DE1169056B - Verfahren und Vorrichtung zur elektro-chemischen Bearbeitung von Metallen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT - 1169 056 Internat. Kl.: H 05 b

Deutsche Kl.: 21h -30/02

Nummer: 1169 056

Aktenzeichen: B 70144 VIII d / 21 h

Anmeldetag: 27. Dezember 1962

Auslegetag: 30. April 1964

Die Erfindung bezieht sich auf die elektrochemische Bearbeitung von Metallen, d. h. auf das Abtragen von Metall von einem Werkstück mittels eines elektrischen Stromes, der zwischen dem Werkstück und einer in geeigneter Weise geformten Werkzeugelektrode durch einen Spalt geleitet wird, der einen Elektrolyten enthält.

Es kann gezeigt werden, daß unter bestimmten begrenzten Betriebsbedingungen, bei denen die Vorrichtung mit einem reinen Elektrolyten mit einer konstanten Temperatur gespeist wird, und bei denen die Vorschubgeschwindigkeit der Werkzeugelektrode zum Werkstück oder des Werkstückes zur Elektrode in geeigneter Weise ausgewählt ist, die Größe des Spaltes zwischen der Elektrode und dem Werkstück selbsteinstellend ist und im wesentlichen konstant ist, was zu einer Abtragungs- oder Bearbeitungsgeschwindigkeit führt, die gleich der Vorschubgeschwindigkeit der Werkzeugelektrode ist. Bei diesen idealen Betriebsbedingungen ist es nicht erforderlich, Steuereinrichtungen vorzusehen. Die Vorschubgeschwindigkeit der Werkzeugelektrode wird lediglich auf einen Wert voreingestellt, der etwas kleiner ist als die theoretische maximale Bearbeitungs- oder Schneidgeschwindigkeit. Ein anodischer Wirkungsgrad von etwa 80 bis 90% wird üblicherweise angenommen.

Wenn derartige ideale Bedingungen nicht erreicht werden können, jedoch die Bedingungen noch verhältnismäßig einfach sind, d. h., wenn die wirksame Oberflächenzone der Werkzeugelektrode konstant bleibt und wenn die Größe des Arbeitsspaltes über diese wirksame Oberflächenzone gleichförmig ist, ist es möglich, die Größe des Spaltes dadurch einzustellen oder zu steuern, daß man die Vorschubgeschwindigkeit oder die Spannung am Spalt gemäß der Stromstärke derart einstellt oder steuert, daß der Strom konstant gehalten wird. Diese Art der Steuerung oder Einstellung hält üblicherweise den Spalt in gewissen Grenzen konstant, und wenn die Steuerung oder Einstellung durch eine Veränderung der Vorschubgeschwindigkeit bewirkt wird, wobei die Spannung konstant gehalten wird, wird ein gleichmäßiger Energieverbrauch eingestellt, und dadurch wird die Stabilisierung der Temperatur und der Leitfähigkeit des Elektrolyten unterstützt. Weiterhin wird dadurch das Speisungssystem, welches den Gleichstrom zuführt, gegen eine Überbelastung geschützt, und wenn die Stromstärke proportional zum Spalt ist, kann das System verwendet werden, um eine Anzeige über die Größe des Spaltes abzuleiten.

Wenn jedoch die wirksame Fläche der Werkzeug-Verfahren und Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung von Metallen

Anmelder:

The Birmingham Small Arms Company Limited, Small Heath, Birmingham (Großbritannien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. rer. nat. G. Hauser
und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,
München-Pasing, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:

Ludvik Bass,

Robert Stanley Bennett, Small Heath, Birmingham (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 29. Dezember 1961 (46 618)

elektrode zunimmt, wie beispielsweise beim Gesenkfräsen oder beim Kopierfräsen oder bei der Bearbeitung von Turbinenflügeln, ist ein Steuersystem zur Steuerung eines konstanten Gleichstromes nicht mehr ausreichend, und es ist dann vorteilhaft oder sogar erforderlich, andere Einrichtungen zu verwenden. Es ist ein Ziel der Erfindung, ein verhältnismäßig einfaches Verfahren zur automatischen Einstellung, Steuerung und Messung des Spaltes zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück in automatischer Weise zu schaffen, wobei dieses Verfahren für einen weiten Form- und Größenänderungsbereich der Elektrode und des Werkstückes geeignet ist, selbst wenn der Spalt über die Zone der Elektrode nicht gleichförmig ist.

Gemäß der Erfindung wird bei einem Verfahren der elektrochemischen Bearbeitung von Metallen mittels eines über einen mit einem Elektrolyten gefüllten Spalt zwischen einer Werkzeugelektrode und einem Werkstück geleiteten Gleichstrom der Spalt zyklisch dadurch variiert, daß die wirksame Oberfläche entweder der Werkzeugelektrode oder des Werkstückes in Schwingung versetzt wird, wobei die Schwingungsamplitude bekannt ist und im Vergleich zum Spalt klein ist. Dabei wird die dem Gleichstrom, der durch den Spalt strömt, erteilte Pulsation verglichen mit der Größe dieses Gleichstroms oder mit der Größe eines Signals, welches proportional zu diesem Gleichstrom ist, derart, daß eine Anzeige der

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Hauptabmessung des Spaltes gegeben wird. Vorzugsweise wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erflndung dieser Vergleich verwendet, um ein Signal zu erzeugen, welches einen Servomotor steuert, der in der Weise wirksam ist, daß die Hauptabmessung des Spaltes konstant gehalten wird.

Vorzugsweise ist die Werkzeugelektrode der Teil, der in Schwingung versetzt wird. Beispielsweise kann die Werkzeugelektrode durch einen Ultraschallsender i

konstant gehalten, und zwar unabhängig von der Bearbeitungsgeschwindigkeit oder unabhängig von örtlichen Veränderungen der Form des Werkstückes oder der Form des Spaltes und ebenso unabhängig 5 von Veränderungen der Leitfähigkeit des Elektrolyten.

Es k^nn gezeigt werden, daß es das beschriebene Steuersystem, bei welchem die mittlere Spaltgröße

g konstant gehalten wird, e:; ermöglicht, die Bearbei-

in Schwingung versetzt werden. Es sei jedoch be- ίο tung mit maximal möglicher Geschwindigkeit durchmerkt, daß für die Zwecke des erfindungsgemäßen zuführen, und zwar für einen weiten Bereich von Verfahrens die Frequenz nicht eine Ultraschall- Formen von Werkzeugeiektroden, wobei auch solche frequenz sein muß. Die Schwingungsfrequenz kann Elektroden eingeschlossen sind, bei denen der Spalt beispielsweise lediglich einige Hertz betragen. Jedoch ungleichförmig ist. Dies ist deshalb der Fall, weil ist die Genauigkeit und die Ansprechgeschwindigkeit 15 die mittlere Größe des Spaltes, die konstant gebei höheren Frequenzen besser. Es ist nicht erforder- halten wird, nicht das arithmetische Mittel ist, sonlich, daß die gesamte Werkzeugelektrode oder das dern das Mittel, daß sich ergibt, wenn man mit einem gesamte Werkstück als Ganzes schwingt. Es ist ledig- entsprechenden Gewicht die Bereiche berücksichtigt, lieh vorgesehen, daß die wirksame Oberfläche derart in denen die Bearbeitung schnell erfolgt. Die Gein Schwingung versetzt wird, daß der Spalt zyklisch 20 wichtsverteilung hängt dabei von der gesamten verändert wird. Beispielsweise kann bei einer Energieverteilung im Spalt ab.

Schneid- oder Fräsmaschine die Werkzeugelektrode Die Erfindung soll an Hand eines Beispieles unter

eine sich drehende Scheibe sein, und in diesem Fall Bezugnahme auf die Figur der Zeichnung, die kann die erforderliche Variation dadurch erzielt schematisch eine Schaltung zur Durchführung des werden, daß der Umfang wellenförmig oder gezahnt 25 erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt, beschrieben ausgebildet ist. werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung In der Zeichnung ist eine Werkzeugelektrode 1

wird die Gleichstromspeisung durch eine Gleichrich- dargestellt, die eine Aussparung in einem Werktung eines Wechselstromes bewirkt, und das Signal, stück 2 bearbeitet. Der Spalt zwischen der Elekdas als Basis zur Anzeige des gesamten Arbeits- 30 trode 1 und dem Werkstück 2 ist durch einen kontistromes verwendet wird, ist die Größe des von der nuierlich und schnell umlaufenden Elektrolyten aus-Wechselstromquelle gegebenen Pulses, wobei dieser gefüllt, der über eine Zuleitung 3 zugeführt wird. Der Puls ein Vielfaches der Wechselstromfrequenz ist. erforderliche Gleichstrom fließt in einer derartigen

Zur Erläuterung der Erfindung sei darauf hinge- Richtung, daß das Werkstück die Anode ist und die wiesen, daß selbst wenn der Spalt zwischen der 35 Werkzeugelektrode die Kathode. Dieser Gleichstrom Werkzeugelektrode und dem Werkstück ungleich- wird durch eine Gleichrichtung eines Dreiphasen- · förmig ist, der Strom, der durch irgendein kleines Wechselstromes erzeugt.

Elementarflächenelement der Oberfläche der Elek- Die Werkzeugelektrode 1 wird in einer Richtung

trode oder des Werkstückes hindurchfließt, propor- zum Werkstück hin und vom Werkstück fort vibriert, tional dem örtlichen Spannungsgradienten ist. Und 40 und zwar mittels eines Ultraschallwandlers 4, der dieser Spannungsgradient ist gleich der angelegten seine Energie von einem Generator 5 empfängt. Die Spannung, dividiert durch die Größe des Spaltes an Amplitude dieser Schwingungen ist bekannt, und der betrachteten Stelle. Wenn die Größe des Spaltes diese Amplitude ist im Vergleich mit der Größe des durch eine Verschiebung der Werkzeugelektrode Spaltes zwischen der Werkzeugelektrode und dem oder des Werkstückes verändert wird, so wird da- 45 Werkstück klein. Eine typische Frequenz für diese durch der Spannungsgradient und damit der Strom Schwingung kann beispielsweise 20 000 Hertz sein, verändert. Treten diese Verschiebungen in höherem Wie bereits ausgeführt, kann jedoch die Frequenz, Maße oder mit größeren Geschwindigkeiten auf als falls erforderlich, wesentlich geringer sein als eine irgendeine Änderung in der Form der Oberfläche im Ultraschallbereich liegende Frequenz, und derdes Werkstückes oder der elektrischen Leitfähigkeit 50 artige geringere Frequenzen sind ebenfalls zur Durchdes Elektrolyten im Spalt, dann ist die relative An- führung des erflndungsgemäßen Verfahrens geeignet, derung des Stromes, die durch die Verschiebung er- Die Schwingungen der Werkzeugelektrode 1 erzeugt wird, gleich der relativen Änderung der Spalt- zeugen eine Pulsation des Gleichstroms, der durch größe, wobei angenommen wird, daß die Verschie- den Spalt fließt. Die Amplitude der Pulsation ist bung im Vergleich mit der Gesamtgrößc des Spalts 55 proportional der Amplitude der Schwingungen, klein ist. Gleichzeitig ist eine weitere Pulsation in der Gleich-

Wenn das Verhältnis der Änderung des Stromes Spannungsquelle vorhanden, die sich aus einer nicht zum Gesamtstrom gleich dem Verhältnis der Ände- vollständigen Glättung des vom Wechselstrom abgerung der Größe des Spaltes zu den Hauptabmes- leiteten Gleichstromes ergibt. Wenn der zugeleitete sungen de« Spaltes ist, so kann gezeigt v/erden, daß 60 Wechselstrom ein Dreiphasenstrom ist mit einer Fredurch eine zyklische Veränderung des Spaltes um quenz von 50 Hertz und wenn eine Doppelwegeins bekannte Größe und durch einen Vergleich der gleichrichtung durchgeführt wird, so hat die Pulsasich ergebenden Änderung des Stromes gegenüber tion eine Frequenz von 300 Hertz. Wenn sich die dem Hauptsirom eine kontinuierliche Anzeige der Stärke des Gleichstromes verändert, bleibt die Hauptabmessung des Spaltes geliefert wird. Durch 65 Amplitude dieser Pulsation proportional, eine derartige Bewegung der Elektrode oder des in einer der Gleichstromleitungen ist die Primär-

Werkstückes. daß dieses Strotnverhältnis konstant wicklung 6 eines Transformators eingeschaltet, die gehalten wird, wird die Hauptabme:;sung des Spaltes einige wenige Windungen aufweist. Die mit viel

Windungen ausgestattete Sekundärwicklung 7 dieses Transformators weist induzierte Signale auf, die den beiden Pulsfrequenzen proportional sind. Diese werden durch zwei Filter 8 getrennt. Ein Filter ist auf 300 Hertz abgestimmt und der andere auf 20 000 Hertz. Von den Filtern werden die Wechselstrompulssignale Verstärkern 9 mit veränderlicher Verstärkung zugeleitet und werden dann bei 10 gleichgerichtet, um zwei Gleichspannungssignale zu erzeugen. Eines dieser Gleichspannungssignale ist der Hochfrequenzpulsation proportional und dadurch proportional der Amplitude der Schwingung der Werkzeugelektrode und das andere ist dem 300-Hertz-Puls proportional und damit dem Mittelwert des Gleichstromes.

Die beiden Gleichstromsignale werden einem Leistungsverstärker 11 zugeleitet, welcher die beiden Hälften einer angezapften Feldwicklung 12 eines Gleichstromservomotors 13 erregt. Dieser Motor ist über ein Getriebe 14 mit einem Ritzel 15 verbunden, welches in einer Zahnstange 16 kämmt, die mit der Werkzeugelektrode 1 verbunden ist. Ein Tachometergenerator 17 wird ebenfalls vom Servomotor 13 angetrieben und erzeugt ein Signal, welches der Geschwindigkeit proportional ist. Dieses Signal wird in den Leistungsverstärker 11 rückgekoppelt, um die Stabilität des Servosystems sicherzustellen.

Es sei bemerkt, daß der Servomotor 13 die Werkzeugelektrode 1 zum Werkstück 2 hin mit einer Geschwindigkeit antreibt, daß das Verhältnis zwischen den beiden Pulsströmen im wesentlichen konstant bleibt. Dies bedeutet, daß das Verhältnis zwischen der Amplitude der Schwingungen und der Größe des Spaltes konstant ist. Da die Amplitude der Schwingungen konstant ist, bedeutet dies, daß die Mittelabmessung des Spaltes konstant gehalten ist. Es sei bemerkt, daß diese Konstanz unabhängig von Änderungen in der Leitfähigkeit des Elektrolyten ist oder unabhängig von örtlichen Veränderungen im Spalt an bestimmten Stellen des Werkstückes.

Die Einrichtung wird anfangs durch die Einstellung der Verstärkung der beiden Verstärker 9 eingestellt, und diese Verstärkungswerte stellen die Größe des Spaltes ein. Die Ausgänge dieser beiden Verstärker sind mit nicht dargestellten Anzeigegeräten ausgerüstet. Das Verhältnis der Anzeige dieser beiden Anzeigegeräte gibt ein Maß für die Größe des Spaltes an.

Wie bereits ausgeführt, kann die Schwingungsfrequenz der Werkzeugelektrode lediglich einige Hertz betragen. Eine Ultraschallschwingung wird bevorzugt, weil angenommen wird, daß der Widerstand im Spalt linear ist. Das heißt, es wird angenommen, daß die Stromdichte gleichmäßig proportional dem Spannungsgradienten ist. Dies wird nicht immer voll erfüllt, da der Spannungsabfall über den Spalt durch elektrochemische Überpotentiale an den Oberflächen der Elektrode und des Werkstückes beeinflußt wird. Es ist jedoch eine gewisse Zeit erforderlich, ehe eine Stromänderung eine entsprechende Änderung des Überpotentials bewirkt, üblicherweise eine Zeit im Bereich einer Millisekunde. Falls die Schwingungsfrequenz größer ist als eine dieser Zeit entsprechende, verbleiben die Überpotentiale im wesentlichen konstant, und der effektive Widerstand des Spaltes bleibt linear.

Es wurde eine Anordnung beschrieben, bei der die Werkzeugelektrode im Ganzen in Schwingung versetzt wird. Es ist jedoch möglich, auch das Werkstück in Schwingung zu versetzen. Wie bereits vorher ausgeführt, kann der erforderliche Effekt ohne eine Schwingung der gesamten Körper erzielt werden, wenn an Stelle des Körpers die wirksame Oberfläche in Schwingung versetzt wird. Dies kann beispielsv/eise so durchgeführt werden, daß die Werkzeugelektrode in Form einer sich drehenden Scheibe ausgebildet ist, die einen gewellten oder gezahnten Umfang aufweist. Wenn sich die Werkzeugelektrode dreht, nähert sich die Umfangsoberfläche der Oberfläche des Werkstückes und entfernt sich wieder von dieser, und zwar in einer zyklischen Art, wodurch die erforderliche Pulsation erzeugt wird.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung von Metallen durch Durchleitung eines Gleichstromes durch einen Spalt zwischen einer Werkzeugelektrode und einem Werkstück, der mit einem Elektrolyten gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt durch eine Schwingung der wirksamen Oberfläche der Werkzeugelektrode oder des Werkstückes zyklisch verändert wird, wobei die Amplitude der Schwingung bekannt ist, daß diese bekannte Amplitude im Vergleich zum Spalt klein ist, daß die dem Gleichstrom, der durch den Spalt fließt, aufgeprägte Pulsation mit dem Wert des Gleichstromes verglichen wird, oder mit dem Wert eines Signals, das proportional zu diesem Gleichstrom ist, um eine Anzeige der mittleren Abmessung des Spaltes abzuleiten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom durch eine Gleichrichtung eines Wechselstroms in der Weise gewonnen wird, daß im Gleichstrom eine Pulsation verbleibt, daß die Größe der durch die Veränderung des Spaltes erzeugte Pulsation mit der Größe der zuerst genannten Pulsation verglichen wird, wodurch das Signal erzeugt wird, welches dem Gleichstrom proportional ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Vergleich ein Korrektursignal abgeleitet wird, welches zur Steuerung der Relativbewegung zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück in der Weise verwendet wird, daß die mittlere Abmessung des Spaltes im wesentlichen konstant gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Spaltes durch eine Schwingung der Werkzeugelektrode erzielt wird, daß die Werkzeugelektrode durch einen elektromechanischen Wandler in Schwingung versetzt wird, der durch einen Wechselstromgenerator betrieben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektursignal verwendet wird, um einen elektrischen Servomotor anzutreiben, der einen Vorschub der Werkzeugelektrode zum Werkstück bewirkt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Werkzeugelektrodenhalter, der mit Einrichtungen zum Schwingen des Elektrodenhalters ausgestattet ist, elektrische

Leitungen, die einem Werkstück und einer Werkzeugelektrode einen Gleichstrom zuleiten, Einrichtungen zur Zuführung eines Elektrolyten zum Spalt zwischen dem Werkstück und der Werkzeugelektrode, elektrische Abtast- und Vergleichseinrichtungen zum Abtasten und Vergleichen des Verhältnisses zwischen dem über die Leitungen zugeführten Gleichstrom und der Pulsation, die durch die Schwingung des Werkzeughalters auf den Gleichstrom aufgeprägt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Gleichrichtung eines Wechselstromes, um den erforderlichen Gleichstrom zu erzeugen, wobei die elektrischen Abtasteinrichtungen Vorrichtungen zur Feststellung der Größe der Pulsation des Gleichstroms aufweisen, der von einer Wechselspan-

nung abgleitet ist, wobei diese Einrichtung diese Pulsation mit der anderen Pulsation vergleichen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Abtasteinrichtungen einen Transformator aufweisen, der in eine der Leitungen eingeschaltet ist und der zwei Filter speist, die auf die Frequenzen der beiden Pulsationen abgestimmt sind, wobei die Filter Verstärker speisen, deren Ausgänge verglichen werden, um ein Maß der Größe des Spaltes zu erhalten.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der beiden Verstärker einem Leistungsverstärker zugeleitet werden, der einen Elektromotor speist, welcher den Elektrodenhalter derart antreibt, daß die mittlere Größe des Spaltes konstant gehalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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