DE19641273C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen strukturierter Oberflächen, insbesondere an zylindrischen Walzen - Google Patents

Description

Verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zum Strukturieren einer Oberfläche, insbesondere an einer Walze, sind bekannt.

Bei einem bekannten Verfahren (EP 0 076 149 B1) befinden sich beide Elektroden (Werkzeugelektrode und zu strukturierende Oberfläche) in einem Tauchbad mit einer nichtleitenden Flüssigkeit. Als nachteilig wird bei einer solchen Vorrichtung und einem solchen Verfahren unter anderem angesehen, daß die Werkzeugelektrode und die zu strukturierende Oberfläche, zwischen denen repetierend elektrische Entladungen stattfinden, einen sehr kleinen Abstand haben müssen, der unter anderem wegen des Elektrodenverschleißes der Werkzeugelektrode zur Erhaltung konstanter Entladungsbedingungen ständig nachgeregelt werden muß. Nachteilig ist ferner, daß die Flüssigkeit auf aufwendige Art und Weise gereingt werden muß, weil in der Flüssigkeit befindliche Partikel den engen Spalt leicht kurzschließen und den gewünschten Entladungsablauf dann empfindlich stören. Aus den genannten Gründen läßt sich eine hohe Qualität der Oberflächenstruktur, die wesentlich von der Reproduzierbarkeit der elektrischen Entladungen abhängt, mit dem bekannten Verfähren nur unvollkommen beziehungsweise nur mit hohem Aufwand erreichen.

Bei einem anderen Stand der Technik (US 4,491,714 A) sind ein Werkzeug und ein zu bearbeitendes Werkstück stationär zueinander angeordnet. Über eine Zuleitung im Werkzeug wird in einen Bearbeitungsspalt zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug eine wässrige Lösung eingebracht, so daß wie beim vorigen Stand der Technik die Entladungsstrecke homogen mit Flüssigkeit ausgefüllt ist. Die Besonderheit der wässrigen Lösung besteht darin, daß in ihr komprimierte Luft gelöst ist.

Ausgehend vom Stand der Technik der eingangs genannten Art betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen strukturierter Oberflächen, insbesondere an zylindrischen Walzen, bestehend aus einer Stromquelle, zwei daran angeschlossenen Elektroden, von denen die eine von der zu strukturierenden Oberfläche gebildet wird und die andere als Werkzeugelektrode ausgebildet ist und mit der einen eine elektrische Entladungsstrecke bildet, und aus einem Antriebssystem, das eine der beiden Elektroden an der anderen vorbeibewegt, wobei zur Zündung der aus der Stromquelle gespeisten Stromimpulse eine separate Hochspannungsquelle einen Zündimpuls liefert.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Herstellen strukturierter Oberflächen, insbesondere an zylindrischen Walzen, mit elektrischen Entladungen in Form von Stromimpulsen, die durch unabhängig von diesen erzeugte Hochspannungsimpulse gezündet werden und eine Entladungsstrecke zwischen der als Elektrode wirkenden, zu strukturierenden Oberfläche und einer weiteren relativ zur Oberfläche bewegten anderspoligen Elektrode durchlaufen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen strukturierter Oberflächen, insbesondere an zylindrischen Walzen, zu schaffen, mit der beziehungsweise mit dem verbesserte Ergebnisse beim Strukturieren erzielt werden. Insbesondere soll der Aufwand für den Betrieb der Vorrichtung und die Durchführung des Verfahrens im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen und Verfahren kleiner sein.

Diese Aufgabe wird bei der vorgenannten Vorrichtung dadurch gelöst, daß die Entladungsstrecke sich aus einer Gasstrecke und einem Flüssigkeitsfilm auf der zu strukturierenden Oberfläche zusammensetzt, wobei der zu strukturierenden Oberfläche für den Flüssigkeitsfilm eine Benetzungsvorrichtung vor der Entladungsstrecke zugeordnet ist.

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Entladungsstrecke aus einem isolierenden, auf der zu strukturierenden Oberfläche vor der Entladungsstrecke aufgetragenen Flüssigkeitsfilm und einer Gasstrecke besteht.

Durch die Splittung der Entladung in zündende Hochspannungsimpulse und in Stromimpulse, deren Amplitude und Dauer fest vorgegeben werden können, wodurch die Steuerung des Energieeintrages pro Einzelentladung ermöglicht und reproduzierbar gemacht wird, werden verbesserte Ergebnisse beim Strukturieren der Oberfläche erreicht. Der Stromimpuls kann in Dauer und Amplitude dadurch einstellbar gemacht werden, daß die Kapazität und Ladespannung eines die Stromquelle bestimmenden Kondensators ausgewählt wird. Auch ist es nicht länger erforderlich, einen sehr kurzen Abstand zwischen den Elektroden zu wählen, weil die zündenden Hochspannungsimpulse auch große Entladungsstrecken überwinden können. Ist die Zündung einmal erfolgt, dann kommt es auf die Spannung nicht mehr, sondern vielmehr auf den Stromfluß an.

Die Erzeugung der Hochspannungsimpulse läßt sich durch Entladen eines aufgeladenen kapazitiven Energiespeichers über einen Halbleiterschalter in die Niederspannungswicklung eines Hochspannungsübertragers verwirklichen. Hochspannungsseitig steigt die Spannung dann innerhalb weniger Mikrosekunden auf hohe Werte, so daß die dort angeschlossene Entladungsstrecke sicher zündet. Sobald sich ein leitfähiger Kanal in der Entladungsstrecke ausgebildet hat, erfolgt die Stromzufuhr aus der Stromquelle, zum Beispiel über eine entkoppelnde Diode, die den Hochspannungsimpuls sperrt, aber die Stromzufuhr zu der Entladungsstrecke ermöglicht.

Nach einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung setzt sich die Entladungsstrecke aus einer Gasstrecke und einem Flüssigkeitsfilm auf der zu strukturierenden Oberfläche zusammen, wobei der zu strukturierenden Oberfläche für den Flüssigkeitsfilm eine Benetzungsvorrichtung vor der Entladungsstrecke zugeordnet ist. Diese Ausgestaltung bringt vor allem den Vorteil einer verminderten Erosion am Werkzeug.

Wenn die Benetzungsvorrichtung aus einer Tauchwanne besteht, kann die Gasstrecke der Entladungsstrecke dadurch verwirklicht werden, daß die Elektroden außerhalb der Tauchwanne angeordnet sind. Alternativ können die Elektroden aber auch in der Tauchwanne angeordnet sein. In diesem Fall wird die Gasstrecke dadurch verwirklicht, daß insbesondere mit den Elektroden kombinierte Gasdüsen vorgesehen sind, die Gasbläschen in die Entladungsstrecke fördern.

Als günstige Länge für die Entladungsstrecke haben sich 0,25 bis 5 mm herausgestellt.

Die Vorrichtung bietet die Möglichkeit, die Art der Strukturierung in weitem Umfang zu beeinflussen. Dies kann nicht nur über die Amplitude und die Dauer der Entladungsimpulse, sondern auch über die Polarität der Elektroden und die Impulswiederholungsfrequenz geschehen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Werkezeugelektroden vorgesehen. Jeder dieser Elektroden ist dann eine eigene Stromquelle zugeordnet. Die Zündung kann aber gemeinsam aus einer Hochspannungsquelle erfolgen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Werkzeugelektroden, also die Elekroden, die nicht mit Flüssigkeit benetzt werden, aus einzelnen Stegen mit dazwischen angeordneten schrägen isolierenden Schlitzen bestehen. Vorzugsweise bestehen sie aus abbrandfestem Material, wie zum Beipiel Kuper- Wolfram-Sintermaterial.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1a, b Vorrichtungen zum Texturieren der Oberfläche einer Walze in schematischer Darstellung,

Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Fig. 1a mit einer detaillierter als in Fig. 1 dargestellten Stromquelle und Zündeinrichtung und

Fig. 3 unterschiedliche Phasen einer elektrischen Impulsentladung bei der Vorrichtung nach Fig. 1.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1a weist eine Tauchwanne 1 auf, die mit einer isolierenden Flüssigkeit 2 gefüllt ist. In die Flüssigkeit 2 taucht eine Walze 3 aus Metall mit einer zu strukturierenden Oberfläche 3a ein. Die Walze 3 wird von einem nicht dargestellten Antrieb gedreht. Dabei nimmt sie einen Flüssigkeitsfilm 4 auf ihrer Oberfläche 3a mit. Die Walze 3 bildet mit ihrer Oberfläche 3a eine Elektrode und ist deshalb über eine Leitung 5 mit einer Stromquelle 6 und einer Zündeinrichtung 7 verbunden. Eine ebenfalls an der Stromquelle 6 und der Zündeinrichtung 7 angeschlossene anderspolige längliche Elektrode 8 ist mit Abstand von und parallel zu der Walze 3 und über ihr angeordnet, so daß eine aus einer Gasstrecke und einer Flüssigkeitsstrecke kombinierte Entladungsstrecke 9 gebildet wird. Mehrere solcher Elektroden 8 können, wie in der Zeichnung gestrichelt angedeutet ist, über der Walze 3 angeordnet sein. Da die einzelnen Elektroden 8 in der Regel nicht die volle Länge der zu strukturierenden Oberfläche 3a der Walze 3 überdecken, sind mehrere axial versetzte Elektroden vorgesehen. Soll die gleiche Struktur über die gesamte Länge erzielt werden, sind diese Elektroden gleichartig angeordnet und werden von gleichartigen Stromquellen beaufschlagt. Sofern aber unterschiedliche Effekte erzielt werden sollen, zum Beispiel eine einer groben Struktur überlagerte Feinstruktur, wird man verschiedenartige Elektroden einander überlappend anordnen und aus verschiedenartigen Stromquellen unterschiedlich speisen. Alternativ kann, wie in Fig. 1b dargestellt, die Entladungsstrecke 9 vollständig mit einer isolierenden Flüssigkeit 2 gefüllt sein. Zur Reduzierung der zum Zünden erforderlichen Spannung können über eine Düse 10, die in der Elektrode 8 integriert ist, Gasbläschen befördert werden. Auch bei dieser Vorrichtung können mehrere solcher Elektroden 8 in Parallelschaltung vorgesehen sein.

Bei der in Fig. 2 in elektrischer Hinsicht detaillierter dargestellten Zeichnung weist die Stromquelle 6 einen Kondensator 6a und eine Stromquelle 6b zum Aufladen des Kondensators 6a auf. Der Kondensator 6a kann über eine Diode 10 und über die Entladungsstrecke 9 zwischen der Walzenoberfläche 3a und der Elektrode 8 entladen werden. Zur Auslösung des Entladevorgangs dient die Zündeinrichtung 7, die einen Kondensator 7a und einen Spannungstransformator 7b hat. Der Kondensator 7a wird von einer nicht dargestellten Stromquelle aufgeladen. Jedesmal, wenn ein Schalter 7c geschlossen wird, wird ein Hochspannungsimpuls über eine Diode 11 an die Entladungsstrecke 9 angelegt. Dieser Impuls ist so groß, daß es hier zu einem Überschlag kommt, der die Entladung des Kondensators 6a der Stromquelle 6 auslöst. Die Diode 10 schützt die Stromquelle vor den zündenden Hochspannungsimpulsen, erlaubt aber die Entladung des Kondensators 6a. Mit der Entladung des Kondensators 6a ist der Stromimpuls beendet, und die Vorrichtung steht für einen neuen Stromimpuls zur Verfügung.

In Fig. 3a ist die Phase des Anlegens des Zündimpulses zum Zeitpunkt t₁ dargestellt. In Fig. 3b ist der Zeitpunkt t₂ des Zündens und des Beginns der Entladung des Kondensators 6a dargestellt. In Fig. 3b ist der Zeitpunkt t₃ für den maximalen Stromfluß während des Entladevorgangs dargestellt, bei dem Material durch Verdampfen von der Oberfläche abgetragen wird. In Fig. 3d ist der Zeitpunkt t₄ am Ende des Entladevorgangs dargestellt. Fig. 3e zeigt den Zeitpunkt t₅ in der Phase zwischen zwei Entladungen.

Es versteht sich, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren die Struktur der Oberfläche in weiten Grenzen variiert werden kann, indem Einfluß auf die Amplitude des Entladestroms zum Zeitpunkt t₃, auf die Dauer des Entladevorgangs in der Zeit von t₂ bis t₄, und auf die Wiederholfrequenz der Impulse genommen wird.

Claims (16)

1. Vorrichtung zum Herstellen strukturierter Oberflächen, insbesondere an zylindrischen Walzen (3), bestehend aus einer Stromquelle (6), zwei daran angeschlossenen Elektroden (3a, 8), von denen die eine (3a) von der zu strukturierenden Oberfläche gebildet wird und die andere als Werkzeugelektrode ausgebildet ist und mit der einen eine elektrische Entladungsstrecke (9) bildet, und aus einem Antriebssystem, das eine der beiden Elektroden (3a) an der anderen vorbeibewegt, wobei zur Zündung der aus der Stromquelle (6) gespeisten Stromimpulse eine separate Hochspannungsquelle (7) einen Zündimpuls liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsstrecke (9) sich aus einer Gasstrecke und einem Flüssigkeitsfilm (9) auf der zu strukturierenden Oberfläche (3a) zusammensetzt, wobei der zu strukturierenden Oberfläche (3a) für den Flüssigkeitsfilm eine Benetzungsvorrichtung (1, 2) vor der Entladungsstrecke (9) zugeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Benetzungsvorrichtung (1, 2) aus einer Tauchwanne (1) besteht, durch deren Flüssigkeit (2) die zu strukturierende Oberfläche (3a) läuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Benetzungsvorrichtung Sprühdüsen aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Tauchwanne (1) eine oder mehrere vorzugsweise mit der oder den Elektroden (8) kombinierte Düsen vorgesehen sind, die in die mit Flüssigkeit aufgefüllte Entladungsstrecke (9) Gasbläschen einbringen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsstrecke (9) eine Länge von 0,25 bis 5 mm hat.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündspannung einstellbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholungsfrequenz der Stromimpulse einstellbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Werkzeugelektroden (8) vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugelektrode (8) aus gegeneinander isolierenden Stegen mit schrägen Schlitzen besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Werkzeugelektrode (8) eine eigene Stromquelle zugeordnet ist.

11. Verfahren zum Herstellen strukturierter Oberflächen, insbesondere an zylindrischen Walzen, mit elektrischen Entladungen in Form von Stromimpulsen, die durch unabhängig von diesen erzeugte Hochspannungsimpulse gezündet werden und eine Entladungsstrecke zwischen der als Elektrode wirkenden, zu strukturierenden Oberfläche und einer weiteren, relativ zur Oberfläche bewegten, anderspoligen Elektrode durchlaufen, wobei die Entladungsstrecke aus einem isolierenden, auf die zu strukturierende Oberfläche vor der Entladungsstrecke aufgetragenen Flüssigkeitsfilm und einer Gasstrecke besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit eine auf Kohlenwasserstoff basierende Isolierflüssigkeit, insbesondere Mineralöl, verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit eine wässrige Lösung organischer Verbindungen, insbesondere Glykol-Wasser- und Glyzerin- Wasserlösung, verwendet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeit Metallpulver zugesetzt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit auf der zu strukturierenden Oberfläche eine Dicke von 0,01 bis 1 mm hat.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß über die Amplitude und die Dauer der Impulse, die Polarität der Elektroden und die Impulswiederholungsfrequenz die Struktur beeinflußt wird.