DE2030656C3 - Verfahren und Vorrichtung zum elektrolytischen Bearbeiten eines Werkstücks - Google Patents

Description

50 Bisher ist man davon ausgegangen, daß die Weite des Arbeitsspaltes der folgenden Gleichung gehorcht:

wobei g die Weite des Arbeitsspaltes, V die am Arbeitsspalt anliegende Arbeitsspannung, ρ den spez. Widerstand des Elektrolyten und / die elektrische Arbeitsstromdichte im Arbeitsspalt bedeutet

Es ist äußerst schwierig, den Wert des spezifischen Widerstandes ρ des Elektrolyten während der Bearbeitungsdauer konstant zu halten, da dieser sich in Abhängigkeit von der Dichte und der Temperatur des Elektrolyten ändert Die elektrische Stromdichte /kann konstant gehalten werden, indem man während der elektrolytischen Bearbeitung die Vorschubgeschwindigkeit der Arbeitselektrode konstant hält

Aus der GB-PS 1141022 ist es bekannt, zur Kompensation einer Änderung der Leitfähigkeit die Arbeitsspannung zu ändern, derart, daß die Änderung der Arbeitsspannung der Abweichung der Leitfähigkeit von einem Normalwert proportional ist Diese GB-PS lehrt zwar, daß die Elektrolysierspannung an den Grenzflächen berücksichtigt werden muß, um den Arbeitsspalt besser konstant halten zu können. Dabei bleibt jedoch die praktische Verwirklichung dieser Anweisung weitgehend offen und die Erreichung des genannten Zieles mithin zweifelhaft

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum elektrolytischen Bearbeiten eines Werkstückes zu schaffen, bei dem die Größe des Arbeitsspaltes während der gesamten Bearbeitung in hohem Maße konstant gehalten werden kann, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erstes der Arbeitsspannung proportionales Signal gebildet wird, daß ein zweites Signal gebildet wird, das mit gleicher Proportionalitätskonstante proportional einem Summensignal ist, dessen erster Summand gleich dem Produkt aus dem gemessenen spezifischen Elektrolyt-Widerstand und der gewünschten Stromdichte und Spaltbreite ist und dessen zweiter Summand gleich der Elektrolysierspannung ist, und daß die Arbeitsspannung so geregelt wird, daß die beiden Signale gleich gehalten werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde davon ausgegangen, daß die Weite des Arbeitsspaltes der folgenden Beziehung (2) und nicht der Beziehung (1) gehorcht:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrolytischen Bearbeiten eines Werkstücks, wobei die Arbeitselektrode und das Werkstück mit konstanter Geschwin- digkeit aufeinander zu bewegt werden und wobei eine Veränderung des spezifischen Elektrolyt-Widerstandes durch Änderung der Arbeitsspannung kompensiert wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Ein derartiges Verfahren ist aus der GB-PS 41 022 bekannt

Bei der elektrolytischen Bearbeitung hängt die Arbeitsgenauigkeit bekanntlich von der Weite des Arbeitsspaltes ab. Es ist daher erwünscht, die Weite des Arbeitsspalts während der gesamten elektrolytischen fts Bearbeitung konstant zu halten. Dies gelingt jedoch in vielen Fällen nicht ohne weiteres, da eine Vielzahl von Faktoren die Weite des Arbeitsspaltes beeinflussen.

g =

V-Vd

Dabei bedeutet Vd die Elektrolysierspannung. Die Arbeitsspannung setzt sich nämlich bekanntlich gemäß der folgenden Gleichung

V= Vo + Vd

zusammen, wobei die Spannung Vo dem Ohmschen Gesetz folgt und der Stromdichte / proportional ist während die Elektrolysierspannung Vd unabhängig von der Stromdichte / einen konstanten Wert hat Daraus folgt, da der Arbeitsspalt während der Bearbeitungszeit stets konstant gehalten wird und da ferner auch die

Stromdichte / konstant bleibt, falls die Vorschubgeschwindigkeit der Arbeitselektrode während der Bearbeitungszeit konstant gehalten wird, mit g] = C (Konstante) die Beziehung:

v=Co+

(3)

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt einen ersten Signalgeber zur Erzeugung eines ersten der Arbeitsspannung |₀ proportionalen Signals, einen zweiten Signalgeber zur Erzeugung eines zweiten dem spezifischen Widerstand des Elektrolyten im Arbeitsspalt proportionalen Signals, einen dritten Signalgeber zur Erzeugung eines konstanten Signals, eine Signalverarbeitungsschaltung zur ,₅ Bildung der Differenz aus dem ersten Signal und aus der Summe der Signale des zweiten und dritten Signalgebers und ein von der Signalverarbeitungsschaltung gesteuertes Stellglied für die Arbeitsspannung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer _zo Zeichnung näher erläutert, welche ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt

Die Vorrichtung gemäß der Zeichnung umfaßt einen Arbeitstank 10, eine Halterung 14, ein Werkstück 12 aus einem elektrisch leitenden Material und eine Elektrode _2S 16, welche eine dem Werkstück 12 gegenüberliegende öffnung 18 aufweist, durch welche ein Elektrolyt in einen schmalen Arbeitsspalt 20 zwischen dem Werkstück 12 und der Elektrode 16 geleitet wird. Der Arbeitsspalt 20 hat eine Spaltbreite g, welche Vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm beträgt

Ferner ist ein Tank 22 für den Elektrolyten 24 vorgesehen, welcher vorzugsweise aus einer Salzlösung besteht Eine Rohrleitung 28 ist mit dem Einlaß einer Pumpe 26 verbunden und taucht in den Elektrolyten 24 im Tank 22 ein. Eine andere Rohrleitung 30 verbindet den Auslaß der Pumpe 26 mit der öffnung 18 in der Elektrode 16. Der in den Arbeitsspalt 20 eingeführte Elektrolyt steht unter einem Druck von etwa 10 bis 20 kg/cm², so daß der Elektrolyt mit einer hohen Geschwindigkeit in den Arbeitsspalt 20 eintritt Eine Rohrleitung 32 verbindet den Boden des Arbeitstanks 10 mit dem Tank 22.

Als Spannungsquelle wird eine dreiphasige Wechselstromquelle 34 verwendet Ein dreiphasiger Abwärtstransformator 36 weist eine Primärwicklung 38 mit Dreiecksschaltung und eine Sekundärwicklung 40 mit Sternschaltung auf.

Zwischen der Primärwicklung 38 und der dreiphasigen Wechselstromquelle 34 ist eine dreiphasige Sättigungsdrossel 42 vorgesehen, welche Spulen 44, 46 und 48 sowie eine Steuerspule 50 aufweist Ein dreiphasiger Vollweggleichrichter 52 ist mit der Sekundärwicklung 40 verbunden. Eine Leitung 54 verbindet den positiven Gleichstromanschluß des Gleichrichters 52 mit dem Werkstück 12 und eine Leitung 56 verbindet den negativen Gleichstromanschluß des Gleichrichters 52 mit der Elektrode 16. Bei einer Spannung von 5 bis 20 Volt erhält man üblicherweise eine Stromstärke von 3000 bis 5000 6c Ampere.

Ferner umfaßt die Vorrichtung eine Vorschubeinrichtung 58, welche die Arbeitselektrode 16 in Richtung auf das Werkstück 12 bewegt. Die Vorschubeinrichtung kann aber auch derart ausgebildet sein, daß sich das Werkstück 12 in Richtung auf die Elektrode 16 bewegt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist eine Vorschubstange 60 mit einer Verzahnung 52 versehen, mit der ein Ritzel 64 kämmt das auf der Welle eines Gleichstromnebenschlußmotors 66 sitzt Dieser umfaßt einen Anker 68 und eine Feldspule 70 und wird von einer einphasigen Wechselstromquelle 72 konstanter Spannung und üblicher Frequenz über einen einphasigen VoMweggleichrichter 74 und Leitungen 76 und 78 gespeist In Reihe mit der Feldspule 70 liegt ein veränderbarer Widerstand 80, mit dem die Motorgeschwindigkeit und damit die Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode 16 und somit auch die elektrische Stromdichte J gelindert werden kann.

Es ist ferner eine einphasige Wechselstromquelle 82 konstanter Spannung vorgesehen sowie ein einphasiger Voüweggleichrichter 84. Die Steuerspule 50 der Sättigungsdrossel ist durch eine Leitung 86 über Widerstand 88 mit dem positiven und durch eine Leitung 90 mit dem negativen GleichstromanschhjiB des Gleichrichters 84 verbunden. Durch die Steuerspille 50 fließt ein elektrischer Strom Ic, welcher proportional der Gleichspannung des Gleichrichters 84 ist und die Reaktanz der Spulen 44,46 und 48 der Sättigungsdrossel bestimmt Zwei antiparallel zueinander geschaltete Thyristoren 92 und 94 liegen in dem Wechselstromkreis des Gleichrichters 84. Die Zündphase der Thyristoren 92 und 94 kann geändert werden, wodurch man die Gleichspannung des Gleichrichters 84 sowie den elektrischen Strom Ic, welcher durch die Steuerspule 50 fließt und die Reaktanz der Spulen 44, 46 und 48 einstellt Hierdurch wird die am Arbeitsspalt 20 anliegende Arbeitsspannung V eingestellt Hierfür ist eine Zündeinrichtung 96 zur Zündung der Thyristoren 92 und 94 vorgesehen sowie ein Verstärker 98 und ein Signalvergleichspunkt 100. Dieser bildet die Differenz zweier Signale vund vs.

Ein Potentiometer 102 liegt parallel zum Arbeitsspalt 20 und hat einen Abgriff 104, dessen Spannung ν proportional der Arbeitsspannung V ist so daß die Beziehung ν = aVgilt

Ein Hochfrequenzoszillator 106 beaufschlagt ein Meßgerät 108, das in den Elektrolyten 24 im Tank 22 eintaucht und zur Messung des spezifischen Widerstandes des Elektrolyten dient Dieses Meßgerät 108 kann ebenfalls in den Leitungen 28, 30 oder 32 liegen und umfaßt ein Elektrodenpaar von gleicher vorbestimmter Gestalt und Querschnittsfläche. Die Elektroden sind in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet und können aus Platinmohr bestehen.

Der Oszillator 106 erzeugt einen konstanten Strom zwischen den Elektroden auch dann, wenn der Widerstand zwischen den Elektroden sich ändert Daher macht sich jede Änderung des spezifischen Widerstandes ρ des Elektrolyten 24 in Form einer Änderung der Klemmenspannung der Elektroden bemerkbar. Da der Abstand zwischen den Elektroden konstant gehalten wird und die Elektrodenflächen ebenfalls konstant ist besteht eine Proportionalität zwischen der Elektrodenspannung und dem spezifischen Widerstand g> des Elektrolyten 24. Durch die Verwendung eines Hochfrequenzoszillators 106 soll die Bildung einer elektromotorischen Kraft an den Elektroden aufgrund von Elektrodenpolarisation verhindert werden.

Im folgenden soll der durch die Elektroden flieElende Strom mit i und die Proportionalitätskonstante mit fti bezeichnet werden. Sodann folgt die Spannung e zwischen den Elektroden des Meßgerätes 108 der folgenden Beziehung:

= h_] in

und da die Stromstärke konstant gehalten wird.

(5)

wobei

/l, = /l, I

Es ist ferner ein Verstärker 110 vorgesehen sowie ein Gleichrichter 112 und ein Umkehrverstärker 114, dessen Eingang mit dem Ausgang des Gleichrichters 112 über einen Widerstand 116 mit einem Widerstandwert Ro verbunden ist. Zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Umkehrverstärkers 114 liegt ein Rückkopplungswiderstand 118 mit einem Widerstandswert Ri und ein Kondensator 120 liegt parallel zum Widerstand 118. Ferner ist noch ein Umkehrverstärker 122 vorgesehen, dessen Eingang über einen Widerstand 124 mit einem Widerstandswert Ri mit dem Ausgang des Verstärkers 114 verbunden ist. Der Ausgang des Umkehrverstärkers 122 ist mit dem Signalvergleichspunkt 100 verbunden. Zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers 122 liegt ein Rückkopplungswiderstand 126 des Widerstandswertes Rf.

Ein weiterer Signalgeber 128 erzeugt ein Signal - vd, dessen Amplitude der Amplitude der Elektrolysierspannung Vd, proportional ist Die Proportionalitätskonstante ist dabei gleich derjenigen zwischen der Amplitude des Signals ν und der Arbeitsspannung V (vd = a Vd). Der Signalgeber 128 umfaBt eine Gleichstromquelle 130 sowie ein Potentiometer 132, dessen Ausgang über einen Widerstand 136 mit dem Eingang des Verstärkers 122 verbunden ist Das Signal — vd wird zu dem Ausgangssignal des Verstärkers 114 addiert

Wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 114 mit ve bezeichnet wird und wenn eine Proportionalitätskonstante für das Ausgangssignal des Meßgeräts 108 oder für die Konstante Λ2 in Gleichung (5) und für die Verstärkungskonstante der Verstärker 110 und 114 insgesamt mit el bezeichnet wird, so gilt die folgende Beziehung:

■= -el,.

(6)

(ρ *\
■jj-: J durch el

ersetzt wird, so erhält man die folgende allgemeine Formel:

rs - cn + vd. (9)

Bei der beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Signal ν gleich dem Signal vs gehalten. Wenn das Signal ν größer ist als das Signal vs,

ι ο so werden durch die Zündeinrichtung 96 die Zündwinkel der Thyristoren 92 und 94 derart geändert, daß die Gleichspannung des Gleichrichters 84 verringert wird. Damit wird auch die elektrische Stromstärke Ic, weiche durch die Steuerspule 50 der Sättigungsdrossel 42 fließt, verringert, so daß die Reaktanz der Spulen 44,46 und 48 erhöht wird. Dabei nimmt die Arbeitsspannung V ab. In dem Maße wie die Arbeitsspannung V abnimmt, nimmt auch das Signal ν ab und wird schließlich gleich dem Signal vs. Wenn das Signal ν kleiner ist als das Signal vs, so wird die Arbeitsspannung umgekehrt erhöht, so daß das Signal ν anwächst bis es gleich dem Signal vsist

Vergleicht man die Gleichungen (3) und (9), so stellt man fest daß sie sich vollkommen entsprechen. Die Beziehungen ν = aV, vd — aVd und c = aC können leicht verwirklicht werden. Die Beziehung c = aC kann leicht durch Wahl der Konstante el, des Widerstands Rl und des Widerstands /{/erfüllt werden.

Im folgenden soll die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Vorrichtung gemäß Gleichung (1) verglichen werden. Dabei sollen für die elektrischen Daten folgende Werte angenommen werden: Spezifischer Widerstand ρ = 6 Hem; Stromdichte:/= 100 Ampere/ cni2; Elektrolysierspannung Vd= 1,5 Volt; Arbeitsspannung V= 73 Volt Damit kann die Weite des Arbeitsspaltes in folgender Weise berechnet werden:

Der Verstärkungsgrad des Verstärkers 122 in bezug auf das Signal ve hängt ab von dem Verhältnis des Widerstandswertes Rf des Widerstandes 126 und des Widerstandswertes Ri des Widerstandes 124, und der Verstärkungsgrad dieses Verstärkers in bezug auf das Signal —vd hängt ab von dem Verhältnis des Widerstandswertes Rf des Widerstandes 126 und des Widerstandswertes Rg des Widerstandes 136. Das Ausgangssignal vs des Verstärkers 122 ist somit durch folgende Gleichung gegeben:

gewählt, daß Cjf)= 1 ^ist- ^Es ergibt sich

-GO*

¹P + vd.

(8)

7,5-1,5
6 χ 100

= 0,01 cm = 0,1 mm.

Es soll nun angenommen werden, daß der spezifische Widerstand ρ aufgrund von Veränderungen der Temperatur und Dichte des Elektrolyten 24 auf 70% abnimmt:

Bei dem gemäß Gleichung (1) arbeitenden Geräi kann die Arbeitsspannung V nach Gleichung (I] berechnet werden:

V = 73 χ 0,7 = 5,25 Volt

In diesem Fall ist die Spaltweite g des Arbeitsspalte: nach Gleichung (2) berechenbar:

8 =

5,25-1,5
6 χ 0,7 χ 100

= 0,089 mm,

Die Gleichung (6) wird in die Gleichung (7) eingesetzt und die Widerstandswerte Rf und Rg werden so so daß sich die folgende Veränderung der Weite de Arbeitsspaltes ergibt:

0,1 - 0,089 = 0,011 im

Verwendet man andererseits das erfindungsgemäß Gerät, so ergibt sich eine Arbeitsspannung Vgemä Gleichung (3):

V= 6 χ 0,7 + 1,5 = 5,7 Volt

Die Weite g des Arbcitsspaltes kann sodann aus Cileiehung (2)berechnet werden:

5.7 - 1.5
^K (ι χ 0.7 χ KX)

Somit iindert sich die Weite des Arbcitsspaltes bei einer Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung nicht.

= 0.1 nun

Die vorliegende Erfindung ist zur wiederholten Herstellung des gleichen Erzeugnisses, z. B. von Tijibincnschaufeln, geeignet. In einem solchen Falle können alle Erzeugnisse mit der gleichen Vorschubgeschwindigkeit hergestellt werden, so daß sie genau die gleichen Abmessungen erhallen.

llicr/u 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum elektrolytischen Bearbeiten eines Werkstücks, wobei die Arbeitselektrode und das Werkstück mit konstanter Geschwindigkeit aufeinander zu bewegt werden und wobei eine Veränderung des spezifischen Elektrolyt-Widerstandes durch Änderung der Arbeitsspannung kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes der Arbeitsspannung proportionales Signal gebildet wird, daß ein zweites Signal gebildet wird, das mit gleicher Proportionalitätskonstante proportional einem Summensignal ist, dessen erster Summand gleich dem Produkt aus dem gemessenen spezifischen Elektrolyt-Widerstand und der gewünschten Stromdichte und Spaltbreite ist und dessen zweiter Summand gleich der Elektrolysierspannung ist, und daß die Arbeitsspannung so geregelt wird, daß die beiden Signale gleich gehalten werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Signalgeber (102, 104) zur Erzeugung eines ersten der Arbeitsspannung proportionalen Signals, einen zweiten Signalgeber (106—120) zur Erzeugung eines zweiten dem spezifischen Widerstand des Elektrolyten im Arbeitsspalt (20) proportionalen Signals, einen dritten Signalgeber (128—132) zur Erzeugung eines konstanten Signals, eine Signalverarbeitungsschaltung (100, 122) zur Bildung der Differenz aus dem ersten Signal und aus der Summe der Signale des zweiten und dritten Signalgebers und ein von der Signalverarbeitungsschaltung (100,122) gesteuertes Stellglied (42—50,82—94) für die Arbeitsspannung.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurdi gekennzeichnet, daß der zweite Signalgeber (106,108) zwei in den Elektrolyten eintauchende und mit einer Stromquelle (106) konstanter Stromstärke verbundene Elektroden (108) umfaßt

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (106) ein Hochfrequenzoszillator ist

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das Stellglied (42-50, 82-94) eine Sättigungsdrossel (42—50) umfaßt