DE10308358A1

DE10308358A1 - Vorrichtung zur elektro-chemischen Formgebung

Info

Publication number: DE10308358A1
Application number: DE2003108358
Authority: DE
Inventors: Rainer Mielke
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-09

Abstract

Eine Vorrichtung zum elektro-chemischen Bearbeiten von Werkstücken (3) umfasst eine rotierend angetriebene und ständig an eine Gleichstromquelle angeschlossene Werkzeugelektrode (1) mit mindestens einer in deren Umfangsfläche eingeformter Auskehlung (5) sowie mindestens einem Elektrolytzuführungskanal (2). In dem werkstücknahen Arbeitssektor (7) wird aufgrund der hohen Feldstärke und des frisch zugeführten Elektrolyten ein Materialabtragsbereich (8) erzeugt, während im Bereich der Auskehlung (5) mit großer Spaltbreite und geringer Feldstärke und hier abgeführtem gesättigtem Elektrolyt kein Materialabtrag stattfindet. Die Vorrichtung ist konstruktiv und schaltungsseitig einfach ausgebildet und gewährleistet eine genaue Formgebung und hohe Materialabtragsleistungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur formgebenden Bearbeitung von metallischen Werkstücken durch elektrochemisches Abtragen mittels einem zwischen Werkzeug und Werkstück strömenden Elektrolyten und einer der Elektroden in Abhängigkeit von deren sich periodisch änderndem gegenseitigen Abstand zugeführten Spannungsimpulsen.

Bei dem beispielsweise aus der DE 29 03 873 bekannten Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung von metallischen Werkstoffen strömt in dem zwischen den beiden Elektroden – Werkzeug und Werkstück – gebildeten Bearbeitungsspalt (Wirkbereich, Arbeitsbereich) eine Elektrolytlösung und synchron mit einer linearen, den Bearbeitungsspalt verringernden Schwingung einer der Elektroden wird jeweils ein Spannungsimpuls erzeugt, um nach dem Prinzip der elektromagnetischen Zelle an dem als Kathode fungierenden Werkstück Material abzutragen, das in Form von Metallhydroxid in der gesättigten Elektrolytlösung abtransportiert wird. Auf diese Art findet an dem Werkstück bei mit der Linearschwingung allmählichem linearen Vorschub eine der Form des Werkzeugs entsprechende Formgebung statt. Die Erzeugung der präzisen Linearoszillation des Werkzeugs (Anode) bis zu einer vorgegebenen Bearbeitungssspalthöhe, die typischerweise zwischen 0,01 mm und 0,012 mm liegt, ist mit einem erheblichen apparativen und Steuerungsaufwand verbunden. In Abhängigkeit von der Schwingbewegung muss gleichzeitig für zwei Millisekunden der von einem Generator erzeugte Stromfluss von bis zu mehreren 1000A geschaltet und geregelt werden. Der dafür erforderliche Schaltungsaufwand ist erheblich und mit hohen Kosten verbunden. Der durch die Oszillation der Elektrode bewirkte Spülvorgang, das heißt, die Zufuhr frischer Elektrolytlösung und der Abtransport der mit dem abgetragenen Material gesättigten Elektrolytlösung kann au ßerdem bei der für eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erforderlichen geringen Bearbeitungsspalthöhe unzureichend sein, so dass es bei übersättigter Elektrolytlösung zu einem schnellen Elektrodenverschleiß kommen kann, da der Materialabtrag sinkt und die Gefahr eines Kurzschlusses besteht

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung von metallischen Werkstücken anzugeben, die bei hoher Bearbeitungsgenauigkeit und – leistung einfach und kostengünstig ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Vorrichtung gelöst. Aus den Unteransprüchen ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass die Werkzeugelektrode keine lineare Schwingbewegung relativ zum Werkzeug ausführt und bei jedem Schwingungshub jeweils ein Stromimpuls geschaltet wird, sondern die ständige Änderung der Feldstärke während der Annäherung der Werkzeugelektrode an die Werkstückelektrode vielmehr dadurch erzielt wird, dass eine kontinuierlich nahe der Materialabtragsseite der Werkstückelektrode rotierende Werkzeugelektrode, die ständig mit einer Gleichstromquelle verbunden ist, an der Umfangsfläche mindestens eine Auskehlung aufweist. Während bei einer Werkzeugumdrehung in dem werkstücknahem Bereich aufgrund der dann hohen Feldstärke ein Materialabtrag erfolgt, ist die Feldstärke im Bereich der ausreichend tief in die Werkzeugelektrode eingeformten Auskehlungen so gering, dass kein Materialabtrag erfolgen kann, zumal die in den Spalt zwischen den beiden Elektroden geförderte Elektrolytlösung in dem von der Auskehlung und der Werkstückelektrodenoberfläche begrenzten Elektrolytrückführungskanal gesättigt ist und damit einem elektro-chemischen Materialabtrag entgegensteht. Hingegen wird dem Materialabtragsbereich in dem engen Spalt zwischen den Arbeitssektoren der Werkzeug-elektrode und der Werkstückelektrodenoberfläche mittels einer Förderpumpe über einen in der Werkzeugelektrode vorgesehenen Materialzuführungskanal und von diesem in den Materialabtragsbereich führende Öffnungen kontinuierlich frische, ungesättigte Elektrolytlösung zugeführt. Der Elektrolyttransport zwischen den beiden Elektroden erfolgt hier einmal durch den von der Förderpumpe erzeugten Druck und zum anderen durch einen vorzugsweise wendelförmigen Verlauf der Auskehlung in der Werzeugelektrodenumfangsfläche.

Die nach diesem Prinzip ausgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Bezug auf die ständige Abstandsänderung (Schwingbewegung) zwischen den Elektroden und die Zuschaltung der hohen Stromimpulse sowie hinsichtlich der Zuführung und des Abtransports der frischen bzw. der mit abgetragenem Material beladenen Elektrolytlösung einfach ausgebildet und gewährleistet eine hohe Formgebungsleistung und -genauigkeit. Der geringe Elektrolytdruck ermöglicht die Verwendung langgestreckter und filigran geformter Werkzeugelektroden und eine dementsprechende, auch Hinterschneidungen aufweisende Formgebung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem weitere Merkmale und Vorteile beschrieben sind, wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Werkzeugs (Anode) zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks (Kathode);
2 einen Schnitt AA nach 1, jedoch während des Materialabtrags zur Ausformung einer Nut in einem Werkstück;
3 eine Detailansicht nach 2, in der die Außenradien des Werkzeugs im Bearbeitungsbereich wiedergegeben sind; und
4 eine Ausführungsform des in 1 dargestellten Werkzeugs, jedoch mit Werkzeugteilen zur Erzeugung von Hinterschneidungen.
Die Werkzeugelektrode 1 ist gemäß dem Pfeil A drehbar gelagert und gemäß dem Pfeil B auch in Vorschubrichtung bewegbar angeordnet und wird mit (nicht dargestellten) Antrieben sowohl in eine Drehbewegung als auch in eine Linearbewegung versetzt. Zur Erzeugung der aufeinander folgenden Spannungs"impulse" zum elektrochemischen Werkstoffabtrag in einem jeweils werkstücknahen Bereich ist die Werkzeugelektrode 1 an eine Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen. Im Innern der im Schnitt etwa kreisförmigen Werkzeugelektrode 1 befinden sich zwei Elektrolytzuführungskanäle 2, die über Austrittsöffnungen 10 in den engen Materialabtragsbereich 8 zwischen den Elektroden münden. Während der Bearbeitung wird die Elektrolytlösung mit Hilfe einer Pumpvorrichtung (nicht dargestellt) durch die Werkzeugelektrode 1 gefördert und tritt am Umfang des Bearbeitungsteils (Arbeitssektors) der Werkzeugelektrode 1 über die Austrittsöffnungen 10 aus, um entlang den in dem zwischen Werkzeugelektrode 1 und Werkstückelektrode 3 gebildeten Elektrolytrückführungskanälen 4 nach außen abzuströmen. Die beiden Elektrolytrückführungskanäle 4 sind durch zwei gegen-überliegende, in Längsrichtung der Werkzeugelektrode 1 in dessen Oberfläche eingeformte Auskehlungen 5 und die Werkstückelektrodenoberfläche 6 definiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel haben die beiden Auskehlungen 5 jeweils einen wendelförmigen Verlauf. Die verbleibenden, am Außenumfang gekrümmten Arbeitssegmente 7 der Werkzeugelektrode 1 definieren in dem zur Werkstückelektrode 3 nächsten Abstand den Materialabtragsbereich 8 (Wirkbereich) der Werkzeugelektrode 1 im Verlauf ihrer Drehung an der Oberfläche der Werkstückelektrode, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Viertel des Werkzeugelektrodenumfangs umfasst.
Bei der Rotation der unter Gleichspannung stehenden Werkzeugelektrode 1 ist jeweils in dem von den Arbeitssegmenten 7 gebildeten werkstücknahen engen Materialabtragsbereich 8 der größte Potentialunterschied zwischen Werkstückelektrode und Werkzeugelektrode und der Bereich der größten Feldstärke, in dem die elektrochemische Materialabtragung (Formgebung) stattfindet und die Elek-trolytlösung mit dem bei dem elektrochemischen Vorgang gebildeten Metallhydroxid geladen wird. In dem Bereich des Rückführungskanals 4, in dem die Werkzeugelektrode 1 weit von der Werkstückelektrode 3 entfernt ist (mehrere Millimeter), ist der Potentialunterschied gering und die Feldstärke fällt ab, während die nach außen transportierte Elektrolytlösung gesättigt ist. In der Zeit, in der der Elektrolytrückführungskanal 4 die Werkstückelektrodenoberfläche 6 passiert, findet kein Materialabtrag statt.
Gemäß 3 weisen die Arbeitssektoren 7 (Materialabtragsbereich 8) im Kantenbereich, das heißt, jeweils zur anschließenden Auskehlung 5 (Elektrolytrückführungskanal 4) hin, gegenüber dem großen Krümmungsradius Rmax kleiner werdende Krümmungsradien R2 und R1 auf. Durch diese Maßnahme wird einem Funkenüberschlag an den Kanten und damit einem Elektrodenverschleiß sowie einer Verringerung der Bearbeitungsgenauigkeit begegnet. Dadurch kann die Bearbeitung mit ausreichend hoher Stromstärke (ohne Erosionsfunken) durchgeführt werden und eine entsprechend hohe Leistung erreicht werden.
Die für den Betrieb der Vorrichtung wichtigen Parameter – Drehzahl des Werkzeugs, Elektrolytfördermenge und Stromstärke – sind so aufeinander abgestimmt, dass eine hohe Materialabtragsleistung und eine präzise Formgebung erreicht werden. Die Fördermenge wird so eingestellt, dass sie nicht zu gering ist und im Materialabtragsbereich immer ungesättigte arbeitsfähige Elektrolytlösung vorliegt, während im Bereich des Elektrolytrückführungskanals 4 der Elektrolyt gesättigt sein soll. Dadurch ist eine hohe Abtragsleistung und eine präzise Bearbeitung gewährleistet.
Das Werkzeug 1, das sich – beispielsweise – mit einer Geschwindigkeit von 3000 U/min dreht, wird durch den Druck der Elektrolytlösung nur geringfügig belastet, kann daher sehr filigran und mit großen Auskraglängen ausgebildet sein und dennoch mit großer Drehzahl betrieben werden. 4 zeigt beispielhaft eine langgestreckte Werkzeugelektrode 1 mit scheibenartigen Werkzeugteilen 9, mit denen bei geringen Bearbeitungskräften auch Hinterschneidungen erzeugt werden können, so dass die vorliegende Technologie auch der Bearbeitung durch Fräsen überlegen ist. Da zudem zwei Viertel des Werkzeugumfangs (Materialabtragsbereich) in schneller Aufeinanderfolge (lange Bearbeitungszeit) an der Bearbeitung beteiligt sind und die Generatorleistung gleichmäßig und dauerhaft ausgenutzt wird, können bei präziser Formgebung hohe Materialabtragsleistungen erzielt werden. Zum anderen ist der apparative Aufwand gegenüber den bekannten elektrochemischen Abtragsverfahren gering, da die aufwendigen Schaltanlagen für das Schalten der Stromimpulse und die für die Schwingbewegung der Elektrode erforderlichen Antriebe und Mechanismen wegfallen.

1: Werkzeugelektrode
2: Elektrolytzuführungskanal
3: Werkstückelektrode
4: Elektrolytrückführungskanal
5: Auskehlung
6: Werkstückelektrodenoberfläche
7: Arbeitssektor
8: Materialabtragsbereich
9: Scheibenförmiges Werkzeugteil
10: Austrittsöffnungen
Pfeil A: Drehrichtung der Werkzeugelektrode
Pfeil B: Linearvorschubrichtung der Werkzeugelektrode

Claims

Vorrichtung zur formgebenden Bearbeitung von metallischen Werkstücken durch elektrochemisches Abtragen mittels einem zwischen Werkzeugelektrode und Werkstückelektrode strömenden Elektrolyten und einer der Elektroden in Abhängigkeit von deren sich periodisch änderndem gegenseitigen Abstand zugeführten Spannungsimpulsen, gekennzeichnet durch eine rotationssymmetrisch ausgebildete, rotierend angetriebene Werkzeugelektrode (1), die ununterbrochen an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist und deren Umfangsfläche einen nahe der Werkstückelektrodenoberfläche (6) bewegten gekrümmten Arbeitssektor (7) zur Bildung eines Materialabtragsbereichs (8) mit größter Feldstärke und eine daran anschließende, von der Werkstückelektrodenoberfläche (6) entfernte Auskehlung (5) mit stark abfallender Feldstärke und ohne materialabtragende Wirkung sowie zur Bildung eines Elektrolytrückführungskanals (4) zum Abführen des mit abgetragenem Material beladenen Elektrolyts aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Wechsel einer oder mehrere materialabtragende Arbeitssektoren (7) und nichtmaterialabtragende Elektrolytrückführungskanäle (4) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitssektoren (7) und die Auskehlungen (5) zur Erzielung einer Abpumpwirkung in den Elektrolytrückführungskanälen (4) in einer langgestreckten Werkzeugelektrode (1) wendelförmig verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsradien (R1, R2) am Rand der Arbeitssektoren im Übergangsbereich zu den Auskehlungen (5) kleiner sind als der maximale Krümmungsradius (Rmax).
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens einen in der Werkzeugelektrode (1) ausgebildeten Elektrolytzuführungskanal (2) zur Zuführung der Elektrolytlösung über Austrittsöffnungen (10) in den Materialabtragsbereich (8).
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zuführung der Elektrolytlösung eine Pumpe mit regelbarer Fördermenge vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit der Werkzeugelektrode (1) regelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Werkzeugelektrode (1) angelegte Stromstärke in Abhängigkeit von der Elektrolytfördermenge und/oder der Drehzahl der Werkzeugelektrode (1) regelbar ist, so dass im Materialabtragsbereich ungesättigter, arbeitsfähiger Elektrolyt und im Bereich der Auskehlung (5) nicht arbeitsfähiger, gesättigter Elektrolyt vorliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang der Werkzeugelektrode (1) mindestens ein scheibenförmiges Werkzeugteil (9) mit im Wechsel ange ordneten Arbeitssektoren und Auskehlungen sowie einer Elektrolytzufuhr zur gleichzeitigen Ausformung von Hinterschneidungen in der Werkstückelektrode (3) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle ein Gleichstromgenerator ist.