DE2512244A1

DE2512244A1 - Verfahren zur elektrochemischen metallbearbeitung

Info

Publication number: DE2512244A1
Application number: DE19752512244
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Walsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1975-03-20
Filing date: 1975-03-20
Publication date: 1976-09-23
Also published as: FR2304437B3; CH593113A5; FR2304437A1; DD124586A5; JPS51119634A

Description

R. 2ό 2id Ι8.3.1975 Rs/Hm

Anlage zur Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, 7 STUTTGART Verfahren zur elektrochemischen Metallbearbeitung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Metallbearbeitung, insbesondere zum elektrochemischen Senken bei ferritischen Stählen, mittels Gleichstrom, welcher zwischen den Werkstück und Werkzeug bildenden Elektroden angelegt wird, zwischen denen ein Elektrolyt, vorzugsweise NaNO3 die Stromleitung übernimmt.

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In mehreren Veröffentlichungen ist bereits die Forderung nach möglichst glatter Spannung für elektrochemische Bearbeitungsvorgänge erhoben worden. Gleichgerichtete Wechselspannungen, wie sie bei gebräuchlichen thyristorgesteuerten ECM-Generatoren zur Verfügung stehen, besitzen eine gewisse Restwelligkeit, welche sich in Abhängigkeit von der entnommenen Leistung ändert. Diese Welligkeit übersteigt jedoch bei Vollaussteuerung des Generators nicht einen Wert-von etwa 4 bis 5 % und kann im allgemeinen vernachlässigt werden. Unter Welligkeit versteht man dabei das Verhältnis des Effektivwertes der überlagerten Wechselspannung zum arithmetischen Mittelwert der Gleichspannung.

Aus der DT-PS 2 144 735 ist ein Verfahren zum elektrolytischen Signieren von Metallteilen mittels Gleichstrom bekannt geworden, bei dem vor der Gleichstrombehandlung für eine relativ kurze Zeit eine niedrige Wechselspannung zwischen den Elektroden angelegt wird. Diese Wechselspannung dient zur Entfernung einer eventuell vorhandenen Fettschicht auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks, die eigentliche elektrochemische Metallbearbeitung erfolgt mittels Gleichspannung. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden ist dort festgestellt worden, daß zwar rasch ein Abtrag erfolgt, der jedoch nicht in die Tiefe sondern in die Breite fortschreitet, so daß eine definierte Bearbeitung nur schwer möglich ist. Im übrigen kann die Bearbeitung mit Wechsel-" strom deshalb nicht befriedigen, weil der entscheidenste Vorteil des elektrochemischen Verfahrens verloren geht, daß nämlich kein Werkzeugverschleiß auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur elektrochemischen Metallbearbeitung anzugeben, das gegenüber herkömmlichen Verfahren hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und/oder hinsichtlich der Qualität der Arbeitsergebnisse verbessert ist. Insbesondere wird eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit hinsichtlich der verbrauchten Energie sowie eine Verbesserung

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der Oberflächenqualität angestrebt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine wellige Gleichspannung zwischen den Elektroden angelegt wird. Es konnte festgestellt werden, daß insbesondere beim elektrochemischen Senken bei ferritischen Stählen eine beachtliche Verbesserung der Abtragsleistung und der Oberflächengüte erzielt wird.

Die Welligkeit der Bearbeitungsspannung sollte oberhalb etwa 20 % liegen; eine Bearbeitungsspannung mit einer Welligkeit von ca. 5 % kann für die Arbeitsbedingungen bei der elektrochemischen Metallbearbeitung noch als .glatt bezeichnet werden und hat keinen merklichen Einfluß auf die Abtragsleistungen und die Oberflächengüte. Hinsichtlich der Pulsfrequenz der Bearbeitungsspannung sind gute Ergebnisse erzielt worden mit Frequenzen zwischen 5 und 300 Hz. Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn die Welligkeit und/oder die Pulsfrequenz der Bearbeitungsspannung während der Bearbeitung veränderbar sind. Insbesondere bei sehr hohen Bearbeitungsströmen ist eine Steuerung oder Regelung des Arbeitsstromes mit erheblichen Aufwand und Schwierigkeiten verbunden, weshalb es zweckmäßig ist, wenn die wellige Gleichspannung nur während der Endphase des BearbeitungsVorganges angelegt wird zum Glätten der Oberfläche; es ist festgestellt worden, daß bereits Bearbeitungszeiten von etwa 1,5 bis 3 Sekunden mit welligem Gleichstrom hinsichtlich der Oberflächengüte ausreichen.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind im folgenden näher erläutert.

Der für die Bereitstellung der Bearbeitungs-Gleichspannung verwendete ECM-Generator ist ein thyristorgesteuerter Generator mit einem Transformator in Doppelsternschaltung mit Saugdrossel, wie er beispielsweise in der DT-PS 2 100 415 be-

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schrieben ist. Bei Vollaussteuerung weist der Generator eine Welligkeit von etwa 4 bis 5 % auf. Diese Spannung, bzw. der zwischen den Bearbeitungselektroden fließende Strom kann für ECM-Verhältnisse als glatt angesehen werden.

Gegenüber dieser normalerweise verwendeten glatten Bearbeitungsspannung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine wellige, d.h. eine pulsierende Gleichspannung verwendet, wobei die Pulsfrequenz zwischen 5 und 300 Hz variiert werden kann. Zur Bereitstellung der Frequenzen.von 5 bis 100 Hz erfolgt die Regelung des Generators über einen Punktionsgenerator, d.h. die Steuerelektroden der Thyristoren werden über den Punktionsgenerator mit einer der gewünschten pulsierenden Ausgangsspannung entsprechenden Steuerepannung angesteuert. Eine Pulsfrequenz von 100 Hz erreicht man durch Zweiweggleichrichtungen einer Phasenspannung des 50 Hz Wechselspannungsnetzes, eine Pulsfrequenz von 150 Hz durch eine Einweggleichrichtung einer Dreiphasen-Wechselspannung mit 50 Hz und eine Pulsfrequenz von 300 Hz durch Zweiweggleichrichtung einer dreiphasigen 50 Hertz-Wechselspannung. Bei der Ansteuerung des Gleichspannungsgenerators über einen Punktionsgenerator, können U , U ·_η» ^ '^ und t__ __Ä unabhängig voneinander über den Punktionsgenerator eingestellt werden. Dabei ist U der maximal auftretende Spannungswert der pulsierenden Gleichspannung, U · der kleinste Spannungswert der pulsierenden Gleichspannung. Im Grenzfall wird aus der pulsierenden Gleichspannung eine etwa rechteckförmige, zwischen U. =.Null und U veränderliche pulsierende Spannung. Dabei ist t · , die Zeitdauer, während der die rechteckförmige Spannung am Generatorausgang ansteht und t die Zeit, während der die Bearbeitungsspannung U · ist. Bei der zuvorgenannten Art der Erzeugung von Spannungen mit einer Frequenz von 100, 150 und 300 Hertz kann lediglich die Welligkeit mit ü und U . durch unterschiedliche Aussteuerung des Generators in gewissen .Grenzen variiert werden.·

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2 β i έ^: -5-

Bei der elektrochemischen Metallbearbeitung, insbesondere beim Einsenken, erhält man mit verschiedener Spannungspulsation bei sonst gleichen Arbeitsbedingungen unterschiedliche Stromdichten, und zwar derart, daß man mit zunehmender Welligkeit die gleiche Abtragsleistung mit einer geringeren Ladungsmenge erreicht. Anders ausgedrückt erlaubt die Verwendung einer pulsierenden. Gleichspannung bei gleicher Stromaufnahme eine höhere Einsenkgeschwindigkeit. Die dadurch bedingte Verkürzung der Senkzeiten trägt zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit des elektrochemischen Senkens bei. Das Verhältnis der Einsenkgeschwindigkeit zur Stromdichte ist linear, beispielsweise erhält man bei einer Stromdichte

von 1 A/mm bei einer mit 150 Hz pulsierenden Gleichspannung mit einer Welligkeit von 45 % eine Einsenkgeschwindigkeit

ο von 1,8 mm/min, während bei der gleichen Stromdichte von 1 A/mm und einer mit einer Welligkeit von 4 % annähernd glatten Gleichspannung von 20 Volt die Einsenkgeschwindigkeit nur 1,4 mm/min, beträgt.

Der zuvorgeschilderte Sachverhalt äußert sich im effektiven Abtragsvolumen sowie in der Stromausbeute. So kann wiederum bei einer Stromdichte von 1 A/mm das effektive Abtragsvolumen von 1,5 mm /Amiη bei einer nahezu glatten Gleichspannung von 20 Volt auf ein Abtragsvolumen von l,8mnrVAmin gesteigert werden, wenn man statt der nahezu glatten Gleichspannung eine Gleichspannung von 150 Hz, 10 Volt und einer Welligkeit von 45 ί an die Elektroden anlegt.

Entsprechende Verhältnisse ergeben sich für die Stromausbeute, welche bei Verwendung einer welligen Gleichspannung statt einer glatten Gleichspannung in gleichem Maße gesteigert werden kann. Das effektive Abtragsvolumen, bzw. die Stromausbeute nehmen außerdem noch mit der Pulsfrequenz zu.

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Außerdem ist herausgefunden worden, daß die Frequenz der Spannungspulsation auf die Güte der Oberfläche Einfluß hat/ Die glattesten Oberflächen werden dabei mit Pulsfrequenzen ^ 25 Hz erreicht. Gegenüber einer glatten Bearbeitungsspannung wurde bei einer welligen Bearbeitunsspannung eine Verbesserung der Oberflächengüte, d.h. der Rauhtiefe R, und des Mittenrauhwertes R„ um 200 % erreicht. Diese Verbesserung wurde bei einem Stahl X15 Crl3 festgestellt, sie kann bei einem anderen Stahl unter Umständen auch andere Werte annehmen.

Wie die Versuche weiterhin ergaben, sollte die Minimalspannung U· möglichst niedrig sein. Die besten Arbeitsergebnisse erbrachten Spannungswerte U. ^: 4 Volt. Je kleiner U . wird, desto höher ist die Welligkeit; die besten Bearbeitungsverhältnisse erhält man bei U . =0. Um die Maximalspannung U bei einer gegebenen Mittelspannung nicht zu hoch werden zu lassen, sollte des vreite:
gehalten werden.

nisse erhält man bei U . =0. Um die Maximalspannung U bei

Lspannung nicht zu hoch werden zu la sollte des vreiteren die Pausenzeit ^„„„_Λ so kurz wie möglich

pause

Hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs des Aufbaus einer besonders glatten Oberfläche ergabt sich, daß diese innerhalb sehr kurzer Zeit von etwa 1,5 bis 3 Sek. erreicht wird, wenn bei sonst gleichen Arbeitsbedingungen von einer glatten Spannung auf eine pulsierende Spannung übergegangen wird. Vom Gesichtspunkt der Oberflächengüte ausgesehen würde demnach ein Pulsen der angelegten Arbeitsgleichspannung in der Endphase des Senkvorganges genügen. Dieses Argument gilt besonders bei großen elektrischen Strömen.

Die glatte Oberfläche und die Abtragssteigerung dürfte entstehen durch Beeinflussung der sich beim elektrochemischen Abtragen auf der Werkstückoberfläche (Anode) ausbildenden Deckschicht, d.h. der Passivierungsschicht durch die Spannungswelligkeit. Die glattere Oberfläche läßt sich so erklären, daß keine örtlich begrenzte, diskrete Durchbrechung der -Deckschicht durch den Bearbeitungsstrom erfolgt sondern eine

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gleichmäßige Durchbrechung, bzw. ein gleichmäßiger Abbau der Passivschicht, so daß der Abtrag auf der gesamten zu bearbeitenden Oberfläche etwa gleich ist und demzufolge die Oberflä- ■ ehe besonders glatt wird.

Es ist festgestellt, worden, daß sowohl das Abtragsverhalten als auch die Oberflächengüte nicht bei allen Stählen in gleichem Maße durch eine wellige Gleichspannung verbessert werden konnten. Allgemein gute Ergebnisse hinsichtlich der Erhöhung der Abtragsleistung und der Verbesserung der Oberflächengüt wurden bei ferritischen Stählen erreicht, und zwar sowohl bei unlegierten Stählen wie auch bei einem Turbinenschaufelstahl (XI5 Crl3) mit 13 % Chromanteil und 0,15 % Kohlenstoff. Bei der Abtragsverbesserung fiel auf, daß die Erhöhung der Abtragsleistung besonders bei kohlestoffarmen Stählen erreicht wurde, während eine deutliche Oberflächenverbesserung praktisch bei allen ferritischen Stählen zu verzeichnen ist, was auch für den gehärteten Zustand gilt. Als Elektrolyt'wurde bei den meisten Versuchen NaN03 verwendet. Andere passivierende Elektrolyte haben in der Praxis kaum Bedeutung.

Außer dem elektrochemischen Senken sind verbesserte Arbeitsergebnisse durch Anlegen einer welligen Gleichspannung auch beim elektrochemischen Konturbearbeiten, Entgraten und Signieren zu erwarten. Versuche hierzu wurden nicht durchgeführt, es gelten jedoch die gleichen Auslösungsgesetze, so daß auch mit gleichen oder ähnlichen Arbeitsergebnissen bei welliger Gleichspannung gerechnet werden kann./

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Claims

Ansprüche

i.,¹ Verfahren zur elektrochemischen Metallbearbeitung, insbesondere zum elektrochemischen Senken bei ferritischen Stählen, mittels 61eichstrom_s welcher zwischen den Werkstück und Werkzeug bildenden Elektroden angelegt wird, ,zwischen denen ein Elektrolyt, vorzugsweise NaN03, die Stromleitung übernimmt, dadurch gekennzeichnet, daß eine wellige Gleichspannung zwischen den Elektroden angelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch.1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsspannung eine Welligkeit = 20 % besitzt.
3· Verfahren nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet _s daß die Pulsfrequenz der Bearbeitunsspannung zwischen 5 Hz und 300 Hz liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welligkeit und/oder die Pulsfrequenz der Bearbeitungsspannung während der Bearbeitung · veränderbar sind.
5. Verfahren nach einem der- Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,' daß die Minimalwerte der welligen Gleich- spannung - -4 Volt,vorzugsweise«O Volt, sind.

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6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wellige Gleichspannung nur während der Endphase des Bearbeitungsvorganges angelegt wird zum 'Glätten der Oberfläche.
7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bearbeitungspannung von einem thyristorgesteuerten Generator geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Thyristoren über einen Punktionsgenerator erfolgt, welcher eine dem gewünschten Verlauf der Bearbeitungsspannung entsprechende Steuerspannung an die Steuerelektroden der Thyristoren anlegt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Generator zur Erzeugung der Bearbeitungs-Gleichspannung zwecks Veränderung der Pulsfrequenz der Gleichspannung wahlweise mit Einphasen- oder Dreiphasenspannung gespeist wird, welche alternativ eine Einweg- oder Zweiweggleichrichtung unterworfen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenwerkstoff aus einem kohlestoffarmen Stahl besteht, j

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