DE2362260A1

DE2362260A1 - Elektrolytisches abtragen von material von einem werkstueck

Info

Publication number: DE2362260A1
Application number: DE2362260A
Authority: DE
Inventors: James Dair Andrews
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Electrodrill Inc 48150 Livonia Mich Us
Priority date: 1973-12-14
Filing date: 1973-12-14
Publication date: 1975-06-19
Also published as: DE2362260B2

Description

Cleveland, Ohio 44117 /WSt .A.

Ünser Zeichen: T 1504

Elektrolytisches Abtragen von Material von einem

Werkstück

Die Erfindung bezieht sich auf das elektrolytische Abtragen von Material von einem Werkstück und insbesondere" auf die elektrochemische Herstellung von Bohrungen, Aussparungen und Nuten in Metallwerkstücken. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektroerosiven Absenken oder Bohren von Hohlräumen mit Elektrolytstrahlen, die aus nicht leitenden, inerten Düsen austreten, welche ihrerseits nicht in das Werkstück eindringen, wobei der Elektrolyt durch eine Elektrode kathodisch aufgeladen ist, die im Abstand von der Düsenspitze angeordnet ist, wodurch eine Blasenbildung ausgeschaltet wird und die Möglichkeit gegeben wird, sehr feine Strahlströme auszubilden.

Die elektroerosive Bearbeitung mit hohlen Werkzeugen, die aus einem dielektrischen Material bestehen, ist bekannt. Bei die·" sen bekannten Verfahren ist es jedoch erforderlich, daß das

Gei.

509825/0.54.1

Werkzeug in das Werkstück eindringt, wenn das Absenken des Hohlraumes fortschreitet. Bei den in diesen Verfahren verwendeten hohlen Werkzeugen war die Elektrode innerhalb des Werkzeuges angeordnet. Das Eindringen des Werkzeuges in das Werkstück führt zur Erzeugung von Hohlräumen mit größeren Durchmessern als dem Außendurchmesser des Austrittsendes des Werkzeuges. Durch die Anordnung der Elektrode im Werkzeug werden Wasserstoffbläschen freigegeben und es werden willkürliche Strömungsverteilungen des Elektrolyten erzeugt. Ferner sind Werkzeuge von relativ großen Durchmessern erforderlich, um die Elektrode aufnehmen zu können und dadurch werden dichte Abstände zwischen mehreren Elektrolytenstrahlen ausgeschaltet.

Durch die vorliegende Erfindung wird die Einwirkung des äusseren Durchmessers des Werkzeuges auf die Größe des Hohlraumes ausgeschaltet, der hergestellt wird, da das Werkzeug nicht in das Werkstück eintritt und es wird die Ausbildung von elektrolytischen Bläschen ausgeschaltet. Ferner werden Begrenzungen der minimalen Werkzeuggröße dadurch ausgeschaltet, daß die Elektrode aus dem Werkzeug entfernt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich eine Anzahl von Glasrohren mit sich verjüngenden Düsenenden von einem Kopfstück oder Verteiler, der eine einzige Elektrode für alle Rohre trägt. Elektrolyt wird in den Verteiler gepumpt und wird durch die Elektrode kathodisch aufgeladen und der aufgeladene Elektrolyt strömt durch die freien Glasrohre hindurch und schlägt direkt auf das Werkstück in Form von einzelnen Strahlen auf, deren Abmessungen den Innendurchmessern der Düsenenden der Rohre entsprechen und deren Abständeden Abständen dieser Düsenenden entsprechen. Die Rohre können so dicht wie gewünscht angeordnet werden, so daß die Düsenstrahlen so dicht wie gewünscht verlaufen können. Da die Werkzeuge nicht in das Werkstück eintreten,

509 825/05 41

kann eine stationäre Halterung für die Werkzeuge verwendet werden und eine Anzahl von Werkzeugbänken kann von einer einzelnen Halterung getragen werden, um Bohrungsverteilungs-' muster zu erzeugen, die mit beweglichen Werkzeugen nicht ■_ hergestellt werden können. ■ ·

Die Spannung wird, wenn der Hohlraum im Werkstück größer wird, erhöht, und wenn eine Durchbohrung hergestellt wird, die es ermöglicht, daß der Elektrolyt in einer geradlinigen Bahn strömt. Die Spannung kann wieder erhöht werden, um. Werkstoff zu'entfernen, der eine konische Ausbildung in der Bohrung bewirken würde, um eine geradlinige Bohrung-herzustellen. Um die Abführung des Elektrolyten vom Werkstück zu erleichtern, ist es bevorzugt, das Werkstück in einer- Höhe oberhalb der spitzen Enden der Düsen anzuordnen. -

Säuren, wie beispielsweise Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure und Zitronensäure sind in Konzentrationen verwendbar, die für das.Werkstück verträglich sind. Die Konzentrationen können sich verändern, wobei Elektrolyte, die die höchst --.".' mögliche Leitfähigkeit haben,, ohne daß das Werkstück metallurgisch zerstört oder beschädigt wird, bevorzugt sind. Konsentrationen von Schwefelsäure in der Größenordnung von 22,5 Volumen-% und Konzentrationen von Salzsäure in der Größenordnung von 1*1 Volumen-^ sind sehr vorteilhaft.

Die Temperaturen der Elektrolyte werden vorzugsweise im Bereich von 26,7⁹C bis 37,8°C (80° bis 100^! die Elektrolytstärke aufrechtzuerhalten.

reich von 26,7°C bis 37,8°C (80° bis 100° F) gehalten, um

Die Pumpendrucke für den Elektrolyten können sich in einem weiten Bereich mit dem Innendurchmesser der Düsenwerkzeuge verändern und liegen im allgemeinen im Bereich von 0,7 bis ²J,92 kg/cnr (10 bis 70 englische Pfund pro Quadrat zoll), wobei ein Bereich von 2,8l kg/em² bis'4,22 kg/cm² (*J0 bis 60 englische Pfund pro Quadratzoll) bevorzugt ist.

509825/0541

. H ■

Die Düsenlängen können sich beträchtlich verändern, wobei ein Längenbereich von 0,22 cm bis zu 0,28 cm (0,9 bis 0,11 inch) zum Bohren sehr kleiner Durchmesser vorteilhaft ist.

Der ,Düseninnendurchmesser kann sich ebenfalls verändern, wobei ein Bereich von 0,000726 bis 0,0025 cm (0,0003 bis 0,001 inch) für sehr kleine Bohrungen vorteilhaft ist, wobei selbstverständlich für größere Bohrungen der Durchmesser in gewünschter Weise vergrößert werden kann. Der Spaltzwischenraum zwischen den Austrittsenden der Düsen und dem Werkstück kann sich von 0,076 cm bis zu 0,38 cm (0,030 bis· 0,150 inch) verändern, wobei ein Anfangsspalt von 0,177 cm (0,Ό7 inch) für ein wirksames Abziehen des Elektrolyten bevorzugt ist. Der Spalt kann selbstverständlich zunehmen, wenn der Hohlraum tiefer wird.

Wenn die Bohrungen, die gebohrt werden, das Werkzeug durchdringen, werden die Elektrolytstrahlen bevorzugt gegen ein Hinterlegungsmaterial gerichtet, welches einen Schmelzpunkt nicht tiefer als etwa 93,3°C (200⁰P) haben sollte, um eine elektrochemische Einwirkung auf irgendwelche darunter liegenden Werkzeugflächen oder Bereiche auszuschalten.

Eine Gleichstromspannung zwischen dem kathodischen Elektrolyten und dem anodischen Werkstück kann einen Bereich von etwa 100 V bis 800 V durchlaufen. Eine Anfangsspannung unter etwa 100 V ist bevorzugt, bis Einsenkungen in der Oberfläche des Werkstückes ausgebildet sind, die ausreichen, um die Strahlströme von der Oberfläche des Werkzeuges fortzulenken. Eine Eindringtiefe von etwa 0,0025 cm bis 0,025 cm (0,001 bis 0,01 inch) ist ausreichend, um Seitenwandungen zu bilden, welche die Strahlen von der Oberfläche des Werkstückes ablenken, um ein überlappen von Hohlräumen oder ein Ätzen der Oberfläche des Werkstückes zu verhindern. Ein Abziehen unter

509825/0541

Einwirkung der Schwerkraft verbessert die Abtrennung des abgegebenen Elektrolytstrahles vom Werkstück. Im allgemeinen wird die geringe Anfangsspannung lediglich während einer Zeitdauer von 3 bis 15 Sekunden angewendet. Die Spannung wird dann schrittweise erhöht, wenn die Tiefe der Hohlräume zunimmt. Anfangsstromstärken von etwa O₃I bis 0,3 Amp. können verwendet werden, bis der Hohlraum ausreichend ausgeformt ist, um die Strahlen vom Werkstück fortzulenken. Danach wird die Spannung erhöht, um eine Stromstärke von 0,75 bis 1,5 Amp. zu erhalten. Die Spannungszunähme kann schrittweise,bis zu 8000 Volt Gleichspannung erfolgen.

Das bevorzugte Material für das Werkzeug ist ein Borat--Glas, welches ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften aufweist und welches gezogen werden kann, um Düsenenden von gewünschten Längen und mit gewünschten Innendurchmessern herzustellen. Die Glasrohre selbst können sehr dünn sein und äußere Abmessungen haben, die einen sehr dichten Abstand voneinander zulassen. Falls gewünscht, können zusätzlich die Rohre flache Seiten haben, so daß sie sehr dicht nebeneinander gegeneinander anliegen können.

Das bevorzugte Elektrodenmaterial ist irgendein Leiter, der dem Elektrolyten widerstehen kann. Metalle, wie beispielsweise Titan, Platin und Nickel, sind geeignet.

Das Werkstück ist üblicherweise ein Metall oder Metalloid, das sehr hitzebeständig ist und schwierig zu bohren ist. Das Verfahren und die Vorrichtung sind auch bei weicheren Materialien verwendbar, die anodisch aufgeladen werden können. Im allgemeinen bestehen die Werkstücke aus harten hochlegierten Stählen, Niekel, Wolframkarbid, Wolfram, Molybdän, Titan, Vanadium, Chrom und deren Legierungen. In gewissen Fällen kann auch Eis'en das Werkstück bilden.

5098 25/0 541

Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Düsenendes eines Glasrohres, welches einen Elektrolytstrahl gegen die Unterseite eines darüber liegenden Werkstückes richtet und zwar zu Beginn einer Bohrung,

Fig. 2 bis 6 ähnliche Ansichten wie Fig. 1, die die aufeinanderfolgenden Stufen beim Bohren zeigen,

Fig. 7 eine schematische vergrößerte Schnittansicht eines Düsenrohres, welches mit einem Mittelstab ausgerüstet ist, der gegen die Unterseite des Werkstückes anliegt, so daß der Düsenstrahl, der aus der Düse austritt, die Form eines Hohlzylinders hat, mit dem eine zylindrische Bohrung durch das Werkstück geschnitten wird, wobei ein mittlerer Kern zurückbleibt,

Fig. 8 eine Draufsicht, gesehen von der Linie VIII-VIII der Fig. 7 aus, ·

Fig. 9 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie IX-IX der Fig. 7,

Fig.10 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, die gemäß der Erfindung ausgebildet ist,

Fig.11 eine senkrechte Schnittansicht, in der die Art und Weise gezeigt wird, in welcher eine Anzahl von Düsenrohrenbänken gleichzeitig auf die Vorderkante eines hohlen Tragflügelprofilwerkstückes einwirkt, wie-beispielsweise auf die Gebläseschaufel eines Stranltriebwerkes, die in einer Halterung gehalten wird,

509825/0541

Fig. 12 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie XII-XII der Fig. 11, wobei Teile weggebrochen sind,

Fig. 13 eine Schnittansicht, bei der Teile weggebrochen sind, genommen längs der Linie XIII-XIII der Fig. 11,

Fig. 14 eine vergrößerte Teilschnittansicht, die Einzelheiten des Rohrhalters und der Distanzstücke zeigt, genommen längs der Linie XIII-XIII der Fig. 11,

Fig. 15 eine schematische Seitenansicht einer anderen Rohrmontageanordnung,

Fig. 16 eine Querschnittansicht einer Reihe von Glasrohren mit flachen aneinander liegenden Seiten, so daß ein dichter Abstand der Rohre erzielt werden kann und

Fig. 17 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 11 einer anderen Ausführungsform, wobei eine Anzahl von Reihen von Rohren sich aus einem einzelnen Verteiler heraus erstreckt.

In den Fig. 1 bis 6 ist ein hohles Glasdüsenwerkzeug 10 dargestellt, welches einen Elekcrolytstrahlstrom 11 gegen die Unterseite 12a eines Metallwerkstückes 12 richtet, um eine gerade Bohrung 13 durch das Werkstück hindurch auszubilden, wie es in Fig. 6 dargestellt ist.

Das Werkzeug 10 hat einen im allgemeinen zylindrischen langgestreckten Hauptkörperabschnitt 10a, der bei 10b sich haisförmig verengt und zwar zu einem nadelartigen Düsenendabschnitt 10c hin, der an einer Spitze IQd endet, die dicht neben der Unterseite 12a des Werkstückes 12 angeordnet ist-.

509825 /0541

'B-

Elektrolyt wird durch den rohrförmigen Körper 10a hindurch gepumpt, der am Halsabschnitt 10b konvergiert und der Elektrolyt strömt mit hoher Strömungsgeschwindigkeit durch die Düse 10c und tritt an der Spitze 1Od als genau und scharf definierter Strahl auf, der direkt auf die Unterseite 12a auftrifft, die unmittelbar oberhalb der Spitze liegt. Der Strahlstrom strömt dann seitwärts durch einen Spalt 14 zwischen der Spitze 1Od und der Unterseite 12a hindurch und folgt der Unterseite, wie es bei 11a dargestellt ist, bis seine Strömungsgeschwindigkeit ausreichend abgenommen hat, damit die Flüssigkeit von der Unterseite abtropfen kann, wie es bei 11b gezeigt ist.

Das Werkstück ist anodisch aufgeladen und der Elektrolyt ist kathodisch aufgeladen und zwar in einer Art und Weise, wie es noch beschrieben werden soll. Zu Beginn der Herstellung der Bohrung, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wird die elektrische Spannung zwischen dem Elektrolyten und dem Werkstück verhältnismäßig niedrig gehalten, so daß der in Querrichtung strömende Strom 11a nicht die Tendenz hat, die Unterseite 12a über den Bereich des anfänglichen Aufschlages hinaus zu ätzen, wobei dieser Bereich über der Düsenspitze 1Od liegt.

Nach einigen Sekunden ist, wie in Fig. 2 dargestellt, eine flache Ausnehmung 15 in der Unterseite 12a unmittelbar oberhalb der Düsenspitze 1Od ausgebildet. Sobald wie diese Ausnehmung ausreichend tief ist, um den Strahlstrom 11 von der Unterseite abzuleiten, wie es bei lic dargestellt ist, wodurch eine Querströmung ausgeschaltet wird, die bei 11a in Fig. 1 dargestellt ist, kann die Spannung zwischen dem Werkstück und dem Elektrolyten erhöht werden, um den Bohrvorgang zu beschleunigen.

Wenn die Aussparung sich zu einer Blindbohrung vertieft hat und zwar mit einer Tiefe, wie es bei 16 in Fig. 3 gezeigt ist, entsteht eine größere Seitenvrandung zur Verfügung, um den Strahlstrom in Form einer in Querrichtung begrenzten Strömung

509825/05 41

- _k- 23S2260

A-

abzugeben j wie es bei lld gezeigt ist. Die Spannung wird wieder erhöht, um die Zunahme des Abstandes zwischen dem spitzen Ende 1Od und^dem Boden der Bohrung 16 zu kompensieren, wobei am Boden der Bohrung 16 der Elektrolyt auf das.Werkstück , auftrifft. · _:

Es wird dann, wie"Fig. 4 zeigt, eine verhältnismäßig tiefe Blindbohrung 17 im Werkstück ausgebildet, wobei weiterhin der". Abstand zwischen dem spitzen Ende 1Od und dem Boden der·Bohrung vergrößert wird. Es wird eine weitere Erhöhung der Spannung durchgeführt.

Wenn, wie in Fig. 5 gezeigt, der Durchbruch erfolgt ist, so daß eine Durchbohrung 18 im Werkstück ausgebildet ist, so strömt der Elektrolytstrahlstrom durch die Bohrung hindurch, wie es bei lie gezeigt ist, und falls es gewünscht ist, darüberliegende Werkstückoberflächen gegen den austretenden Strahlstrom He zu schützen, kann ein-dielektrisches Hinterlegungsmaterial 19 vorgesehen sein, so daß der Elektrolyt auf dieses Material auftrifft. Der abgegebene Elektrolyt kann dann über die Oberseite des Werkstückes, wie es dargestellt ist, frei abströmen.

Die - wie beschrieben - ausgebildete Bohrung 18 weist eine leichte Konusform auf und zwar durch den Elektrodenrückfluß, der bei Hc und lld in den Fig. 2 bis M dargestellt ist. Gemäß der Erfindung wird eine geradlinige Bohrung 13» die in. Fig. 6 dargestellt ist, aus der konischen Bohrung 18 dadurch geformt, daß wiederum die Spannung zwischen dem Elektrolyten und dem Werkstück nach dem in Fig. 5 dargestellten Durchbruch erhöht wird.

Da der durchströmende Strahlstrom nicht durch die Bohrung zurückkehrt, nachdem der Durchbruch erfolgt ist, bewirkt die erhöhte Spannung am Elektrolyten, daß dieser sehr schnell verbleibendes Material wegätzt, welches einen. Konus innerhalb der Grenzen des Stromes bildet.

509825/0541

Es sei bemerkt, daß das Spitzenende 1Od der Düse in gleichem festen Abstand von der Bodenseite 12a des Werkstückes bleibt und zwar während des gesamten Bohrvorganges und daß eine schrittweise oder konstante Erhöhung der Spannung zwischen dem Elektrolyten und dem Werkstück, wie es noch beschrieben werden soll, die fortschreitende Aushöhlung bewirkt, wenn der Abstand der Oberfläche, auf die der Strahlstrom einwirkt, vom Spitzenende der Düse zunimmt. · .

Falls es gewünscht ist, größere Bohrungen auszubilden, ohne daß durch Elektroerosion das gesamte Werkstückmaterial entfernt wird, kann ein Hohlbohrvorgang durchgeführt werden, wie es in den Fig. 7 bis 9 dargestellt ist. Ein rohrförmiges Glaswerkzeug 20 weist einen langgestreckten zylindrischen Körperabschnitt 20a auf, einen Halsabschnitt 20b und einen Düsenabschnitt 20c, der in einer Düsenspitze 20d endet. Ein Elektrolyt 21 wird durch das Rohr um einen Glasstab 22 herum gepumpt, der zentral in dem Rohr durch Beilagscheiben 23 aus einem dielektrischen Material getragen wird. Der Stab 22 erstreckt sich über das Spitzenende 20d der Düse 20c hinaus und liegt gegen das Werkstück 24 an dessen Unterseite 24a an und bedeckt einen kreisförmigen Bereich oder eine Kreisfläche dieser Unterseite.

Der austretende ElektrolytStrahlstrom 21 hat die Form eines hohlen Zylinders und trifft auf die Unterseite 24a des Werkstückes.um den Stab 22 herum auf und schneidet eine zylindrische Bohrung 25 durch das Werkstück hindurch, wobei ein zentraler Kern 26 verbleibt, der über dem Stab 22 liegt. Mit diesem Verfahren kann eine große Bohrung 25 gebohrt werden, ohne daß durch Elektroerosion das gesamte Metall aus der Bohrung herausgeätzt wird, da ein Metallkern mit verhältnismäßig großem Durchmesser verbleibt.

50982570541

Wie Fig. 8 zeigt, wird eine kreisförmige Bohrung 25 mit großem Durchmesser durch das Werkstück 2*1 hindurch ausgebildet und der Kern 26 ist vollständig vom Werkstück frei.

Wie Fig. 9 zeigt, umgeben die Stützen oder Beilagscheiben 23 den Stab 22 und liegen gegen den Körperabschnitt 20a des Rohres an, um den Stab konzentrisch im Rohr zu halten, wobei sich der Stab durch die Düse 20c im konzentrischen Abstand von der Innenwandung der Düse hindurch erstreckt, wodurch der zylindrische Strahlstrom 21 gebildet wird, der die gewünschte zylindrische Form und Dicke aufweist. Schlitze 23a sind in der Beilagscheibe angeordnet, damit eine freie Strömung des Elektrolyten durch das Rohr hindurch ermöglicht wird.

Fig. 10 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wie Fig. 10 zeigt, ist eine Anzahl von Werkzeugen 10 nebeneinander derart montiert, daß gleichzeitig einzelne Strahlströme gegen die Oberfläche 12a des Werkstückes 12 abgestrahlt werden. Diese Werkstücke 10 erstrecken sich von einem Verteiler 30 aus. Elektrolyt aus einem Vorratsbehälter 31 wird durch eine Pumpe 32 in ein Ende des Verteilers 30 gepumpt und strömt durch die Werkzeuge 10 hindurch. ·

Eine Gleichspannungsquelle 33 lädt anodisch das Werkstück 12 auf und lädt kathodisch eine Elektrode 3^ auf, die in der Mitte des Verteilers 30 angeordnet ist und die eine gemeinsame Elektrode für¹ alle Werkzeuge 10 bildet.

Wie es besser in den Fig. 11 und 12 dargestellt ist, besteht der Verteiler 30 aus einem dielektrischem Material, wie beispielsweise Kunststoff oder Glas, und weist eine Längsbohrung 35 auf, die an einem Ende durch einen Stopfen 36 verschlossen ist, der in die Bohrung eingeschraubt ist. Die Bohrung 35

509825/0541

weist ferner einen Anschluß 37 auf, der in das andere Ende eingeschraubt ist und der mit einem T-Stück 38 verbunden ist. Ein-Ende dieses T-Stückes steht mit der Auslaßseite 32 der Pumpe in Verbindung und der andere Schenkel nimmt die mit negativer Spannung versorgte Leitung 39 auf, die von der Spannungsquelle kommt. Die die positive Spannung führende Leitung 40, die von der Spannungsquelle ausgeht, ist mit dem Werkstück 12 verbunden, wie es in Fig. 10 gezeigt ist.

Ein Elektrodendraht 4l, der mit der die negative Spannung führenden Leitung 39 verbunden ist, wird zentral in der Bohrung 35 durch den Verschlußstopfen 36 und den Anschluß 37 getragen.

Ein Schlitz 42 erstreckt sich von der Bohrung 35 zu einer verbreiterten Aussparung 43 in dem Ende des Verteilers, das dem mit der Bohrung versehenen Ende gegenüberliegt. Die Werkzeuge 10 erstrecken sich durch die Aussparung 43 hindurch in den Schlitz ¹J2 und enden kurz vor der Bohrung 35. Ein dielektrischer Zement 44 füllt die Aussparung 33, die das Werkzeug IQ umgibt und befestigt die Werkzeuge am Verteiler, wodurch eine Werkzeugbank gebildet wird, in der die Werkzeuge den gewünschten Abstand voneinander haben.

Die Werkzeuge IO erstrecken sich über einen beträchtlichen Abstand vom Verteiler 30 fort und da sie sehr dünn und sehr zerbrechlich sein können, werden diese in der Nähe der freien Enden verstärkt und gehalten und zwar durch einen Einspannblock 45, der an starren Zapfen 46 montiert ist, die sich vom Verteiler 30 an jedem Ende der Werkzeugreihe 10 erstrecken. Diese Zapfen 46 können in den Verteiler eingeschraubt oder in anderer Weise an diesen befestigt sein. Die Zapfen weisen in der Nähe ihrer freien Enden Bundabschnitte 47 auf und die Einspannblöcke stützen sich auf diesen Bundabschnitten ab.

Wie Fig. 13 zeigt, besteht der Einspannblock 45 aus einem starren dielektrischen Material, wie beispielsweise Kunststoff od. dgl., und weist eine Montagestange 48 auf, die an

509825/05 41

ihren Enden mit Werkstückhalterungen 49 verschraubt ist, wobei die Montagestange den gesamten Zwischenraum zwischen diesen Halterungen überspannt. Der Spannblock 45 weist eine Stange 51 auf, die an der Montagestange 48 mittels Schrauben 52 angeschraubt ist. Wenn die Stange 51 gegen die Stange 48 fest angezogen ist, werden die Zapfen 46 erfaßt, so daß eine starre Baugruppe 53 für die Werkzeuge 10 und den Verteiler gebildet wird.

Wie ebenfalls Fig. 13 zeigt, erstrecken sich die Werkzeuge 10 durch einen Schlitz 54 hindurch und wie in Fig. 14 gezeigt, ist der geschlitzte Abschnitt der Einspannstange 51 vorzugsweise ausgespart, wie es bei 55 dargestellt ist, wodurch Aussparungen geschaffen werden, welche die Werkzeuge 10 aufnehmen und welche mit der Bodenwandung 56 im Schlitz der Stange 4 8 zusammenarbeiten, um die Werkzeuge 10 in fester Abstandsbeziehung an ihren freien Enden festzuhalten.

Alternativ können, wie in Fig. 15 gezeigt, die Werkzeuge TO in Anlage gegeneinander gebracht werden, falls in sehr dichtem Abstand voneinander angeordnete Bohrungen im Werkstück erzeugt werden sollen und ferner können, falls gewünscht und wie in Fig. 16 dargestellt, die gegeneinander anliegenden Flächen der Werkzeuge abgeflacht werden, um deren Düsen noch dichter beieinander anzuordnen. ■

Wie Fig. 17 zeigt, ist eine Baugruppe 53a aus einer Mehrzahl von Reihen von Werkzeugen 10 vorgesehen und zwar mit einem einzigen Verteiler 30a, der einen breiten Schlitz 42a aufweist, welcher die verschiedenen Werkzeugreihen aufnimmt. Die Vergußmasse 44 in der Aussparung 43 des Verteilers 30a hält die Werkzeugdoppelreihe 10 am Verteiler 30a. Der übrige Aufbau ist der gleiche wie bei der Baugruppe 53 beschriebene.

509825/0541

Wie Pig. 11 zeigt, sind drei Werkzeugbaugruppen 53 zwischen den Werkstückhalterungen ^9 angeordnet, welche ihrerseits ein hohles, aus Metall bestehendes Tragflächenprofilwerkstück tragen, wie beispielsweise eine Düsenschaufel 60 eines Strahltriebwerkes. Die einander gegenüberliegenden Werkstückhalterungen 4 9 weisen einen Schlitz 6l auf, der die Enden der Schaufel 60 dreht. Einstellschrauben 62 sind in den Halter HS eingeschraubt und halten die Schaufel 60 fest in den Schlitzen und zwar derart, daß die Nase 60a der Schaufel sich nach unten erstreckt.

Die drei Sätze von Werkzeugbaugruppe 53 sind an den Werkstückhalterungen 4 9 durch Einspannbaugruppen M5 gehalten, wie sie im Vorstehenden beschrieben wurden. Die Düsenenden der Werkzeuge 10 sind derart angeordnet, daß ElektrolytStrahlströme gegen das Nasenende 60a der Schaufel gerichtet werden, um drei Reihen von Bohrungen 63» 64 und 65 durch die Schaufel längs der Länge der Schaufel auszubilden. Im Betrieb des Strahltriebwerkes strömt Luft, die in das hohle Innere der Schaufel 60 eingeführt wird, durch diese Bohrungsreihen hindurch, um eine Isolationsschicht zu bilden, die das Metall der Schaufel gegen die heißen Gase schützt, welche über die Schaufel hinwegströmen.

Die Schaufel 60 erstreckt sich durch die Schlitze 61 in den Werkstückhalter ^9 hindurch und da diese Schaufel offene Enden aufweist, kann der Elektrolyt, der in das hohle Innefce der Schaufel eintritt, frei durch die offenen Enden der Schaufel abfließen.

Wie in Fig. 11 gezeigt, ist die Nasenkonfiguration und die Anordnung der Bohrungsreihen 63. 6*1, 65 im Tragflächenprofil 60 derart, daß der "Elektrolyt, der durch die Bohrungen strömt, nachdem der Durchbruch erfolgt ist, wie es beispielsweise in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist, hinterher nicht gegen irgend-

509825/05 41

- 15 - ■ ■ ^:- ■' 23622SG ^;

eine innere Oberfläche des Werkstückes trifft und ein Hinterlegungsmaterial, wie beispielsweise bei 19 dargestellt, ist nicht erforderlich. Falls jedoch die Elektrolytstrahlen, die durch eine hergestellte Bohrung hindurchgehen, auf eine Werkstückoberfläche auftreffen, die nicht bearbeitet werden soll, wird Hinterlegungsmäterial 19 in die Bahn der Strahlen angeordnet, um eine nicht gewünschte Bearbeitung zu verhindern.

Die folgenden Beispiele erläutern Einzelheiten des elektroerosiven Bohrvorgangs mit gemäß der Erfindung festen Werkzeugen und Werkstücken.

Beispiel 1

Ein Werkstück, welches aus einer "Hastaloy"- XrLegierung besteht Und die Form eines Bleches aufweist, hat eine Dicke von 0,15 cm. Dieses Werkstück wurde in einer Vorrichtung, wie sie in Fig. 10 dargestellt ist, anodisch oder positiv aufgeladen. Die Legierung weist die folgende Zusammensetzung auf: ■

0,10	Gew.	Il	Kohlenstoff
0,5	It	Il	Mangan
0,5	11	ti	Silizium
22	II	It	Chrom
1,5	Il	Il	Kobalt
9	Il	It	Molybdän
0,6	Il	Il	Wolfram
	!'		Eisen
Rest		Nickel

Eine Werkzeuggruppe 10, wie beispielsweise die Gruppe 53, die in Fig. 10 dargestellt ist, weist eine gemeinsame Elektrode auf, die kathodisch oder negativ aufgeladen wird-, wie es in Fig. 10 dargestellt ist. Die Werkzeuge 10 hatten einen inneren Düsendürchmesser von 0,078 cm (0,031 inch). ■

5Q982B/0B41

Ein Elektrolyt, der aus einer wässrigen Lösung mit 10 Gew.-% Schwefelsäure bestand, wurde aus dem Vorratsbehälter, wie beispielsweise aus dem Behälter 33 der Fig. 10, durch die Düsen gepumpt.

Eine Anfangsgleichspannung von 120 Volt wurde für eine Dauer von 6 Sekunden angelegt, und es wurde ein Strom von 0,2 Amp, gezogen. Dann wurde die Spannung auf 220 Volt erhöht, wobei die Stromstärke 1,04 Amp. betrug. Diese Stromstärke wurde durch Erhöhung der Spannung in zwei aufeinanderfolgenden Stufen auf-5OO Volt und auf 550 Volt aufrechterhalten. Beim Durchbruch der Bohrung wurde die Spannung auf 729 Volt erhöht _s um den Konus aus der Bohrung zu entfernen. Bei dieser Geraderichtung der Bohrung betrug die Stromstärke 0,5 Amp.

Die fertige Bohrung hatte einen Durchmesser von 0,1^ cm.

Beispiel 2

Die Arbeitsweise des Beispiels 1 wurde mit Werkzeugen wiederholt, die den gleichen Düseninnendurchmesser aufweisen und der Elektrolyt wies die gleiche Konzentration an Schwefelsäure auf. Das Werkstück bestand ebenfalls aus der "Hastaloy" X-Legierung. Die programmierte Spannungszuführung war die folgende :
Stufe Spannung (Gleichstrom)

1 60.VoIt 6 Sek. 18 A

2 100 "

3 250 " 1 350 " · 5 500 "

Der Durchmesser der fertigen.Bohrung betrug O₃I^l cm.

Schaltung	Sek.
6	,95 A
O	,95 A
O	,95 A
O	Sek.
12

509825/05U

Die Folge der programmierten Spannungszuführung wurde wie folgt gesteuert.:

Stufe 1 - Niedrige Anfangsspannung - zeitlich festgelegt ■ Stufe 2 - Wenn die Stromstärke auf den voreingestellten Wert

absinkt, wird auf Stufe 3 umgeschaltet. Stufe 3 - Da in dieser Stufe die Spannung höher ist, ist.

anfangs auch die Stromstärke höher, und es wird; ein Abfall auf die Stromstärke ermöglicht, die

für die Stufen. 2, 3 und h eingestellt ist. Stufe k - Gleiche Stromstärkeneinstellung, wie in den Stufen

2 und 3 - höhere Spannung.-Stufe 5 - Hierbeihandelt es sich um einen zeitlich-einge- _:

stellten Abschnitt des Arbeitszyklus. Es handelt sich hierbei um die .Zeitlänge und um die Spannung, mit der der Konus entfernt wird.

Beispiel 3 - . ■■■-."-

Eine Gruppe von 20 Werkzeugen 10 wurde in der Baugruppe 53 der Fig. 1 montiert und die Werkzeuge hatten einen Innendurchmesser von O,O2A5 cm (0,010 inch) und eine Düsenspitzenlänge von 0,2*15 cm (0,1 inch). Der Elektrolyt wies eine wässrige ■'/■[ Lösung mit 15 Gew.-# Schwefelsäure auf und wurde durch die ■ We.rkzeuge mit einer Temperatur von 29,^ C gepumpt. Der Elektrolyt wurde gegen ein Blech aus "Hastaloy"-X-Legierung mit einer Dicke von 0,10 cm gespritzt. ■

Eine Spannung von 700 Volt würde während der Stufenarbeitsweise der Beispiele 1 und 2 entwickelt. Lediglich 0,8- Minuten ^: waren zum Durchbruch erforderlich, wobei 0,3 Minuten zur v-Geraderichtuhg der Bohrung benötigt -wurde. Die folgenden Ergebnisse wurden.erzielt, die die Genauigkeit des Bohrvorganges zeigen:

509825/0 541

Düsennummer Bohrungsdurchmesser

Gutseite Ausschußseite

cm cm

1 0,050 cm ' (0,020 inch) 0,053 cm (0,021 inch)

2 0,050 cm (0,020 inch) 0,053. cm (0,021 inch)

3 0,053 cm (0,021 inch) 0,056 cm (0,022 inch)

4 0,050 cm (0,020 inch) 0,053 cm (0,021 inch)

5 0,053 cm (0,021 inch) 0,056 cm (0,022 inch)

6 0,050 cm (0,020 inch) 0,053 cm (0,021 inch)

7 0,053 cm (0,021 inch) 0,056 cm (0,022 inch)

8 0,050 cm (0,020 inch) 0,053 cm (0,021 inch)

9 0,050 cm (0,020 inch) 0,053 cm (0,021 inch)

10 0,053 cm (0,021 inch) 0,056 cm (0,022 inch)

11 0,053 cm (0,021 inch) 0,056 cm (0,022 inch)

12 0,056 cm (0,022 inch) 0,058 cm (0,023 inch)

13 0,050 cm (0,020 inch) 0,053 cm (0,021 inch) 11 0,050 cm (0,020 inch) 0,053 cm (0,021 inch)

15 0,050 cm (0,020 inch) 0,053 cm (0,021 inch)

16 0,056 cm (0,022 inch) 0,058 cm (0,023 inch)

17 0,053 cm (0,021 inch) 0,056 cm (0,022 inch)

18 0,053 cm (0,021 inch) 0,056 cm (0,022 inch)

19 0,053 cm (0,021 inch) 0,056 cm (0,022 inch)

20 0,053 cm (0,021 inch) 0,056 cm (0,022 inch)

Beispiel 4

Ein Blechmaterial aus "Hastaloy"-X-Legierung mit einer Dicke von 0,10 cm wurde wiederholt elektroerosiv gebohrt unter
Verwendung einer wässrigen Lösung mit 10 Gew.-% Schwefelsäure und zvmr mit einer Vorrichtung, die in Fig. 10 gezeigt ist, wobei verschiedene konstante Spannungen mit
den folgenden Ergebnissen verwendet wurden:

509825/0 5 41

	(0,0101	inch)	Spannung	Bohrzeit	dick	236226	cm	inch)
	(0,0101	inch)	• γ ■ ■	min.·		(0,015	inch)
	(0,0101	inch)	300	2,7	JO:	(0,015	inch)
	(0,0101	inch)	400	1,6		(0,0165	inch)
- 19 -	(0,0101	inch)	500	1,4	Bohrungs durchme s s s er.:	(0,017	inch)
	(0,0112	inch)	600 .-	1,1		(0,0165	inch)
' "HastaToy^-X-Material 0,1 cm	(0,0112	inch)	700	1,0	O.O38	(0,018	inch)
Düseninnen	(0,0112	inch)	300	2,6	0,038	(0,019	inch)
durchmesser cm	(0,0112	inch)	400	1,5	0,041	(0,0195	inch)
0,0256	(0,0112	inch)	500	1,3	0,0i\|3	(0,020	inch)
0,0256	(0,0121	inch)	600	1,0	0,041	(0,019	inch)
0,0256	(0,0121	inch)	700	0,9	0,045	(0,215	inch)
0,0256	(0,0121	inch)	300	2,6	0,048	(0,022	inch)
0,0256	(0,0121	inch)	400	1,7	0,048	(0,023	inch)
0,0259	(0,0121	inch)	500	1,3	0,050	(0.0245	inch)
0,0259	(0,0213	inch)	600	1,1	0,048	(0,0240	inch)
0,0259	(0,0213	inch)	700	0,8	0,054	(0,038	inch)
0,0259	(0,0213	inch)	300 .	3,1	0,055	(0,0385	inch)
0,0259	(0,0213	inch)	400	2,0	0,058	(0,0392	inch)
0,0307	(0,0213	inch)	500	1,2	0.062	(0,0402	inch)
0,0307	Co,031	inch)	600	1,0	0,061	(0,0400	inch)
0,0307	(0,031	inch)	700	0,8	O.O96	(0,0575	inch)
0,0307	(0,031	inch)	300	3,0	0,097	(0,058	inch)
0,0307	(0,031	inch)	400	1,8	0,099	(0,0592	inch)
0,054	(0,031	inch)	500	1,1	0,101	(0,0601	inch)
0,054		600	0,9"'	0,101	(0,059
0,054		700	0,7	0,146
0,054		0,147
0,054	0,150
0,078	0,152
0,078	0,149
0,078
0,078
0,078

Die vorstehende Tabelle zeigt die Wirkung der zunehmenden Spannung bei der Abnahme der Bohrzeit. Die angegebene Zeit ist die Zeit, die bei der angegebenen Spannung vergangen ist, um eine gerade Bohrung des angegebenen Durchmessers zu erzeugen.

509825/0541

r 20 -

Beispiel 5

Ein dickeres Blechmaterial aus "Hastaloy"-X-Legierung mit einer Dicke von 0,152 cm wurde elektroerosiv gebohrt, wobei eine wässrige Lösung mit 15 Gew.-% Schwefelsäure bei der in Fig. 10 dargestellten·Vorrichtung verwendet wurde und zwar mit den folgenden Ergebnissen:

Düseninnendurchmesser cm Spannung Bohrzeit Bohrungsdurchmesser V min. cm

0,0256 (0,0101 inch)

0,0259
0,0259
0,0259
0,0259
0,0259

0,054
0,054
0,054
0,054
0,054

(0,0112 inch)

(0,0213 inch)

0,078 (0,,031 inch)

0,078 (0,031 inch)

300
400
500
600
700

300
400
5OO
600
700

4,2 0,041 (0,0163 inch)

3.8 0,042 (0,0167 inch)

2.9 0,044 (0,0173 inch)

2.0 0,044 (0,0173 inch)

1.8 0,043 (0,0170 inch)

4,2 0,056 (0,0222 inch)

3,7 0,058 (0,0227 inch)

2.9 0,059 (0,0235 inch)

2.1 0,062 (0,0245 inch) 1,7 0,061 (0,0240 inch)

4,3 0,098

3,6 0,099

2.8 0,101
2,1 0,102

1.9 "0,101

(0,0388 inch)

(0,0393 inch)

(0,040 inch)

(0,0405 inch)

(0,0401 inch)

4,2 0,148 (0,0582 inch)

3.7 0,149 (0,0587 inch) 2,-9 0,152 (0,060 inch) 2,0 0,154 (0,061 inch)

1.8 0,151 (0,0598 inch)

Wenn man die in der vorstehenden Tabelle angegebenen Werte mit Beispiel 4 vergleicht, so erkennt man die erforderliche Erhöhung der Bohrzeit für ein dickeres Werkstück.

509825/0541

In den vorstehenden Beispielen betrug der Spalt zwischen dem Spitzenende der Düse und dem Werkstück etwa o,178 cm bis O,3.8lcm und der Druck des Elektrolyten betrug etwa 2,8l kg/cn bis zu

2 *

etwa 4,22 kg/cm . Die Temperatur des Elektrolyten wurdeunter einem Wert von 37,8°C gehalten und etwa zwischen 27,8 C und 30,6 C gehalten. Die Düsenrohre
Elektrode war ein Wolframdraht.

30,6 C gehalten. Die Düsenrohre bestanden aus Bohrglas, Die

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß durch die Erfindung sehr genaue Bohrungen mit kleinen Durchmessern mit großer Arbeitsgeschwindigkeit durch Materialien hindurch gebohrt werden, die sehr hart sind und zwar durch Aufspritzen von feinen Jetstrahlen eines negativ aufgeladenen Elektrolyten gegen das Werkstück von inerten Düsen aus, wobei dielektrisches Material verwendet wird und wobei die Düse nicht in das Werkstück eintritt.

509825/0 54

Claims

P a te η t a η s ρ r ü c h e .

(1.) Verfahren zum elektrolytischen Abtragen von Material von einem Werkstück, ohne daß die Elektrode in das Werkstück eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Düse aus dielektrischem Material, die in festem Abstand von der Oberfläche eines Werkstückes angeordnet ist, ein Elektrolyt hindurchgeleitet wird, daß ein Strahl des Elektrolyten, der aus der Düse austritt, auf das Werkstück auftrifft, daß eine elektrische Spannung angebracht wird, um den Elektrolyten in einer großen Zone auf seinem Weg zur Düse und im Abstand von der Düse negativ aufzuladen und um gleichzeitig das Werkstück positiv oder anodisch aufzuladen, daß ein fester Abstand zwischen dem Spitzenende der Düse und der Oberfläche des Werkstückes aufrechterhalten wird, daß die elektrische Spannung und die Strömungsrate des Strahles gesteuert wird, um Material vom Werkstück lediglich im Aufspritzbereich des Strahles gegen das Werkstück zu entfernen, daß beim Steuern der Spannung eine geringe Spannung aufrechterhalten wird, bis vom Strom eine flache Aussparung im Werkstück ausgebildet ist, daß dann die Spannung erhöht wird, wenn die Aussparung vertieft wird, bis eine Bohrung durch das Werkstück hindurch ausgebildet ist und daß dann die Spannung erhöht wird, um die Bohrung gerade zu richten.

2. Verfahren zum elektrochemischen Bohren von Bohrungen durch ein Metallwerkstück, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahl eines Elektrolyten aus einer Düse aus dielektrischem Material gegen die Oberfläche eines Werkstückes, welches gebohrt werden soll, gerichtet wird, daß ein fester Zwischenraum zwischen dem Spitzenende der Düse und dieser Oberfläche aufrechterhalten wird, daß der Elektrolyt stromauf von der Düse in einem ■ relativ verbreiterten Bereich negativ aufgeladen wird, daß das Werkstück positiv aufgeladen wird, daß eine niedrige elektrische Spannung zwischen dem negativ aufgeladenen Elektro-

509825/0541

lyten und dem anodisch aufgeladenen Werkstück für eine Zeitperiode eingestellt wird, die ausreicht,um eine flache Aussparung in dem Werkstück auszubilden, bis sie den Elektrolyten vom Werkstück fortleitet, daß dann die Spannung ausreichend erhöht, wird, um das Bohren an der Auftreffstelle des Strahles gegen den Boden der Bohrung fortzusetzen, bis eine Bohrung durch das Werkstück hindurch ausgebildet ist und daß dann die Spannung für eine ausreichende Zeitdauer erhöht wird, um die Bohrung durch das Werkstück auf einen gewünschten Durchmesser zu bringen und um diese Bohrung geradeaus ζμ richten.

Verfahren zum elektrochemischen Bohren, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düse aus einem dielektrischen Material im festen Abstand von der Oberfläche eines Werkstückes angeordnet wird, daß ein Elektrolyt durch diese Düse hindurch gepumpt wird und gegen das Werkstück an einer Fläche gerichtet wird, die dem inneren Querschnitt der Düse entspricht, daß eine elektrische Gleichspannung zwischen dem Elektrolyten und dem Werkstück angelegt"wird, um den Elektrolyten negativ aufzuladen und zwar in einem nicht eingeschränkten Bereich stromab von der Düse, um die Freigabe von Wasserstoff im Düsenbereich zu verhindern, wobei gleichzeitig das Werkstück positiv oder anodisch aufgeladen wird, daß eine niedrige -elektrische Spannung zwischen den negativ aufgeladenen Elektrolyten und dem positiv aufgeladenen Werkstück für eine Zeitdauer eingestellt wird, die ausreicht, um eine flache Aussparung im Werkstück auszubilden, die Seitenwandungen aufweist, welche den Elektrolyten, der auf das Werkstück auftrifft, aus diesem Bereich ableiten, wobei der Bereich dem inneren Querschnitt der Düse entspricht, daß fortschreitend das Potential erhöht wird, wenn die Aushöhlung in das Werkstück hinein fortschreitet, wobei gleichzeitig Elektrolyt vom Werkstück fortgeleitet wird, nachdem dieser auf die zu bohrende Oberfläche aufgeprallt ist, bis eine Bohrung durch das "'Werkstück hindurch ausgebildet ist, und daß dann ferner die Spannung für eine ausreichende Zeit erhöht wird, um die Bohrung auf einen konstanten Durchmesser zu bringen. ."..-"■"

509 8 25/0541

1). Verfahren zum elektrochemischen Bohren von Bohrungen durch ein Werkstück hindurch, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektrolytstrahl von einer festen Düse gegen eine Ausgangsoberfläche des Werkstückes, das gebohrt werden soll, gerichtet wird, daß ein fester Spalt zwischen der Düse und der Ausgangsoberfläche aufrechterhalten wird, daß der Elektrolyt negativ aufgeladen wird, daß das Werkstück positiv oder anodisch aufgeladen wird, daß eine niedrige elektrische Spannung zwischen dem negativ aufgeladenen Elektrolyten und dem positiv aufgeladenen Werkstück für eine Zeitspanne angelegt wird, die ausreicht, um eine flache Aussparung im Werkstück zu erzeugen, die den Elektrolyten vom Werkstück fortlenkt, daß dann die Spannung erhöht wird, wenn die Aushöhlung des Werkstückes zunimmt, um eine Spannung aufrechtzuerhalten, die ausreicht, um das Bohren an der Auftreffstelle des Strahles gegen den Boden der Ausnehmung fortzusetzen, bis eine Bohrung durch das Werkstück hindurch hergestellt ist, und daß dann die Spannung wieder für eine gewünschte Zeitdauer erhöht wird, um die Bohrung auf einen gewünschten Durchmesser zu bringen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungserhöhung gemäß dem Portschritt der Aushöhlung in Stufen durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Werkstück in einer Höhe oberhalb der Düse befindet, um den Abzug des Elektrolyten vom Werkstück zu erleichtern.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Düsen vorgesehen ist, mit denen gleichzeitig eine Anzahl von Hohlräumen im Werkstück ausgebildet wird, und daß eine einzelne Elektrode den Elektrolyten auf seinem Weg zu den verschiedenen Düsen auflädt.

509825/0541

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen an den Enden von Glasrohren ausgebildet sind und daß die Elektrode unmittelbar stromauf von diesen Glasrohren angeordnet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Düsenrohren vorgesehen ist und daß der Elektrolyt unmittelbar neben den Einlaßenden dieser Rohre negativ aufgeladen wird. ·