DE1565558C3 - Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Löchern oder Hohlräumen in einem elektrisch leitenden Werkstück - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektroyltischen Herstellung von Löchern oder Hohlräumen in einem elektrisch leitenden Werkstück nach Patent 15 65 554, wobei ein Werkzeug in Form einer Düse aus dielektrischem Material gegenüber dem Werkstück im Abstand von diesem angeordnet wird und ein flüssiger Elektrolyt durch die Düse strömt, um einen auf das Werkstück gerichteten Strahl zu bilden, und der Strahl durch eine Gleich- oder Wechselspannung zwischen dem Werkstück und einer in den Elektrolytstrom oberhalb der Düse eingetauchten Elektrode elektrisch geladen wird, und wobei der Abstand zwischen Elektrode und Werkstück und die Spannung so gewählt werden, daß im Elektrolytstrahl zwischen Elektrode und Werkstück ein Zustand nicht unterhalb der Glimmentladungsschwelle, jedoch ohne Funkenbildung aufrechterhalten wird.

Bei der Glimmentladungsschwelle nimmt der Strom mit zunehmender Spannung ab, während unterhalb der Glimmentladungsschwelle der Strom mit zunehmender Spannung linear ansteigt. An der Glimmentladungsschwelle setzt eine Dampfentwicklung auf der Oberfläche der Anode ein und die normalerweise bei der Elektrolyse in diesem Gebiet auftretende Bildung der charakteristischen Bläschen hört auf. Der Bereich zwischen der in dem vorgenannten Zustand durch den Elektrolyten übertragenen Leistung und derjenigen zum Erzeugen einer sichtbaren Glimmentladung wird im allgemeinen als »Kellog-Bereich« und nachfolgend im Zusammenhang mit der elektrolytischen Materialabtragung als Glimmentladungsschwelle bezeichnet. Im Inneren dieses Bereiches ist der Strom gering und bleibt im allgemeinen konstant, wenndie Spannung zunimmt (vgl. »Journal of the Electrochemical Society«, Jahrgang 1950, Band 97, Seiten 133 bis 142).

Als eines der praktisch besonders brauchbaren Verfahren zur Messung und Regelung der Spaltbreite wird in dem Hauptpatent ein Verfahren beschrieben, nach dem der Anfangsspalt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück bei einer ersten Annäherungsgeschwindigkeit vermindert wird, bis durch eine Meßeinrichtung eine Zunahme des Stromflusses auf einen bestimmten Wert in Abhängigkeit von der Spaltbreite festgestellt wird. Wenn dann zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug etwa der erforderliche Arbeitsabstand erreicht ist, wird die Vorschubgeschwindigkeit vermindert, damit das Werkstück und das Werkzeug mit einer der tatsächlichen Materialabtragung entsprechenden Arbeitsvorschubgeschwindigkeit langsamer gegeneinander bewegt werden. Auf diese Weise wird die Düse des Werkzeugs, die den Elektrolyten führt und die häufig aus Glas gefertigt ist, gegen Beschädigungen geschützt. Von größerer Bedeutung ist jedoch, daß die Größe und die Form der erzeugten Ausnehmung genau gesteuert wird.

Eine weitere Meß- und Regeleinrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Hauptanmeldung zur Erzielung einer Durchgangsbohrung durch das Werkstück erforderlich ist, ist eine Einrichtung zur Feststellung des ersten Durchbruchs durch das Werkstück und der damit verbundenen Abnahme des elektrischen Stromflusses auf Grund der geringeren Kontaktfläche und des größeren Widerstandes.

Bei diesem Durchbruchszustand wird bei der Anwendung dieses Verfahrens die Vorschubgeschwindigkeit weiter herabgesetzt bzw. in manchen Fällen das Werkzeug vollkommen zum Stillstand gebracht, um einen gleichmäßigen vollkommenen Durchbruch durch das Werkstück zu erreichen.

Zur Durchführung des oben erläuterten Verfahrens werden also ziemlich umfangreiche Vorrichtungen und Schaltungen benötigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugründe, das Verfahren zur elektrolytischen Materialabtragung gemäß der Hauptanmeldung so weiterzubilden, daß es nicht mehr erforderlich ist, die Spaltbreite zu verschiedenen Zeitpunkten zu messen und daß auf Einrichtungen für verschiedene Vor-Schubgeschwindigkeiten verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise der zu bearbeitende Teil des Werkstücks in ein Elektrolytbad eingetaucht ist, durch das

der Strahl aus der Düse hindurchströmt.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachstehend an Hand eines bevorzugten, in den Fig. I bis 7 der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitetes Werkstück,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3, 4 und 5 Teilschnitte durch eine aus dem Werkzeug und dem Werkstück bestehende Anordnung während verschiedener Phasen des erf'ndungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 6 und 7 Teilschnitte durch ein durchbohrtes Werkstück zum Vergleich verschiedener Eintrittsöffnungen in Abhängigkeit von der Anfangsspaltbreite.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine automatische Regelung der Spaltbreite; daher kann auf umfangreiche Mittel zur Regelung der Vorschubgeschwindigkeit und zur Feststellung der Spaltbreite bzw. der Stromstärke zu verschiedenen Zeitpunkten verzichtet werden. Bei dieser Methode wird die Spaltbreite dadurch geregelt, daß ein elektrolytisches Bad den geladenen Elektrolytstrom umgibt. Ein solcher Leiter leitet einen Teil der elektrischen Ladung des Elektrolytstromes zwischen der Kathode und dem Werkstück ab, so daß bei Spaltbreiten, bei denen eine Materialabtragung ungenau bzw. unerwünscht wäre, die Abtragung nahezu verhindert wird, bis durch die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück ein Gleichgewichtsspalt erreicht ist. Die Größe des Gleichgewichtsspalts ist abhängig von der Größe der elektrischen Ladung des Elektrolytstromes und der Leitfähigkeit des elektrolytischen Bades. Somit kann eine konstante Vorschubgeschwindigkeit für ein einzelnes oder für mehrere Werkzeuge, von denen ein geladener Elektrolytstrom ausgeht, verwendet werden. Da ein als elektrischer Leiter wirkendes elektrolytisches Bad die Oberfläche des Werkstücks umgibt, wird außerdem ein zusätzlicher Widerstand gegenüber dem Stromfluß vermieden, wenn durch einen Durchbruch zum ersten Mal ein Loch entsteht. Es ist deshalb keine Änderung der Vorschubgeschwindigkeit für diesen Arbeitsvorgang erforderlich.

In der H auptanmeldung ist die bedeutende Vergrößerung der Materialabtragungsgeschwindigkeit betont, die durch Aufrechterhaltung eines Zustandes des Elektrolyten mindestens an der Schwelle der Glimmentladung bzw. innerhalb des Glimmentladungsbereiches erzielt werden kann. Die Eingangsleistung muß jedoch auf einem Wert gehalten werden, der geringer ist als der, welcher einen das Werkstück umhüllenden Dampffilm hervorruft, der den elektrischen Widerstand zwischen der Kathode und dem Werkstück so weit erhöht, daß die Materialabtragung an dem Werkstuck beendet wird. Es wurde festgestellt, daß eine Spannung von mindestens etwa 300 Volt, insbesondere von 300 bis 1200 Volt und vorzugsweise von 400 bis 800 Volt zum Erzeugen von Ausnehmungen oder' Löchern mit einem Durchmesser von z.B. etwa 0,12 cm 0 oder weniger als maximalem Durchmesser erforderlich ist.

Die vorliegende Erfindung kann zur Erzeugung einer Vielzahl von Löchern oder Ausnehmungen in einem einzigen Werkstück oder in einer Vielzahl von Gegenstücken angewendet werden. Zu solchen Gegenständen gehören Röhren, Schienen, Platten und andereTeile, wiez.B. einein Fig. 1 schematisch dargestellte Sprühdüse. Es ist selbstverständlich möglich, das vorliegende Verfahren zur Ausbildung von Löehern an irgendeiner Stelle eines Gegenstandes in der gleichen oder einer anderen Querschnittsebene anzuwenden.

Das Werkstück 10 in Fig. 2, das auf einer elektrisch isolierenden Unterlage 11 liegt, ist in einen elektrisehen Leiter in Form eines elektrolytischen Bades 18 mindestens so weit eingetaucht, daß das Bad wenigstens den zu bearbeitenden Teil der Werkstücksoberfläche und den geladenen Elektroyltstrahl umgibt. Das elektrolytische Bad 18 führt wenigstens einen Teil der Ladung des Elektrolytstroms 26, der von dem offenen Mundstück 15 der Düse 14 des Werkzeugs 13 gegen das Werkstück gerichtet ist, von dem Elektrolytstrom ab. Jedes der Werkzeuge ragt mit einer Düse aus dem Verteiler 16 heraus und enthält eine Kathode

20. In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, eine gemeinsame Kathode zu verwenden.

Das elektrolytische Bad 18 und das Werkstück 10 sind beide gegenüber der Kathode 20 und damit gegenüber dem Elektrolytstrom 26, der aus dem Mundstück 15 der Düse 14 austritt, anodisch. In Fig. 2 ist der Verteiler 16 wenigstens gegenüber dem Werkstück 10 verschiebbar. Er ist vorzugsweise durch eine übliche Einrichtung (schematisch durch die Pfeile 28 gekennzeichnet) in drei Richtungen verschiebbar. Der Elektrolyt wird zum Verteiler 16 zur Weiterleitung durch die Düsen 14 mittels einer Pumpe 22 aus dem Elektrolyt-Versorgungstank 24 gefördert.

Die Temperatur des Elektrolyten im Tank 24 und dem elektrolytischen Bad 18 kann jeweils durch eine Heiz- oder Kühlvorrichtung 30, 32 geregelt werden. Durch diese Temperaturregelung kann die relative Leitfähigkeit des geladenen Elektrolyten, der aus der Düse 14 austritt, und des elektrolytischen Bades eingestellt werden. Durch Aufrechterhalten konstanter Betriebsdaten kann die Größe der Löcher oder Öffnungen, die in dem Werkstück 10 ausgebildet werden sollen, genau und einheitlich eingestellt werden. Diese Größe und Form kann ohne mechanische oder elektrische Messungen des Spaltes zwischen dem Mundstück 15, der Düse 14 und dem Werkstück 10, welcher von dem Abstand zwischen der Kathode 20 und dem Werkstück 10 abhängt, gesteuert werden.

Die Kathode 20 ist mit einer Gleich- oder Wechselstromquelle von mindestens 300 Volt verbunden, die Ströme von etwa 4 Ampere liefert, obwohl Ströme bis etwa 2 Ampere für die meisten Arbeiten ausreichen würden. Die Werkzeuge 13 sind am Verteiler 16 so angeordnet, daß die Mundstücke 15 der Düsen 14 der gewünschten Anordnung der Löcher oder Ausnehmungen in dem Werkstück 10 entsprechen. Das Kapillarteil der Düse 14 ist ausreichend lang für die erforderliche Bohrtiefe, z. B. gleich der Strecke D in Fig. 1.

Da keine Änderung der Düsenvorschubgeschwindigkeit beim Durchbruch des Loches erforderlich ist, können alle Düsen gleichzeitig und mit der gleichen Geschwindigkeit gegen das Werkstück ohne Rücksicht darauf bewegt werden, ob sie als erste oder letzte mit der Materialabtragung am Werkstück beginnen.

Um auf die Ausbildung ungewöhnlich langer Kapillarteile verzichten zu können, könnte das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel dergestalt abgeändert werden, daß die Teile der Werkzeuge, welche die Ka-

thode tragen, von der Mitte der Werkzeuge an nach außen stufenweise länger ausgebildet sind. Da die Spaltbreite durch den Elektrolytstrom und das elektrolytische Bad gesteuert wird, können die Mundstücke 15 der Düsen 14 mit relativ großer Toleranz, auch bezüglich des Abstandes, zwischen dem Düsenmundstück und dem Werkstück angeordnet sein.

Zwei bevorzugte Elektrolyten für Nickelbasislegierungen enthalten 10 Gewichtsprozent Schwefelsäure in wäßriger Lösung bzw. 14 Gewichtsprozent Salzsäure in wäßriger Lösung. Äußerst zweckdienlich ist es, ein elektrolytisches Bad der gleichen Zusammensetzung wie der des Elektrolytstromes zu verwenden. In diesem Fall kann der Elektrolyt im Kreislauf geführt werden, z.B. von der Auslaßöffnung 40 im Behälter 42 zurück zu dem Elektrolyt-Versorgungstank 24, soweit erforderlich, durch einen Filter.

Wenn die Betriebsdaten einschließlich einer Gleichgewichtsvorschubgeschwindigkeit, die nicht größer ist als die Geschwindigkeit, mit der das Mundstück 15 der Düse 14 in das Werkstück eindringt, eingestellt sind, können die die Abtraggeschwindigkeit beeinflussenden variablen Größen Druck und Temperatur des Elektrolyten und die an die Kathode 20 angelegte Spannung eingestellt und automatisch durch bekannte Einrichtungen geregelt werden. Während der Verteiler gegen das Werkstück 20 bewegt wird, berührt der Elektrolytstrom 26 aus jeder Düse 14 zunächst das elektrolytische Bad 18 und danach tauchen die Mundstücke 15 der Düsen 14 in das Bad 18 ein. Obwohl das elektrolytische Bad 18 als elektrischer Leiter mindestens einen Teil der elektrischen Ladung des Elektrolytstromes ableitet, fließt jedoch bei einem Gleichgewichtsspalt zwischen dem Werkstück 10 und der Düse 14α (Fig. 3) durch den Elektrolytstrom 26a von der Kathode 20 zu dem Werkstück 10 ein ausreichend großer Strom bei einer Spannung von mindestens 300 Volt, um den Elektrolytstrom in einen Zustand zu versetzen, der mindestens dem der Schwelle der Glimmentladung entspricht. Es wurde festgestellt, daß bei einem Spalt, der größer als dieser Gleichgewichtsspalt ist, das elektrolytische Bad 18 nahezu jede elektrolytische Materialabtragung verhindert.

Wenn bei anderen Bedingungen als gemäß der Erfindung gearbeitet wird, z.B. in Luft, kann sich eine trichterförmige Eintrittsöffnung 46 des Loches in dem Werkstück 10 ergeben (Fig. 6). Da bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ein plötzlicher Sprung auftritt von dem Zustand, in dem kein Material abgetragen wird, zu demjenigen, in welchem bei einer vorbestimmten Gleichgewichtsgeschwindigkeit Material abgetragen wird, ist die Eintrittsöffnung 48 der Ausnehmung bzw. des Loches sehr genau begrenzt (Fig. 7). Da die vom Verteiler 16 bewegte Düse 14α in Fig. 4 mit normaler Arbeitsgeschwindigkeit weiter in das Werkstück 10 eindringt, kann sich deshalb die Düse 14b der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks 10 nähern, ohne daß eine trichterförmige Eintrittsöffnung wie in Fig. 6 verursacht wird.

Beim Durchbruch des geladenen Elektrolytstromes 26a der Düse 14a (Fig. 5) ist es nicht erforderlich, die Vorschubgeschwindigkeit herabzusetzen wie bei anderen als den erfindungsgemäßen Arbeitsbedingungen. Der elektrische Stromfluß durch den Elektrolytstrom bleibt beim Durchbruch auf Grund des umgebenden elektrolytischen Bades der gleiche. Folglich bleibt auch die abgetragene Materialmenge gleich, und die Düse 146 kann mit der gleichen konstanten Vorschubgeschwindigkeit ohne Rücksicht auf die im Durchbruch befindliche Düse 14 α weiterbewegt werden.

Anwendungsbeispiel des Verfahrens
gemäß der Erfindung.

Es waren zwölf Löcher mit einem Durchmesser von ungefähr 0,05 cm 0 in einer Röhre aus einer Nickelbasislegierung auszubilden, die in Nenngewichtsprozenten folgende Zusammensetzung hatte: (maximal) 0,1% C; 15% Cr; 3% Nb; 3% Mo; 3% W; 7% Fe; 0,5% Al; 0,6% Ti; 0,006% B sowie Nickel und zufällige Verunreinigungen als restliche Bestandteile; diese Legierung wird im allgemeinen als IN 102 Nickelbasislegierung bezeichnet. Die Dicke der Röhrenwandung betrug 0,1 cm. Genau vorbestimmt bemessene Löcher wurden wiederholt durch die beiden Wandungen und die zentrale Öffnung der Röhre in einem Abstand von etwa 0,48 cm bei einer angelegten Spannung von 470 Volt und einer Gesamtstromstärke von 7,1 Ampere für die zwölf Löcher gebohrt. Bei diesem Beispiel bestand der für den Elektrolytstrom und für das elektrolytische Bad verwendete Elektrolyt aus einer wäßrigen Lösung von 10 Gewichtsprozent Schwefelsäure. Die Temperatur des Bades und des geladenen Elektrolyten wurde auf etwa 38° C bei einem Druck des Elektrolyten zwischen 2,8 kp/cm² und 4,2 kp/cm² gehalten. Bei der genannten Spannung und dem angegebenen Strom, durch die ein innerhalb des Glimmentladungsbereiches gelegener Zustand in dem Elektrolyten erzeugt wurde, war es möglich, eine Schnittgeschwindigkeit von 0,15 cm pro Minute durch die Röhrenwandung zu erzielen.

Es wurde festgestellt, daß bei der speziellen Ausführung nach dem obigen Beispiel durch Änderung der Elektrolyttemperatur zwischen 20° C und 90° C der Lochdurchmesser zwischen 0,05 und 0,07 cm mit den verwendeten Düsen geregelt und geändert werden kann. Bei diesem Beispiel bestand die Düse aus einer gezogenen Glaskapillarröhre mit einem Innendurchmesser von 0,038 cm und einer Wandstärke von 0,0025 cm.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Löchern oder Hohlräumen in einem elektrisch leitenden Werkstück nach Patent 15 65 554, wobei ein Werkzeug jn Form einer Düse aus dielektrischem Material gegenüber dem Werkstück im Abstand von diesem angeordnet wird und ein flüssiger Elektrolyt durch die Düse strömt, um einen auf das Werkstück gerichteten Strahl zu bilden, und der Strahl durch eine Gleichoder Wechselspannung zwischen dem Werkstück und einer in den Elektrolytstrom oberhalb der Düse eingetauchten Elektrode elektrisch geladen wird, und wobei tier Abstand zwischen Elektrode und Werkstück und die Spannung so gewählt werden, daß im Elektrolytstrahl zwischen Elektrode und Werkstück ein Zustand nicht unterhalb der Glinimentiadungsschwelle, jedoch ohne Funkenbildung aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der zu bearbeitende Teil des Werkstücks (10) in ein Elektrolytbad (18) eingetaucht ist, durch das der Strahl aus der Düse hindurchströmt.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen die Elektrode und das Werkstück angelegte Spannung wenigstens 300 V beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück 300 bis 1200 V beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom, der zwischen der Elektrode und dem Werkstück fließt, bis zu 4 Ampere beträgt bei typischen Düsenöffnungsweiten von einigen Zehntel-Millimetern.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung mehrerer Ausnehmungen in einem elektrisch leitenden Werkstück mehrere einen Elektrolyten leitende Düsen (14, 14a, 146) gegenüber einem Werkstück (10) angeordnet und zusammen mit den zugehörigen Elektroden (20) gegen das Werkstück (10) bewegt werden.