DE2624070A1

DE2624070A1 - Verfahren zum elektrochemischen bohren

Info

Publication number: DE2624070A1
Application number: DE19762624070
Authority: DE
Inventors: James Dair Andrews; Roger Kay Tyler
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Electrodrill Inc 48150 Livonia Mich Us
Priority date: 1976-03-15
Filing date: 1976-05-28
Publication date: 1977-09-29
Also published as: FR2344372B1; CA1077432A; IL49680A; IL49680A0; FR2344372A1; DE2624070C3; JPS52111433A; DE2624070B2; SE7605980L; IT1060755B; SE432373B

Description

Patentanwälte - - Λ Q 7 Q

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

TRW IHC. 28. Hai 1976

23555 Eaclid Avenue
Cleveland, Ohio 44117 /7.St.A.

Unser Zeichen: T 2035

Verfahren zum elektrochemischen Bohren

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Energieversorgung bein elektrochemischen Abtragen, bei dem eine aus Isoliermaterial bestehende Düse verwendet wird, die einen katodisch geladenen Elektrolyten gegen ein Werkstück lenkt, damit durch das Werkstück Löcher mit kontrolliertem Querschnitt gebohrt werden.

In der Vergangenheit sind mehrere elektrochemische Abtragverfahren entwickelt und beschrieben worden. Beim elektrochemischen Abtragen wird ein Werkzeug in Porm einer Düse verwendet, die als Katode geschaltet wird und mit einem als Anode geschalteten Werkstück über einen Elektrolyten zusammenwirkt, der sowohl mit dem Werkzeug als auch mit dem Werkstück in Eontakt steht. Beim !Fließen eines elektrischen Stroms durch den Elektrolyten wird vom Werkstück

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Material abgetragen. Diese Verfahren sind in großem Umfang zum Bohren von löchern mit kleinem Durchmesser in Metall angewendet worden, die auf mechanische Weise schwierig zu bohren sind.

Ein kürzlich entwickeltes Verfahren, das unter Anwendung des elektrochemischen Abtragens arbeitet, ist das Aufprallverfahren, das unter der Bezeichnung "Electrostream"-Bohren bekannt ist. Dieses Verfahren ist zum Bohren äußerst kleiner Löcher in zähen Metallen, beispielsweise Superlegierungen auf Mckelbasis, angewendet worden. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, Löcher mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 0,127 bis 0,508 mm (0,005 bis 0,020 inch) zu bohren. Beim Aufprallverfahren wird normalerweise eine aus einem Glasrohr bestehende Düse mit einer hinter der Düsenspitze angebrachten Elektrode angewendet. Das Aufprallverfahren wird bei Betriebsbedingungen mit relativ hohem Widerstand und hoher Gleichspannung ausgeführt, deren Wert typischerweise in der Größenordnung von 300 bis 600 Volt liegt. Dazu wird entweder ein Salz- oder Säureelektrolyt verwendet. Die Druckwerte des Elektrolyten liegen bei diesem Verfahren typischerweise in der Größenordnung von 1,4 bis 7 kg/cm² (20 bis 100 psi).

Es hat sich jedoch gezeigt, daß es bei herkömmlichen elektrochemischen Abtragverfahren vom Typ des Aufprallverfahrens schwierig ist, Löcher zu bohren, die in ihrer gesamten axialen Länge einen gleichmäßigen Durchmesser haben. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die hergestellten Löcher in dem am dichtesten bei der Elektrodendüse liegenden Teil schräg verlaufende Seitenwände aufweisen; der gewünschte Lochdurchraesser erscheint nur an der von der Elektrode am entferntesten liegenden Stelle des Lochs. Dieser, als "Auswaschen" bekannte Zustand ist besonders dort störend, wo mehrere Löcher in dichtem Abstand gebohrf werden sollen, da sich die Auswaschungen benachbarter Löcher überlappen können,

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was zu einem unerwünschten Abtragen von Metall in der Werkstückoberfläche zwischen den löchern führt.

Das Aufprallverfahren leidet in der derzeit ausgeführten Form auch unter dem Nachteil, daß eine übermäßige Abnutzung an der Spitze der isolierenden Düse auftritt, so daß die Düsen relativ häufig ersetzt werden müssen. Der Grund für diese Abnutzung ist zwar noch nicht exakt bestimmt worden, doch wird angenommen, daß unter den Bedingungen der dauernd anliegenden Spannung ein übererhitzter Dampf erzeugt wird, der die Glaselektrode angreift, was zu einer Erosion durch Auslaugen der Glaszusammensetzung führt.

Mit Hilfe der Erfindung wird ein Verfahren zum chemischen Bohren geschaffen, das die Erzeugung von Löchern mit gleichmäßigerem Durchmesser als bisher ermöglicht und bei dem die Abnutzung der Elektrodenspitze vermindert ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrochemisches Bohrverfahren, bei dem der Elektrolyt mit einer negativen Spannung geladen ist, die eine beträchtliche negative Gleichspannungskomponente aufweist, der negative Impulse überlagert sind. Die im Energieversorgungsgerät benutzte Welligkeit liegt zwischen etwa 75 und 600$ der Gleiehspannungskomponente, was bedeutet, daß der maximale Hub der negativen Spannung bei den Impulsen von etwa 75 ί> bis 600 i> des Werts der Gleichspannungskomponente reicht, wobei er jedoch zur Verursachung einer Funkenentladung zwischen der Elektrode und dem Werkstück nioht ausreicht. Die besten Ergebnisse werden dann erzielt, wenn die Impulse eine Eolgefrequenz zwischen 60 und 720 Hz haben. Die Impulse haben allgemein einen sägezahnförmigen Verlauf, obgleich auch andere Kurvenformen angewendet werden können. Die Impulse bilden die einzige Quelle des elektrochemischen Bohrstroms. Offensichtlich ermöglicht es diese periodische Änderung der negativen Spannung, daß die Elektrolytflüssigkeit kühler bleibt, so daß während des Bohrens weniger übererhitzter Dampf erzeugt wird.

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Besonders gute Ergebnisse werden dadurch erzielt, daß die Spannungen und Ströme mit Portschreiten des Bohrvorgangs verändert werden. In dieser Hinsicht ist von besonderer Bedeutung, daß die Spannung erhöht wird, wenn der Durchbruch erzielt wird, war der Zustand ist, bei dem der Elektrolyt durch die rückseitige Fläche der gebohrten Oberfläche austritt. Durch eine geeignete Regelung der Spannung und des Stroms,insbesondere beim Durchbruch, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, daß wenig oder kein Auswaschen auftritt, so daß Löcher mit gleichmäßigem Durchmesser im Verlauf ihrer gesamten axialen Länge erzeugt werden können.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 eine schematische Teilschnittansicht der Ausgestaltung einer typischen Elektroden- und Düsenanordnung,

Pig. 2 eine schematische Ansicht der Düse und des Werkstücks am Anfang des Lochbohrvorgangs,

Pig. 3 eine ähnliche Ansicht wie in Pig. 2, wobei die Düse und das Werkstück jedoch unmittelbar vor dem Durchbruch dargestellt sind,

Pig. 4 eine den Figuren 2 und 3 ähnliche Ansicht, die die Düse und das Werkstück darstellt, nachdem die Spannung im Anschluß an den Durchbruch zur Fertigstellung des Bohrvorgangs erhöht worden ist,

Pig. 5 eine Teilschnittansicht eines Werkstücks, in dem ■ittels eines herkömmliehen Aufprallverfahrens ein Loch auf elektrochemische Weise gebohrt worden ist, und

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Pig. 6 ein Diagramm des typischen Spannungsverlaufs, wie er "beim erfind ungs ge mäßen Verfahren angewendet werden kann.

In Fig. 1 ist eine Elektrodenanordnung 10 dargestellt, wie sie "beim erfindungsgemäßen Verfahren angewendet wird; diese Elektrodenanordnung enthält ein Rohr 11 aus Isoliermaterial wie Glas, wobei das Rohr mit einem verjüngten Abschnitt 12 versehen ist, der mit einem relativ dünnen Düsenabschnitt endet, lypischerweise kann der Innendurchmesser der Düse in der Größenordnung von 0,127 mm und 0,254 mm liegen. Eine Metallelektrode 14, die an eine noch zu beschreibende, eine pulsierende negative Spannung abgebende Spannungsqttelle angeschlossen ist, ist hinter der Düse 13 vorzugsweise innerhalb eines (nicht dargestellten) Verteilerrohrs angebracht, das mehrere Rohre 11 speist.

Pig. 6 zeigt einen bevorzugten Verlauf der an die Elektrode 14 angelegten negativen Spannung. Diese Spannung hat einen im allgemeinen sägezahnförmigen Verlauf, der einem vorbestimmten negativen Gleichspannungspotential aufgeprägt ist und das in Pig. 6 eine negative Spannung mit dem Wert 400 Volt ist. Wie der Darstellung zu entnehmen ist, reicht der negative Spitzenwert bis zu -1100 Volt. Der Effektivwert der Spannung mit dem in Pig. 6 dargestellten Verlauf würde sich beim Ablesen auf einem herkömmlichen Gleichspannungsmeßgerät mit etwa 750 Volt ergeben. Pur das hier zu beschreibende Verfahren liegt der Effektivwert der an die Elektrode angelegten Spannung im Bereich zwischen 100 und 800 Volt. Abhängig vom Verlauf der Kurve können Spitzen bis in der Gegend von etwa 1200 Volt erreicht werden.

Der in Pig. 6 angegebene spezielle Verlauf zeigt einen Hub von 700 Volt vom konstanten Gleichspannungswert von 400 Volt

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aus, so daß der Welligkeitsfaktor des in Pig. 6 dargestellten Verlaufs 175 $> "beträgt. Pur das hier beschriebene Verfahren kann die Welligkeit von 75 bis 600 fo der vorbestimmten Gleichspannungskomponente reichen; vorzugsweise liegt sie zwischen 100 und 300 i> der Gleichspannungskomponente.

Zur Sicherstellung der besten Ergebnisse ist auch die Impulsfrequenz von Bedeutung. Bei dem in Pig. 6 dargestellten Verlauf beträgt die Impulsdauer 2 ms, so daß die Impulsfolgefrequenz 500 Hz beträgt. Allgemein haben sich Impulsfolgefrequenzen von 60 bis 720 Hz als zufriedenstellend gezeigt.

Durch die Düse 19 wird entweder ein Salzelektrolyt oder ein Säureelektrolyt gegen das zu bohrende Objekt gelenkt. Eine Schwefelsäurelösung mit 15 bis 30 Vol.-$Schwefelsäure und vorzugsweise 20 Vol.-$ Schwefelsäure ist geeignet; der Elektrolytdruck liegt dabei zwischen 1,4 und 7 kg/cm

Der Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück sollte zum Bohren entweder von Hand oder automatisch in eine Entfernung gesteuert werden, die im wesentlichen von der Art des zu bohrenden Materials abhängt. Pur die meisten Materialien ergibt ein Abstand von etwa 0,76 mm bis 1,5 mm (0,030bis 0,060 inch) befriedigende Ergebnisse. Es ist wichtig, daß der Abstand nicht unter 0,25 mm (0,101 inch) herabgesetzt wird, da sonst ein übermäßiges Materialabtragen auftreten könnte, das zu dem oben beschriebenen Auswaschen führen kann.

In Pig. 2 ist die Düse 10 dargestellt, wie sie in einem festen Abstand von einem anodisch aufgeladenen Werkstück einen aufprallenden Elektrolytstrom 15 abgibt. Wenn das

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Abtragen des Metalls erfolgt, sinkt der Strom, und es ist dann erwünscht, die Spannung und den Strom zur Kompensierung des erhöhten Abstandes zu erhöhen.

Wenn das Bohren fortschreitet, wird im Werkstück eine allgemein konische Vertiefung 17 gebildet, und schließlich bricht der Elektrolyt durch die Hinterfläche des Werkstücks 16. An dieser Stelle steigt der effektive Abstand beträchtlich an, und es ist besonders wichtig, die Spannung nach dem Durchbrechen zu erhöhen und die erhöhte Spannung an der Elektrode 10 aufrechtzuerhalten, bis sich ein loch 18 mit einem im wesentlichen gleichmäßigen Durchmesser ergibt. Die für diesen Verweilvorgang benötigte Zeitdauer kann in einfacher Weise mit Hilfe einiger vorbereitender Versuche ermittelt werden.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können löcher mit geraden Seitenflächen in relativ kurzer Zeit hergestellt werden. Im Gegensatz dazu führen die bisher angewendeten Verfahren, bei denen ein nichtveränderliches Gleichspannungspotential.angewendet wird, häufig zur Erzeugung von löchern gemäß Fig. 5» wo ein Werkstück 19 mit einem gebohrten Loch dargestellt ist, das eine sich im wesentlichen erweiternde Fläche 20 aufweist und den gewünschten Durchmeser D nur in dem Gebiet hat, in dem der Durchbruch erzielt worden ist. Diese sich erweiternde Form, die als Auswaschung bezeichnet wird, kann insbesondere dort, wo dicht nebeneinanderliegende Löcher gebohrt werden sollen, sehr Unerwünscht sein.

Ein spezieller Plan für das Erhöhen des Stroms und der Spannung kann nach wenigen Versuchen ermittelt werden. Die nachfolgend angegebenen Beispiele behandeln Pläne, die sich in vielen Fällen als brauchbar erwiesen haben. -

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Beispiel 1

Ein Werkstück mit einer Dicke von 2,54 mm wurde unter Anwendung eines Elektrolytdrueks von 1,4 kg/cm mit einem Elektrolyt aus 20 lolfo Schwefelsäure einem elektrochemischen Bohrverfahren unterzogen. Der Abstand zwischen der Elektrode und dem zu bohrenden Werkstück wurde zwischen 0,76 und 1,52 mm gehalten. Das Bohren wurde mit einer angelegten Spannung von 100 V _ff und einem Strom von 100 mA begonnen. Wenn der Strom mit dem Fortlaufen des Bohrvorgangs auf 90 mA abfiel, wurde die Spannung auf 500 V erhöht, so daß der Strom auf 120 mA anstieg. Die eingeprägte Spannung war eine.Sägezahnspannung, die allgemein den in Pig. 6 dargestellten Verlauf 'hatte. Wenn der Strom anschließend auf 110 mA abgefallen war, wurde die Spannung auf 600 7 erhöht, so daß der Strom auf 180 mA anstieg. Beim Durchbruch wurde die Spannung auf 750 V erhöht, und der dabei gezogene Strom betrug 600 mA. Der gesamte 7organg zum Durchbohren des Werkstücks zur Erzielung eines Lochs mit gleichmäßigem Durchmesser beanspruchte 3,5 Minuten.

Beispiel 2

Unter Anwendung des Elektrolyten, des Elektrolytdrucks und des Abstandes gemäß dem Beispiel 1 wurde bei einer Anfangsspannung von 500 V^ ein weiteres Werkstück gebohrt. Der Durchbruch erfolgte nach 2 Minuten, worauf die Spannung auf 750 V erhöht und für die Dauer von 30 Sekunden auf diesem Wert gehalten wurde. Es zeigte sich, daß das Loch im' Werkstück einen gleichmäßigen Durchmesser ohne merkliches Auswaschen hatte.

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Es wird angenommen, daß das erfindungsgemäße Verfahren wirksamer als herkömmliche Aufprallverfahren ist, da Impulse mit höherer Spannung in zuverlässiger Weise an die Elektrode angelegt werden können, wodurch mehr Energie zum Bohren des Lochs geliefert wird. Außerdem gestattet es das Pulsieren der negativen Gleichspannung, daß die Elektrolytflüssigkeit kühler bleibt, so daß die Möglichkeit für die Erzeugung überhitzten Dampfs an der Arbeitsspitze der Düse geringer ist. Mittels der Erfindung können viele dicht nebeneinanderliegende Löcher gleichzeitig gebohrt werden; diese !Fähigkeit wiesen die herkömmlichen Aufprallverfahren gewöhnlich nicht auf.

Es wurde die Abnutzung an Glaselektroden bei Anwendung einer herkömmlichen G-leichspa"nnungsversorgungquelle mit einer Welligkeitsspannung von 1 tfo oder weniger mit der Abnutzung an ebensolchen Elektroden bei Anwendung der pulsierenden G-leichspannungsversorgungsquelle der hier beschriebenen Art verglichen. Die anschließend angegebenen Abnutzungsdauerzahlen vergleichen die Änderung der Kapillarlänge der Elektrode nach verschiedenen Betriebsstunden.

Kapillarlängenänderung

Stunden	gesiebte Gleich spannung	pulsierende GIe ic hspannung
20	0,005	0
40	0,005	0
60	0,0075	0
80	0,0092	0
100	0,011	0
120	0,0152	0
HO	0,055	0
160	0,0171	0,001
180	0,0195	0,0022
200	0,022 709839	0,0025 /0620

Die Zeichnungen veranschaulichen ein Verfahren, "bei dem die Lage des Werkstücks und der Düse fest sind. Die hier ■beschriebene Energieversorgung kann auch auf den herkömmlichen Yorschubbohrvorgang angewendet werden, bei dera die Düse^mit dem Fortschreiten des Bohrvorgangs in das Loch bewegt wird und bei dem die Bewegung der Düse beendet wird, wenn der Durchbruch erzielt ist.

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Leerseite

Claims

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Patentansprüche

Verfahren zum elektrochemischen Bohren, bei dem eine isolierende, hohle, katodisch geladene Elektrode in dichtem Abstand von einem anodisch geladenen Werkstück angebracht wird und durch die Elektrode ein stark leitender Elektrolyt geleitet wird, damit er sich katodisch auflädt und zur Auslösung des Lochbohrvorgangs auf das Werkstück prallt, dadurch gekennzeichnet, daß an den Elektrolyten eine negative Spannung angelegt wird, die eine beträchtliche negative Komponente aufweist, der negative Impulse überlagert sind, daß die Impulse eine Welligkeit zwischen 75 und 600 i> der negativen Gleichspannungskomponente hervorrufen, wobei die Impulse die einzige Quelle des Stroms zum elektrochemischen Bohren darstellen, und daß die Amplitude der Impulse so gewählt wird, daß sie nicht ausreicht, eine Funkenentladung zwischen der Elektrode und dem Werkstück zu verursachen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulsfolgefrequenz von 60 bis 720 Hz für die Impulse gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohren durch Anwendung einer periodischen Erhöhung der Spannung und des Stroms ausgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein durchgehendes Loch gebohrt wird und daß die Spannung erhöht wird, wenn das zu bohrende Loch das Werkstück durchbricht.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt Salzwasser oder Säure ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Effektivwert der an die Elektrode angelegten Spannung im Bereich zwischen 100 und 800 Volt liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück im Bereich von etwa 0,76 bis 1,52 mm gehalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den Elektrolyten einwirkende Druck nicht höher

als 7 kg/cm ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Impulse mit einem allgemein sägezahnförmigen Verlauf verwendet werden.
10. Verfahren zum elektrochemischen Bohren, dadurch gekennzeichnet, daß in vorbestimmten! Abstand von einem anodisch geladenen Werkstück eine hohle Elektrode angebracht wird, daß durch die Elektrode ein geladener Elektrolyt geleitet wird, so daß er zur Auslösung des Lochbohrvorgangs auf das Werkstück aufprallt, daß der Elektrolyt katodisch aufgeladen wird, indem an ihn eine negative Gleichspannung mit einer beträchtlichen negativen Komponente angelegt wird, der negative Impulse überlagert sind, daß die Impulse eine Welligkeit von 75 bis 600 # der negativen Gleichspannungskomponente erzeugen, wobei die Impulse die einzige Quelle des Stroms für den elektrischen Bohrvorgang bilden, daß die Amplitude der Impulse so gewählt wird, daß sie nicht ausreicht, eine funkenentladung zwischen der Elektrode und dem Werkstück zu verursachen, daß der gleiche vorbe—

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stimmte Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück

mit dem Portschreiten des Bohrvorgangs aufrechterhalten

wird und daß die Spannung erhöht wird, wenn der Elektrolyt durch das erzeugte Loch bricht.

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