DE1615520A1 - Vorrichtung zur Metallbearbeitung mittels elektrochemischen Senkens - Google Patents

Description

Vorrichtung zur Metallbearbeitung mittels elektrochemischen Senkena

Priorität der ÜSA-Stammanmeldung Serial BTo 595 »967 vom 21,11,66

wird beansprucht

Die Erfindung bezieht sich auf eiae Vorrichtung zur Metallbearbeitung mittels elektrochemischen Senkens, bei der in einem zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück und der Arbeitsfläche der Elektrode vorhandenen» in einem geschlossenen System liegenden Spalt, in den ein Elektrolyt mit Druck gepumpt wird, durch ein aufgebautes Stromfeld das Material abtragbar ist, wobei Elektrode und Werkstück relativ zueinander ein Vorschub erteilbar ist.

Durch das elektrochemische Senken lassen sich eine Reihe von Nachteilen der spanabhebenden Metallbearbeitung vermeiden, insb. Werkzeugabnutzung, Geräuschbildung, Überhitzung und Riefenbildung an den Werkstücken.

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Jedoch ergeben sich andere Probleme bei.» elektrochemischen Senken und hler insbesondere beim Einarbeiten von Bohrungen In Werketücke, wobei die röhrenförmige Elektrode alt Isolierschichten versehen werden muß. Werden diese aus einen Ipöxidharz oder aus einen keramischen Material gemacht, so bereitet es Schwierigkeiten, diese Schichten auf einer metallenen Elektrode mit ausreichender Haftfestigkeit und Widerstandsfähigkeit auf «abringen« Durch den mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit die inneren und äußeren Isolierflächen umströmenden Elektrolyten wird nämlich ein Material von nicht ausreichender Widerstandsfähigkeit und Haftfestigkeit teilweise wegerodiert. Auch durch eine Verstärkung dieser Isolierschichten lassen sich die Schwierigkeiten nicht beseitigen, da dann deren Haftfestigkeit leidet und Bohrungen kleineren Durchmessers gar nicht mehr herzustellen sind. Wo die genaue Maßhaltigkeit der einzusenkenden Bohrung von besonderer Bedeutung ist, wird das Problem noch durch andere Paktoren erschwert, wie der Relation zwischen der Senkgeschwindigkeit, der Stromdichte, der Betriebsspannung und anderer Parameter, Von primärer Bedeutung jedoch ist die Aufrechterhai tung der isolierenden Deckschicht auf der Elektrode, wobei verhindert werden muß, daß eich die Deckschicht durch Angriff des Elektrolyten und der Wärme während des Betriebes ablösen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Schwierifrkeiten zu beseitigen und eine Elektrode bu schaffen, die mit einer widerstandsfähigen dünnen Isolierschicht versehen ist, und mit der es möglich ist, Bohrungen wesentlich maßhaltiger und genauer in metallene Werkstücke einzusenken. Gegenstand der Erfindung ist demgemäß eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit einer röhrenf&raigen Elektrode, welche an einem Support der Vorrichtung

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1615520 - " PLA 67/8258 "befestigt ist und durch deren Zentralbohrung und u.m (Urtn mantel der Elektrolyt unter hohem Druck und großer Geschwindigkeit geleitet wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus Aluminium, Titan, Hafnium, !Tantal, Zirkonium oder Legierungen dieser Metalle besteht, wobei eine dünne Oxydschutzschicht auf der Elektrodenoberfläche angeordnet ist, die durch Selbstoxydation der Elektrode entstanden und elektrisch isolierend ist. Diese dünne Oxydhaut sitzt zweckmäßig auf den äußeren und inneren Hantelflächen der Elektrode, wobei die dem Werkstück zugekehrte stirnseitige Arbeitsfläche der Elektrode freibleibt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schutzschicht aus Zirkonoxyd besteht und von einer aus Zirkon oder Legierungen auf der Basis von Zirkon bestehenden Elektrode getragen ist. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung hat die dünne Schutzschicht eine Dicke von max. 0,1 u; hierdurch ist die erforderliche Maßhaltigkeit und Haftfestigkeit gewährleistet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Stärke der dünnen Schutzschicht zwischen 12,7 und 25,4 um (0,5 χ 10 - 10 inch). Ein sehr günstiger Wert der Schutzschichtstärke liegt bei 25,4 nm (10 inch).

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie ihre Wirkungsweise werden im Folgenden an Hand der mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung erläutert, in welcher zeigen:

Fig. 1 im Längsschnitt in schematischer Darstellung eine röhrenförmige Elektrode, die ein gewisses Stück in ein metallenes Werkstück eingesenkt ist und hierbei eine Bohrung erzeugt;

Fig. 2 ausschnittsweise eine andere Ausführungsform des dem Werkstück zugekehrten ^E\fH^<^s$^fg%;·] BAD ORreiNAL

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Fig« 3 in Pig. 2 entsprechender Deritellungswelae eine weitere Aub~ führungsform dee dem Werkstück zugekehrten unteren Elektrodenendes. ■

Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugezeiohen versehen.

Die Zeichnung zeigt eine Elektrode 10 zum liineenken einer Ausnehmung 12 in ein metallenee Werkstück 14. Die Elektrode 10 besteht aue einer metallenen Röhre 16 mit einer äußeren Schicht 18 und einer inneren Schicht 20, deren oberes Ende an einem Elektrodenhalter 22 befestigt ist. Das Innere dee Elektrodenhalters 22 weist eine Druckkammer 24 euf, welche mit einem Zuführungskanal 26 kommuniziert. Die obere Seite des Elektrodenhalter 22 ist an dem Stößel 28 einer nicht näher dargestellten elektrochemiechen Bearbeitungsvorrichtung befestigt.

Ira allgemeinen wird die Ausnehmung 12 in das Werkstück 14, beginnend beim oberen Ende 30, in Richtung des unteren Endes 32 eingearbeitet mittels Elektroerosion, bei welcher das Werkstück 14 als Anode einer elektrolytischen Zelle ausgebildet ist, die bei relativ hoher Stromdichte arbeitet. Zu diesem Zweck wird ein Elektrolyt in die röhrenförmige Elektrode über den Zuführungskanal 26 und die Kammer 24 wie durch Pfeile 34 angedeutet, hindurchredrückt. Am unteren • Bnde 36 der Ausnehmung 12 verlast der Elektrolyt die Röhre 16 und

ο gelangt in den Abflußepalt zwischen der äußeren Schutzec?iicht 18

«*> der Röhre und der Oberfläche der Aueneh;auru;'12.

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_o Die Röhre 16 ist aus einem Metall aufgebaut, welches aus der Gruppe to Aluaiiniun, Titan, Zirkonium, Hafnium, Tantal oder Legierungen dieser Metalle ausgewählt ist. In bevorzuf + er AusführutiFBforri let das

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Elektrodenmetall Zirkon oder eine Legierung auf der Basis von Zirkon. Wie im Folgenden noch erläutert, sind Zirkonoxyde in überraaohender Weiöe gut haftend und haben andere Eigenschaften, welche ein· Zirkonelektrode in hervorragendem Maße für das elektrolytisehe Senken geeignet machen. Die Elektrode 10 weist vorzugsweise eine Röhrenform mit kreisförmigem Querschnitt auf, obgleich auch andere prismatisch* Formen z.B. Reohteckformen verwendet werden können, wobei die Form · des einzuarbeitenden Loches notwendigerweise die Elektrodengestalt bestimmt. .

Die Röhre 16 ist elektrisch isoliert gegenüber der Oberfläche der einzuarbeitenden Ausnehmung 12 durch eine Schutzschicht 18 an der äußeren Oberfläche der Röhre; Di» aus Zirkon oder einer Legierung auf der Basis von Zirkon bestehenden Röhre 16 weist äußere und innere Schutzschichten 18 und 20 auf, die aus homogen aufgebautes Zirkonoxyd bestehen. Die Qberflächeneohiohten 18 und 20 weisen in Längsrichtung der Elektrode gesehen eine gleichmäßige Stärke auf, damit ein Anstreifen der Elektrode 10 innerhalb der Ausnehmung 12 während der Senkoperation vermieden ist. Ea sei hoch erwähnt, daß die Stärke der Oberflächenschichten und die Größer der Bearbeitung»« und Abflußspalte nicht maßstabsgetreu dargestellt sind.

Eine dünne Zirkonoxydhaut, deren Stärke weniger als 1 mil,- d.h. weniger als etwa 2$ g. beträgt, stellt auf die Elektroden aufgebracht eine dichte, sehr gut haftende kompakte SötoÄtjssohicht mit sehr guten elektrischen Eigenschaften dar, welche eine die elektrische Barrier· bzw. Isolierung zwischen der ZirkontfÖhre 16 und der Metalloberfläche der Ausnehmung 12 bildet. Zirkonoxyd hat «ine Dielektrizitätskonstante von 0,25 χ 10*"¹⁰ bei 175° f («twa 79⁰O). Die BADORlQfNAL 009123^0^91

let sehr zäh und langlebig and umhüllt das Trägermetall al* eine einheitliche dünne Haut. Vorrageweise hat die Schicht eine Stärke ▼oh ungefähr 12,7 bis 76 nm (0,5 bis 3,0 χ 10"" inch) d.h· ein· oben Grenze von ungefähr 0,1 9, insbesondere eine Stärke von 25,4 mn (10~⁶ inch). .

Dieee Oxydeehlehten des Aluminium, Titan, Zirkon, Hafnium, Tantal und ihrer Legierungen werden an der Metalloberfläche gebildet und haften dauerhaft bei guter Wirksamkeit.

Dadurch, da3 die Schicht 18 relativ dünn, d.h. ungefähr 25 ma, ist, brauchen keine Rücksichten auf das Durchmesserverhältnis der Ausnehmung und der Elektrode 16 genommen zu werden, und die Größe des Abetandes zwischen de- Elektrode und den «/änden der Ausnehmung ebenso wie die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten, sind reduzierbar. Das bedeutet einen erheblichen Vorteil gegenüber Elektroden mit Schichten aus Keramik oder Epoxidharz, welche nicht selbstregenerierend sind, so daß diese Schichten durch den unter Druck eingeführten Elektrolyten allmählich abgetragen werden, wenn er" von "unteren Ende der Elektrode sich zum oberen Ende des Loches bewegt oder welche durch Hitze, die an der Elektrode entsteht, zerstört werden können, so daß in relativ kurzer Zeit die Elektrode unbrauchbar wird.

Sine den Anforderungen gereoht werdende Oxydhaut kann auf verschiedene Weise ftenä.3 der Erfindung dadurch erzeugt v/erden, da3 erstens ein thermisches Verfahren oder zweitenö ein elektrol7/tiseiles Verfahren durch Anodisieren angewendet wird. Das thermische Verfahren Bum Aufbringen einer Zirkonoacydschicht auf die Oberfläche der Röhre,

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■ - ' . ■. ' - ; T ■■-■■■ , :■■-■-.■■■ öle auo Zirkon oder legierungen auf der Basis van Zirkon beeteht, umfaßt das Einbringen solcheiner Röhre in einen Autoklaven Und · Unterwerfen der Röhre einer Dampf- oder Heißwasserbehandlung ähnlich der Prttfunt· einer Zirkonröhre auf Wider stand sfähigke it gegen Korrosion. Bei der Heißwasserbehandlung ist der ausgeübte Druck in der Regel derjenige« der bei Gleichgewicht zwischen der Dampf- und Waeserphaae bei Temperaturen auftritt» welche in allgemeinen etwa.343⁰C bei ungefähr 200 atti betragen (650°? bei 2800 pslg), und «war -wahrend einer Dauer von 3 1/2Sagen. Die Dampfbehandlung wird Im allgemeinen bei 4OQ⁰C, (75O⁰F) bei 105 atu(1500 peig) während einer Dauer von H Tagen durchgeführt. Jede der beiden Verfahren, ob r»asip f- ο te r He i 3was se rverf ahr«n eraöglieh t d te So hai fung e iner Zixv konoxyd (:Jr0_o)-Schicht auf der Röhre 16, welche auegesproehenittchtii dauerhaft und «mt haftend isi» Die Schicht hat eine Stärke von ünge-* führ ^f um ia Fei!« der 3 1/2-1!agebehandlung und 105 na la Falle der ''4-Tafebehandlttn(B^> und befindet eich sowohl an der Innen- als auch der Außenseite der RPhre,

Das elektrolytisehe öder Anodieierverfahren (2) zum Aufbringen der Oxvclechiclit\iiafa.?t das Hindurchleiten eines Stromes durch einen '■l-e'cirölyten»" in welcher eine metallene Anode, z.B. aus Aluminium, dret ist, unter Verwendunfr r e eignet er Lösungen, enthaltend

OhrQaate oder ähnliche Salze, deren Anionen β. Teil Sauerptöff enthalten, welcher sich chemisch rait dem Aluminium unter ^ildunr einer V-och haftfesten homogenen Oxidschicht verbindet. Die Pilnatärke- Känpt von dem Elektrolyten und den Behandlungsbe- " dinputt^en V/ie ^eaperatur und Behandlungsdauer ab, so daß die Schicht ptärie von mindestens 12,? bis herauf zu 12? nm und mehr variieren kann.-, - :^; ". -- ..■-"""-"--^:*~'■■'·-·■'■ ^:\ -"""·■'.-■ - -

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Der IeolationwMerstand einer BlefctaioÄe 10 aus Zirkon mit einem Durcfc-"rneeser von ungefähr. O»6 em» versehen mit "einer Oxydhairt von unge-fäbr 25,4 wn betrügt 0,25" χΊO¹⁰* ■ · .'

'»/Shrend der Bearbeitung wird die Ausnehmung 12 in dem metallenen Werkstück 14 dadurch erzeugt, daß $&s untere Ende der Elektrode 10 in ArbWitestellung "zu der oberen Seite 30 des Werkstückes gebracht wird und ein Elektrolyt? 2»B. Salzwasser dmrch die Elektrode unter einem Druck von ungefähr 7 Ms 11 -at hindurchgeleitet wird. Ein Gleichstrom von ungefähr 62 Mb 155 A/cm² wird z.B. einer Gleichepanmmgsquelle 38 entnommen und üb@r Zuleitungen "40 der Elektrode 10 und dem Werkstück 14 zugeführt, w&brend der Elektrode eine Vorschubbewegung in Richtung auf äsa Werkstück erteilt wird. Eine bevorzugte Stromdichte ist ungefähr 100 A/em «, 2u diesem Zweck ist das untere Ende 42 der Eöhre 16 nicht Kit eifiea Ösydfilra 18 oder 20 bedeckt und weist den geringsten-Abstand sur Bearbsitmtggflache auf. Auf diese V/eise fließt der Strom vom Ende der EShre etot Bearbeitungsfläche des. Werkstückes durch «Sen Blektrolyter hindurcfej welcher eeinerssits geaäS Pfeile^ 3Λ 'strömt.

Oa die Bear'beitsuig'am örunde der Ausnehmung zu erleiöhterrii kann der untere B@j?ei©ii der äußeren Schutzschicht 18 etwas heraufgezogen werden, so daß ein hervorragendes freies Ende 44 der Röhre 16 entsteht. Bemfessäß ist ein größerer Teil der metallenen Röhre zum Stx'oimibergang von &ei\Elektrode 10.zum Grunde der Ausnehmung- 12 vorgesehen und ein zusätzlicher Strom fließt durch den Elektrolyten zu den vertikalen Wänden der AußaehSHsng 12« so- daß bei einem gegebenen Elektrodendurchiaeeser eine £x83es?e Ausnehmung -entsteht. ■

Iu Ergebnis ist öer AbfluSspalt zwischen Elektrode und den Vertifcalder'Ausnehiaiunr-.12 etwa© größer, und es "besteht. ge rindere Ge-

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fahr, daß die Slektroä®-.fit-''Atm. Wtnä^ß der Ausnehmunganstreift oder Kontakt gibt,.■■ wenn @i@ d«r©lida® WesJcstifck g6s0tioWii Beim' Ausführungebeispiöl» 'agefe FIg* 5 Ist das nature Ssde 31ektrode n&eh außen -lienaa^@fe83?äslt_f ίο» 41© eleietroljrttee arlaeltuiig 2sv/isclien dem ipitertn ^iAe jlsr Röiir® 1β umd 4öf learbeitungsfllLsli© 36 der AiiBn&iwmg 12 $u Tbesöiil#ms£g@iio."^t «ISeeeia Zweck karni das. untere MS d©^; 8.mie3?@a' Sehlcht 1S an. ~ &&% St#lle 4& etacliließ#n_Q um eis uat@r@© .fänarleft. SBde 50 i@3? EStos 16 Die nach. ais.ß@a geMrdelten fell© öä®r Bipp@n 4S vesgiiS Durchmesser der tosnalnmg 12_g w@mi smek ©tws» ®©ta> Steoa- und "bedarf h&erbei Torliegt» . ■ , . - "

Der Spannimgsfesreieh wäte®&<I €@e B^^rB^i^tog liegt sx^isshea 8 vmxL 16 ? mit einer ."bevorzügt@n,
außen abgezogenen feil® 45- la
sivrigelien. Ö©r "Slettrod®. 10 Miii.

der, daß--der Elektrolyt mehr Stsiamngu^aisai -hat: £!lr 89 äaß der erosive Effekt auf Ai& O"berflÄ©lusn der äuS#E©s Ssiileht te reduziert %\rirä^ Ia Ergebnis hat deshalb die. ISlektroda - eiae grö ßere .Standzeit <, ■ .

Wenn auch Zirkon als beTorsmgt^s Metlill geniß der Be&ciireibuag aufgeführt ist, lieBsa

ren Hetallen, wie Äluminiü2a_s

da auch dies®.Metalle mit -#lner

Oxydschicht hoher Bi eXekt2?i&ititsk@^t»t©. if ersahen lä@s©n

Claims (1)

1. ?a t en t an a ρ ι ii c he _Λ .. „ _ ^

   . Vorrichtung zur Metallbearbeitung mittels elektrochemischen Senkens, bei der in einem zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück und der Arbeitsfläche der Elektrode vorhandenen, in einem geschlossenen System liegenden Spalt, in den ein Elektrolyt mit Druck gepumpt wird, durch ein aufgebautes Stromfelä das Material abtragbar ist, wobei Elektrode und Werkstück relativ zueinander ein Vorschub erteilbar ist_r mit einer röhrenförmigen Elektrode, welche an einem Support der Vorrichtung befestigt ist und durch deren Zentralbohrung und uc deren Außenmantel der Elektrolyt mit hohem Druck und großer Geschwindigkeit leitbar ist* dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode- aus Aluminium, Titan, Hafnium, Tantal oder Zirkonium oder aus Legierungen der vorgenannten Metalle besteht, wobei eine dünne Osyd-Schutsschicht auf der Elektrodenoberfläche angeordnet ist. die durch SelbstOxydation der - Elektrode entstanden und elektrisch isolierend ist.

   ;* Vorrichtung nach. Aueprüeh T, ds-du-rch gekennzeichnet, daß die Sehvtsschichi aus ?irkor>o:rfü besteht v.tsä von einer aus Zirkon oder LegierKTi-ger: GMiI ce-r Ba eis- von Sirkon bestehenden Elektrode getragen ist» . ·

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutsschicht eine Stärke bis zu 0,1 ]g (3 χ 10~ inch) hat. '

   4» Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine Schutzschicht aufweist, deren Dicke zwischen I2_t? und 25,4 nm (0,5 s ^0~⁶ ±Bch - 10~⁶ inch) liegt.

   - 10 - Bi;

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   .;\ ■"-. -γ. 1615510

   5. Vorrichtung nach Anspruch 4_f dadurch gekennzeichnet,, daß die 3 trode eine SchutEBChicht ßufweiety die eine Stärke von ungefähr 25 »-^Λ nm. (10"* inch) hat.

   G." Verfahren zur Erzeugung einer Sehwfc eschicht n&ek Aneprsöfe "t ode: folgenden_t dadurch ~ekeniiEeichxi©t_f dßl eise atis SIsfeen. ö&er gie runden auf der Basis-.von Zirkon he stehende ■ ■ Met&llrEiir© Ij einen. Autoklaven eingebracht und einer Dampf- oder Hei behs.ndlu.nH unteivc-rfexE wird» wobei'"lempereturen "von bei etwa 200 ε« für 5 1/2 lage für die HeiC recht erhalten vfsrSeti oder eine .Baaip-fbehandliing vorfeeslies; ist.,

   Brücker, von ICp tX (1503. psig) filr 14 Sege "sus-geeetst-^i.rav

   . Verfehrer, zxu .■£γ-"£"Γ-"£ e::r.er SchutEseaicht neah Anspruch ' eder folrenderu -d^dur£=-£■.fi^lrei^i-'-v-'-Veriff-t., öaff die■ B^r-st-rsc-^lüht-e ;_:£.uf die

   durch Anodisieren

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