DE2259419A1

DE2259419A1 - Verfahren und einrichtung zum elektrochemischen herstellen kleiner loecher mittels kontrollierten stromes

Info

Publication number: DE2259419A1
Application number: DE2259419A
Authority: DE
Inventors: Frederick Rice Joslin
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1972-01-10
Filing date: 1972-12-05
Publication date: 1973-07-19
Also published as: JPS4880441A; US3793169A; FR2167552A5

Description

United Aircraft Corporation

hOO Main Street

East Hartford, Conn. O6IO8

USA

Verfahren und Einrichtung zum elektrochemischen Herstellen kleiner Löcher mittels kontrollierten Stromes

Die Erfindung bezieht sich auf elektrochemisches "Machining" bzw. Ver- oder Bearbeiten, nachstehend "ECM" genannt, und insbesondere auf verbessertes ECM-Bohren bzw· -Herstellen kleiner bzw. schmaler Löcher.

Wie auf dem Gebiet der ECM-Technik bekannt, schließt das Vorhandensein eines Elektrolyten in einem entsprechend eingeengten Spalt zwischen einem sich vorbewegenden hohlen Kathoden-V/erkzeug mit äußeren Oberflächen, die elektrisch isoliert sind, außer an seinem vorderen (Spalt) - Bereich,

309829/0747

und einer Werkstück-Anode, mit einer geeigneten Spannung, welche über den Spalt hinweg angelegt wird, eine elektrolytische Zelle in sich, in welcher ein elektrochemisches Verfahren kontrollierte Erosion des Metalls des Werkstückes hervorruft. Die Verwendung eines geeigneten schwach alkalischen, salzhaltigen Elektrolyten erzeugt einen unlöslichen Metallhydroxidschlamm, weicher weggespült wird, und an der Kathode entwickelt sich Wasserstoff.

Beim ECM-Bohren von Lochern leitet eine dünne, hohle Kathode den Elektrolyten nach dem Arbeitsbereich hin durch ihre zentrale Bohrung hindurch, und der ausströmende Elektrolyt strömt vom Arbeitsbereich her in den Kingraum ab, welcher zwischen der Oberfläche des Loches, das gebohrt wird, und der hohlen Kathode hergestellt wird. Elektrische Leistung, welche dem Produkt der Spannung über den Spalt hinweg mal dem Strom durch den Spalt hindurch entspricht, bringt die Nutzarbeit von Metallentfernung zustande, und erzeugt außerdem Wärme im Arbeitsbereich, die den Elektrolyten erwärmt. Der ausströmende Elektrolyt, welcher vom gebohrten Loch her abfließt, erwärmt den einströmenden Elektrolyten durch die Wände der hohlen Kathode hindurch, durch eine Art Wärmeaustauschvorgang. Beim Bohren von Löchern in der Größenordnung von einem Hundertstel Zoll (1 Zoll » 24,4 mm) im Durchmesser ist die Elektrolyt-Strömungsrate äußerst gering, und zwar in der Größenordnung alle fünf Sekunden ein Tropfen. Durch den Wärmeaustauschvorgang und die geringe Strömungsrate bzw, -ge-. schwindigkeit kann die Elektrolyt-Temperatur im Spalt sich beträchtlich erhöhen, und sie weist die Tendenz auf, zunehmend höher zu werden, wenn die Lochtiefe zunimmt.

Bei durch den Stand der Technik bekannten ECM-Verfahren wird eine konstante Spannung über den Spalt hinweg angewendet. Da die Temperatur zunimmt, erhöht sich auch die Leitfähigkeit des Elektrolyten, so daß der Strom im Spalt

309829/0747

zunimmt. Bei einer konstanten Spannung bedeutet eine Zunahme im Strom eine Zunahme in der Leistung, welche im bpalt erzeugt wird, wobei die Leistung in Form von Wärme innerhalb des Elektrolyten aufgenommen wird, was eine weitere Erhöhung der Temperatur mit sich bringt. Falls die Temperatur genügend hoch wird, kocht bzw. siedet der Elektrolyt, wodurch Dampf- bzw. Gastaschen im Spalt hervorgerufen werden; die Gastaschen isolieren die Anode gegen die Kathode und verhindern somit das Stattfinden der elektrochemischen Reaktion; und da sich die hohle Kathode weiter vorbewegt, wird, ohne Erosion des Werkstückes, der Spalt kleiner. Falls nicht korrigiert wird, kann dieses Verfahren in einen unbeabsichtigten Kontakt zwischen der Kathodenspitze und dem Werkstück hinauslaufen, was gewöhnlich als "Sparkout" ("spark-out") bezeichnet wird.

Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik sind der Situation durch Verwenden reduzierter Zxiführungs- bzw. Vorschubraten begegnet. Beispielsweise werden Vorschubraten gemäß dem Stand der Technik für SCM-Bohren kleiner Löcher typischerweise auf unter ein Zehntel eines Zolles pro Minute begrenzt. Für einen gegebenen Lochdurchmesser ist die Rate der Metallabnahme (Vorschubrate) dem Strom proportional. Das Erreichen hoher Vorschubraten erfordert die Fähigkeit, höhere Ströme ohne "Sparkouts" zu verwenden.

Aufgabe der Erfindung ist es, verbessertes ECM-Bohren kleiner bzw. schmaler Löcher vorzusehen.

Gemäß der Erfindung werden Löcher, welche im Durchmesser kleiner als drei Hundertstel eines Zolles sind und mit einem Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser größer als zehn sind, dadurch gebohrt, daß ein elektrochemisches Bearbeitungsverfahren angewendet wird, bei welchem der Strom völlig kontrolliert wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird Bohren im wesentlichen einheitlicher gerader

309829/0747

Löcher dadurch erreicht, daß ein konstanter Strom bei einem EChi-Verfahr en angewendet wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird Bohren von konturierten Löchern bzw. Löchern besonderer Kontur dadurch bewerkstelligt, daß das Verhältnis Strom zu Vorschubrate als eine Funktion der Lochtiefe programmiert wird.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Anwachsen der Größenordnung bei der Rate bzw. Geschwindigkeit vorgesehen, mit welcher unter Verwendung von ECM-Verfahren kleine Löcher gebohrt werden können. Die Erfindung ermöglicht ferner das Bohren von Löchern mit gewünschten Konturen, welche sonst nicht leicht erreichbar sind. Die Erfindung liefert ein sehr praktisches und sehr zweckmäßiges Verfahren zum Herstellen kleiner bzw. schmaler Löcher bei gewöhnlichen Metallen wie auch bei Super-Legierungen.

Beim Bohren von Löchern unter Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung (wobei die Spannung eine abhängige Variable ist, welche aus fixierten Strom- und anderen Parametern resultiert) baut sich, wenn die Tiefe des Loches fortschreitet, Wärme auf, und die Leitfähigkeit des Elektrolyten nimmt zu; die Spannung nimmt zwangsläufig ab, so daß der Wärmekrafteingang nach dem Elektrolyten hin sinkt. Daher weist das Verfahren eine Tendenz auf, thermisch sich selbst zu begrenzen. Dies wiederum hat zwangsläufig ein Abschwächen der Vorwärmwirkung zur Folge, welche der ausströmende Elektrolyt auf den einströmenden Elektrolyten ausübt. Die Metallentfernungsrate ist eine Funktion des Stromes, welcher konstant gehalten wird. Daher bleibt der Lochdurchmesser im wesentlichen konstant bei einer fixierten Vorschubrate trotz Erhöhungen der Elektrolyttemperatur im Spalt, was entsprechende Verminderungen bei der Spaltspannung mit sich bringt. In einem typischen Fall ergab der Spalt-Elektrolyt einen linearen, negativen

JÜS829/0747

Temperatur-Koeffizienten des Widerstandes von -,59 %/ C von 43° C bis 77° C. .

»/eitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen derselben, die in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind, deutlich, und zwar zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte, schematische Darstellung der elektrochemischen Bearbeitungseinrichtung, welche bei der praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, die

Fign. 2, 4 und 6 zeigen geschnitten'Seitenansichten konturierter Löcher, während die

Fign. 3, 5 und 7 Strom / Tiefe - Diagramme wiedergeben, welche sich entsprechend auf die Konturen der Fign. 2, 4 und 6 beziehen.

In >Fig. 1 ist ein »Werkstück 10, mit einem Loch 12 geringen Durchmessers, dargestellt, durch ein elektrochemisches Bearbeitungsverfahren in dieses gebohrt, wobei eine hohle Kathode 14 verwendet wird, welcher eine Elektrolytströmung von einer Lieferquelle l6 her mittels einer fixierten Verdrängerpumpe 18 und geeigneter Rohrleitungen 20, 22 zugeführt wird. Die hohle Kathode 14 kann -zweckmäßig in einer Klemmhülse 2k angeordnet werden, welche einen Teil einer Priizisions-Iilock-ßauteilgruppe oder eines Vorschub-Mechanismus 26 bildet. Der Vorschub-Mechanismus 26 weist einen iilockbauteil 28 auf, an welchem die Klemmhiilse 24, oder sonstige Befestigungsmittel, entsprechend angeordnet werden. Der Blockbauteil 28 kann in einer Präzisionskugelführungsanordnung gelagert werden, welche eine Mehrzahl von Kugeln (beispielsweise die Kugeln 30) aufweist, die durch eine geeignete Platte (beispielsweise die !latte 32) gehalten werden. Eigentlich kann die gesamte Oberfläche

303829/0747

des Blockbauteiles 28 vorzugsweise durch zusätzliche Kugeln und Flatten (nicht dargestellt) geführt werden. Der Blockbauteil 28 kann durch eine Zahnstange 3k und ein Ritzel 36 vorbewegt werden« welche durch eine "felle 38 getrieben werden, die mit einem synchronen hotor kO verbunden ist. Alternativ kann eine fexngeschliffene Kugel-Spindel bzw. -Schnecke, oder ein sonstiger geeigneter, präziser Verschiebemechanismus, verwendet werden, welcher bereits bekannt ist. Eine kontrollierte Strom-(Gleichstrom)-Lieferquelle k2 wird über eine geeignete Leitung kk mit dem Werkstück 10 und über eine geeignete Leitung kG mit der Klemmhülse 2k verbunden, um dadurch eine Spannung zwischen der hohlen Kathode Ik und dem Merkstück 10 aufzudrücken.

Bei Betätigung wird der Elektrolyt bei einem geeigneten Druck durch die hohle Kathode Ik hindurch und aus dem Ende derselben hinaus in die Nachbarschaft des Spaltes gefördert, welcher zwischen dem Ende der hohlen Kathode lk und dem Werkstück 10 vorgesehen wird; fcietall in einem Bereich, welcher einen Durchmesser aufweist, der etwas größer als der Durchmesser der hohlen Kathode Ik ist, wird durch elektrochemische Einwirkung erodiert, wobei das Metall einen Metallischen Hydoxidschlamm bildet, welcher aus dem Loch heraus geschwemmt wird, wenn der ausströmende Elektrolyt nach oben in einen ringförmigen Durchlaß geleitet wird, welcher zwischen der Oberfläche des Loches 12 und der hohlen Kathode Ik vorhanden ist. Der ausströmende Elektrolyt wird in einem geeigneten, dem Fachmann bekannten Sumpf oder Behältnis (nicht dargestellt) gesammelt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden im wesentlichen einheitliche, tiefe Löcher mit einer relativ hohen Vorschubrate gebohrt.

Als Beispiel soll eine >leryLlium-Kupfer-Uohlkathode lk dienen, welche einen Innendurchmesser von fünf mil

3 09329/0747

(1 rail = 1/1000 Zoll) sowie einen Äußendurchmesser von zehn mil aufweist, umhüllt mit einer ein Drittel mil Parylene-C-Isolierung, welche beim Bohren einer Hochtemperatur-Nickel-Grundlegierung verwendet wird. Ein Elektrolyt, bestehend aus einer salzhaltigen Lösung (zwei Pounds pro Gallone NaCl mit Spuren von NaOII, um den pH-liert auf ungefähr zehn zu bringen), wurde bei einem Druck von 3,5 kg/cm verwendet. Der Vorschub wurde auf 0,46 cm pro Minute eingestellt. Die Lieferquelle 42 kontrollierten Stromes, Gleichstromes, die bei diesem Beispiel verwendet wurde, umfaßte zwei Hewlett-Packard 6203 B - Leistungszuführungen, in Serie geschaltet und in der Lage, etwa vierzehn Volt insgesamt zu liefern, üiese Leistungszuführung weist eine hohe -Geschwindigkeits—Übereinstimmung auf, wenn in einem konstanten Strom-Modus. Die Leistungszuführung wurde so eingeregelt, daß sie 275 ..Milliampere, beibehielt. Ein Loch, dreizehn mil im Durchmesser und 0,851 cm tief, wurde gebohrt. Die ursprüngliche Spannung war ungefähr zehn Volt, und die Spannung sank auf etwa 6,1/2 Volt ab, als das Bohren durchgeführt wurde. Bei einem ähnlichen Beispiel wurde ein Loch mit einer Hate von O,3 Zoll (0,32 cm) pro Minute gebohrt, wobei 400 Milliampere konstanter Strom verwendet wurden.

Die oben aufgeführten Beispiele liefern bei Verwendung konstanten Stromes ein im wesentlichen einheitliches Loch bei einer relativ hohen Vorschubrate. Abhängig vom Material, welches bearbeitet wird,* und insbesondere in Fällen, in denen hohentVorschubraten verwendet werden, ist es möglich, daß ECM-Bohren mit konstantem Strom ein Loch zur Folge haben kann, welches einen leicht kegeligen Verlauf aufweist (d.h. eine Zunahme im Durchmesser als eine Funktion der Tiefe von ungefähr 0,395 χ 10 " pro cm). Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann dies dadurch behoben werden, daß die Leistungszufuhr als eine Funktion der Tiefe programmiert wird, um' den Strom etwas abfallen zu lassen, wenn die Bohrtiefe zunimmt. Dies wird in Fig.

303329/0747

durch eine Tiefen-Sensorvorrichtung k8 veranschaulicht, welche über eine Leitung 50 mit der Lieferquelle k2 kontrollierten Stromes, Gleichstromes, verbunden ist. Die Tiefen-Sensorvorrichtung k8 kann einen variablen Widerstand aufweisen, der einen Kontaktarm besitzt, der am Blockbauteil 28 angebracht ist, oder irgendeinen anderen geeigneten Positionssensor, der Ansprecherwiderung auf die Position des Blockbauteiles 28, der Klemnihülse 2k oder der hohlen Kathode lA zu leisten vermag. Gemäß Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind, kann ein variabler Widerstand, oder eine davon abgeleitete Spannung, verwendet werden, um auf diese Weise die Strom-Einstellung der Lieferquelle k2 kontrollierten Stromes, Gleichstromes, als eine Funktion der Tiefe einzuregeln.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Lieferquelle 'i2 kontrollierten Stromes, Gleichstromes, so programmiert werden, daß ein Strom (i) als eine lineare oder nichtlineare Funktion der Tiefe (D) geliefert wird, um so irgendeine gewünschte Lochkontur vorzusehen, wie in den Fign. 2 bis 7 dargestellt. Eine krugähnliche Form wird, wie in Fig. 2 dargestellt, dadurch erreicht, daß der Strom zunächst vermindert und dann erhöht wird, wie in Fig. 3 dargestellt. Eine Wespentaillen-Form, wie in Fig. k dargestellt, wird durch eine konkave Aufwärts-Stromkurve, wie in Fig. 5 dargestellt, vorgesehen. Eine Bohrung mit größer werdendem Durchmesser (geeignet zur Verwendung bei Gußoder verformbaren Nieten), kann, wie in Fig. 6 dargestellt, dadurch erreicht werden, daß eine Zunahme im Strom mit der Tiefe vorgesehen wird, wie in Fig. 7 dargestellt.

J.GÜ329/0747

Claims

- g — P atent ans prüc he

1. J Verfahren zum Bohren kleiner bzw. schmaler Löcher, mit Durchmessern, kleiner als dreißig mil (I mil = 1/1000 Zoll) und einem Verhältnis Tiefe zu Durchmesser größer als zehn, unter Verwendung elektrochemischer Bearbeitung, mit einer konstanten Vorschubrate, gekennzeichnet durch Verwenden einer Lieferquelle (42) kontrollierten Stromes, Gleichstromes, so daß eine Spannung über den Arbeitsspalt hinweg angelegt wird, wobei die Spannung und die Leistungseingabe nach dem Arbeitsspalt hin variiert bzw. verändert wird in Abhängigkeit von den Konditionen im Spalt»

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lieferquelle (42) kontrollierten Stromes so eingeregelt wird, daß ein konstanter Strom aufrechterhalten wird. .

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lieferquelle (42) kontrollierten Stromes so programmiert wird, daß Strom vorgesehen wird, welcher als eine vorbestimmte Funktion der Lochtiefe variiert.

4. Verfahren nach Anspruch 3_f dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Funktion linear ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Funktion nichtlinear ist.

30932970747

JO

Leerseite