, 23,0 Hz, 23,5 Hz, 24,0 Hz, 24,5 Hz, 25,0 Hz, 25,5 Hz, 26,0 Hz, 26,5 Hz, 27,0 Hz, 27,5 Hz, 28,0 Hz, 28,5 Hz, 29,0 Hz, 29,5 Hz, 30,0 Hz, 30,5 Hz, 31,0 Hz, 31,5 Hz, 32,0 Hz, 32,5 Hz, 33,0 Hz, 33,5 Hz, 34,0 Hz, 34,5 Hz, 35,0 Hz, 35,5 Hz, 36,0 Hz, 36,5 Hz, 37,0 Hz, 37,5 Hz, 38,0 Hz, 38,5 Hz, 39,0 Hz, 39,5 Hz, 40,0 Hz, 40,5 Hz, 41,0 Hz, 41,5 Hz, 42,0 Hz, 42,5 Hz, 43,0 Hz, 43,5 Hz, 44,0 Hz, 44,5 Hz, 45,0 Hz, 45,5 Hz, 46,0 Hz, 46,5 Hz, 47,0 Hz, 47,5 Hz, 48,0 Hz, 48,5 Hz, 49,0 Hz, 49,5 Hz, 50,0 Hz, 50,5 Hz, 51,0 Hz, 51,5 Hz, 52,0 Hz, 52,5 Hz, 53,0 Hz, 53,5 Hz, 54,0 Hz, 54,5 Hz, 55,0 Hz, 55,5 Hz, 56,0 Hz, 56,5 Hz, 57,0 Hz, 57,5 Hz, 58,0 Hz, 58,5 Hz, 59,0 Hz, 59,5 Hz, 60,0 Hz, sowie entsprechende Zwischenwerte zu verstehen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die wenigstens eine Oszillationsvorrichtung dazu eingerichtet, zumindest die wenigstens eine Elektrode oszillierend mit einer Schwingungsamplitude zwischen 0,2 mm und 0,5 mm, bevorzugt zwischen 0,3 mm und 0,4 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,32 mm und 0,38 mm zu bewegen. Darüber hinaus kann die wenigstens eine Oszillationsvorrichtung auch dazu eingerichtet sein, auch die wenigstens eine Zusatz-Elektrode oszillierend mit der Schwingungsamplitude zwischen 0,2 mm und 0,5 mm, bevorzugt zwischen 0,3 mm und 0,4 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,32 mm und 0,38 mm zu bewegen. Diese Schwingungsamplitude gestattet es, das elektrochemische Abtragen besonders bedarfsgerecht durchzuführen, also beispielsweise eine Oberflächenqualität des Bauteils besonders bedarfsgerecht durch das elektrochemische Abtragen auszubilden. Damit sind auch Werte der Schwingungsamplitude von 0,20 mm, 0,21 mm, 0,22 mm, 0,23 mm, 0,24 mm, 0,25 mm, 0,26 mm, 0,27 mm, 0,28 mm, 0,29 mm, 0,30 mm, 0,31 mm, 0,32 mm, 0,33 mm, 0,34 mm, 0,35 mm, 0,36 mm, 0,37 mm, 0,38 mm, 0,39 mm, 0,40 mm, 0,41 mm, 0,42 mm, 0,43 mm, 0,44 mm, 0,45 mm, 0,46 mm, 0,47 mm, 0,48 mm, 0,49 mm, sowie entsprechende Zwischenwerte zu verstehen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Abtragen von Bauteilschichten eines Bauteils anhand einer Bearbeitungseinrichtung, wobei die Bearbeitungseinrichtung wenigstens eine Elektrode umfasst, welche entlang zumindest einer Zustellachse bewegbar gelagert ist und wobei die Bearbeitungseinrichtung wenigstens eine Zusatz-Elektrode umfasst, welche entlang einer Zusatz-Zustellachse bewegbar gelagert ist, wobei sich zwischen der wenigstens einen Elektrode und der wenigstens einen Zusatz-Elektrode ein Spalt erstreckt in welchem das Bauteil zum elektrochemischen Abtragen der Bauteilschichten angeordnet wird. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest die Zustellachse und eine Längserstreckungsrichtung des Spaltes einen spitzen Winkel miteinander einschließen und die Bearbeitungseinrichtung wenigstens eine Oszillationsvorrichtung umfasst, mittels welcher zumindest die wenigstens eine Elektrode zum elektrochemischen Abtragen der Bauteilschichten oszillierend entlang der Zustellachse und relativ zu der wenigstens einen Zusatz-Elektrode bewegt wird. Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bearbeitungseinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und umgekehrt.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und den Ausführungsbeispielen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten und/oder alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Ausführungsbeispielen nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Teilbereichs einer Bearbeitungseinrichtung zum elektrochemischen Abtragen von Bauteilschichten eines ebenfalls in schematischer Schnittdarstellung gezeigten Bauteils, wobei eine Elektrode und eine Zusatz-Elektrode der Bearbeitungseinrichtung relativ zu dem Bauteil oszillierend bewegt werden und einen sich während dem elektrochemischen Abtragen einstellenden Minimalabstand zu dem Bauteil aufweisen; und
2 eine weitere schematische Schnittdarstellung des Teilbereichs der Bearbeitungseinrichtung und des Bauteils, wobei die Elektrode und die Zusatz-Elektrode einen sich während dem elektrochemischen Abtragen einstellenden Maximalabstand zu dem Bauteil aufweisen.

1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen Teilbereich einer Bearbeitungseinrichtung 10, welche zur PECM-Bearbeitung ausgebildet ist. Die Bearbeitungseinrichtung 10 dient somit zum elektrochemischen Abtragen von Bauteilschichten eines Bauteils 12. Das Bauteil 12 kann, wie im vorliegenden Beispiel der Fall, als Rotor für eine Strömungsmaschine oder zumindest als Komponente für einen solchen Rotor ausgebildet sein. Vorliegend umfasst das Bauteil 12 einen teilweise dargestellten Ringbereich 17 und eine Mehrzahl an Schaufelblättern 18, von welchen in 1 lediglich ein geschnitten dargestelltes Schaufelblatt 18 zu erkennen ist. Der Ringbereich 17 entspricht dabei einem Bauteilbereich des Bauteils 12, wohingegen das Schaufelblatt 18 einem anderen Bauteilbereich des Bauteils 12 entspricht. Die Schaufelblätter 18 können auch als „airfoils“ bezeichnet werden. Der Ringbereich 17 kann auch als Ringraum bezeichnet werden.
Ebenfalls in 1 gezeigt ist ein durch eine strichpunktierte Linie dargestellter Vorbearbeitungszustand 13 des Bauteils 12. Der Vorbearbeitungszustand 13 zeigt dabei eine Bauteilgeometrie des Bauteils 12 vor Beginn des elektrochemischen Abtragens durch die Bearbeitungsvorrichtung 10. 1 zeigt das Bauteil 12 zudem während der Bearbeitung anhand der Bearbeitungseinrichtung 10, wobei bereits einige der Bauteilschichten des Bauteils 12 elektrochemisch abgetragen wurden.
Die Bearbeitungseinrichtung 10 umfasst eine Elektrode 20, welche entlang einer Zustellachse 30 bewegbar gelagert ist. Die Zustellachse 30 kann auch als X1-Achse bezeichnet werden. Darüber hinaus umfasst die Bearbeitungseinrichtung 10 eine Zusatz-Elektrode 60, welche entlang einer Zusatz-Zustellachse 70 bewegbar gelagert ist. Die Zusatz-Zustellachse 70 kann auch als X2-Achse bezeichnet werden. Zwischen der Elektrode 20 und der Zusatz-Elektrode 60 erstreckt sich ein Spalt 90 zur Anordnung des Bauteils 12 zum elektrochemischen Abtragen der Bauteilschichten. Im vorliegenden Beispiel ist das Schaufelblatt 18 zu dessen elektrochemischer Bearbeitung durch Abtragen in dem Spalt 90 aufgenommen. An der Elektrode 20 ist eine elektrische Isolation 28 zum Schutz vor Kurzschlüssen angeordnet. An der Zusatz-Elektrode 60 ist entsprechend eine elektrische Zusatz-Isolation 68 angeordnet, welche ebenfalls zum Schutz vor Kurzschlüssen dient.
Die Zustellachse 30 und eine Längserstreckungsrichtung 92 des Spaltes 90 schließen einen spitzen Winkel α miteinander ein. Die Zusatz-Zustellachse 70 und die Längserstreckungsrichtung 92 des Spaltes 90 schließen hingegen einen spitzen Zusatz-Winkel β miteinander ein. Der Winkel α und der Zusatz-Winkel β weisen im vorliegenden Beispiel das gleiche Winkelmaß von 45° auf.
Die Bearbeitungseinrichtung 10 umfasst eine Oszillationsvorrichtung 40, welche dazu eingerichtet ist, einerseits die Elektrode 20 oszillierend entlang der Zustellachse 30 und relativ zu der Zusatz-Elektrode 60 zu bewegen. Andererseits ist die Oszillationsvorrichtung 40 dazu eingerichtet die Zusatz-Elektrode 60 oszillierend entlang der Zusatz-Zustellachse 70 und relativ zu der Elektrode 20 zu bewegen. Anhand der Oszillationsvorrichtung 40 können die Elektrode 20 und die Zusatz-Elektrode 60 synchron relativ zueinander oszillierend bewegt werden, wodurch das Bauteil 12 zumindest bereichsweise sowohl unter Verwendung der Elektrode 20 als auch unter Verwendung der Zusatz-Elektrode 60 dem gleichmäßigen, elektrochemischen Abtragen unterzogen werden kann.
Die Oszillationsvorrichtung 40 kann auch allgemein sowohl die Elektrode 20 als auch die Zusatz-Elektrode 60 zu deren jeweiliger Zustellung bewegen, also die Elektrode 20 entlang der Zustellachse 30 und die Zusatz-Elektrode 60 entlang der Zusatz-Zustellachse 70 auf das Bauteil 12 zu und von dem Bauteil 12 weg bewegen. Mit anderen Worten kann die Oszillationsvorrichtung 40 allgemein dazu ausgebildet sein, sowohl die Elektrode 20 als auch die Zusatz-Elektrode 60 zuzustellen. Die Zustellung kann auch als Vorschub bezeichnet werden.
Die Oszillationsvorrichtung 40 ist dazu eingerichtet, sowohl die Elektrode 20, als auch die Zusatz-Elektrode 60 jeweils oszillierend mit einer Oszillationsfrequenz zwischen einschließlich 15 Hz und einschließlich 60 Hz zu bewegen. Darüber hinaus ist die Oszillationsvorrichtung 40 dazu eingerichtet, sowohl die Elektrode 20, als auch die Zusatz-Elektrode 60 jeweils oszillierend mit einer Schwingungsamplitude zwischen einschließlich 0,2 mm und einschließlich 0,5 mm zu bewegen.
Die Längserstreckungsrichtung 92 des Spaltes 90 ist senkrecht zu einer, der Bearbeitungseinrichtung 10 zugeordneten Verstellachse 16, entlang welcher die Elektrode 20 und die Zusatz-Elektrode 60 relativ zueinander und unter Änderung einer Spaltbreite b des Spaltes 90 bewegbar sind, orientiert.
In 1 ist die Spaltbreite b minimal, wodurch sich einerseits zwischen der Elektrode 20 und dem Schaufelblatt 18 und andererseits zwischen der Zusatz-Elektrode 60 und dem Schaufelblatt 18 jeweils ein besonders enger Spaltbereich 98 erstreckt, durch welchen ein Elektrolyt, beispielsweise Natriumnitrat, anhand einer Spüleinrichtung 100 der Bearbeitungseinrichtung 10 gefördert werden kann, um dadurch Rückstände, insbesondere Metallhydroxid, aus den Spaltbereichen 98 und damit aus dem Spalt 90 auszuspülen. Durch eine jeweilige, durch einen Doppelpfeil dargestellte und durch die Oszillationsvorrichtung 40 bewirkte, oszillierende Bewegung 11 der Elektrode 20 sowie der Zusatz-Elektrode 60 wird dementsprechend auch die Spaltbreite b oszillierend vergrößert und verkleinert, wodurch sich auch eine jeweilige Spaltbereichsbreite der Spaltbreite 98 dementsprechend ändert.
Im Gegensatz zu 1 ist in 2 die Spaltbreite b infolge der oszillierenden Bewegung 11 maximal, wodurch auch die jeweilige Spaltbereichsbreite der Spaltbereiche 98 größer ist, als in 1.
Anhand von 2 ist auch deutlich zu erkennen, dass das Bauteil 12 jeweilige, einerseits der Elektrode 20 und andererseits der Zusatz-Elektrode 60 zugewandte Bauteil-Oberflächen 14, 15 aufweist, welche einen Bauteil-Flächenwinkel γ miteinander einschließen. Die Elektrode 20 weist jeweilige Flächenbereiche, nämlich einen ersten Flächenbereich 22 und einen zweiten Flächenbereich 24, auf. Die Zusatz-Elektrode 60 hingegen weist jeweilige Zusatz-Flächenbereiche, nämlich einen ersten Zusatz-Flächenbereich 62 und einen zweiten Zusatz-Flächenbereich 64 auf. Sowohl die Flächenbereiche 22, 24 als auch die Zusatz-Flächenbereiche 62, 64 schließen jeweils einen Flächenwinkel δ ein. Der Flächenwinkel δ und der Bauteil-Flächenwinkel γ können dabei jeweils das gleiche Winkelmaß, beispielsweise 90°, aufweisen.
Durch die Möglichkeit der oszillierenden Bewegung 11 der Elektrode 20 unter dem Winkel α (hier: 45°) und der Zusatz-Elektrode 60 unter dem Winkel β (hier: 45°) relativ zur Längserstreckungsrichtung 92 kann in besonders vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Spaltverengung und Spaltverbreiterung, also mit anderen Worten die gleichmäßige Änderung der Spaltbreite b, insbesondere an einem Übergangsbereich von dem Schaufelblatt 18 zum Ringbereich 17 einerseits zwischen der Elektrode 20 und dem Bauteil 12 und andererseits zwischen der Zusatz-Elektrode 60 und dem Bauteil 12 während der oszillierenden Bewegung 11 im Rahmen des elektrochemischen Abtragens der Bauteilschichten sichergestellt werden. Die gleichmäßige Änderung der Spaltbreite b an dem Übergangsbereich ist besonders deutlich durch Zusammenschau von 1 und 2 zu erkennen. Durch die gleichmäßige Änderung der Spaltbreite b wird dementsprechend eine gleichmäßige Durchspülung der jeweiligen Spaltbereiche 98 mit dem Elektrolyt sichergestellt.
Während konventionelle PECM-System zur Bearbeitung von Schaufelblättern mit horizontalen Achsen für eine Zustellung Richtung Schaufelblatt und mit einer Möglichkeit der Zustellung in Höhenrichtung und damit in Richtung Ringraum arbeiten, ermöglicht die vorliegende Bearbeitungseinrichtung 10 die oszillierende Bewegung 11 und Zustellung unter jeweiligen Winkeln (Winkel α, Zusatz-Winkel β), welche beispielsweise jeweils ein Winkelmaß von 45° aufweisen können. Dementsprechend kann anhand der vorliegenden Bearbeitungseinrichtung 10 die oszillierenden Bewegung 11 sowohl der Elektrode 20 als auch der Zusatz-Elektrode 60 sowohl horizontal als auch gleichzeitig vertikal erfolgen. Die Spaltbreite b des Spaltes 90 kann dadurch während der oszillierenden Bewegung 11 gleichmäßig entlang dem Bauteil 12 variiert werden, sodass eine entsprechend gleichmäßige Durchspülung des Spaltes 90 bzw. der Spaltbereiche 98 mit dem Elektrolyt sichergestellt und damit eine besonders hohe Bearbeitungsqualität, insbesondere Oberflächengüte, erzielt werden kann.
Insgesamt ermöglicht die Bearbeitungsvorrichtung 10 sowohl die Oszillation, also die oszillierende Bewegung 11, als auch die Zustellung sowohl der Elektrode 20, als auch der Zusatz-Elektrode 60 unter 45° und damit einen optimierten Austausch des anhand der Spüleinrichtung 100 durch den Spalt geförderten Elektrolytes. Durch die Bearbeitungsvorrichtung 10 kann somit eine etwaige Passivierung am Bauteil 12 vermieden und eine schnellere PECM-Bearbeitung des Bauteils 12 durchgeführt werden. Durch den Einsatz der Bearbeitungsvorrichtung 10 kann ein Entstehen unerwarteter Störkonturen am Bauteil 12 infolge der oszillierenden Bewegung 11 vermieden werden, da ein Rückzug der Elektrode 20 und der Zusatz-Elektrode 60 auf einem bearbeiteten Pfad, also entlang der Zustellachse 30 bzw. der Zusatz-Zustellachse 70 und von dem Bauteil 12 weg erfolgen kann. Darüber hinaus kann anhand der Bearbeitungsvorrichtung 10 eine parallele Bearbeitung des Bauteils 12 sowohl anhand der Elektrode 20 als auch anhand der Zusatz-Elektrode 60 erfolgen, wodurch das elektrochemische Abtragen der Bauteilschichten besonders zeitsparend durchgeführt werden kann. Insbesondere kann das elektrochemische Abtragen der Bauteilschichten des Bauteils 12 anhand der Bearbeitungseinrichtung 10 durch ausschließliche Bewegung (Zustellung und oszillierende Bewegung 11) der Elektrode 20 entlang der Zustellachse 30 (X1-Achse) und der Zusatz-Elektrode 60 entlang der Zusatz-Zustellachse 70 (X2-Achse) erfolgen.
Bezugszeichenliste

10: Bearbeitungseinrichtung
11: oszillierende Bewegung
12: Bauteil
13: Vorbearbeitungszustand
14: Bauteil-Oberfläche
15: Bauteil-Oberfläche
16: Verstellachse
17: Ringbereich
18: Schaufelblatt
20: Elektrode
22: erster Flächenbereich
24: zweiter Flächenbereich
28: Isolation
30: Zustellachse
40: Oszillationsvorrichtung
60: Zusatz-Elektrode
62: erster Zusatz- Flächenbereich
64: zweiter Zusatz- Flächenbereich
68: Zusatz-Isolation
70: Zusatz-Zustellachse
90: Spalt
92: Längserstreckungsrichtung
98: Spaltbereich
100: Spüleinrichtung
b: Spaltbreite
α: spitzer Winkel
β: spitzer Zusatz-Winkel
δ: Flächenwinkel
γ: Bauteil-Flächenwinkel

Claims

Bearbeitungseinrichtung (10) zum elektrochemischen Abtragen von Bauteilschichten eines Bauteils (12), mit wenigstens einer Elektrode (20), welche entlang zumindest einer Zustellachse (30) bewegbar gelagert ist und mit wenigstens einer Zusatz-Elektrode (60), welche entlang einer Zusatz-Zustellachse (70) bewegbar gelagert ist, wobei sich zwischen der wenigstens einen Elektrode (20) und der wenigstens einen Zusatz-Elektrode (60) ein Spalt (90) zur Anordnung des Bauteils (12) zum elektrochemischen Abtragen der Bauteilschichten erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Zustellachse (30) und eine Längserstreckungsrichtung (92) des Spaltes (90) einen spitzen Winkel (α) miteinander einschließen und die Bearbeitungseinrichtung (10) wenigstens eine Oszillationsvorrichtung (40) umfasst, welche zumindest dazu eingerichtet ist, die wenigstens eine Elektrode (20) oszillierend entlang der Zustellachse (30) und relativ zu der wenigstens einen Zusatz-Elektrode (60) zu bewegen.
Bearbeitungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Oszillationsvorrichtung (40) zudem dazu eingerichtet ist, die wenigstens eine Zusatz-Elektrode (60) oszillierend entlang der Zusatz-Zustellachse (70) und relativ zu der wenigstens einen Elektrode (20) zu bewegen.
Bearbeitungseinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Oszillationsvorrichtung (40) dazu eingerichtet ist, die wenigstens eine Elektrode (20) und die wenigstens eine Zusatz-Elektrode (60) synchron relativ zueinander oszillierend zu bewegen.
Bearbeitungseinrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatz-Zustellachse (70) und die Längserstreckungsrichtung (92) einen spitzen Zusatz-Winkel (β) miteinander einschließen.
Bearbeitungseinrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) und der Zusatz-Winkel (β) das gleiche Winkelmaß aufweisen.
Bearbeitungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längserstreckungsrichtung (92) des Spaltes (90) senkrecht zu einer der Bearbeitungseinrichtung (10) zugeordneten Verstellachse (16), entlang welcher die Elektrode (20) und die Zusatz-Elektrode (60) relativ zueinander und unter Änderung einer Spaltbreite (b) des Spaltes (90) bewegbar sind, orientiert ist.
Bearbeitungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungseinrichtung (10) wenigstens eine Spüleinrichtung (100) zum Durchspülen zumindest eines Spaltbereichs (98) des Spaltes (90) mit einem Elektrolyt umfasst.
Bearbeitungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Oszillationsvorrichtung (40) dazu eingerichtet ist, zumindest die wenigstens eine Elektrode (20) oszillierend mit einer Oszillationsfrequenz zwischen 15 Hz und 60 Hz, bevorzugt zwischen 20 Hz und 40 Hz und besonders bevorzugt zwischen 28 Hz und 32 Hz zu bewegen.
Bearbeitungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Oszillationsvorrichtung (40) dazu eingerichtet ist, zumindest die wenigstens eine Elektrode (20) oszillierend mit einer Schwingungsamplitude zwischen 0,2 mm und 0,5 mm, bevorzugt zwischen 0,3 mm und 0,4 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,32 mm und 0,38 mm zu bewegen.
Verfahren zum elektrochemischen Abtragen von Bauteilschichten eines Bauteils (12) anhand einer Bearbeitungseinrichtung (10), wobei die Bearbeitungseinrichtung (10) wenigstens eine Elektrode (20) umfasst, welche entlang zumindest einer Zustellachse (30) bewegbar gelagert ist und wobei die Bearbeitungseinrichtung (10) wenigstens eine Zusatz-Elektrode (60) umfasst, welche entlang einer Zusatz-Zustellachse (70) bewegbar gelagert ist, wobei sich zwischen der wenigstens einen Elektrode (20) und der wenigstens einen Zusatz-Elektrode (60) ein Spalt (90) erstreckt in welchem das Bauteil (12) zum elektrochemischen Abtragen der Bauteilschichten angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Zustellachse (30) und eine Längserstreckungsrichtung (92) des Spaltes (90) einen spitzen Winkel (α) miteinander einschließen und die Bearbeitungseinrichtung (10) wenigstens eine Oszillationsvorrichtung (40) umfasst, mittels welcher zumindest die wenigstens eine Elektrode (20) zum elektrochemischen Abtragen der Bauteilschichten oszillierend entlang der Zustellachse (30) und relativ zu der wenigstens einen Zusatz-Elektrode (60) bewegt wird.