Es ist ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes
bekannt, bei dem das Werkstück einen ersten Strömungskanal
und einen zweiten Strömungskanal auf weist, wobei der zweite
Strömungskanal in den ersten Strömungskanal mündet. Um die
Mündung des zweiten Strömungskanals in den ersten
Strömungskanal wird eine Senkung mittels einer
elektroerosiven Bearbeitung eingearbeitet. Diese Senkung
kann notwendig sein, damit die Windungen einer im ersten
Strömungskanal angeordneten Feder nicht den zweiten
Strömungskanal blockieren.
Durch die elektroerosive Bearbeitung ist die Oberfläche der
Senkung sehr rauh. Der Rand, der von der Senkung und dem
zweiten Strömungskanal gebildet wird, ist von Werkstück zu
Werkstück sehr unterschiedlich. Dadurch kann die Menge eines
im späteren Gebrauch durchfließenden Mediums bei einem
vorgegebenen Druck von Werkstück zu Werkstück recht
unterschiedlich ausfallen.
Um zu erreichen, dass zum Beispiel über Strömungskanäle von
Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen bei einem bestimmten
Druck eine genaue Menge Kraftstoff in die Brennkammer
eingespritzt wird, sind mehrere Verfahren und Vorrichtungen
bekannt.
So ist beispielsweise aus der DE 689 16 552 T2 bekannt,
zwischen einer Elektrode und dem Werkstück sowie durch den
mindestens einen Strömungskanal ein Elektrolyt zu pumpen,
den Strömungskanal elektrochemisch zu bearbeiten und während
der Bearbeitung einen bestimmten sogenannten
Durchflusswiderstand durch den Strömungskanal zu erzielen.
Dieser sogenannte Durchflusswiderstand wird dynamisch
gemessen. Dynamisch Messen bedeutet, dass während der
Bearbeitung, bei der zum Beispiel Material von der Wandung
oder dem Rand des Strömungskanals abgetragen wird, der
Durchflusswiderstand gemessen wird. Die Messung des
Durchflusswiderstands erfolgt beispielsweise über die
Messung des Verschiebeweges eines Kolbens, dessen Fläche
bekannt ist. Dadurch lässt sich das Volumen bestimmen, dass
durch den Strömungskanal fließt. Mit anderen Worten wird
also der Volumenstrom gemessen. Ferner kann die Bestimmung
des Durchflusswiderstands auch dadurch erfolgen, dass die
Geschwindigkeit der Elektrolytlösung im Strömungskanal
gemessen wird. Sobald ein vorgegebener Wert des
Volumenstroms oder der Geschwindigkeit der Elektrolytlösung
erreicht ist, wird die Bearbeitung beendet.
In der Wo 96/12586 wurde erkannt, dass bei einer dynamischen
Messung während einer elektrochemischen Bearbeitung
Gasblasen entstehen, die einen Einfluss auf das Messergebnis
haben. Eine statische Messung ist demgegenüber genauer, da
eine Messung des Volumenstroms während Bearbeitungspausen
erfolgt, so dass das Ergebnis nicht durch Gasblasen
beeinflusst wird.
Jedoch wird auch gemäß dieser Schrift der Volumenstrom
gemessen. Bei der Messung des Volumenstroms hat die
Temperatur einen starken Einfluss auf das Ergebnis. D. h. bei
hohen Temperaturen wird ein größerer Volumenstrom gemessen
als bei niedrigeren Temperaturen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit den
kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben
demgegenüber den Vorteil, dass eine wirtschaftlichere und
gleichzeitig genauere Herstellung möglich sind.
Hierzu wird der durch den mindestens einen Strömungskanal
fließenden Massestrom der Elektrolytlösung gemessen, sowie
gleichzeitig eine Senkung eingearbeitet und die Bearbeitung
solange durchgeführt, bis ein vorgegebener Massestrom
erreicht ist.
Die Messung des Massestroms wird genauer, wenn sie während
Bearbeitungspausen erfolgt, wobei die Messung in der
jeweiligen Bearbeitungspause erst nach einer Beruhigungszeit
des Massestroms beginnt.
Bei der Vorrichtung ist eine Einrichtung zum Messen des
Massestroms der Arbeitsflüssigkeit durch den mindestens
einen Strömungskanal vorhanden. Die Einrichtung ist ein
Massestrommesser, der nach dem Coriolisprinzip arbeitet.
Die Vorrichtung hat einen einfachen Aufbau, wenn eine
Kolbenmembranpumpe die Arbeitsflüssigkeit durch den
mindestens einen Strömungskanal pumpt. Dadurch werden
Druckschwankungen während der Messung vermindert.
Um Druckspitzen noch weiter zu vermindern, können
Pulsationsdämpfer zur Glättung von Druckschwankungen
angeordnet werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks ergeben sich
aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum elektrochemischen Bearbeiten,
Fig. 2 ein Federhalter im Schnitt vor der elektrochemischen
Bearbeitung und
Fig. 3 ein Federhalter im Schnitt nach der
elektrochemischen Bearbeitung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung 10 zum elektrochemischen
Bearbeiten eines Werkstücks 12 schematisch dargestellt. Das
Prinzip des elektrochemischen Verfahrens beruht darauf, daß
an zwei Elektroden, welche sich in einer als
Arbeitsflüssigkeit verwendeten wässrigen Elektrolytlösung
befinden, eine Gleichspannung angelegt wird. Dazu wird das
zu behandelnde Werkstück 12 mit Hilfe eines
Übertragungselements mit dem Pluspol (Anode) der Stromquelle
verbunden, während eine als Werkzeug dienende Elektrode
aufgrund ihrer elektrisch leitenden Eigenschaften mit dem
Minuspol (Kathode) der Stromquelle verbunden wird.
Die Zusammensetzung der Elektrolytlösung ist abhängig vom
Material des zu bearbeitenden Bauteils. Bei Metallen z. B.
wird eine Kochsalzlösung oder eine Natriumnitratlösung
gewählt. Der elektrochemische Prozeß an sich ist aus der
Physik bekannt und somit hier nicht näher erläutert. Die
Arbeitsweise ist neben der Zusammensetzung der
Elektrolytlösung auch von der verwendeten Stromstärke
abhängig, die wiederum auf das Material des zu bearbeitenden
Werkstücks 12 abzustimmen ist.
Das Werkstück 12 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als
ein Federhalter einer Einspritzdüse ausgebildet. Es handelt
sich hierbei um ein zylindrisches Teil mit einer zentrischen
Sacklochbohrung 14 und einer davon abzweigenden
Auslassbohrung 16 für überschüssigen, beim
Verbrennungsvorgang nicht in die Brennkammer der
Brennkraftmaschine eingespritzten Kraftstoff. Statt einer
können auch mehr Auslassbohrungen vorhanden sein.
Am Boden der Sacklochbohrung 14 stützt sich eine nicht
dargestellte Feder ab. Statt als ein als Federhalter
ausgebildetes Werkstück 12 kann es sich auch um ein anderes
als der in die Brennkammer reichende vordere Teil einer
Einspritzdüse sein. In einem derartigen Teil gibt es auch
eine der Sacklochbohrung 14 ähnliche Bohrung, von der meist
mehrere der Abflußbohrung 16 ähnliche Einspritzbohrungen
abzweigen. Es handelt sich bei der Abflußbohrung 16 oder den
Einspritzbohrungen um Strömungskanäle, die mit der
Vorrichtung 10 elektrochemisch zu bearbeiten sind.
Die Vorrichtung 10 umfasst einen Tank 18, eine Pumpe 20,
Pulsationsdämpfer 22, einen Druckmesser 24, ein
Sicherheitsventil 26, einen Massestrommesser 28, eine
Elektrode 30 und ein Generator 32 zur Spannungs- und
Stromversorgung. Die genannten Komponenten sind mit einer
nicht dargestellten, an und für sich bekannten SPS
(Speicherprogrammierbare Steuerung; auf englisch
programmable logic controller, abgekürzt PLC) verbunden, mit
der sich die Vorrichtung 10 betreiben lässt. Alternativ wäre
auch die Verwendung eines anderen für diesen Einsatzzweck
geeigneten Computers, wie zum Beispiel eines Industrie-PC's,
denkbar.
Die Pumpe 20 pumpt die zur elektrochemischen Bearbeitung
notwendige Elektrolytlösung aus dem Tank 18 über eine
Leitung 34 in eine Leitung 36. Die Leitung 36 führt zum
Werkstück 12. Die Elektrolytlösung wird durch die
Sacklochbohrung 14 sowie die Abflußbohrung 16 gepumpt. Von
dort fließt die Elektrolytlösung wieder in den Tank 18. Bei
der Pumpe 20 handelt es sich um eine einstufige oder
mehrstufige Kolbenmembranpumpe. Kolbenmembranpumpen zeichnen
sich durch besonders geringe Druckschwankungen aus.
Zusätzlich sind an der Leitung 36 Pulsationsdämpfer 22 zur
Glättung von Druckschwankungen vorgesehen. Verlaufen die von
der Pumpe 20 erzeugten Druckschwankungen allerdings in
zulässigen Grenzen, können die Pulsationsdämpfer 22 auch
entfallen.
Mit Hilfe des nach den Pulsationsdämpfern 22 an der Leitung
36 angeordneten Druckmessers 24 wird der Druck der
Elektrolytlösung erfasst und zur Auswertung an eine nicht
dargestellte Steuerung weitergeleitet. Der Druck kann aber
auch in einer Regelung verarbeitet werden, welche den Druck
im System anhand von Prozessvorgaben regelt.
Das ebenfalls an der Leitung 36 angeschlossene
Sicherheitsventil 26 wird für den Fall benötigt, dass die
Druckregelung ausfällt und ein Überdruck im System entsteht.
In diesem Fall öffnet sich das Sicherheitsventil 26
selbständig und lässt die unter zu hohem Druck stehende
Elektrolytlösung abströmen.
Der Massestrommesser 28 beruht auf der Wirkung der
physikalischen Größe der Corioliskraft. Die Corioliskraft
ist eine Scheinkraft, welche an bewegten Massen in einem
rotierenden Bezugssystem angreift. In der Messtechnik wird
deshalb das zu erfassende Medium in eine in Schwingung
versetzte Rohrleitung geleitet. In Abhängigkeit vom
durchfließenden Massestrom beeinflusst die entstehende
Corioliskraft die Auslenkung des Rohres. Diese Auslenkung
wird durch Sensoren erfasst. Phasenverschiebungen der
Sensorsignale stellen eine dem tatsächlichen Massestrom
proportionale Größe dar. An Bauformen gibt es Ein- und
Zweirohrsystemen sowie verschiedenen geometrischen Formen
der Rohrleitung wie zum Beispiel ein gerades Rohr, ein Rohr
in Zickzackform, in Schleifen etc.
Der große Vorteil dieses Messprinzips gegenüber der Messung
von Volumenströmen oder Druckabfällen ist, dass es
unabhängig von Dichte, Temperatur, Viskosität, Druck und
Leitfähigkeit ist. Es lässt sich sogar leicht die Dichte und
die Temperatur einer Masse bestimmen. Weiterhin ist gerade
auf dem Gebiet der Kraftstoffeinspritztechnik nicht das
Volumen sondern die eingespritzte Masse entscheidend für die
chemischen Reaktionen bei einem Verbrennungsvorgang. Hat man
Aufschluss über den Massestrom, lassen sich die chemischen
Reaktionen beim Verbrennungsvorgang viel besser bilanzieren
und somit optimieren.
Zur Spannungs- und Stromversorgung wird der Generator 32
verwendet, der sich über die nicht dargestellte SPS frei
programmieren lässt. An den Generator 32 sind die Elektrode
30 und das Werkstück 12 angeschlossen. Durch die Elektrode
30, die Elektrolytlösung und das Werkstück 12 fließt der zum
Materialabtrag notwendige Strom.
In der Schnittdarstellung der Fig. 2 ist der Aufbau der
Elektrode 30 deutlicher erkennbar. Die Elektrode 30 umfasst
ein Kupferrohr 38, das von einer Isolierung 40 umgeben ist.
An der Stelle, an der der Bearbeitungsvorgang stattfinden
soll, ist das Kupferrohr 38 freigelegt und weist einen
Durchlass 42 in Form einer Bohrung auf. Somit kann die
Elektrolytlösung durch das Kupferrohr 38, den Durchlass 42
und durch die Auslassbohrung 16 strömen. Die Stelle an der
Elektrode, an der das Kupferrohr 38 freigelegt ist, ist die
wirksame Elektrodenfläche 44. Die wirksame Elektrodenfläche
44 ist maßgeblich an der Größe der Bearbeitungsfläche am
Werkstück 12 beteiligt.
Bei der Bearbeitung wird, wie aus der Fig. 3 ersichtlich
ist, der Bereich der Sacklochbohrung 14, der sich um die
Auslassbohrung 16 befindet, abgetragen. Hierbei entsteht
eine Senkung bzw. eine Tasche 46. Die Tasche 46 ist
notwendig, damit die bereits erwähnte, nicht dargestellte
Feder, die sich am Grund der Sacklochbohrung 14 abstützt,
die Auslassbohrung 16 nicht blockieren kann.
Bei der Bearbeitung des Werkstücks 12 wird nun so verfahren,
dass der Massestrom der Elektrolytlösung durch die
Auslassbohrung 16 gemessen wird und die elektrochemische
Bearbeitung solange durchgeführt wird, bis ein vorgegebener
Massestrom erreicht ist. Der Massestrom der Elektrolytlösung
muss lediglich über die Dichteverhältnisse mit dem
geforderten Massestrom eines Kraftstoffs umgerechnet werden.
Dadurch wird erreicht, dass am Ende durch die Bearbeitung
bei einem vorgegebenen Druck immer der gewünschte Massestrom
durch die Auslassbohrung 16 erzielt wird. Wichtig für die
Änderung des Massestroms ist, die Veränderung des von der
Senkung bzw. der Tasche 46 und der Auslassbohrung 16
gebildeten Rands. Je länger die Bearbeitung dauert, desto
größer wird der Radius und desto größer wird der Massestrom.
Die Veränderung des Massestroms über der Zeit würde
insgesamt asymptotisch verlaufen und sich einem im
Wesentlichen durch die engste Stelle der Auslassbohrung 16
bestimmten Wert annähern. Dieser Wert würde im Wesentlichen
solange konstant bleiben, bis die elektrochemische
Bearbeitung so weit fortgeschritten ist, dass der
Durchmesser der Auslassbohrung 16 wieder zunimmt.
Im Einzelnen ist der Ablauf so, dass zuerst die Pumpe 20
eingeschaltet wird. Die Elektrolytlösung wird durch die
Leitungen 34, 36 zum Werkstück 12 und durch die Bohrungen
14, 16 gepumpt. Die Elektrode 30 und das Werkstück 12 bilden
einen Arbeitsspalt, durch den die Elektrolytlösung gepumpt
wird. Sobald die Elektrolytlösung eine vorgegebene
Temperatur erreicht hat, wird der Generator 32
eingeschaltet. Durch den Stromfluss wird Material am Rand
der Auslassbohrung 16 abgetragen und durch die
Elektrolytlösung weggespült.
Gleichzeitig mit der Verrundung des Randes der
Auslassbohrung 16, die - wie bereits erwähnt - in die
Sacklochbohrung 14 mündet, wird die Tasche 46 um den Rand
der Auslassbohrung 16 herum eingearbeitet. Die Tasche 46
wird üblicherweise im Elektroerosionsverfahren
eingearbeitet, wodurch eine Massestromkalibrierung nicht
möglich ist. Die Bearbeitung mittels Elektroerosion ist
relativ ungenau. Durch die elektrochemische
Materialbearbeitung wird nun die Genauigkeit der Bearbeitung
erhöht und es werden zwei Arbeitsgänge zu einem Arbeitsgang
zusammengefasst. Es wird gleichzeitig vom Rand der
Auslassbohrung 16 Bohrung und der Senkung bzw. Tasche 46 so
lange Material abgetragen, bis der vorgegebener Massestrom
der für die elektrochemische Materialbearbeitung verwendeten
Elektrolytlösung durch die Auslassbohrung 16 Bohrung
erreicht ist. Wichtig ist, dass die Spannung des Generators
32 so eingestellt wird, dass bei Erreichen des gewünschten
Massestroms die Tasche 46 nicht zu flach oder zu tief ist.
Bei der Bearbeitung wird der Generator 32 nach einer ersten
vorgegebenen Zeit abgeschaltet. D. h., um genauere Ergebnisse
zu erhalten, wird keine dynamische Messung, die durch
Gasblasenbildung verfälscht werden kann, durchgeführt,
sondern eine statische Messung. Hierzu erfolgt also die
Messung des Massestroms während Bearbeitungspausen, wobei
die Messung in der jeweiligen Bearbeitungspause erst nach
einer Beruhigungszeit des Massestroms beginnt. Diese
Beruhigungszeit liegt im Bereich von einigen Zehntelsekunden
bis einigen Sekunden. Wenn bei einem vorgegebenen Druck der
Massestrom erreicht ist, ist die Bearbeitung beendet. Ist
der gewünschte Massestrom noch nicht erreicht, folgt eine
weitere Bearbeitungsphase, nach der ebenfalls eine
Bearbeitungspause mit einer Beruhigungsphase und einer
Messphase erfolgt. Die Vorgänge werden solange wiederholt,
bis der gewünschte Massestrom erzielt wird.
Für eine wirtschaftlichere Fertigung kann die
Elektrolytlösung während der Bearbeitungsphasen mit einem
niedrigeren Druck gepumpt werden als während der
Bearbeitungspausen. In den Bearbeitungsphasen kann der Druck
beispielsweise bei 10 bar liegen und in den
Bearbeitungspausen bzw. Messphasen bei 80 bar.
Die mit diesem Verfahren hergestellten Teile, lassen sich
leicht daran erkennen, dass die Tasche 46 und der von der
Senkung 46 und dem zweiten Strömungskanal 16 gebildete Rand
eine sehr glatte Oberfläche haben. Diese Oberfläche ist
wesentlich glatter als eine mittels Elektroerosion
hergestellten Tasche 46. Auch ist die Oberfläche der Tasche
in der Regel glatter als die durch Drehen herstellte
Oberfläche der Sacklochbohrung 14.
Wichtig bei der Vorrichtung 10 zum Bearbeiten mindestens
eines Strömungskanals (Auslassbohrung 16) des Werkstücks 12
mit einer Arbeitsflüssigkeit ist, dass eine Einrichtung zum
Messen des Massestroms (Massestrommesser 28) der
Arbeitsflüssigkeit (Elektrolytlösung) durch den mindestens
einen Strömungskanal (Auslassbohrung 16) vorhanden ist.
Dadurch lassen sich sehr genaue Arbeitsergebnisse erzielen.
Bezugszeichen
10 Vorrichtung
12 Werkstück
14 Sacklochbohrung
16 Auslassbohrung
18 Tank
20 Pumpe
22 Pulsationsdämpfer
24 Druckmesser
26 Sicherheitsventil
28 Massestrommesser
30 Elektrode
32 Generator
34 Leitung
36 Leitung
38 Kupferrohr
40 Isolierung
42 Durchlass
44 wirksame Elektrodenfläche
46 Tasche