DE2624070C3

DE2624070C3 - Verfahren zum elektrochemischen Bohren

Info

Publication number: DE2624070C3
Application number: DE2624070A
Authority: DE
Inventors: James Dair Birmingham Andrews; Roger Kay Detroit 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: 1981-01-08
Also published as: DE2624070A1; IL49680A; FR2344372B1; IT1060755B; FR2344372A1; DE2624070B2; JPS52111433A; SE432373B; CA1077432A; IL49680A0; SE7605980L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum elektrochemischen Bohren, bei dem eine isolierende, hohle Düse mit katodisch geladener Elektrode in dichtem Abstand von einem anodisch geladenen Werkstück angebracht wird und durch die Düse ein stark leitender Elektrolyt geleitet wird, der gegen das Werkstück prallt.

Ein solches Verfahren ist unter der Bezeichnung EC-Bohren bekannt (American machinist, 3. November 1969, Seite 33). Dieses Verfahren ist zum Bohren äußerst kleiner Löcher in zähen Metallen, beispielsweise Superlegierungen auf Nickelbasis, angewendet worden.

Mit Hilfp dieses Verfahrens ist es möglich, Löcher mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 0,127 bis 0,508 mm zu bohren. Beim EC-Bohren wird normalerweise eine aus einem Glasrohr bestehende Düse mit einer hinter der Düsenspitze angebrachten Elektrode angewendet. Das EC-Bohfen wird bei Betriebsbedingungen mit relativ hohem Widerstand Und hoher Gleichspannung ausgeführt, deren Wert typischerweise in der Größenordnung von 300 bis ÖOO Volt liegt. Dazu wird entweder ein Salz* oder Säureelektrolyt verwendet. Die Druckwerte des Elektrolyten liegen bei

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65 diesem Verfahren typischerweise in der Größenordnung von 1,4 bis 7 kg/cm³.

Auch die Anwendung einer welligen Gleichspannung beim EC-Bohren ist bereits bekannt (Industrieanzeiger, 97. Jahrgang, Sonderausgabe vom 31. Mai 1975, Seiten 905,906).

Es hat sich jedoch gezeigt, daß es bei herkömmlichen elektrochemischen Abtragverfahren vom Typ des EC Bohrverfahrens 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 Elektrodüse liegenden Teil schräg verlaufende Seitenwände aufweisen; der gewünschte Lochdurchmesser 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 gebohrt werden sollen, da sich die Auswaschungen benachbarter Löcher übe-lappen können, was zu einen

unerwünschten

Abtragen von Metall in der Werkstückoberfläche zwischen den Löchern führt

Das EC-Bohrverfahren leidet in der derzeit ausgeführten Form auch unter dem Nachteil, daß eine übermäßige Abnutzung an der Spitze -ier isolierenden Düse auftritt, so dtS 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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum elektrochemischen Bohren zu schaffen, das die Erzeugung von Löchern mit gleichmäßigerem Durchmesser als bisher ermög'icht und bei dem die Abnutzung der Elektrodenspitze ve^ hindert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an die Elektrode eine Spannung mit negativem Gleichspannungsanteil angelegt wird, dem negative Impulse überlagert sind, die eine Welligkeit zwischen 75% und 600% des Gleichspannungsanteils ergeben, und daß die Ampl · ude der Impulse so gewählt wird, daß sie nicht ausreicht, eine Funkenentladung zwischen der Elektrode und dem Werkstück zu verursachen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Löcher mit genau definierten gleichmäßigen Durchmessern gebohrt werden, wenn die negativen Impulse, die dem Gleichspannungsanteil überlagert sind, eine im oben angegebenen Bereich liegende Welligkeit des Gleichspannungsanteils ergeben.

Wie die Praxis erwiesen hat, wird die Standzeit der Elektrodenspitze bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich verlängert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Teilschnittansicht der Ausgestaltung einer typischen Elektroden- und Düsen* anordnung,

Fig.2 eine schematische Ansicht der Düse und des Werkstücks am Anfang des Löchböhrvorgangs,

Fί g.3 eine ähnliche Ansicht Wie in Fig. 2, wobei die Düse und das Werkstück jedoch Unmittelbar vor dem Durchbruch dargesteHt sind,

F i g, 4 eine den F i g, 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,

Fig.5 eine Teilschnittansicht eines Werkstücks, in dem mittels eines herkömmlichen Aufprallverfahrens ein Loch auf elektrochemische Weise gebohrt worden ist, und

Fig.6 ein Diagramm des typischen Spannungsver-Iaufs, wie er beim erfindungsgemäßen Verfahren angewendet werden kann.

In F i g. 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 13 endet Typischerweise 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 Soannungsquelle angeschlossen ist, ist hinter dci Düse 13 vorzugsweise innerhalb eines (nicht dargestellten) Verteilerrohrs angebracht, das mehrere Rohre 11 speist.

Fig.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 F i g. 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 Fig. 6 dargestellten Verlauf würde sich beim Ablesen auf einem herkömmlichen Gleichspannungsmeßgerät mit etwa 750 Volt ergeben. Für 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 MOO Volt erreicht werden.

Der in Fig. 6 angegebene spezielle Verlauf zeigt einen Hub von 700 Volt vom konstanten Gleichspannungswert von 400 Volt aus, so daß der Welligkeitsfak tor des in Fig. 6 dargestellten Verlaufs 175% beträgt. Für das hier beschriebene Verfahren kann die Welligkeit von 75 bis 600% der vorbestimmten Gleichspannungskomponente reichen; vorzugsweise liegt sie zwischen 100 und 300% der Gleichspannungskomponente.

Zur Sicherstellung der oesten Ergebnisse ist auch die Impulsfrequenz von Bedeutung. Bei dem in Fig. 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/cm².

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. Für diii meisten Materialien ergibt ein Abstand _bs von etwa 0,76 mm bis V,5mm (0,030 bis 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 Materialabtrag^n auftreten könnte, das zu dem oben beschriebenen Auswaschen führen kann.

In F i g. 2 ist die Düse 10 dargestellt, wie sie in einem festen Abstand von einem anodisch aufgeladenen Werkstück 16 einen aufprallenden Elektrolytstrom 15 abgibt Wenn das Abtragen des Metalls erfolgt, sinkt der Strom, und es ist dann erwünscht, die Spannung und den Strom zur Kompensierung des erhöhten Abstanries 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 ergv Die für diesen Verweiivorgang benötigte Zeitdauer krnn in einfacher Weise mit Hilfe einiger vorbereitender Versuche ermittelt werden.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Löche^r mit geraden Seitenflächen in relativ kurzer Zeit hergestellt werden. Im Gegensatz dazu führen die bisher angewendeten Verfahren, bei denen ein nichtver änderliches Gleichspannungspotential angewendet wird, häufig zur Erzeugung von Loche· η gemäß F i g. 5, wo ein Werkstück 19 mit einem gebohrten Loch dargestellt ist, das eine sich im wesentlichen erweiternde Fläche 20 aufweist und den gewünschten Durchmesser 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 Strot.is und der Spannung kann nach wenigen Versuchen ermittelt werden. Die nachfolgend angegebenen Beispiele behande.n Pläne, die sicn in vielen Fällen als brauchbar erwiesen haben.

Beispiel 1

Ein Werkstück mit einer Dicke von 2,54 mm wurde unter Anwendung eines Elektrolytdrucks von 1,4 kg/cm² mit einem Elektrolyt aus 20 Vol.-% 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 V₀N und einem Strom von 100 p-.A begonnen. Wenn der Sirom mit dem Fortlaufen des Bohrvorgangs auf 90 mA abfiel, wurde die Spannung auf 300 V erhöht, so daß det Strom auf 12OmA anstieg. Die eingeprägte Spannung war eine Sägezahnspannung, die allgemein den in Fig. 6 dargestellten Ve-Iauf hatte. Wenn der Strom anschließend auf 110 mA abgefallen war, wurde die Spannung auf 600 V erhöht, so daß der Strom auf 180 mA anstieg. Beim Dürchbruch wurde die Spannung auf 750 V erhöht, und def dabei gezogene Strom betrug 600 mA. Der gesamte Vorgang zum Durchbohren des Werkstücks zur Erzielung eines Lochs mit gleichmäßigem Durchmesser beanspruchte 'i,5 Minuten.

Beispiel 2

Unter Anwendung des Elektrolyten, des Elektrolytdrucks Und des Abstandes gemäß dem Beispiel 1 wurde

bei einer Anfangsspannung von 500 V_etf 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.

Es wird angenommen, daß das effihdungsgemäße Verfahren wirksamer als herkömmliche Aufpräilverfahren 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 nebeneinanderliegehde Löcher gleichzeitig gebohrt werden; diese Fähigkeit wiesen die herkömmlichen Aufprallverfahren gewöhnlich nicht auf.

Es wurde die Abnutzung an Glaselektroden bei Anwendung einer herkömmlichen Gleichspannungsversorgungsquelle mit einer Welligkeitsspannung von 1% öder weniger mit der Abnutzung an ebensolchen Elektroden bei Anwendung der pulsierenden Gleichspannungsversorgungsquelle der hier beschriebenen Art verglichen. Die anschließend angegebenen Abnutzungsdauerzahlen vergleichen die Änderung der Kapillarlänge der Elektrode nach verschiedenen Betriebsstunden.

Kapillariängenäriderurig

Stunden

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 Vorschubbohrvorgang angewendet werden, bei dem 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.

Gesiebte	Pulsierende
Gleichspannung	Gleichspannung
0,003	0
0,005	0
0,0075	0
0,0092	0
0,011	0
0,0132	0
0,053	0
0,0171	0,001
0,0193	0,0022
0,022	ö,öö25

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum elektrochemischen Bohren, bei dem eine isolierende, hohle Düse mit katodisch geladener Elektrode in dichtem Abstand von einem anodisch geladenen Werkstück angebracht wird und durch die Düse ein stark leitender Elektrolyt geleitet wird, der gegen das Werkstück prallt, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektrode eine Spannung mit negativem Gleichspannungsanteil angelegt wird, dem negative Impulse überlagert sind, die eine Welligkeit zwischen 75% und 600% des Gleichspannungsanteils ergeben, 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, dJ3 eine Impulsfo'gefrequenz von 60 bis 720 Hz für uis Impulse gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bohren eines durchgehenden Loches die Spannung erhöht wird, wenn die Bohrung das Werkstück durchbricht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt, wie an sich bekannt, Salzwasser oder Säure ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Effektivwert der an die Elektrode angelegten Tnannung im Bereich zwischen 100 und 800 Volt liegt.

6. Verfahren nach Ansprutn 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück im Berek., von etwa 0,76 bis 1,52 mm gehalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den Elektrolyten einwirkende Druck nicht höher als 7 kg/cm² ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß Impulse mit einem allgemeinen sägezahnförmigen Verlauf verwendet werden.