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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung und Einstellung
des Arbeitsspaltes beim elektrochemischen Abtragen.
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Bei
der elektrochemischen Bearbeitung elektrisch leitender Werkstücke
erfolgt mit einer Werkzeugelektrode, die in einem geringen Abstand
zum Werkzeug angeordnet ist, in einem Elektrolyt durch Anlegen (hochfrequenter)
Anodenstromimpulse zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück,
das Abtragen von elektrisch leitenden Partikeln des Werkstücks.
Dabei ist es bekannt, das Werkzeug mit einer Schwingung zu beaufschlagen,
um die Erneuerung des Elektrolyts zu gewährleisten. Wichtig
ist die Einhaltung eines optimalen Arbeitsspaltes zwischen Werkzeug
und Werkstück während der Bearbeitung. Bekannt
ist, dass mit kleinen Spaltabständen, oszillierender Elektrode
und gepulstem Arbeitsstrom besonders gute Ergebnisse erzielt werden.
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In
US 6,231,748 wird ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung beschrieben,
wobei Arbeits- und Passivierungsspannungsimpulse an die Werkzeugelektrode
und das Werkstück angelegt werden. Nach jeder Spannungserhöhung
erfolgt eine Messung des elektrischen Widerstandes des Elektrodenzwischenraums.
Für die weitere Bearbeitung wird derjenige Spannungswert benutzt,
bei dem der elektrische Widerstand des Elektrodenzwischenraums am
größten war.
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Aus
US 4,213,834 ist ein Verfahren
zur elektrochemischen Bearbeitung bekannt, welches zur Prozessführung
bei geringen Elektrodenabständen ein Signal verwendet,
welches die Verzerrung des Spannungsimpulses charakterisiert.
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In
DE 29 03 873 C2 wird
ein Verfahren und Anordnung zur elektrochemischen Bearbeitung von Metallteilen
beschrieben, bei welcher die Elektrode mit einer Schwingung überlagert
wird und die Aufrechterhaltung eines minimalen Zwischenelektrodenraums
unter den Bedingungen der Impulsabgabe auch zu dem Zeitpunkt ermöglicht
werden soll, zu dem die Werkzeugelektrode und das Werkstück
voneinander in einem minimalen Abstand liegen. Dazu werden ein Zwischenelektrodenraum
und ein entsprechender Widerstand des Zwischenelektrodenraumes vorgegeben
und mit dem laufenden Änderungswert des relativen Widerstandes
des Zwischenelektrodenraumes gemessen und gespeichert.
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Nachteilig
ist die Abhängigkeit des vorzugebenden Widerstandswertes
von geometrischen Größen und chemischen/physikalischen
Prozessparametern.
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Aus Menz,
Wolfgang; Mohr, Jürgen; Paul, Oliver: Mikrosystemtechnik
für Ingenieure, 3. Auflage, WILEY-VCH Verlag GmbH Co.KGaA,
Weilheim, 2005, S. 471–471 ist es bekannt, elektrochemische Bearbeitungsanlagen
insbesondere für ECM-Senkprozesse mit oszillierenden Werkzeugelektroden auszustatten
und dabei mit einer gepulsten Arbeitsspannung zu arbeiten. Die Werkzeugelektrode schwingt
dabei mit einer Frequenz von 50 Hz und einem Schwingweg von 400 μm.
Während der Annäherung der Werkzeugelektrode an
die Werkstückoberfläche wird ein Stromimpuls zugeschaltet.
Im Bearbeitungsprozess bewegt sich die Werkzeugelektrode mit einer
Vorschubgeschwindigkeit und einer überlagerten Schwingung
in Richtung zum Werkstück, wobei der Elektrolytdruck im
Arbeitsspalt zunimmt, während der elektrische Widerstand über
dem Arbeitsspalt abnimmt. Im Punkt der größten
Annäherung zwischen Werkzeug und Werkstück sind
der Arbeitsspalt und der elektrische Widerstand am geringsten und
der Elektrolytdruck erreicht sein Maximum. Beim Entfernen der Werkzeugelektrode
von der Oberfläche des Werkstücks vergrößert
sich der Arbeitsspalt, der Elektrolytdruck fällt ab, der
elektrische Widerstand im Arbeitsspalt erhöht sich und
fällt dann bei Versorgung des Arbeitsspaltes mit frischen
Elektrolyten wieder etwas ab. Die Änderung des Widerstandswertes
wird zur Steuerung verwendet.
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Nachteilig
ist hierbei, dass diese Widerstandsänderung abhängig
von der jeweiligen Werkstück- bzw. Werkzeuggeometrie ist.
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Die
bisherigen Lösungen zur Optimierung des Arbeitsspaltes
sind deshalb teilweise zu aufwendig oder ungenau, weil entweder
anwendungsspezifische Parameter empirisch ermittelt werden müssen, oder,
im Falle der Aufrechterhaltung einer Bearbeitungsspannung durch
Spaltregulierung bei Verwendung einer Stromquelle bzw. bei Verwendung
des elektrischen Widerstands als Maßverkörperung
eine Streuung der Feldlinien nicht berücksichtigt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Erfassung und
Einstellung der Breite des Arbeitsspaltes beim elektrochemischen
Abtragen zu entwickeln, die eine vollständige Automatisierung
der Einstellung der Arbeitsspaltbreite gewährleistet und
es gestattet, die Bearbeitungszeit erheblich zu verkürzen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des ersten Schutzanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erfassung
und Einstellung des Arbeitsspaltes beim elektrochemischen Abtragen
befinden sich ein Werkstück (Anode) und ein von diesem
mit einem Arbeitsspalt beanstandetes Werkzeug (Kathode) in einem Elektrolyten.
Zwischen Werkzeug und Werkstück wird eine gepulste Arbeitsspannung
und/oder ein gepulster Arbeitsstrom angelegt. Dabei ist mittels
eines ersten Antriebes die Kathode mit einer Bewegung in Richtung
zum Werkstück, bis zur Erzielung einer bestimmten Breite
des Arbeitsspaltes zwischen Kathode und Werkstück, und
vom Werkstück weg bewegbar. Mittels eines zweiten Antriebes
ist die Kathode mit einer Schwingung beaufschlagbar. Während
einer Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück wird
bei abgeschalteter Arbeitsspannung an den Spalt eine Messspannung
angelegt, der Messstrom erfasst und zur Einstellung des Arbeitsspaltes verarbeitet.
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Dazu
sind die beiden Elektroden in Form von Werkzeug (Kathode) und Werkstück
(Anode) an einen die Arbeitsspannung und die Messspannung erzeugenden
Generator angeschlossen, wobei die Erfassung des Messstromes über
eine Messstelle zwischen Werkstück und Generator erfolgt.
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Der
Generator und die Messstelle für den Messstrom sind mit
einem Modul zur Messwerterfassung, -speicherung und -verarbeitung
verbunden, der zumindest mit dem ersten Antrieb und bedarfsweise
auch mit dem zweiten Antrieb gekoppelt ist.
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Dadurch
kann erstmalig die Zustellung des Werkzeuges mittels des ersten
Antriebes und/oder die Einstellung der Frequenz und/oder Amplitude
des zweiten Antriebes des Werkzeuges in Abhängigkeit vom
Messstrom erfolgen.
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Ein
oder mehrere Zyklen der Kurve des Messstroms dient/dienen dabei
als Maßgröße für den Arbeitsspalt,
wobei eine bestimmte Änderung des Messstroms, insbesondere
ein im Zyklus auftretender „Dacheinbruch" eine bestimmte
Größe des Arbeitsspaltes kennzeichnet.
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Die Änderung/der
Dacheinbruch des Messstroms der ersten Zyklen wird bevorzugt als
Referenzwert festgelegt, wobei der Referenzwert die bestimmte Größe
des Arbeitsspaltes repräsentiert. Die Messgröße
des Messstroms nachfolgender Zyklen werden dann mit dem Referenzwert
und/oder mit einer oder mehrerer der Messgrößen
vorangegangener Zyklen verglichen und entsprechend eine Nachstellung
des Werkzeuges durchgeführt, bis eine Übereinstimmung
vorliegt und damit eine bestimmte Größe des Arbeitsspaltes
eingestellt ist.
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Bevorzugt
wird der Referenzwert durch eine relative Positionierung von Werkzeug
und Werkstück zueinander nach einer Kurzschlussdetektion
im trockenen oder elektrolytgefluteten Zustand bestimmt. Insbesondere
wird der Referenzwert nach der Kurzschlusspositionierung durch mehrmaliges
periodisches Annähern zwischen Kathode und Anode dadurch
ermittelt, dass über dem Spaltabstand der Messstrom erfasst
und aufgezeichnet wird und vom Auswertemodul ein Mittelwert über
die Perioden gebildet wird, der den kalibrierten Referenzwert darstellt.
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Es
ist dabei möglich, die Kalibrierung des Referenzwertes
während des Bearbeitungsvorganges mehrfach zu wiederholen.
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Das
Eintreten des der Änderung/des Dacheinbruchs des Messstroms
wird mit dem kalibrierten Referenzwert verglichen und die örtliche
Differenz als Regelgröße für die Einstellung
des Spaltabstandes verwendet.
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Es
ist auch möglich, während einer Orbitalbewegung
des Werkzeuges die Aufzeichnung und Auswertung eines Messstromes
durchzuführen und dadurch insbesondere Grate zu detektieren.
Die Regelung des Spaltabstandes erfolgt anschließend wie beschrieben.
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Die
sich aus der über dem Spalt angelegten Messspannung ergebenden
Messströme entsprechen grundsätzlich den erwarteten
Verläufen der jeweiligen Feldgeometrien. Eine Verwendung
des Messstromes als absolute Maßverkörperung ist
aber aufgrund schwankender Prozessparameter (z. B. Elektrolytdruck)
zu ungenau.
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Deshalb
werden hier zur Auswertung die Messwerte vorangegangener Perioden
hinzugezogen und die aktuelle Differenz als Maßverkörperung für
den Spaltabstand zugrunde gelegt.
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Zu
Beginn der Bearbeitung liegen die relativen Positionen von Kathode
und Anode und damit der absolute Spaltabstand noch vor. Die Erfassung erfolgt,
wenn möglich, durch eine relative Positionierung der Elektroden
zueinander oder, wenn dies nicht möglich ist, durch eine
Kurzschlussdetektion im trockenen oder elektrolytgefluteten Zustand.
In dieser Phase der Spaltgrößengewissheit wird
die Kathode mehrmals der mit einer geringen Messspannung beaufschlagten
Anode genähert. Der sich ergebende Messstrom wird aufgezeichnet
und vom Auswertemodul ein Mittelwert über die Perioden
gebildet. Dieser Mittelwert bildet eine kalibrierte Referenz für
den gesamten Bearbeitungsvorgang. Alternativ kann, vor allem bei
großen Abtragvolumina, die Kalibrierung während
des Prozesses wiederholt werden.
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Während
der Näherung der Elektroden kommt es bei kleinen Spaltabständen
und niedrigen Messdrücken des Elektrolyts zu einer Sättigung
desselben im Spalt aufgrund erschwerter oder unterbrochener Elektrolyterneuerung
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Das
Eintreten der Änderung bzw. des Dacheinbruchs des Messstroms
wird mit der kalibrierten Referenz verglichen und die örtliche
Differenz ebenfalls gezielt als Regelgröße für
die Einstellung des Arbeitsspalts verwendet. Die erfindungsgemäße Lösung
ist damit in der Lage, den Bearbeitungsfortschritt zu erkennen und
den Spaltabstand entsprechend nachzuregeln. Sie eignet sich daher
für EC-Senkbearbeitung ebenso wie für das EC-Entgraten
innen- und außenliegender Werkstückkonturen. Ein
weiterer Einsatzbereich ist die Erkennung von Graten an mechanisch
bearbeiteten Werkstücken, indem der Verlauf des Messstromes
rechnergestützt mit einem hinterlegten Sollverlauf oder
den aufgezeichneten Strommesswerten vergangener Perioden einer Orbitalbewegung
der Kathode verglichen wird. Eine fortlaufende Graterkennung und
-bearbeitung wird damit möglich.
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Die
erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend
an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung,
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2:
Diagramm des Messstroms mit Dacheinbruch.
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In 1 ist
ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung
dargestellt. Die Elektroden in Form des Werkzeuges 1, welches
als Kathode geschaltet ist und des Werkstücks 2,
welches die Anode bildet, sind in einem Abstand in Form eines Arbeitsspaltes
s zueinander angeordnet. Das Werkzeug 1 weist einen ersten
Antrieb 1.1 auf, der bei der elektrochemischen Bearbeitung
die Bewegung des Werkzeuges 1 in Richtung zum Werkstück 2 bis
zur Erzielung einer bestimmten Breite des Arbeitsspaltes s realisiert
und daher in Richtung zum Werkstück 2 und von
diesem weg bewegbar ist. Der erste Antrieb 1.1 ist bevorzugt
als Linearantrieb ausgebildet, stellt den Makroantrieb für
das Werkzeug 1 dar und ist über eine entsprechende
erste Steuerung 1.1' steuerbar. Über einen zweiten
Antrieb 1.2, der mittels einer zweiten Steuerung 1.2'
steuerbar ist, wird das Werkzeug 1 mit einer Schwingung
beaufschlagt. Der zweite Antrieb 1.2 ist insbesondere ein
Piezo-Aktuator, der den Mikroantrieb des Werkzeuges 1 realisiert. Die
Arbeitsspannung Ubearb und die Messspannung Umess werden über dem Arbeitsspalt
s zwischen Werkzeug 1 und Werkstück 2 mittels
eines Generators 3 aufgebaut. Der über dem Arbeitsspalt
s geschaltete Messstrom Imess wird durch
ein zwischen Werkstück 2 und Generator 3 geschaltetes
Messgerät 4 gemessen und an einen Modul 5 zur
Erfassung, Speicherung und Auswertung des Messstroms Imess weitergeleitet.
Der Modul 5 ist mit der ersten Steuerung 1.1'
sowie mit der zweiten Steuerung 1.2' gekoppelt, so dass
in Abhängigkeit von dem gemessenen Messstrom eine Steuersignalausgabe
an die erste und/oder zweite Steuerung 1.1', 1.2' erfolgen
kann und mittels dieser die Nachstellung des Werkzeuges 1 zum
Einstellen eines bestimmten Arbeitsspaltes s erfolgen kann. Weiterhin
ist der Modul 5 mit dem Generator 3 gekoppelt,
so dass mittels des Generators 3 zyklusweise die Bearbeitungsspannung
Ubearb ausgeschaltet und die Messspannung
Umess eingeschaltet werden kann.
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Die
Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende:
Vor dem Bearbeitungsbeginn
wird ein Referenzwert durch eine relative Positionierung von Werkzeug 1 und
Werkstück 2 zueinander nach einer Kurzschlussdetektion
im trockenen oder elektrolytgefluteten Zustand bestimmt, z. B. durch
mehrmaliges periodisches Annähern zwischen Kathode und
Anode, wobei über dem Arbeitsspalt s der Messstrom erfasst und
aufgezeichnet wird. Vom Modul 5 wird ein Mittelwert über
die Perioden gebildet, der den kalibrierten Referenzwert für
den Bearbeitungsvorgang darstellt. Dabei wird mit dem Referenzwert
festgelegt, bei welchem Abstand des Werkzeugs 1 vom Werkstück 2 der
Dacheinbruch zu verzeichnen ist. Dieses Maß wird der der
Einstellung des Arbeitsspaltes s zugrunde gelegt indem ausgehend
von diesem Punkt die Differenz zum optimalen Arbeitsspalt s berechnet und
der nächsten Einstellung des Arbeitsspaltes zugrunde gelegt
wird.
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Zum
elektrochemischen Abtragen nähert sich das Werkzeug 1,
dessen Bewegung mittels der beiden Antriebe 1.1', 1.2' gesteuert
wird, dem Werkstück 2 bis auf einen bestimmten
Arbeitsspalt s, wobei eine Bearbeitungsspannung Ubearb über
dem Arbeitsspalt s aufgebaut wird. Anschließend entfernt sich
das Werkzeug 1 vom Werkstück 2. Nun wird
anstelle der Bearbeitungsspannung Ubearb über
dem Arbeitsspalt s eine Messspannung Umess angelegt
und mit dem Messgerät 4 der Messstrom Imess über dem Arbeisspalt s gemessen
und an den Modul 5 weitergeleitet. Das Werkzeug 1 vollführt
wiederum eine Bewegung in Richtung zum Werkstück 2 und
zurück (ein Zyklus), wobei der dabei auftretende Messstrom Imess im Modul 5 erfasst und ausgewertet
wird. Während der Näherung der Elektroden (Werkzeug 1 und Werkstück 2)
kommt es bei kleinen Spaltabständen und niedrigen Messdrücken
des Elektrolyts zu einer Sättigung desselben im Arbeitsspalt
s aufgrund erschwerter oder unterbrochener Elektrolyterneuerung, wodurch
in der Kurve des Messstroms Imess während des
Zyklus ein Dacheinbruch zu verzeichnen ist.
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Eine
entsprechende Kurve des Messstroms Imess in
Abhängigkeit von der Größe des Arbeitsspaltes
s während eines Zyklus einer Messung ist in 2 dargestellt.
Der Messstrom Imess steigt mit geringer
werdendem Spaltabstand s an, worauf bei einem bestimmten Spaltabstand
das Eintreten eines Dacheinbruchs zu verzeichnen ist. Dieser Einbruch der
Stromstärke tritt bei Übersättigung des
Elektrolyts infolge der Unterbrechung der Elektrolytzufuhr bei zu
kleinen Spaltabständen auf. Die Höhe des Messstroms
kurz vor und/oder kurz nach dem „Dacheinbruch" bzw. die
höchste Spitze des Messstroms vor dem plötzlichen
Absinken des Messstrom im Bereich des Dacheinbruchs und/oder die
höchste Spitze des Messstroms nach dem Dacheinbruch vor dem
Absinken des Messstroms bei Erhöhung des Abstandes zwischen
Werkzeug und Werkstück bildet die Grundlage für
die Einstellung eines bestimmten, für die Bearbeitung günstigen
bzw. optimalen Spaltabstandes.
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Es
wird mittels einer oder beider Steuerungen bei einem Bearbeitungsfortschritt
das Werkzeug so nachgestellt, dass bei einem Messzyklus ein Dacheinbruch
im Messsignal zu verzeichnen ist. Davon ausgehend wird der Arbeitsspalt
eingestellt.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist damit erstmalig
in der Lage durch die Erfassung und Auswertung des Messstroms, den
Bearbeitungsfortschritt zu erkennen und den Spaltabstand entsprechend
nachzuregeln. Sie eignet sich daher für EC-Senkbearbeitung
ebenso wie für das EC-Entgraten innen- und außenliegender
Werkstückkonturen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6231748 [0003]
- - US 4213834 [0004]
- - DE 2903873 C2 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Menz, Wolfgang;
Mohr, Jürgen; Paul, Oliver: Mikrosystemtechnik für
Ingenieure, 3. Auflage, WILEY-VCH Verlag GmbH Co.KGaA, Weilheim, 2005,
S. 471–471 [0007]