DE1936235C3 - Verfahren zum elektrochemisch abtragenden Bearbeiten von Werkstücken - Google Patents

Description

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Die ErfinduLj bezieht sich auf ein Verfahren zum elektrochemisch abtragenden Bearbeiten von Werkstücken mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Bei herkömmlichen elektrochemischen Abtragungsverfahren wird ein Arbeitsspalt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück ständig mit einem geeigneten Elektrolyten durchspült Das Werkzeug ist dabei an den negativen und das Werkstück an den positiven Pol einer Stromquelle angeschlossen. Während der Bearbeitung wird im Werkstück eine Negativform des Werkzeuges durch anodische Auflösung des Materials ausgebildet

Bei neueren Verfahren wird als Bearbeitungsmedium ein mit Gas zu einer stabilen Mischung gemischter Elektrolyt verwendet, wobei die Mischung in ihrem gesamten Volumen praktisch gleiche elektrische Leitfähigkeit aufweist Um die Kopiergenauigkeit auch bei komplizierteren Werkzeugforraen zu erhöhen, wird als Bearbeitungsmedium auch ein unstabiles Elektrolyt-Gasgemisch benutzt, das während des Bearbeitungsvorganges kontinuierlich dem Arbeitsspalt zugeführt wird. Dabei verringert sich jedoch die Bearbeitungsgeschwindigkeit auf etwa '/3 der bei einer Bearbeitung mit einem Elektrolyten erreichbaren Geschwindigkeit Diese Verringerung ist auf die insgesamt geringere spezifische Leitfähigkeit und damit auf die verminderte gesamte Stromintensität zurückzuführen, auch wenn die sonstigen Betriebsparameter, wie Spannung, Elektrolyttemperatur, spezifische Abtragung u. dgL konstantgehalten werden. *°

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur elektrochemisch abtragenden Bearbeitung von Werkstücken aufzuzeigen, bei dem unter Beibehaltung der durch ein zweiphasiges Bearbeitungsmedium erzielbaren hohen Kopiergenauigkeit die Bearbeitungsgeschwindigkeit den höheren, bei Verwendung von einphasigem Bearbeitungsmedium erzielbaren Werten möglichst weitgehend angenähert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Es ist zwar bereits ein Verfahren zum elektrischen Bearbeiten bekannt (GB-PS 1032 799), das hohe Abtragungsgeschwindigkeit einerseits und hohe Abbildungsgenauigkeit andererseits dadurch vereint, daß zur aufeinanderfolgenden elektrochemischen und funkenerrosiven Bearbeitung der Arbeitsspalt nacheinander mit einer elektrolytischen und mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllt wird. Dabei wird also nicht nur das Bearbeitungsmedium, sondern auch noch der Abtragungsvorgang gewechselt Beim Erfindungsgegenstand handelt es sich jedoch um ein rein elektrochemisches Verfahren, bei dem lediglich das den Arbeitsspalt zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug erfüllende Bearbeitungsmedium periodisch und kontinuierlich geändert wird, wobei die Vorschubgeschwindigkeit, d. h. die Relativgeschwindigkeit zwischen der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstückes und dem Formwerkzeug, konstant bleibt und vorzugsweise größer als die zur Ausbildung einas gleichbleibend großen Arbeitsspaltes führende Vorschubgeschwindigkeit ist

Bei gleichzeitiger Beibehaltung der mit Gas-Elektrolyt-Gemischen erzielten Kopiergenauigkeit kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit auf annähernd ⁴A der mit einem reinen Elektrolyten erzielten Searbehungsgeschwindigkeit angenähert: werdea Die Größe des Arbeitsspaltes verringert sich dabei auf V₃ bis auf ¹A₅ der bei Verwendung von flüssigen Elektrolyten eingehaltenen Abmessungen, so daß auch scharfe Kanten und Vorsprünge mit hoher Kopiergenauigkeit herausgearbeitet werden können. Die notwendige Elektrolytmenge ist gegenüber herkömmlichen Verfahren wesentlich geringer — in einigen Fallen bis zu 90%. Durch die abwechselnde Spülung des gesamten Arbeitsspaltes mit unterschiedlichen Bearbeitungsmedien sinken auch die Spannungsverluste, die bei herkömmlicher elektrochemischer Bearbeitung mit einer Verkleinerung des Arbeitsspaltes steil anwachsen. On weiterer Vorteil liegt in dem Erhalt von glatten Oberflächen, die keine Stromlinien- oder terrassenförmigen Kavitationen aufweisen, welche auf ungünstige Strömungseinflüsse zurückzuführen sind.

Im folgenden wird ein herkömmliches elektrochemisches Bearbeitungsverfahren sowie die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung eines elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens mit einer unstabilen Elektrolyt-Gas-Mischung als Arbeitsmedium ^:n herkömmlicher Arbeitsweise,

Fig.2 eine derjenigen nach Fig. 1 gleiche Vorrichtung in der Durchführung des erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens,

F i g. 3,4 die Vorrichtung nach F i g. 2 in unterschiedlichen Betriebszuständen.

Die in der Zeichnung dargestellte Bearbeitungsvorrichtung enthält ein hohles Formwerkzeug 11 mit einer Abtragungsplatte 12 sowie ein Düsensystem 54,55, über das gesondert der Elektrolyt 30 durch eine Leitung 52 und das Gas 40 durch eine Leitung 51 in die Mischkammer 57 eines Mischers 56 eingeführt wird. In einem Gehäuse 50 des Düsensystems ist eine zylindrische Kammer 53 ausgebildet, die in einen unteren Kegel 55 übergeht Zentral in diesem Kegel 55 ist eine Ausflußdüse 54 angeordnet, die mit der Elektrolytleitung 52 verbunden ist und deren Mündung in der Ebene

des engsten Kegelquerschnittes liegt An dem Kegel 55 ist der Mischer 56 angeflanscht, der aus einem zylindrischen Teil 57 und einem sich konisch erweiternden, als Diffusor wirkenden Teil 58 besteht Der untere Flansch des Mischers 58 ist mit dem Werkzeug 11 fest verbunden. Die Stirnfläche 13 der Werkzeugscheibe 12 ist eben und wirkt zusammen mit der Umfangsfläche 14 als Kopierfläche. In der Elektrolytleitung 52, der Gasleitung 51 und in dem hohlzylindrischen Teil 16 des Werkzeuges ist je ein Manometer 63,62,60 angeordnet

In der Zeichnung sind der reine Elektrolyt gestrichelt und die sich durch den Einfluß des zugeführten Gases 40 bildenden Tröpfchen 31 als Punkte eingezeichnet Das Werkzeug 11 besteht in der Rege! aus Kupfer und ist an dem negativen Pol einer Stromquelle angeschlossen, deren positiver Pol mit dem Werkstück 20 verbunden ist

Bei dem in Fig I dargestellten bisherigen elektrochemischen Bearbeitungsverfahren unter Verwendung einer unstabilen Mischung aus Gas und Elektrolyt wird der Elektrolyt 30, z.B. eine SOSfeige'NatrnimnitratJösung, in die zylindrische Mischkammer 57 linear einem größeren Druck als das Gas 40, ζ. R mit Stickstoff und Kohlenoxyden angereicherte Luft, eingeführt Dabei ist das unter Normalbedingungen in die Mischkammer einströmende Gasvolumen 40 um ein Vielfaches größer als dasjenige des Elektrolyten 30, wobei das Düsensystem 54,55 und der Mischer nicht als Ejektor mit Gas als Treibmedium wirken.

Bei der bekannten Verfahrensführung wird das Düsensystem zusammen mit dem Werkzeug U mit einer Geschwindigkeit Si vorgeschoben, die der Materialabnahme am Werkstück 20 entspricht Bei einer geeigneten gleichbleibenden Vorschubgeschwindigkeit stellt sich inzwischen der abzutragenden Werkstfickfläche 22 und der Bearbeitungsfläche 13 des Werkzeuges 11 ein konstanter Arbeitsspalt 21 ein. Wird bei dieser Verfahrensführung die Vorschubgeschwindigkeit unter sonst unveränderten Bedingungen erhöht, dann füllt sieh der Arbeitsspalt 21 mit einem Oberschuß an reinem Elektrolyt 30, der auch das hohle Mittelstück 16 des Werkzeuges ausfüllt Aufgrund der gegenüber Gas höheren Viskosität des Elektrolyten sinkt die Strömungsgeschwindigkeit im Arbeitsspalt so weh, daß sich auch die Bearbeitungs- bzw. die Abtragungsgeschwindigkeit auf einen kritischen Wert verringert

Bei der in den F i g. 2 bis 4 dargestellten Durchführung des erfindungsgemftBen Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, die weitgehend derjenigen nach F i g. 1 entspricht Ein wesentlicher Unterschied liegt jedoch darin, daß der Elektrolyt 30 mit einem geringeren Druck als das Gas 40 zugeführt wird, so daß am Obergang des Kegels 55 in den zylindrischen Teil 57 des Mischers 56 eine Ejektorwirkung mit Gas als Treibmedium entsteht Ein weiterer wesentlicher Unterschied der Verfahrensführung liegt in einer Vergrößerung der Vorschubgeschwindigkeit des Düsensystems und des Werkzeuges 11 auf den Wert S₂, z. B. auf das Zweifache gegenüber der Geschwindigkeit Si gemäß der bekannten Verfahrensführung nach F i g. 1. Zu Beginn der Bearbeitung und bei Änderungen der Vorschubgeschwindigkeit und des Druckes vollzieht sich die Materialabtragung in einer der F i g. 1 ähnlichen Weise, die in F i g. 2 dargestellt ist

Durch die höhere Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeuges 11 verkleinert sich der Arbeitsspalt 21 und wird in steigendem Maße mit flüssigem Elektrolyt 30 gefüllt, da die Elektrolyttropfen weniger beweglich sind als das Gas und deshalb in dem kleiner werdenden Arbeitsspalt zunehmend »hängen bleiben«. Aufgrund der damit eintretenden Wirkung als Flüssigkeitsdichtung steigt der Druck des Gases im hohlen Werkzeugteil 16 auf den vom Gasmanometer 62 angezeigten in der Gasleitung 51 herrschenden Gasdruck. Dieser erhöhte Drude, der erfindungsgemäß höher als der Förderdruck in der Elektrolytleitung 52 (Manometer 63)

is ist, wirkt auch auf das freie Austrittsende der Düse 54 (Fig.3) und führt zu einer Unterbrechung der Elektrolytströmung. Bei diesem in F i g. 3 dargestellten Zustand werden aufgrund der erhöhten elektrischen Leitfähigkeit im Arbeitsspalt 21 relativ große Materialmengen an den Bearbeitungsflächen 22 des Werkstücks 20 abgetragen. Diese höhere Abtr&gungsleistung hat eine Erwärmung des Elektrolyten und eine Verringerung seiner Viskosität zur Folge. Diese Viskositätsabnahme zusammen mit der vergrößerten Materialabtragung an der Werkstückoberfläche und dem Druckanstieg im hohlen Mittelteil 16 des Werkzeuges U bewirken gemeinsam, daß der Elektrolyt 30 aus dem Arbeitsspalt 21 herausgedrückt wird.
Mit dem Herausdrücken des flüssigen Elektrolyt 30 aus dem Arbeitsspalt 21 ändern sich die Druckbedingungen im hohlen Mittelteil 16 des Werkzeuges 11 sowie im Mischer 56 vollständig. Wie in F i g. 4 gezeigt, strömt in diesem Zustand vorwiegend Gas durch den Arbeitsspalt 21, wodurch der Gasdruck im hohlen Werkzeugteil 16 sowie im Mischer 56 schnell unter den Förderdruck des Elektrolyten abgesenkt wird. Der Kegel 55 und die darin zentral angeordnete Elektrolytdüse 54 wirken als Ejektor für den Elektrolyt 30, der in Form von Tröpfchen 31 zusammen mit dem Gas im Mischer 56 und anschließend in den hohlen Mittelteil 16 des Werkzeuges 11 einströmt In der Periode der Gasfüllung des Arbeitsspaltes 21 sinkt die Abtragungsleistung bei gleichzeitiger Erhöhung der Kopiergenauigkeit aufgrund des kleiner werdenden Arbeitsspaltes. Dieser kleinere Arbeitsspalt hat wiederum eire nachfolgende Überflutung mit flüssigem Elektrolyten von anfangs höherer Viskosität zur Folge, woraufhin die anhand der Fig.3 beschriebenen Vorgänge wieder ablaufen. Insgesamt wird durch die gegenüber der bekannten Verfahrensführung erhöhte konstante Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeuges der Arbeitsspalt bis auf V₃ und Vis der üblichen Dimensionen verringert, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, auch bei erhöhter liopiergenauigkeit große Abtragungsleistungen zu erzielen.

Die sich durch die periodischen Wechsel der Bearbeitungsmedien und ihrer unterschiedlichen Strömungseigenschaften möglicherweise ergebenden ungleichmäßigen Beaufschlagungen des gesamten Arbeitsspaltes mit dem Gas bzw. dem Elektrolyt können durch entsprechende Formgebungen des hehlen Mittelstückes 16 des Werkzeuges 11 vermieden wenden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

PatentansprOche:

1. Verfahren zum elektrochemisch abtragenden Bearbeiten von Werkstücken, bei dem unter konstanter Vorschubgeschwindigkeit der Arbeits- s spalt zwischen dem Werkzeug und dem Werktstück mit zwei Bearbeitungsmedien von unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit durchspült wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsspalt periodisch abwechselnd mit einem Bearbei- to tungsmedium höherer elektrischer Leitfähigkeit und mit einem Bearbeitungsmedium niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit gefüllt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bearbeitungsmedien Mischungen <⁵ von Elektrolyt und Gas in zyklisch wechselndem Mischungsverhältnis verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischungen in einem Ejektor hergestellt werden, in den das Gas unter höherem Druck als der Elektrolyt eingeführt wird, und daß die Vorschubgeschwindigkeit größer als die zur Ausbildung eines gleichbleibend großen Arbeitsspaltes führende Geschwindigkeit ist und die zyklische Änderung des Mischungsverhältnisses im ^Μ Arbeitsspalt bewirkt