DE2318780A1

DE2318780A1 - Vorrichtung zur elektrochemischen bearbeitung

Info

Publication number: DE2318780A1
Application number: DE19732318780
Authority: DE
Inventors: Jack New; Roger Kay Tyler
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Electrodrill Inc 48150 Livonia Mich Us
Priority date: 1972-04-13
Filing date: 1973-04-13
Publication date: 1973-10-25
Also published as: US3755127A; FR2180034A1; IL41954A; IL41954A0; JPS5543520B2; DE2318780C3; JPS4910130A; DE2318780B2; IT982741B; FR2180034B1; GB1384842A

Description

Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur elektrochemischen Bearbeitung und betrifft insbesondere Anlagen, bei denen eine große Anzahl von derartigen Bearbeitungsvorrichtungen verwendet werden, wobei die Elektrolytspeisung einer derartigen Bearbeitungsvorrichtung oder einer kleinen Zahl von derartigen Bearbeitungsvorrichtungen individualisiert und elektrisch vom Hauptspeicherbehälter isoliert ist und zwar während der elektrochemischen Bearbeitung.

Die elektrochemische Bearbeitung, die üblicherweise mit "ECM" bezeichnet wird, ist die gesteuerte Entfernung von Metall durch eine anodische Lösung in einer elektrolytischen Zelle, in der das Werkstück die Anode und das Werkzeug die Kathode ist. Der Elektrolyt wird durch einen Spalt zwischen dem Werkzeug und dem. Werkstück hindurchgepumpt, während ein Gleichstrom geringer Spannung durch die Zelle hindurchgeführt wird, um das Metall vom Werkstück mit einem Wirkungsgrad von etwa 100 % zu lösen.

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Eine elektrochemische Bearbeitung kann verwendet werden, um Arbeiten durchzuführen, deren Durchführung mittels mechanischer Bearbeitung schwierig oder unmöglich ist.

Diese Arbeiten umfassen die Bearbeitung von Hartmetallen, wie beispielsweise gehärtetem Stahl und wärmebeständigen Legierungen, ■und die Bildung von ungewöhnlich ge'formten, kleinen, tiefen Boh-/rungen. Elektrochemische Bearbeitung wird ebenfalls beim Planfräsen, Entgraten, Ätzen und Markieren verwendet.

Es wurden zahlreiche Arten von wässrigen Lösungen von anorganischen Verbindungen als Elektrolyse verwendet und die meist bekannten sind konzentrierte Lösungen von Schwefelsäure, Salzsäure oder Lösungen von Königswasser. Diese starken Säurelösungen halten das anodisch entfernte Metall in. Lösung und erzeugen unter den Bearbeitungsbedingungen keinen Schlamm.

Der Erfolg der elektrochemischen Bearbeitung hängt zu einem großen Ausmaß von der genauen Einstellung oder Steuerung der vorhandenen Variablen ab. Die wichtigsten Variablen sind die Werkzeugvorschubgeschwindigkeit, die Stromdichte, die Elektrolytzusammensetzung, der Gehalt an suspendierten Peststoffen, die. Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit sowie der Aufbau und die äußerliche Ausführung des Werkzeuges und des Haltevorrichtungsmaterials. Ferner spielt das Werkstückmaterial und dessen Zustand und der Bearbeitungsspalt eine Rolle. Für eine genaue Bearbeitung sollte ein stationärer Zustand erreicht werden, in dem die Lösung des Werkstückmaterials durch den Vorschub des Werkzeuges abgeglichen wird. Dies erfordert eine gleichförmige, steuerbare Werkzeugvorschubgeschwindigkeit.

Die Stromdichte ist der Hauptfaktor bei der Bestimmung der zulässigen Werkzeugvorschubgeschwindigkeit, da der Metallentfernungsvorgang durch das Faraday'sehe Gesetz bestimmt wird. Andere Faktoren bleiben konstant, während die Eindringgeschwindigkeit

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sich direkt mit dem Strom ändert. Die Stromdichte beeinflußt ■ also den Oberflächenzustand des Werkstückes.

Bei der elektrochemischen Bearbeitung hat der Elektrolyt drei .Funktionen, nämlich die, den Strom zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück zu leiten, die Reaktionsprodukte aus dem Erosionsbereich zu entfernen und die Wärme abzuleiten, die bei der Bearbeitung erzeugt wird. Die Elektrolyte müssen eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, eine geringe Toxizität, sie müssen chemisch und elektrochemisch stabil sein und sie dürfen keine Passivierungseffekte aufweisen.

Die Leitfähigkeit des Elektrolyten ist von Bedeutung., da sie den Energiebedarf und die Eindringgeschwindigkeit beeinflußt. Eine überkonzentrierte Lösung kann gesättigt werden und die Ausbildung von Kristallen ermöglichen, wodurch die Pumpen, Ventile, Schieber, Instrumente und Leitungen beschädigt werden können. Eine sehr schwache Lösung bewirkt örtliche oder intermittierende Passivität des Werkstückes und dadurch wird die Bearbeitung schwierig.

Die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten ist von Bedeutung, da der Elektrolyt die Wärme aufnehmen und entfernen muß und auch die Produkte der chemischen Reaktion entfernen muß. Im allgemeinen kann gesagt werden, daß je größer das Verhältnis von Elektrolytströmung zu elektrischem Strom ist, umso besser ist die Entfernung der Wärme und der Reaktionsprodukte. Die Pumpenkosten nehmen jedoch zu, wenn die Strömung zunimmt und eine übermäßig starke Strömung kann Kavitationseffekte hervorrufen und eine nicht gleichförmige Metallentfernung.

Die Einstellung oder Beherrschung dieser miteinander in Beziehung stehenden Variablen ist auf der Basis einer Fertigungsstraße schwierig. Es wird schwieriger, wenn ein einzelner Speise behälter verwendet wird, um den Elektrolyt einer großen Anzahl

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von Bearbeitungsstationen zuzuspeisen, da der Elektrolyt ein derartig guter Leiter ist, daß elektrische Störeinflüsse zwischen den verschiedenen Bearbeitungsvorrichtungen in einer Fertigungsstraße auftreten können und zwar über den Vorratsoder Speichertank hinweg, der dazu verwendet wird, den Elektrolyten zuzuführen. Da Stromdichte und Spannung bei einer richtigen elektrochemischen Bearbeitung kritische Größen sind, macht es die Zwischenwirkung zwischen verschiedenen Bearbeitun-gsstationen sehr schwierig, den genauen elektrischen Zustand an irgendeiner gegebenen Station sicherzustellen.

Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung geschaffen, die wenigstens eine elektrochmische, Bearbeitungsstation aufweist,, an der eine Düse und ein Werkstück vorgesehen ist, welches bearbeitet werden soll. Die positive Seite einer Gleichstromquelle ist mit dem Werkstück verbunden und deren negative Seite mit der Düse. Es ist ein Einlaß an der Düse vorgesehen, durch den hindurch ein elektrisch hochleitender Elektrolyt eingeführt wird. Ein Vorratsbehälter mit einer verhältnismäßig großen Kapazität nimmt den Elektrolyten auf, nachdem der Elektrolyt die elektrochemische Bearbeitung durchgeführt hat. Dieser Speicher oder Vorratsbehälter weist Filter oder andere Einrichtungen auf, mit denen irgendwelche vorhandenen Verschmutzungen entfernt werden. Der gebrauchte Elektrolyt aus allen Bearbeitungsstationen wird einem Vorratsbehälter oder Speichertank mit verhältnismäßig großer Kapazität zugeführt. Diese Bearbeitungsstation, die eine oder zwei Maschinen aufweisen kann, weist ihr abgeschlossenes Elektrolytumwälz- oder Zirkulationssystem auf. Dieses System weist einen Behälter oder Tank mit verhältnismäßig geringer Kapazität auf, der von dem Behälter mit großer Kapazität beschickt wird, wenn keinerlei Bearbeitung stattfindet. Wenigstens ein Behälter ist in dem verhältnismäßig kleinen Tank eingetaucht und der Druck eines Mediums, wie beispielsweise Druckluft, wird verwendet, um den Elektrolyten auszuleeren, der in diesem Behälter enthalten

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ist und um diesen Elektrolyten einer speziellen Bearbeitungsstation zuzuführen. Eine Zwischenwirkung zwischen der Bearbeitungsstation und dem Vorratstank mit verhältnismäßig großer Kapazität wird dadurch verhindert, daß ein Ventil oder ein Schieber vorgesehen ist, der von der Spannungsquelle des Systems gesteuert wird, um die Verbindung zwischen dem Tank mit verhältnismäßig großer Kapazität und dem Tank mit verhältnismäßig geringer Kapazität zu unterbrechen, wenn die Spannungsquelle eingeschaltet ist.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert werden.

Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung eines elektrochemischen Bearbeitungssystems, wobei Teile dieses Systems im Querschnitt dargestellt sind. Doppellinien werden zur Darstellung von Leitungen für fluide Medien verwendet, während einfache Linien zur Darstellung der elektrischen Schaltung verwendet werden. In der Zeichnung ist mit 10 ganz allgemein eine elektrochemische Bearbeitungsstation dargestellt, bei der ein Bearbeitungswerkzeug 11 vorgesehen ist, welches von einer Werkseugvorschubeinrichtung mit konstantem Vorschub gesteuert wird, die allgemein mit 12 bezeichnet ist. Das Werkzeug 11 weist eine Düse 13 auf, deren Abmessungen zum Zwecke der Darstellung vergrößert sind. Das Werkzeug 11 ist mit der negativen Seite einer Gleichstromquelle l*i über die Leitung 15 verbunden. Ein Werkstück 16 bildet die Anode des elektrochemischen Bearbeitungssystems und ist mit der positiven Seite der Gleichstromquelle 1*1 über eine elektrische Leitung 17 verbunden.

Gebrauchter Elektrolyt, der an der Bearbeitungsstation und an anderen Stellen gesammelt wird, wird über eine Leitung 18 in eine Behälter- und Piltereinheit mit großer Kapazität eingeführt, wobei diese Einheit bei 19 dargestellt ist. Die Kapazität der

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Speichereinheit 19 ist ausreichend groß, um genug Elektrolyten aufnehmen zu können, damit alle einzelnen Bearbeitungsstationen gespeist werden können.

Der gereinigte Elektrolyt wird von der Vorratseinheit 19 den einzelnen Bearbeitungsstationen mittels einer Reihe von Pumpen zugepumpt, wobei eine dieser Pumpen bei 20 dargestellt ist. Der Ausgang der Pumpe 20 wird von einem Schieber 21 gesteuert, der von einem Solenoid 22' betätigt wird, welches seinerseits mit einem Niederspannungsabschnitt, der eine geringe Stromstärke abgibt, der Stromquelle 14 mittels Leitungen 23 und 24 verbunden ist. Der Elektrolyt aus der Speichereinheit 19 wird durch eine Leitung 25 in eine Elektrolytumwälzeinrichtung gepumpt, die mit 26 bezeichnet ist. Die Elektrolytumwälzeinrichtung 26 kann einen Behälter 27 von verhältnismäßig kleiner Kapazität aufweisen, der mit einem Deckel 28 versehen ist. Der Behälter 27, der Deckel

28 und die verschiedenen Ventile oder Schieber und Leitungen bestehen alle aus einem inerten oder gegen chemische Einflüsse widerstandsfähigen dielektrischen Material, wie beispielsweise aus Kunstharz, Glas oder einem keramischen Material.

In den Elektrolyten, der in dem Behälter 27 vorhanden ist, sind zwei Behälter 29 und 30 eingetaucht, die ebenfalls aus einem inerten, elektrischen Isolationsmaterial bestehen» Die Behälter

29 und 30 sind mit Deckeln 31 und 32 ausgerüstet.

Der Elektrolyt innerhalb des Behälters 27 wird mittels eines Flügelrades 33 umgewälzt, welches innerhalb eines Gehäuses 3¹* \ angeordnet ist und von einem Motor 35 angetrieben wird. Eine Leitung 36 fördert den Elektrolyten nacheinander zu den Behältern 29 und 30 in Abhängigkeit davon, welcher zu dem betreffenden Zeitpunkt eingeschaltet ist. Luftbetätigte Schieber oder Ventile 37 und 38 sind vorgesehen, und zwar zur Steuerung der Einführung des Elektrolyten in den einen oder in den anderen Behälter. Jeder Behälter weist auch ein Überströmsteuerventil

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39 und 40 auf, welche die überströmmenge der Behälter in die Leitungen 4l und 42 abgeben.

Die Vorwärtsbewegung des Elektrolyten erfolgt unter Zuhilfenahme von zwei Druckluft leitungen 43 und 44, die von luftbetätigten Schiebern 45 und 46 gesteuert werden. Ein Unterdrucksetzen des Innenraums der Behälter 29 und 30 dient dazu, den Elektrolyten, der in den Behältern enthalten ist, durch eine Ausgangsleitung 47 oder 48 zu drücken, die von den luftbetätigten Schiebern 49 und 50 gesteuert werden. Die Schieber oder Ventile 49 . und 50 leiten, wenn sie offen sind, den Elektrolyten durch Leitungen 51 und 52 in eine Werkzeugspeiseleitung 53» durch welche der Elektrolyt in das Innere des Werkzeuges 11 geführt wird und zwar durch einen Einlaß 5^· '

Die Betriebsbedingungen hängen natürlich von dem Material, welches bearbeitet wird, ab. Die Elektrolyttemperaturen liegen vorzugsweise im Bereich von 26,7°C (80°F) bis zu 37,8⁰C (100⁰P). Der auf den Elektrolyten einwirkende Pumpendruck variiert mit

dem Innendurchmesser der Düse und liegt im allgemeinen in einem

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Bereich zwischen etwa 0,70 kg/cm bis zu .4,92 kg/cm (10 bis

70 Pfund pro Zoll), wobei innerhalb dieses Bereiches ein Bereich von 2,81 kg/cm² bis zu 4,22 kg/cm² (40 bis 60 Pfund pro ZolDbevorzugt ist.

Die Düsenlänge kann ebenfalls beträchtlich variieren und zwar zwischen Längen von 0,228 cm (0,09 inch) bis zu 0,279 cm (0,110 Zoll)J3iese Längen sind für Bohrungen von sehr kleinem Durchmesser geeignet. Der Innendurchmesser der Düse kann beträchtlich variieren und zwar in einem Bereich von 0,000762 cm (0,0003 Zoll) bis zu 0,00254 cm (0;001 Zoll). Diese Abmessungen sind zum Bohren von sehr kleinen Bohrungen nützlich. Der Spaltabstand zwischen dem Entladungsende der Düse und dem Werkstück kann im Bereich von 0,0762 cm bis zu 0,38 cm liegen, wobei ein Anfangsspalt von 1,77 cm für einen wirksamen Abzug des Elektrolyten bevorzugt ist.

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Die Gleichstromspannung zwischen der Anode und der Kathode kann im Bereich von 100 Volt bis zu 800 Volt liegen. Diese Spannung kann, wenn der Bearbeitungsvorgang fortschreitet, geändert werden. Eine Anfangsspannung von unterhalb lOOVolt wird verwendet, bis in der Oberfläche des Werkstückes Vertiefungen ausgebildet sind, die ausreichen, um-Strahlströme von der Oberfläche des Werkstückes fortzulenken. Diese Spannung kann schrittweise erhöht werden,wem die Tiefe der Vertiefungen oder 'Hohlräume zunimmt. Anfangsströme mit einer Stromstärke von etwa 0,10 bis etwa 0,30 Ampere können verwendet werden, bis der Hohlraum ausreichend geformt ist, um Strahlen vom Werkstück abzulenken, wonach die Spannung erhöht werden kann, um einen Strom von etwa 0,50 bis zu 1,5 Ampere aufrechtzuerhalten. Der Behälter 27 wird mit Elektrolyt aus dem Speicherbehälter 19 am Ende eines Betriebstages gefüllt, wenn die Bearbeitungsstationen abgeschaltet werden. Wenn die Bearbeitungen wieder aufgenommen werden sollen, so wird die Spannungsquelle 14 eingeschaltet, was bewirkt, daß das Solenoid 22 den Schieber 21 schließt und das große Volumen, bestehend aus hochleitfähigem Elektrolyten, im Speicherbehälter 19 von den einzelnen Bearbeitungseinheiten elektrisch isoliert.

Die verschiedenen luftbetätigten Schieber oder Ventile an den Behältern 29 und 30 sind mittels fluidischer Zeitfolge Steuerungen od. dgl. programmiert,- derart, daß eine kontinuierliche Einleitung von Elektrolyt in das Werkzeug 11 erfolgt, wobei ein Behälter gefüllt wird, wenn der andere seinen Inhalt abgibt. Es sei beispielsweise angenommen, daß der Behälter 29 gefüllt wird und daß aus dem Behälter 30 der Elektrolyt dem Werkzeug zugeführt wird. Das Ventil 37 ist offen und das Ventil 38. ist geschlossen. Der Auslaßschieber 49 ist geschlossen und der Auslaßschieber 50 am Behälter 30 ist offen. Der Schieber JJ5, der die Zufuhr von Druckluft steuert, ist geschlossen, während der Schieber 46 offen ist, um den Druck zu erzeugen, damit der Elektrolyt über den Abgabeschieber 50 abgegeben werden kann.'

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Das Überströmventil 39 im Behälter 29 ist offen und das Ventil ^O ist geschlossen. Bei dem nächstfolgenden Zyklus, wenn der Behälter 30 gefüllt wird und der Behälter 29 geleert wird, werden die Schieber oder Ventile, die vorher offen waren, nun geschlossen und diejenigen, die geschlossen waren, nunmehr geöffnet.

Den vorstehenden Ausführungen ist zu entnehmen, daß durch das erfindungsgemäße System eine individuelle Steuerung des Elektrolytumlaufes für eine Bearbeitungsstation oder für einige wenige Bearbeitungsstationen geschaffen wird, wobei jede dieser Bearbeitungsstationen vom Hauptvorratsbehälter isoliert wird. Auf diese Weise wird eine genaue Einstellung der elektrischen Variablen an jeder Station in sehr leichter Weise sichergestellt und aufrechterhalten und eine elektrische Zwischenwirkung zwischen den Stationen wird ausgeschaltet.

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Claims

Patent a" n Sprüche

.J Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung mit wenigstens einer elektrochemischen Bearbeitungsstation, die eine Düse umfaßt und ein zu bearbeitendes Werkstück, mit einer Gleichstromquelle, deren positive Seite mit dem Werkstück und deren negative Seite mit der Düse verbunden ist und mit Zuführungseinrichtungen für die Düse, damit in die Düse ein hochleitfähiger Elektrolyt eingeführt werden kann, gekennzeichnet durch einen Speicherbehälter (19) von verhältnismäßig großer Kapazität, der den Elektrolyten von der Bearbeitungsstation (10) aufnimmt, nachdem der Elektrolyt die elektrochemische Bearbeitung durchgeführt hat, einen Behälter 26 mit verhältnismäßig kleiner Kapazität, der in Verbindung mit dem Behälter" (19) von großer Kapazität steht, wenigstens einen Behälter (29, 30), der in den Behälter (26) mit verhältnismäßig kleiner Kapazität eingetaucht ist, Druckvorrichtungen (43, 44), die zum Ausleeren des in dem Behälter (29, 30) enthaltenen Elektrolyten dienen, Leitungen (51, 52, 53), die dem Behälter(29, 30) mit dem Einlaß der Düse (11, 13) verbinden, einen Schieber (21), der von der Spannungsquelle (14) gesteuert wird, um die Verbindung zwischen dem Behälter (19) von verhältnismäßig großer Kapazität und dem Behälter (26) von verhältnismäßig kleiner Kapazität zu unterbrechen, wenn die Spannungsquelle eingeschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (26) mit verhältnismäßig geringer Kapazität zwei Behälter (29, 30) aufweist, daß die Druckeinrichtungen (43, 44) auf jeden der Behälter (29, 30) aufeinanderfolgend einwirken, um einen kontinuierlichen Elektrolytstrom in den Einlaß (54) der Düse (11, 13) einzuführen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewegungs- und Pumpeinrichtung (33, 34) in dem Behälter (26) mit verhältnismäßig geringer Kapazität vorgesehen ist.

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*l. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile und/oder Schieber luftbetätigt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeinrichtungen Leitungen (43, ¹J¹O aufweisen, mit denen Druckluft in die Behälter (29, 30) eingeführt wird, um den Elektrolyten aus der Basis dieser Behälter auszustoßen.

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