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Werkzeug zur Bearbeitung dÜnnwandiger Formteile durch elektroohemisches
Senken Die Erfindung betrifft Werkzeuge zur Bearbeitung dünnwandiger Formteile (Werkstücke)
durch elekta!ochemisches Benkent mit einer Abstützung und einer Festklemmiing für
das WerkstÜck, einer als Negativ deip zu bearbeitenden Verkstüokaoberfläche ausgebildeten
Werkzeugelektrode und Mit-beln zum Zu- und Abführen der Elektrolytflüssigkeite Beim
elektrochemischen Senken, in der angelsächeichen Literatur "Blootrochemical Machining
(BOM) oder Blootrochemioal Forming (FGF)u genanntg wird eine Werkzeuga lektrodet
die im allgemeinen ein Negativ der herzustellenden Form darstelltt in das zu bearbeitende
WerkstUol: eingenenkt. Duroh einen Spalt, der zwischen der
Werkzeugelektrode
und dem Werkstück bestehti fließt eine Elektrolytlösung. Werkzeugelektrode und VerkstÜck
sind mit dem negativen bzw. poüitiven Pol einer Gleichstronquelle verbunden. Aufgrund
von Iadungsaus-.tauschvorgängen zwischen Werkzeugelektrode und Elektrolytlösung
einerseits und zwischen Werkstück und Elektrolytlösung andererseits wird Werkstückmaterial
gesteuert und lokalisiert aufgelöst. Da die Werkzeugelektrode
der zu bearbeitenden WerkstÜckfläche und Druckverlauf, Werte bis
zu einigen hundert Kilogrammg aber auch-Tonneng annehmen kann. Diesen Kräften wird
durch
ä eine entsprechend steife Konstruktion der Naschine und der Werkzeuge
und Vorrichtungen Rechnung getragen, durch die unzulässige Verformungen der genannten
Einrichtungen, die die Genauigkeit der hdrzustelländen Werkstücke infrage stellen
können, vermieden werden.
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Die durch.den Druck der Elektrolytlösung verursachten Kräfte. wirken
aber auch besonders auf das Werkstück selbst, das abhängig von seiner Dicke und
damit seinem Widerstandsmoment mehr oder weniger starken Verformungen unterworfen
wird, 'durch die Abbildungsfehler entstehen, die mit den bekannten Werkzeugen eine
Bearbeitung.unterhalb einer gewissen Mindestdicke nichtnehr erlauben. Aufgabe der
Erfindung ist.es, ein Werkzeug der eingangs erwähnten Art so weiterzuentw ickälnt
daß auch Werkstückebis zu wenigen mm-Wandstärke mit der erforderlichen Genauigkeit
bearbeitet werden können.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Abstützung
elastisch ausgebildet und auf einem hydraulischen Schubkolbentrieb befestigt ist
und daß Mittel vorgesehen sind, mit denen der Schubkolbentrieb
derart
mit Druck beaufschlagbar ist, daß die im Bearbeitungsfall des Werkzeuges auf das
Werkstück wirkende Kraft im wesentlichen gleich der Über den Schubkolbentrieb auf
die RÜckseite des WerkstÜckes aufsebrachten Kraft ist.
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Zur Erzielung dieses Kräfteigleichgewichtes kann die Be-.arbeitunGsfläche
des Werksüückes und die Beaufschlaß-ungfläche des Schubkolbentriebes im wconntlichen
f,-leieli.groß gewählt werden.
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In einer bevorzuGten AusfÜhrung dieser Möglichkeit sind in der Elektrode
eine hehrzahl von Bohrungen vorgesehen, die von C#-er Bearbeitun- gsfläche züi einem
oder mehreren ,D-ui!n-ie7-.l-lanälen f-Uhren, die rit (lor.,i Di.moi--rawa des Schubtri
ebes verbunden sind. "*wccki:.,äßi#-#- ist dabei in der eine Drossel vor:,-esehen.
ii Eine #il('Jernative LLLis£ülll#nnrrsf'oi2ei isb (J.udurch Cekeiin.-,eicluieb,
in der eine hehrzahl -von A3ohrungen vori'.esellen si-n#-L, Oie von aer 7,1:, einem
oder mehreren ,ja#,rielkanälen -i-'ü,i-ren unu (iaf3 in (4 einer Druckleitung zum
ein vorf, esc.1.1.eil istg der mit dem. in (ier-, auftretenden mittleren Druck als
arbeiteL. hit einer Anordnung --min rit eineirt we...,x.leil, dessen
Beaufschlagungsfläche
unabhängig von der Größe der J3e-U aufschlaß-ungsfläche des Werkstückes ist.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung sind zwischen der elastischen
AbstÜtzun., tiii"-t dem Werkstück schmiegsame Kontaktbänder zur Stromzufuhr angeordnet.
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Zweckmäßig ist weiter der Elektrodenhalter als Kolben ausGebildet,
der mit einer Zylinderbohrung in der.,ibdeckmaske zusammenwirkü, wobei der Zylinderraum
mit einer Druckquelle verbunden ist und Abschnitte des Yiaskenrandes jeweils als
DruckstÜcke !Ür die Halterüng des WerkstÜckes ausisebildet sind Die Hr--Li'indiinC,
is-b in der Zeichnung in verschiedenen Ausführ#uingsbeispielen clarg##estellt und
irl nachstehend= im einzelnen 3.nhand der Zeichnung" beschrieben.
| Fig. 5 zeigt iln gleichen Schnitt wie Fig. 4 eine noch |
| weitere Ausfühj-ungsform. |
Es soll zunächst (las Problem, das der vorliegenden Erlindung zugrunde liegt, anhand
der elektrochenischen Bearbeibung einer 'hirbinenseliaufel als Beispiel erläutert
werden.
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Wie in'Fig. 1 gezeigt, ist die Schaufel in dem Werkzeug auf
zwei Auflaeieklötzen 1 und 2 mit Schaufelkopf 3 bzw. Schaufelfuß 4
aufgelegt. Die AuflagelÖtze haben der Fuß-bzw. Kopfform entsprechende Ausnehmungen.
Schaufelef 3
und Schaufelfuß 4 sind im allc-emeinen bereits Fertig-- bearbeitet,
beispielsweise durch Fräsen, Schleifen oder Räumen, so daß das auf elektrochemischem
Wege zu bearbeitende Schaufelblatt 5 eine definierte Lage relativ zu den
AullageklÖtzen einnimmt. Mit Hilfe von zwei Spanneleinenten 6 wird die Schaufel
in dem Werkzeug geklemmt. Die soweit beschriebene Vorriätung und das Werkstüci werden
ganz oder beilweise durch eine Maske 13 abGedeckt, durch die für die ElektrolytlÖsung
definierte Strömuaigsbedin"#ungen geben werden und die ein Austreten der Elel-,troly-blÖsunL;
verhindert. In eine Öffniuag der Maske tauchL- (lie Werkzeugelektrode 12.ein, die,wie
aus Fig. 1
ersichtlich, eine Oberffäche aufweist, die ein Abbild der Gewünschten
Oberfläche des Werkstückes ist. Zwischen
d er WerkzeuGelektrode
12 und dem Werkstück #,jird während der Bearbeitung ein Bearbeit-unGsspalt
7 eingehalten, durch den die Elektrolytlösung hindurchströmt.
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Nimmt man zunächst an" daß die Schaufel auf der der Bearbeitungsseite
ge.-.enüberliegenden Seite nicht aJogestützt ist') so wird sie sich anf-rand des
Druckes Cier Elektrolytlösung im Bearbeitungssl)alt
7 entsprechend Jer strichpunktierten
Linie während des Bearbeitung-svorganres durchbiegen, wobei die Durelibie#-,img
im allgeneinen im elastischen Bereich bleib-,O. Am ]&lde der Bearbeitun,#r -Lodert
die Schaufel zurück. was züi einem i*£-aß-L'ehler führt, CI.h. im all-eraeinen v-eist
die Schaufel in der 1-.#itte des i3,lattes eine au-L-'. Grundsät--lich wäre es den#--b,tLr,
die Werkzeu eleiZtrode so zu übE der
und hechnun cetrasen uird. De-- steht
jedoch im We:--»e, der im Bearbeitun--ssualt
7 in sl:-ir'--.z-e2,
7,aße von -verschie--enen j3earbeit-Lui#3,-zi)e#llin-7t.mj,e22-" wie j#5-n# lind
der, Zu beai#'t)e-i-*Üeni#,-ier-, ab-h-ängip# is-IL, da diese Grö-#.,en --le Arölze
ec zearbeitunt-ss-altes -beeinflussen.
zwischen Werh-zeugelektrode und WerkstÜck bein elektrocheraischen
Jenken, Diss. TH Aachen,
27.6.1965,
Seite Eine Veränderung des Bearbeitungsspaltes
bedeutet jedoch wied-er eine Änderung des Druckes (Bernoullische Gesetze) und danii-b
eine inderung der Durchbiegunß. In gleiche r Weise ändert eine Durchbieg-ung selbst
die Druckverhältnisse.
Es leuchtet daher ein, daß diese Zusanimenhänt,e sehr
korii-olexer Natur sind.
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In Cter Praxis ist man dem Prollem bisher i'n der Weise be-,##endeiner
Form r,-e--7ne-U, daß ran das Schaufelblatt f-, in ir", £!"alul jettoch nur dann
wirksam #:;ein, sie einstellbar isti du der Vorbearbeitun-s-,-,i.isüani Ues der
Vorfräsen, oder 1-,ließci# ist, keine holie aufweisen -'-,--ann. jUinliches #:#ilt
Zür die Llearbeitunt-(-ier zwel U-en Schaufelseite , wobei CLann die AbstÜtzunG
eben--Calls einstellbar sein ruß, ca (i.L#s vorher elektrocheinisch erz.73uute 1)rofil
"iiic-'o. rit Toler:-inzon behafbet ist.
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Ai;s #J-en GrÜndlen ist es #-Iiißer#*t'eni zweckmäßig, 121.g# Gch,
Jel -in mehreren l' ur d-ten uiu die durch 1)edi#-li#--,te Ylächenbelastung in
mö,--lIchst
ähnlicher il'orm zu k-ompensieren. Dabei muß jeder einzelne Abs-bäbzpunk-U fär
sich einstellbar sein. ,Dadurch wir(--'L die Einsbellung zeibraubend un(1-
unwirtschaftlich Ein zweites Probler,-i, daß sieh be-.i. der Be#urbeitunU dünnwandiger
Ileile und insbesondere auch bei Ilurbinenscha-ufeln ist die Stroritzu-fuhr au-'L'
das WerkstjÜck. Da bei der elektrochemischen .6eai!beibuii#,# Stromdichten von
100 A/CLI und mehr aufbreten können, ist beispielsweise zur Le-2 arbeitun,'
einer Fläche von 100 cm ein Strom von 10.000 A
C) erforderlich. Ströme
dieser GrÖßenordnun- treten schon bei Schaufeln auf, deren Blätter ca. l#G-0 mr,
laiv- und ca. 60 mri breib sin(i, wobei die Diche Blatbes nur weniGe Hillimeter
betra#;en kann. m#u-i die scIdechte elektrische Leibfähigkeit der für infraf-e kommen-,-ten
Werks-bofi-e" so scheidet im eine ""troin,#,.lufulir über den l"'o-r)f bzw. .11U
der Der Sbrom muß dann über entsprechende Kon-b#il#--hvorrichtiin#Seil von der Rückseite
des ichaufelblattes her erfolGen, wobei die kontaktfläche MöGlich.st uroß und der
ausreichend-sein muß. Dabei ist es zweckmäßig, die l#onU-,.tl"tflc-iclie in Einzel-Ckflächen
aufzuteilen, um die Anzuhl der honüal-,tpunk-be zu erhöhen und damit den -Über,r#-anGswidersU-and
gerin-; zu halten.
-üii,-f-,nüi#en#te i#-.ontaktf-abe bedeutet;
eine Örtliche ErhitzunL," des WerkstÜckes, die züi Brandstellen, Versch#qeill.i.in,-1(--n
un#, züi einer Örtlichen Abtragsverr.,tindeiun,;- am Work-stück führen kann. BisheMrden
zur £,#oh-tak-b#;abe federnde", iiit2chanisoli an--e-orefz'-te Kontaktelomente verwendet..
Der zur Äonbcü-,-U-,-.,abe erforderliche Druck, wird das W#-rks-t-üc#j#--9# im Beispiel
die Schaufel, ebenfalls ci.urchbie-,en-" und zwar im all"»ei.-ie-.*Lnen entgegen
der durch den Elektrolybdruck verursachtlen 1)ureilbie"#-tm--. Dabei ist edoch nicht-
zu erwarben, daß sich die Durchbie-ungen aufheben.
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Wer-en der vorstehend besprochenen Problerie Lonnten b--i-si-,er mir
solci-le i#-,rbinenschaiifeln mit ausreichender ihrer t#Lbbearbeitet werden -.ie
auzrrun,-U r.,iessun,;,en sehr steil' sind7 bei denen also das Verhältnis zwischen
Blat,-t#JA.cIce und ",roß ist und die Über relativ -,rof-'je -höpfe und l#Üße var-iüj-,-en",
über die (-ler 1j1,1101-1 zu,--eführt werden kann. Derarti ze Scilauf eln. finde-u
man vorwiegend in li'lu#-,-zeu-triebwer-ken..
nachsbehend besellrieben.
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Bei dem Werk-zeuU nach AU. 2 liei-t- die Gehaufel 5
1-D mit
1101)f und ##iß auf Auflageklötzen 9 auf, die mit- entsprechenden Ausnehmun-en
versellen sind. Die Werk"#eiiUelelz-brode 12 ist an einem Träzer befestigt, der
einen -D-efest-ipimtfsflanscl-10 aufweist, der an dem Vorsc-",i-Libl:op-i- der haschine
befestiE.--b ist. Der Träger weist weiter einen z#ODselmitt- 11 ui-i(1 einen
AbscImitt 111 auf, von denen der Abschnitt 111 i.,iit Icleinerei-,
DurcIniesser ausgebildet ist. A:u1' den -#"eiden #lrä,--erabseluiitten
11, 111 ist eine Werlzzeur'-,2asi:e l;; axiallverschieblich geführt.
'Die 119
111 b4ilden dabei einen r#iii eineE#-', wirksamen bylinderraum
14, der Über einen 14-1 an eine Druckquelle ane#eschlossen ist, Iie die Pw!iie
für die der Elektrolz.#u1.3sun#-- sein kann. Unterhalb des Werkstüches ist ein mit
einem Ditickmitüelanschluß 191 vor-I-eselien, (3-,essen 1.o1ben eine steife Platte
16 -trä",-t, auf der ein fle:z-*-,-L-.,les 'u7#-iis"iienstück 17 befestic--b
ist, über das der D .%----Les Schab-Icolbentriebes 15 auf die Unterseite
des Werks-i".Ückes aufgebracht wird, wobei durch die Ylexibili'U-ä"u eine gleiclimäßi[,e
Kra-tverteilun, den, L _; erreiclit-, 7 J
flexiblen
FormstÜck 17 und dem WerkstÜck 5 sind zur Stromzuführung zum Werkstück
5 nebeneinander eine Mehrzahl von Kontaktbändern angeordnet, die vorzugsweise
aus Kupfergewebe bestehen.
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Das Werkzeug nach Fig. 2 arbeitet wie folgt. Das Werkstück
5 wird in das Werkzeug eingelegt und dann Über den nicht dargestellten bekannten
Vorschubantrieb die Elektrode 12 auf das Werkstück zu gefahren. D-bei wird die Werkzeugmaske
13 mitgeführt und drücktmit entsprechend.ausgebildeten Randstellen auf Fuß
bzw. Kopf des WerkstÜckes
5,
Nach EinschaltÄt der Pumpe für die ElektrolytlÖsung
wird auf die Ringfläche des Ringraumes 14 eine Kraft K
3 erzeugt, die die
Schaufel für die Dauer der Bearbeitung in den Sitz der Aufla-eklötze
9 preßt.
Gleichzeitig a oder auch zeitlic-h ver.-ö--ert wird der Schubkolbentrieb
1 mit Dniel 1-)
5
be2ufschla,#,-t, wordurch die Kontaktbänder
18 gegen die Unters-eite der Schaufel iepreßt werden, wobei gleichzeitig
die en#rUnschte 'tbs-bÜtzunC, des WerkstÜckes und der not-. -vrendir,-o Kontaktdruck
erzielt wird. Dieser Über den Selli-I#.bholbentrieb
15 auf j-ebrachten Kraft
K 2 wirkt die Kraft
Für den Fall, daß die Druckverhältnisse im Bearbeitungs-,spalt
7 bekannt sind und als konstant angesehen werden können, kann die Kolbenfläche
des Schubkolbentriebes
15
so dimensioniert werden, daß die durch die Kraft
K
1
dargestellte Flächenbelastun- durch die Kraft K korapen-U 2 siert wird.
Die Schaufel kann sich damit während der Bearbeitung nicht mehr durchbiegen.
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Der durch den Werkzeugelekbrodenträger und die Werkzeugmaske gebildete
Schubkolbentrieb, mit dem Hingzylinderraiu!i 14 und der Schubkolbentrieb
15 können von der Ptunpe beaufschlagb werden, die (.tie Elektroly-blös-Lm,#,
durch den Bearbeitungsspalt 7 dräcl#-b. Durch Druckminderventile in den Leitungen
zu den beiden genannten Schublulbentrieben lassen sieh Kräfte K und E einstellen.
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2 Bei Bearlbeitungsfällen, bei. denen sich der Druck im 3earbeitun,-sspalt
im Laufe der Dearbeitung ändert, kann der Druck in dem. Schiibkolbentrieb
15 entsprechend nach-estellt werden. Dies kann von Hand geschehen. Zweckmäßi--er
ist; jedoch eine automatische Anpassung, wie sie in den 2ig. 4 und
5 dargestellt
ist. B#21 den AusfÜlirungeformen nach den Fig. 4 und
5 sind in der dem Bearbeitungsspalt
2 zugewandten Oberfläche der Werkzeutrelektrode 12 Meßb04ingen
19
angeordnet, deren Durchinesser nur einige 10/Mill:Liiieber
zu
betragen braucht. Diese ließborbungen
19 münden in eineia Sammelkanal 20,
in dem sich ein mittlerer Druck aus den EinzeldrÜcken der rießbohrungen ausbildet',
der über eine Vi.-rbindungsleitung 22 mit dem Zylinderraum 21 des Schubkolbentriebes
15 verbung6n ist, wobei in der Leitung 22 als Dämpfungsmittel eine Drossel
23 angeordnet sein kann.
zu be-bra.#en braucht, treten bei der Learbeitun- nur unerhebliche punktförmige
Whöhunr;en att--L' Jer bearbeiteten jjcllaufeloberfläche auf, C-Lie in Lauf #-enommen
werden können.
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Durch die beschriebene Anordnung ist der Druck in Ctent Schubholbentrieb
15 jeweils gleich dem mittleren Druck ipl ;-# -.- -DearbeitungssPalt
7. Gleiche Flächen voraus#,esetzt, befinden sich damit die aul: das WerkstÜck
wir-#-enden Ilräfte im Gleichvewicht. Eine lkirchbieGung ist somit aus-Geschlossen.
Die beschriebene Anordnung stellt einen Regelkreis dar.
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Zur Verbesserun#j des ReUelverhaltens und zur ErzielunG einer allgemeineren
Anwendbarkeit kann die Anordnung nach Yig. 4 in der in FiG. 5 dargestellten
Weise weiter ausgestaltet werden. Bei der AusIhrung nach Fig. 5 wird der
mitUere
Druck, der sich in dem Sammelkanal 20 der Werkzeugelektrode ausbildet, über eine
Leitun- 2-5, einerl Regler 27 als FührungsGröße zugeführt. Vor #ei:i Regler
steht in einer Diuckleitiu-iG 24 ein 11.-onstanter Druck F
an, der Über den
in der Leitung 25 anstehenden Druck 2
auf einen Druck F 2 eingestellt
wird, der über die Leitung 26 im Zylinderraum 21 des Schu'Pkolbentriebes
15 ist. Der Regler kann in bekannter Weise in seinem Regelverhalten, z.B.
in Bezus auf die Dämpfung und Verstärkung, einstellbar sein. Mit'Hilfe des Regelers
läßt sich dabei jede gewünschte Abhängigkeit zwischen den Kräften 1'.'i und
h 2 herstellen. Es ist also nicht mehr notwendigg die BeaufscILlaß-wigsfläche
des Schubkolbentriebes 15 Bleich der Beaufschlagungsfläche des Werkstückes
auszuführen.