DE3106639A1

DE3106639A1 - Elektrodenkoerper sowie verfahren und vorrichtung zum elektrochemischen schleifen

Info

Publication number: DE3106639A1
Application number: DE19813106639
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Tokyo Inoue
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1980-02-22
Filing date: 1981-02-23
Publication date: 1982-01-14
Also published as: FR2476522A1; IT1209845B; DE3106639C2; GB2070064A; GB2070064B; FR2476522B1; IT8147869A0

Description

Lnoue-Japax Research incorporated Yokohamashi, Kanagawaken Japan

Elektrodenkörper sowie Verfahren und Vorrichtung zum elektrochemischen Schleifen

Die Erfindung betrifft einen Elektrodenkörper nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrochemischen Schleifen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 18 bzw. 21 und allgemein das elektrochemische Schleifen (ECG), das auch als elektrolytisches Schleifen (ELG) bezeichnet wird; d. h. , die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Schleifelektrodenkörper, beispielsweise in der Form einer Scheibe, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrochemischen Schleifen eines elektrisch leitenden Werkstückes mittels einer umlaufenden Scheibenoder Radelektrode, die aus einem derartigen Elektrodenkörper besteht.

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Das elektrochemische Schleifen ist ein Bearbeitungsprozeß, bei dem zwei getrennte Bearbeitungseinwirkungen gemeinsam gleichzeitig auf ein elektrisch leitendes Werkstück ausgeübt werden: einerseits die elektrolytische Auflösung von Material aus dem leitenden Werkstück, die auftritt, wenn ein elektrischer Strom hoher Dichte zwischen das Werkstück und eine Werkzeugelektrode über einen Elektrolyten gelegt wird, der als ein elektrochemisches Bearbeitungsmedium dient, und andererseits das mechanische Abreiben der Werkzeugoberfläche gegen das Werkstück. Bei einer Fertig- oder Endoperation im Anschluß an den Bearbeitungsprozeß kann lediglich die mechanische Einwirkung mittels des gleichen Werkzeuges benutzt werden, um dem bearbeiteten Körper eine leuchtende Oberflächenbeschaffenheit oder -gute zu vermitteln. Es wird daher angestrebt, daß das Werkzeug aus einem Elektrodenkörper besteht, der elektrisch gut leitet und außerdem befriedigende Abriebeigenschaften besitzt.

Elektrodenkörper, die gewöhnlich zum elektrochemischen Schleifen eines elektrisch leitenden Werkstückes verwendet werden, bestehen aus einer Struktur von Teilen, die funktionell voneinander hinsichtlich der Leitfähigkeit und des Abriebvermögens unterteilt sind. So sind typische elektrochemische Schleifwerkzeugelektroden metallgebundene bzw. metallisierte Diamant- oder andere Abriebscheiben, die aus elektrisch nichtleitenden Abriebteilchen bestehen, die mechanische Werkzeuge bilden, die auf und in einer Metallgrundmasse gelagert sind, die die Bahn für den elektrochemischen Bearbeitungsstrom darstellt. Diese Körper haben jedoch keine ausreichende Bindungsstärke. Die Abriebteilchen neigen zu einer beträchtlich raschen Verlagerung aus dem Metallsubstrat,

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und daher unterliegt der Werkzeugkörper einer beträchtlichen Abnutzung während einer Bearbeitungsoperation. Zusätzlich sind sie vergleichsweise aufwendig herzustellen und schlecht formbar.

In einer anderen Klasse herkömmlicher elektrochemischer Schleifelektrodenkörper nimmt eine allgemein verfügbare, lediglich abreibende poröse Scheibe (beispielsweise ein mit Glas, Silikat, Gummi, Harz, Schalenlack oder Oxychlorid versetzter Abriebkörper aus Siliciumkarbid, Bornitrid, Borkarbid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Zinkoxid, Titanoxid oder Diamant) eine elektrische Leitfähigkeit an, indem seine inneren, untereinander verbundenen Poren mit leitenden Materialien imprägniert oder getränkt sind. Die Imprägnierung kann mit einer chemischen Plattierlösung erfolgen, so daß eine elektrisch leitende Beschichtung auf den Wandteilen der Poren durch chemische Reduktion eines Metalles aus der Lösung aufgebaut wird. Bei einer Verwendung der Scheibe liefert die leitende Beschichtung Bahnen für den elektrochemischen Bearbeitungsstrom. Die Bindung zwischen der leitenden Beschichtung und der Abriebgrundmasse ist jedoch vergleichsweise schwach. Weiterhin neigt die chemisch plattierte Beschichtung zu Alterungsänderungen sowie zu einer Oxidation und Korrosion, und die Poren werden leicht durch Oxidations- und Korrosionsprodukte beim Einsatz der Scheibe verstopft. Als Ergebnis verschlechtert sich die Scheibe rasch hinsichtlich ihrer mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen elektrochemischen Schleifelektrodenkörper anzugeben, der hervorragend formbar ist und in seinen elektrochemischen und mechanischen bzw. Abriebeigenschaften überlegen ist sowie

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- 1C- :

wirtschaftlich herstellbar ist und gegenüber einer Verschlechterung aufgrund einer Alterung wenig empfindlich ist; außerdem soll ein Verfahren zum elektrochemischen Schleifen eines leitenden Werkstückes geschaffen werden, durch das das Werkstück mit erhöhtem Wirkungsgrad und gesteigerter Betriebsstabilität bearbeitet werden kann; schließlich soll noch eine elektrochemische Schleifvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben werden.

Erfindungsgemäß ist ein elektrochemischer Schleifelektrodenkörper vorgesehen, der im wesentlichen aus elektrisch leitenden Abriebkörnern besteht, die mit einer im wesentlichen elektrisch nichtleitenden Bindegrundmasse gebunden sind, wobei die Abriebkörner in einer Menge vorzugsweise zwischen 10 und 30 % der Bindegrundmasse zugemischt und zusammengesintert sind, um den Elektrodenkörper mit einem spezifischen Widerstand nicht größer als 100 0hm · cm zu bilden. Im Gegensatz zu der bisherigen Annahme, daß die elektrische Leitfähigkeit und das Abriebvermögen durch getrennte Medien geschaffen werden sollen, die eine einheitliche Struktur bilden, beispielsweise durch eine Metallgrundmasse und Abriebteilchen in einer metallgebundenen Scheibe sowie ein nichtleitendes poröses Abriebskelett und leitende Beschichtungen, die auf den Wandteilen der Poren darin in einer plattierten Abriebscheibe gebildet sind, hat es sich nun gezeigt, daß Körner eines elektrisch leitenden und Abriebmaterials, die lediglich durch ein Bindematerial unabhängig von der Leitfähigkeit zusammengebunden sind, benutzt werden können, um ein integriertes elektrochemisches Abriebmedium mit dem Ergebnis zu schaffen, daß alle Anforderungen im wesentlichen erfüllt sind.

Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum elektro-

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chemischen Schleifen eines elektrisch leitenden Werkstückes mit einer umlaufenden Scheibe vor, die durch den Elektrodenkörper gebildet ist, wobei das Verfahren aufweist:

wiederholtes Verschieben des Werkstückes quer bezüglich der umlaufenden Scheibe entlang einer geraden Bahn, wobei in jedem Lauf einer Wiederholung die Tiefe eines Schnittes auf einen Wert nicht größer als 5 ,um eingestellt wird. Der elektrochemische Bearbeitungsstrom, der zwischen dem Werkstück und der umlaufenden Scheibenelektrode in jedem Lauf fließt, hat vorzugsweise die Form einer Folge elektrischer Impulse.

Insbesondere wird das Verfahren zum elektrochemischen Schleifen eines elektrisch leitenden Werkstückes mit einer umlaufenden Scheibenelektrode ausgeführt, die vorzugsweise - jedoch nicht ausschließlich - aus einem Elektrodenkörper besteht, der oben erläutert wurde, und die im praktischen Gebrauch einen elektrochemischen Schleifstrom vorzugsweise in der Form einer Folge von Impulsen verwendet, der durch eine Schleifgrenzflache geschickt ist, die zwischen dem Werkstück und der umlaufenden Scheibenelektrode gebildet und mit einem flüssigen Elektrolyten gespült wird. Das Verfahren weist jedoch die folgenden Verfahrensschritte auf:

Einwirken auf das Werkstück, damit die umlaufende Scheibenelektrode entlang einer vorbestimmten geradlinigen Bahn wiederholt über eine vorbestimmte Anzahl aufeinander folgender Läufe durchsetzt wird,

in jedem Lauf Einstellen der Schnittiefe durch die umlaufende Scheibenelektrode in das Werkstück - festgelegt durch die Stellung des Werkstückes, das die umlau-

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"- 12 -

fende Scheibenelektrode entlang der Bahn durchsetzt auf einen Wert nicht größer als 5 ,um, und

Wiederholen jedes Laufes, um so die aufeinander folgenden Läufe abzuschließen, wodurch insgesamt eine gewünschte Schnittiefe im Werkstück erreicht wird.

Weiterhin ermöglicht die Erfindung auch eine Vorrichtung zum elektrochemischen Schleifen eines elektrisch leitenden Werkstückes mit einer umlaufenden Scheibenelektrode, wobei die Vorrichtung aufweist:

eine Strom- bzw. Spannungsversorgung zum Einleiten eines elektrochemischen Schleifstromes durch eine Schleifgrenzfläche, die zwischen dem Werkstück und der umlaufenden Scheibenelektrode gebildet ist und mit einem flüssigen Elektrolyten gespült wird,

eine Antriebseinrichtung, die bewirkt, daß das Werkstück die umlaufende Scheibenelektrode entlang einer vorbestimmten geradlinigen Bahn wiederholt über einer vorbestimmten Anzahl aufeinander folgender Läufe durchsetzt, und

eine Positioniereinrichtung, um in jedem aufeinander folgenden Lauf die Lage des Werkstückes, das die umlaufende Scheibenelektrode entlang der Bahn durchsetzt, so anzuordnen, daß die Schnittiefe durch die umlaufende Scheibenelektrode im Werkstück auf einen Wert nicht größer als 5 ,um eingestellt ist, und

eine Steuereinrichtung, die eine Wiederholung jedes Laufes erlaubt, um die vorbestimmte Anzahl der aufeinander folgenden Läufe abzuschließen, wodurch insgesamt eine gewünschte Schnittiefe im Werkstück erzielt wird.

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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Schleifanordnung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine Kurvenschar, die erläutert, wie

die Schnittiefe (Schleiftiefe), die in jedem Lauf oder Durchgang der wiederholten und aufeinander folgenden' Durchgänge quer zur Schleifoperation eingestellt wird, das Verhältnis der Spindel-Antriebskraft (für die Scheibenelektrode) zum Scheiberidurchmesser und den Schleifvorschub sowie deren Beziehung beeinflußt, wobei diese Kurven experimentell aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt wurden, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Schleifanordnung einschließlich einer neuartigen Überwachungseinrichtung zum Überwachen der Abnutzung der umlaufenden Scheibenelektrode.

Die Erfindung ermöglicht einen verbesserten Elektrodenkörper zum elektrochemischen Schleifen, der im wesentlichen aus elektrisch leitenden Abriebkörnern besteht, die durch eine im wesentlichen elektrisch nichtleitende Bindegrundmasse gebunden sind, wobei die Abriebkörner in einer Menge kleiner als 30 Vol.-% und vorzugsweise zwischen 10 und 25 Vol.-% der Bindegrundmasse zugesetzt und zusammengesintert sind, um den Elektrodenkörper mit einem spezifi-

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sehen Widerstand nicht größer als 100 Ohm · cm zu bilden.

Die einzelnen elektrisch leitenden Abriebkörner können im wesentlichen aus einer Substanz bestehen, die aus Karbiden, Nitriden und Boriden von Titan und Hafnium gewählt ist und die TiC, TiB₂, TiN, HfC, TiBC, TiCN, TiHfC, (TiB₂)C, (TiB₂)N, TiCB₄C, TiNB₄C, TiCB₁₃C₂, TiNB₁₃C₂, TiCWC, B₄CWC und/oder B₄CSiC sein kann.

Während herkömmliche Abriebmaterialien, wie beispielsweise SiC und Al₃O₃, die Abriebteilchen in einer metallgebundenen Scheibe bilden, oder das Abriebskelett in einer plattierten elektrochemischen Schleifscheibe einen spezifischen Widerstand von 10 ,uXlcm haben und daher im wesentlichen nichtleitend sind, hat ein Abriebmaterial, das oben angegeben oder aufgelistet ist, einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von ,u jQ.cm (beispielsweise 70 bis 170 ,uilcm für TiC), und es hat sich gezeigt, daß derartige Materialien eines geringen spezifischen elektrischen Widerstandes mit einem nichtleitenden Bindemittel verbunden werden können, um einen hervorragenden Elektrodenkörper eines spezifischen Gesamtwiderstandes nicht größer als 100 0hm · cm, vorzugsweise 0,1 bis 10 0hm · cm, zu erzeugen. Diese Materialien haben in vorteilhafter Weise auch eine große Härte und Druckfestigkeit, und beispielsweise beträgt die Druck-

festigkeit für TiC zwischen 2900 und 3200 kg/mm und zwischen 3300 und 3450 kg/mm² für TiB₂. Ein Karbid und Nitrid

von TiB₂, nämlich beispielsweise (TiB )C und (TiB₃)N,hat eine ähnliche Druckfestigkeit und spezifischen elektrischen Widerstand, und es hat sich als ein Beispiel eines sehr vorteilhaften leitenden Abriebmaterials erwiesen.

Die leitenden Abriebkörner können mit nichtleitenden

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Abriebkörnern, wie beispielsweise B₄C, CBN (kubisches Bornitrid) und Diamant zusammen verbunden werden. Andere leitende oder halbleitende Abriebstoffe, wie beispielsweise WC, SiC, ZrC, können zugesetzt werden. Gelegentlich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, außerdem eine Verbindung oder Verbindungen von La, Y, Ce und anderen seltenen Erdelementen einzuschließen. Die Bindegrundmasse kann ein anorganisches Glasmaterial, Harz oder Gummi sein. Die leitenden Abriebkörner und eine derartige Bindegrundmasse haben eine extrem hohe Bindefestigkeit, wenn sie zusammen verbunden oder gesintert sind. Eine optimale Porosität, Bindefestigkeit und spezifische elektrische Leitfähigkeit des Elektrodenkorpers wird erhalten, wenn die Menge der Bindegrundmasse zwischen 10 und 25 Vol.-% liegt.

Beispiel I

Ein Gemisch aus 33 Vol.-% an TiC einer Korngröße von 140 ,um (Durchmesser), 20 Vol.-% an TiN einer Korngröße von 140 ,um (Durchmesser), 30 Vol.-% SiC einer Korngröße von 120 ,um (Durchmesser) und als Bindegrundmasse 17 Vol.-% einer Glasmasse oder Fritte wird mit einer elektrischen Sinteranordnung gesintert, indem ein elektrischer Strom von 3600 A durch das Gemisch für eine Zeitdauer von

30 min unter einem Anfangsdruck von 10 kg/cm für eine Zeitdauer von 20 min bei einer Temperatur von 1300 ⁰C geschickt wird. Der gesinterte Körper wird in eine Scheibe eines Außendurchmessers von 100 mm und einer Dicke von 10 mm geformt. Die Scheibe hat einen spezifischen Widerstand von 0,5 Ohm · cm gleichmäßig durch den ganzen Körper und hervorragende elektrochemische sowie mechanische Eigenschaften, um ohne Verstopfen eine extrem hohe Betriebsstabilität zu liefern. Die als die Bindegrundmasse verwendete Fritte enthält gewichtsmäßig 3,8 Teile an Na„0,

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5,8 Teile an K₃O, 2,5 Teile an MgO, 3,5 Teile an CaO, 8,6 Teile an B„O, 31,5 Teile an Al₂O₃, 41,9 Teile an SiO₂, 5,9 Teile an PbO, 3,6 Teile an Feldspat, 19 Teile an Ton, 17 Teile an Eisenoxid und 26 Teile an Zinkweiß.

Beispiel II

Die in Beispiel I vorbereitete Scheibe wird zinn elektrochemischen Schleifen eines Werkstückes aus WC-6 % Co mit einem Elektrolyten, der aus einer wäßrigen Lösung von 15 % NaNO, besteht, und mittels eines Bearbeitungsstromes von 2 A verwendet. Die Scheibe wird mit 1000 U/min gedreht, und das Werkstück wird gegen die umlaufende Scheibe mit einer Kraft von 500 ρ getrieben. Die Materialabtragung schreitet mit einer Geschwindigkeit von 30 mg/min fort, und das Werkstück hat eine bearbeitete Oberflächenrauhigkeit von 3 ,uR Zum Vergleich sei darauf hingewiesen, daß die Materialabtragungsgeschwindigkeit und die Oberflächenrauhigkeit mit einer herkömmlichen kupferelektroplattierten Scheibe 10 mg/min bzw. 5 ,uR betragen. ^" / max ^

In der anschließenden, rein mechanischen Operation, bei der der Bearbeitungsstrom abgeschaltet ist und die gleiche umlaufende Scheibe weiter einwirkt, wird das Werkstück mit einer Abtragungsgeschwindigkeit von 8 mg/min bearbeitet.

Beispiel III

Eine Grundmasse der gleichen Zusammensetzung wie in

Beispiel I wird elektrisch mit dem Anfangsdruck von 10

2
kg/cm fortgesetzt während einer ganzen Zeitdauer von

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10 min der Sinteroperation gesintert. Die sich ergebende Scheibe hat einen spezifischen Widerstand von 1,3 Ohm · cm und zeigt hervorragende Bearbeitungseigenschaften ähnlich wie im Beispiel II.

Beispiel IV

Die Anteile des Gemisches im Beispiel I werden so geändert, daß 45 Vol.-% TiC, 10 Vol.-% TiN, 30 Vol.-% SiC und 15 Vol.-% Fritte enthalten sind. Das Gemisch wird in der gleichen Weise wie in Beispiel III gesintert, und die sich ergebende Scheibe hat einen spezifischen Widerstand von 2,6 Ohm · cm und zeigt ähnliche hervorragende Bearbeitungseigenschaften.

Beispiel V

Ein Gemisch, das 40 Vol.-% TiB₂, 10 Vol.-% TiN,

30 Vol.-% SiC und 20 Vol.-% Fritte enthält, wird elek-

2 trisch mittels eines Anfangsdruckes von 10 kg/cm und eines Sinterstromes von 3200 A gesintert, der für eine

Zeitdauer von 30 min fließt. Wenn die Temperatur 1200 ⁰C

2 erreicht, wirkt ein Endverdichtungsdruck von 80 kg/cm auf den Körper für eine Zeitdauer von 20 min ein. Die sich ergebende Scheibe hat einen spezifischen Widerstand von 2,8 Ohm · cm und zeigt hervorragende Bearbeitungseigenschaften.

Die Erfindung ermöglicht einen verbesserten Elektrodenkörper für elektrochemisches Schleifen, der im wesentlichen aus elektrisch leitenden Abriebkörnern besteht, die mit einer im wesentlichen elektrisch nichtleitenden Bindegrundmasse verbunden sind, wobei die Abriebkörner in einer

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Menge von vorzugsweise 10 bis 25 Vol.-% der Bindegrundmasse zugemischt und zusammengesintert sind, um den homogenen Elektrodenkörper mit einem spezifischen elektrischen Widerstand nicht größer als 100 Ohm · cm und vorzugsweise zwischen 0,1 und 10 0hm · cm zu bilden. Die einzelnen elektrisch leitenden Abriebkörner können im wesentlichen aus einer Substanz bestehen, die aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem Karbid, Nitrid und/ oder Borid von Titan und Hafnium gewählt ist und die aus TiC, TiB₃, TiN, HfC, TiBC, TiCN, TiHfC, (TiB₃)C, (TiB₃)N, TiCB₄C, TiNB₄C, TiCB₁₃C₃, TiNB₁₃C₃, TiCWC, B₄CWC und/oder B₄CSiC bestehen kann.

So hat beispielsweise TiC einen spezifischen Widerstand von 70 bis 170 ,uAcm, TiB von etwa 40 ,u-fLcm, TiB„ von 6 bis 20 ,uAcm, TiN von 20 bis 130 ,uO-cm, HfC von 60 ,UAcm, HfB„ von etwa 40 ,uXi-cm, TiB„C von etwa 120 ,uXIcm, TiB-N von 260 ,uilcm, TiCN von 300 ,ußLcm und TiHfC von 40 bis 50 ,uX2-cm. Diese Materialien haben auch hervorragende Werte für die Härte und Druckfestigkeit. So hat beispielsweise TiC eine Druckfestigkeit von 2900

2 2

bis 3200 kg/mm , TiB von 2700 bis 2800 kg/mm , TiB₃ von

3300 bis 3450 kg/mm², HfC von 2500 bis 3200 kg/mm und

ο
HfB von 2500 bis 3500 kg/mm . TiN hat eine relativ gerin

ge Druckfestigkeit von 1800 bis 2100 kg/mm , und derartige leitende Abriebmaterialien können zusammen mit harten Abriebmaterialien einer kleineren Leitfähigkeit verwendet

2 werden, wie beispielsweise B₄C (2400 bis 3700 kg/mm ),

SiC (3000 bis 35OO kg/mm²), CBN und Diamant.

Die Bindegrundmasse kann ein Phenolharz, ein Harnstoff harz, ein Vinyiharz oder ein ähnliches Harz sein, und sie kann auch aus Keramik (glasartig) oder Gummi bestehen.

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- -19: - . ■

Die Porosität des Elektrodenkörpers muß darin gewünschte kleine oder Spanlöcher bilden und sollte zwischen 20 und 40 % liegen.

Die Teilchengröße der elektrisch leitenden Abriebteilchen sollte vorzugsweise 8000 bis 500 Maschen betragen. Die Korngröße der elektrisch leitenden Abriebkörner, die aus diesen Teilchen gebildet sind, die mit dem Bindemedium, wie beispielsweise Kunstharz oder glasartiger Keramik, verbunden sind, sollte vorzugsweise
200 bis 10 Maschen betragen. Diese Körner können zusammen mit der Bindegrundmasse-gesintert werden, um einen Elektrodenkörper einer Porosität von 20 bis 40 % zu bilden.

Beispiel VI

Ein Gemisch, das 33 Vol.-% TiC mit einem Durchmesser von 10 ,um, 25 Vol.-% TiN mit einem Durchmesser von 10 ,um, 30 Vol.-% SiC mit einem Durchmesser von 7 ,um und 12 Vol.-% Fritte enthält, wi'rd durch Sintern verbunden und gedrückt, um Körner einer Korngröße eines Durchmessers von 140 ,um zu bilden. Dann wird ein Gemisch, das 83 Vol.-?, der Körner und 17 Vol.-% einer Fritte enthält,

elektrisch mittels eines Anfangsdruckes von 10 kg/cm gesintert, und ein Sinterstrom von 3600 A wirkt für eine Zeitdauer von 30 min ein. Nachdem eine Temperatur von

1300 C erreicht ist, wirkt ein Endverdichtungsdruck

2
von 70 kg/cm auf den Körper für eine Zeitdauer von 20 min ein. Der gesinterte Körper wird in eine Scheibe eines Außendurchmessers von 100 mm und einer Dicke von
10 mm geformt. Es hat sich gezeigt, daß die Scheibe homogen mit Spanlöchern ist, die gleichmäßig über den gesamten Körper verteilt sind, daß die Scheibe einen spezifi-

*) engl.: meshes = Anzahl üeiT 0rfnungen je Zoll (2,54 cm)

sehen Widerstand von 0,5 Ohm · cm besitzt und daß die Scheibe hervorragende elektrochemische Schleifeigenschaften aufweist. Die Fritte enthält 3,8 Teile an Na₂O, 5,8 Teile an K₃O, 2,5 Teile an MgO, 3,5 Teile an CaO, 8,6 Teile an B₃O, 31,5 Teile an Al₃O₃, 41,9 Teile an SiO₂, 5,9 Teile an PbO, 3,6 Teile an Feldspat, 19 Teile an Ton, 17 Teile an Eisenoxiden und 26 Teile an Zinkweiß.

Beispiel VII

Mittels der in Beispiel VI vorbereiteten Scheibe wird ein Werkstück mechanisch geschliffen, das aus einem S55C-Material zusammengesetzt ist und eine Rockwell-Härte Rc65 besitzt. Die Scheibe wird mit 1000 U/min gedreht, und das Werkstück wird mit einem Druck von 1,5 bis

2
2 kg/cm gegen die umlaufende Scheibe getrieben, während ein das Werkstück tragender Tisch mit einer Geschwindigkeit von 0,2 mm/min zugeführt wird. Es hat sich gezeigt, daß die Abtragungsgeschwindigkeit 8 mg/min beträgt.

Beispiel VIII

Mit der in Beispiel VI vorbereiteten Scheibe wird das gleiche Werkstück des Beispieles VII elektrochemisch mittels einer 15-%igen wäßrigen Lösung an NaNO-. und eines Bearbextungsstromes von 2 A geschliffen. Die Abtragungsgeschwindigkeit beträgt 30 mg/min, und die Oberflächenrauhigkeit ist 1,5 ,uR . Es wird keine Wellenbildung

/ max

auf der bearbeiteten Werkstückoberfläche beobachtet.

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Beispiel IX

Ein Gemisch, das 33 Vol.-% TiC eines Durchmessers von 140 ,um, 20 Vol.-% von TiN eines Durchmessers von 140 ,um, 30 Vol.-% SiC eines Durchmessers von 150 ,um und 17 Vol.-% Fritte enthält, wird als Ausgangsmaterial des Beispiels VI verwendet, und es wird daraus eine Scheibe in der dort beschriebenen Weise hergestellt. Es werden ähnliche Bearbeitungseigenschaften wie in diesem Beispiel erhalten.

Die Erfindung ermöglicht auch ein verbessertes Verfahren zum elektrochemischen Schleifen eines elektrisch leitenden Werkstückes mit einer umlaufenden Scheibe, die aus dem oben beschriebenen Elektrodenkörper besteht. Bei dem verbesserten Verfahren wird das Werkstück wiederholt quer zur umlaufenden Scheibenelektrode entlang einer geraden relativen Bahn verschoben, und die Schnitttiefe in jedem der aufeinander folgenden Läufe wird auf einen Wert nicht größer als 5 .um eingestellt.

Fig. 1 zeigt eine elektrochemische Schleifvorrichtung zum Durchführen des verbesserten Verfahrens. Ein Arbeitstisch 1 wird durch einen Vorschubantrieb 2, beispielsweise eine hydraulische Zylinderantriebsanordnung, in einer waagrechten Ebene verschoben. Ein Werkstück 3 ist sicher auf. dem Arbeitstisch 1 befestigt. Eine vorzugsweise aus dem oben beschriebenen Elektrodenkörper gebildete umlaufende Scheibe 4 ist auf einer Welle 5 befestigt, die durch einen Drehantrieb 9 gedreht wird. Die Welle 5 ist auch senkrecht verschiebbar angeordnet, um die senkrechte Lage oder Stellung der Scheibenelektrode 4 bezüglich des Werkstückes 3 einzustellen. Ein vertikaler Vorschubantrieb ist für diesen Zweck vorgesehen, jedoch nicht dargestellt. Eine Strom- bzw. Spannungsver-

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sorgung 6 ist einerseits mit dem Werkstück 3 über den Arbeitstisch 1 und andererseits mit der Scheibenelektrode 4 über eine Bürste 7 verbunden, um einen elektrochemischen Bearbeitungsstrom zwischen die Scheibenelektrode 4 und das Werkstück 3 zu legen. Der Bearbeitungsstrom ist so gepolt, daß das Werkstück 3 die Anode und die Scheibe 4 die Kathode bildet, und er hat vorzugsweise die Form einer Folge von Impulsen. Eine Düse 8 liefert einen flüssigen Elektrolyten auf die Oberfläche der Scheibenelektrode 4. Wenn die Scheibe 4 umläuft, wird der Elektrolyt darauf mitgerissen und zu der zwischen der Scheibe 4 und dem Werkstück 3 gebildeten Schleifgrenzfläche gespeist. Eine Steuereinheit 10 ist vorgesehen, um die Vorschubgeschwindigkeit des Tischantriebes 2 so zu steuern, daß der Wattverbrauch bzw. die Wirkleistung des Scheibendrehantriebes 9 im wesentlichen konstant gehalten wird.

Im Betrieb liegt das Werkstück 3 quer bezüglich der Scheibenelektrode 4 in einer relativ senkrechten Stellung, die so eingestellt ist, daß eine Schnittiefe G erhalten wird, und dies wird durch den vertikalen Vorschubantrieb für die Scheibenelektrode 4 erreicht. Dann wird der flüssige Elektrolyt von der Düse 8 zur Scheibenelektrode 4 gespeist, die durch den Drehantrieb 9 umläuft. Der Bearbeitungsstrom wird von der Strom- bzw. Spannungsversorgung 6 abgegeben, um zwischen dem Werkstück 3 und der umlaufenden Scheibenelektrode 4 zu fließen. Dann wird der Arbeitstisch 1 durch den horizontalen Vorschubantrieb 2 verschoben, um das Werkstück 3 in eine elektrochemische Schleifbeziehung mit der umlaufenden Scheibe 4 zu bringen. Die Materialabtragung vom Werkstück wird zusammen durch die vom Elektrolyten verursachte elektrolytische Lösbarkeit und durch die mechanische Abriebeinwirkung infolge der von der Oberfläche der Scheibe 4 vorspringenden Abrieb-

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körner und möglicherweise auch aufgrund von Mikroentladungen erzeugt, die sich gleichmäßig über der Elektrodengrenzfläche entwickeln können. Die Steuereinheit 10 wirkt auf den horizontalen Vorschubantrieb 2 ein, um die Antriebsleistung der durch den Drehantrieb angetriebenen Spindel 5 im wesentlichen konstant zu halten.

Die durch die umlaufende oder Drehscheibe 4 im Werkstück 3 in einem einzigen Lauf der horizontalen Verschiebung bewirkte Schnittiefe G ist erfindungsgemäß nicht größer als 5 ,um eingestellt. Durch Begrenzen der Schnittiefe G auf einen so kleinen Wert ist es möglich, die Spindelantriebsleistung und damit den für den Motor 9 beim Drehen der Scheibe 4 benötigten Wattverbrauch möglichst klein zu machen. Folglich kann die Geschwindigkeit des Schleifvorschubes, der durch den Vorschubantrieb 2 bewirkt wird, während die Spindelantriebsleistung auf einem vorbestimmten Mindestwert gehalten ist, merklich gesteigert werden. Fig. 2 zeigt in einer Kurvenschar das Verhältnis der Spindelantriebsleistung zum Scheibendurchmesser auf der Ordinate und die Schleifvorschubgeschwindigkeit auf der Abszisse, wobei die Kurven die Beziehung bezüglich sich ändernder angegebener Schnitttiefen darstellen. Es ist zu ersehen, daß beispielsweise für das Verhältnis 1 die Schnittiefe von 1 ,um eine Schleifvorschubgeschwindigkeit von 10 m/min liefert, während eine Schnittiefe von 4 bis 5 ,i
digkeit von 1 m/min bedingt.

ne Schnittiefe von 4 bis 5 ,um eine Schleifvorschubgeschwin-

Die Steigerung in der Vorschubgeschwindigkeit bedeutet eine raschere Verschiebung der Arbeitszone in das Werkstück. Als Ergebnis werden die elektrolytischen Zersetzungsprodukte abgeführt und durch einen frischen Elektrolyten müheloser in der Schleifgrenzflache ersetzt. Eine extrem hohe Konzentration an Ionen wird so geliefert, und der

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Bearbeitungsstrom kann mit einer erhöhten Dichte durch die Grenzfläche abgegeben werden, so daß der elektrolytische Beitrag zur Materialabtragung stark erhöht ist und ausreicht, die mechanische Abnutzung der Scheibenelektrode möglichst klein zu machen. Da die Steigerung der elektrochemischen Materialabtragung und die Verringerung in der mechanischen Scheibenabnutzung so erzielt werden, ist das Schleifverhältnis (Menge der Werkstück-Materialabtragung geteilt durch die Menge der Scheibenabnutzung) merklich gesteigert.

Aus Fig. 2 ist zu ersehen, daß eine scharfe Verringerung in der SchleifVorschubgeschwindigkeit auftritt, wenn die Schnittiefe 5 ,um überschreitet. Beispielsweise ist für eine auf 20 ,um gesteigerte Schnittiefe gezeigt, daß die SchleifVorschubgeschwindigkeit auf weniger als 10 cm/ min herabgesetzt ist.

Beispiel X

Eine in Beispiel I vorbereitete Scheibe wird zum elektrochemischen Schleifen eines magnetischen Fe/Cr/Co-Legierungsmaterials verwendet. Der benutzte Elektrolyt ist eine wäßrige Lösung von 10 Gew.-% NaNO-., und der Be-

2 arbeitungsstrom fließt mit einer Stromdichte von 0,6 A/mm , Die folgende Beziehung wird zwischen dem -Schleifverhältnis und der Schnittiefe beobachtet:

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Schnittiefe SchJ eifverhältnis

0,5 ,um 45

1 ,0 42

3,0 26

5,0 22

10,0 ' 18

25,0 14

Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung, in der einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind, umfaßt eine Fühlereinrichtung zum Abtasten der Abnutzung der Scheibenelektrode 4, damit das Werkstück 3 elektrochemisch geschliffen und mit dem höchsten Genauigkeitsgrad fertig bearbeitet werden kann. In dieser Anordnung ist die Gleichstromquelle 6 mit dem Werkstück 3 und der Scheibenelektrode 4 über einen Schalter 11 verbunden, der ein Transistor oder eine Reihe von Transistoren sein kann, um an der Bearbeitungsgrenzfläche eine Folge elektrochemischer Schleifstromimpulse zu erzeugen.

Eine überwachende Strom- bzw. Spannungsversorgung mit Gleichstromausgang ist ebenfalls mit dem Werkstück 3 und der Scheibenelektrode 4 über einen Schalter verbunden, der wiederum ein Transistor oder eine Reihe von Transistoren sein kann, und ein Fühlerwiderstand ist in Reihe angeschlossen. Die Schalter 11 und 13 werden abwechselnd durch eine gemeinsame Signalquelle 15 eingeschaltet, die ein freischwingender Multivibrator sein kann. Nur wenn so der Schalter 11 ausgeschaltet oder der Bearbeitungsimpuls abgeschaltet ist, wird der Schalter 13 eingeschaltet, und das Ausgangssignal der überwachenden Strom- bzw. Spannungsversorgung liegt an der Bearbeitungsgrenzfläche; dann wird ein Überwachungsimpuls zur Bearbeitungsgrenzfläche gespeist.

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Eine Diskriminatorschaltung 16, beispielsweise ein Schmitt-Trigger, ist an den Fühlerwiderstand 14 angeschlossen, um die dort proportional in der Größe zum Spaltwiderstand in der Überwachungsperiode entwickelte Fühlerspannung zu diskriminieren, die durch den Überwachungsimpuls zwischen dem Werkstück 3 und der Scheibenelektrode 4 gesichert ist. Die Diskriminatorschaltung

16 hat auch einen Ausgang, der an eine Steuerschaltung

17 angeschlossen ist, die so ausgelegt ist, daß sie auf einen vertikalen Vorschubantrieb 18 einwirkt, um die senkrechte Stellung des Werkstückes 3 bezüglich der umlaufenden Scheibenelektrode 4 einzustellen.

Die am Fühlerwiderstand 14 entwickelte Spannung stellt den Kontaktwiderstand zwischen dem Werkstück 3 und der Scheibenelektrode 4 und damit allgemein die Abnutzung der Scheibenelektrode 4 dar. Im Diskriminator 16 ist ein vorbestimmter Schwellenwert voreingestellt. Wenn so das Abnutzungssignal am Fühlerwiderstand 14 den Schwellenwert überschreitet, wird der Diskriminator 16 betrieben, um ein Steuersignal zur Steuerschaltung 17 zu speisen. Diese wird dann betätigt, um den vertikalen Antrieb 18 zu betreiben, so daß die vertikale Stellung des Werkstückes 3 bezüglich der Scheibenelektrode 4 oder die Schnittiefe G gesteuert wird. Die Steuerschaltung 17 kann einen Zähler enthalten, um die Ausgangssignale des Diskriminators 16 zu sammeln, die in der Form von Impulsen entwickelt werden, und sie kann den vertikalen Antrieb 18 betreiben, wenn die gesammelten Signalimpulse eine vorgewählte Zahl erreichen.

Die Erfindung sieht so einen verbesserten elektrochemischen Schleifelektrodenkörper sowie ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrochemischen Schleifen eines elektrisch leitenden Werkstückes mit einer Scheibenelektrode vor, die in vorteilhafter Weise aus dem verbesserten Elektrodenkörper besteht.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

M .J Elektrochemischer Schleif elektrodenkörper, gekennzeichnet durch

- eine im wesentlichen aus elektrisch leitenden Abriebkörnern bestehende Zusammensetzung, die mit einer im wesentlichen elektrisch nichtleitenden Bindegrundmasse verbunden sind,

- wobei die Abriebkörner in einer Menge von 10 bis 30 Vol.-% der Bindegrundmasse zugemischt und zusammengesintert sind, um den Elektrodenkörper mit einem spezifischen Widerstand nicht größer als 100 0hm ■ cm zu bilden.
2. Elektrodenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Menge nicht größer als 25 % ist.
3. Elektrodenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der spezifische Widerstand zwischen 0,1 und 10 0hm · cm liegt.
4. Elektrodenkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- eine Porosität von 10 bis 40 Vol.-%.

581-(A 943)-E

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5. Elektrodenkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Porosität nicht größer als 25 Vol.-% ist.
6. Elektrodenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die einzelnen Körner im wesentlichen aus einer Substanz bestehen, die aus der Gruppe gewählt ist, die Karbide, Nitride und Boride von Titan und Hafnium umfaßt.
7. Elektrodenkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Substanz aus folgender Gruppe gewählt ist:

TiC, TiB₂, TiN, HfC, TiBC, TiCN, TiHfC, (TiB₂)C, (TiB₂)N, TiCB₄C, TiNB₄C, TiCB₁₃C₃, TiNB₁₃C₃, TiCWC, B₄CWC und B₄CSiC.
8. Elektrodenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Bindegrundmasse eine Substanz ist, die aus der Gruppe gewählt ist, die aus Harz, Keramik, Fritte und Gummi besteht.
9. Elektrodenkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- elektrisch nichtleitende Abriebkörner.
10. Elektrodenkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

- daß die elektrisch nichtleitenden Abriebkörner eine Substanz sind, die aus der Gruppe gewählt ist, die Diamant, Borkarbide und Bornitride umfaßt.
11. Elektrodenkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

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- im wesentlichen nichtabreibende elektrisch leitende Teilchen.
12. Elektrodenkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Teilchen eine Substanz sind, die aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem Metall und Kohlenstoff besteht.
13. Elektrodenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die elektrisch leitenden Abriebkörner eine Korngröße im Bereich zwischen 10 und 200 Maschen haben.
14. Elektrodenkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

- daß die elektrisch leitenden Abriebkörner vorbereitet werden, indem elektrisch leitende Abriebteilchen einer Teilchengröße im Bereich zwischen 500 und 8000 Maschen mit einem im wesentlichen elektrisch nichtleitenden Bindemedium gebunden werden.
15. Elektrodenkörper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

- daß die einzelnen Teilchen im wesentlichen aus einer Substanz bestehen, die aus der Gruppe gewählt ist, die Karbide, Nitride und Boride von Titan und Hafnium umfaßt.
16. Elektrodenkörper nach Anspruch 15, dadurch gekennzei chnet,

- daß die Substanz aus der folgenden Gruppe gewählt ist: TiC, TiB₂, TiN, HfC, TiBC, TiCN, TiHfC, (TiB₂)C,

(TiB₂)N, TiCB₄C, TiNB₄C, TiCB₁₃C₂, TiNB₁₃C₃, TiCWC, ί * V—rV Vw- U.J.J.V4 UjV

B„CWC und B^CSiC.

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17. Elektrodenkörper nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,

- daß das Bindemedium eine Substanz ist, die aus der
Gruppe gewählt ist, die aus Harz, Keramik, Fritte
und Gummi besteht.
18. Verfahren zum elektrochemischen Schleifen eines elektrisch leitenden Werkstückes mit einer umlaufenden Scheibenelektrode, die aus dem Elektrodenkörper nach Anspruch 1 besteht, wobei ein elektrochemischer Schleifstrom zwischen dem Werkstück und der umlaufenden Scheibenelektrode über eine Schleifgrenzflache fließt, die mit einem flüssigen
Elektrolyten gespült ist,

gekennzeichnet durch

- Bewirken, daß das Werkstück (3) die umlaufende Scheibenelektrode (4) entlang einer vorbestimmten geradlinigen Bahn wiederholt und über aufeinander folgenden Läufen durchsetzt,

- in jedem Lauf Einstellen der Schnittiefe durch die umlaufende Scheibenelektrode (4) im Werkstück (3), bestimmt durch die Stellung des die umlaufende Scheibenelektrode (4) durchsetzenden Werkstückes (3) entlang der Bahn, auf einen Wert nicht größer als 5 ,um, und

- Wiederholen jedes Laufes, um die aufeinander folgenden Läufe abzuschließen, wodurch insgesamt eine gewünschte Schnittiefe im Werkstück (3) erzielt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der elektrochemische Schleifstrom in der Form einer Folge von elektrischen Impulsen eingeleitet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
gekennzeichnet durch

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- Anlegen eines Überwachungsimpulses während wenigstens eines Teiles der Abschaltzeit der elektrochemischen SchleifStromimpulse an der Schleifgrenzflache, und

-Abtasten einer elektrischen Größe der Schleifgrenzfläche, die auf dem Überwachungsimpuls beruht, um
dadurch die Abnutzung der Scheibenelektrode (4) zu bestimmen.
21. Vorrichtung zum elektrochemischen Schleifen eines elektrisch leitenden Werkstückes mit einer aus einem Elektrodenkörper nach Anspruch 1 bestehenden umlaufenden Scheibenelektrode,

gekennzeichnet durch

- eine Strom- bzw. Spannungsversorgung zum Einleiten eines elektrochemischen Schleifstromes durch eine
Schleifgrenzflache, die zwischen dem Werkstück (3) und der umlaufenden Scheibenelektrode (4) besteht
und mit einem flüssigen Elektrolyten gespült ist,

- eine Antriebseinrichtung (2), die bewirkt, daß das Werkstück (3) die umlaufende Scheibenelektrode (4) entlang einer vorbestimmten geradlinigen Bahn wiederholt und über eine vorbestimmte Anzahl aufeinander folgender Läufe durchsetzt,

- eine Positioniereinrichtung, die in jedem aufeinander folgenden Lauf die Lage des die umlaufende Scheibenelektrode (4) entlang der Bahn durchsetzenden Werkstückes (3) justiert, so daß die Schnittiefe der umlaufenden Scheibenelektrode (4) im Werkstück (3) auf einen Wert nicht größer als 5 ,um eingestellt ist, und

- eine Steuereinrichtung, damit in jedem Lauf die vorbestimmte Anzahl der aufeinander folgenden Läufe wiederholbar ist, wodurch insgesamt eine gewünschte Schnitttiefe im Werkstück (3) erzielt wird.

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"~ 6 —
22. Vorrichtung nach Anspruch 21,
gekennzeichnet durch

- eine der Bearbeitungs-Strom- bzw. Spannungsversorgung zugeordnete Abschalteinrichtung zum intermittierenden Abschalten des elektrochemischen Schleifstromes,

- eine Hilfsstrom- bzw. Spannungsversorgung, um an die Schleifgrenzfläche einen Uberwachungsimpuls während wenigstens eines Teiles der Abschaltzeit des elektrochemischen Schleifstromes zu legen, und

- eine Fühlereinrichtung zum Erfassen einer elektrischen Größe der Schleifgrenzflache, die auf der Einspeisung des Überwachungsimpulses beruht, um so die Abnutzung der Scheibenelektrode (4) zu bestimmen.

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