DE3783013T2 - Elektrolytisches fertigbearbeitungsverfahren. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigbearbeiten eines Werkstücks, das eine dreidimensionale Oberfläche aufweist, durch elektrolytisches Bearbeiten.
• In einer herkömmlichen elektrolytischen Maschine wird flüssiger Elektrolyt mit einer hohen Geschwindigkeit zwischen einer Elektrode und einem Werkstück während der Bearbeitung eingebracht oder, wie in GB 1,050,139 dargestellt ist, intermittierend eingebracht, so daß Rückstandsprodukte, wie z.B. Partikel aus von dem Werkstück aberodiertem Metall, Wasserdampf oder sonstige aus dem Spalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück ausgetragen werden.
• In dem Fall, daß das Werkstück eine dreidimensional geformte Aussparung aufweist, ist es unmöglich, den flüssigen Elektrolyten bei einer gleichbleibenden Geschwindigkeit durch den Spalt zu befördern, der eine komplizierte Form aufweist. Die Genauigkeit des Produkts wird sehr stark durch Unregelmäßigkeiten in dem elektrolytischen Fluß beeinflußt. Zusätzlich ist die Konzentration von dem Elektrolyt an einem Ausgang eines Elektrolytbehälters unterschiedlich von der Konzentration an einem Eingang, sogar wenn der Druck der Flüssigkeit erhöht wird. Demzufolge ist es unmöglich maßgenaue Produkte herzustellen.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein elektrolytisches Fertigbearbeitungsverfahren anzugeben, mit dem mit einer hohen Geschwindigkeit und Maßgenauigkeit eine dreidimensionale Oberfläche eines Werkstücks zu einem Produkt fertigbearbeitet werden kann, das eine scheinende Oberfläche hat.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigbearbeiten eines Werkstücks, daß eine dreidimensionale Oberfläche aufweist, welches die folgenden Schritte aufweist:
• Positionieren einer Elektrode, um einen vorbestimmten Spalt zwischen der Elektrode und der Oberfläche des Werkstücks herzustellen ;
• Versorgen eines Elektrolyttrogs mit Elektrolyt, um die Elektrode und das Werkstück einzutauchen;
• Intermittierendes Aufbringen von Impulsen auf die Elektrode;
• Intermittierendes Entfernen des Elektrolyten, der mit Rückstandsprodukten kontaminiert ist;
• Reinigen des kontaminierten Elektrolyten;
• Wiederholtes Versorgen des Spaltes mit sauberem Elektrolyt, Regeln der Impulsdauer und Stromdichte der Impulse in einer Weise, daß mindestens ein Impuls in einer ersten Periode auf die Elektrode aufgebracht wird, und, falls die Bearbeitungstiefe einen vorbestimmten Wert erreicht, Beginnen einer darauffolgenden Periode, in der zumindest ein Impuls aufgebracht wird, der eine längere Dauer als der Impuls in der ersten Periode und eine Stromdichte aufweist, die genauso hoch oder höher ist wie die des Impulses in der ersten Periode.
• Eine Ausführung der Erfindung wird jetzt anhand eines Beispiels mit Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt
• Fig. 1 eine Frontansicht einer elektrolytischen Fertigbearbeitungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 eine Seitenansicht der Maschine;
• Fig. 3 ein Blockschaltbild, mit einem System der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 4 ein Blockschaltbild, mit einem System für die Stromversorgung einer Elektrode;
• Fig. 5 ein Blockschaltbild, mit einem Filtersystem für flüssige Elektrolyte; und die
• Fig. 6a und 6b Impulsformen.
• Wie die Fig. 1 bis 3 erkennen lassen, besitzt die elektrolytische Fertigbearbeitungsmaschine 1 eine Werkstückeinspannvorrichtung 3 in einem Elektrolyttrog 15. Ein Werkstück 2 ist auf einer Basis 3a der Vorrichtung 3 montiert und daran durch eine obere Platte 3b und Bolzen 16, die in die Basis 3a geschraubt sind, befestigt. Eine Elektrode 4 ist an dem unteren Ende eines Stabes 17 einer Elektrodenhaltevorrichtung 5 befestigt. Die Haltevorrichtung ist über einen Elektrodenantriebsrichtungswandler 7 mit einer Elektrodenantriebsvorrichtung 6 gekoppelt. Der Wandler 7 ist vorgesehen, um die Drehausgangsbewegung des Motors 19 in Vorrichtung 6 in eine axiale Bewegung des Stabes 17 umzuwandeln.
• Das Werkstück 2 enthält eine fertig zu bearbeitende dreidimensionale Aussparung 2a, die durch eine elektrische Entladungsmaschine (nicht dargestellt) mit Hilfe der Elektrode 4 ausgebildet worden ist.
• Wie in Fig. 3 dargestellt, besitzt die Antriebsvorrichtung 6 einen Dreh-Encoder 20, einen Tachogenerator 21 und einen Motor 19. Ausgangssignale des Encoders 20 und des Tachogenerators 21 werden an eine Motorsteuersektion 9 einer Steuereinheit 12 geliefert, und der Motor 19 wird mit Hilfe eines Steuersignals von der Motorsteuersektion 9 betrieben. Die Steuereinheit enthält eine Bearbeitungszustandssteuersektion 10 und eine Elektrolytflußsteuersektion 11.
• Das System besitzt eine Stromquelleneinrichtung 8, die eine Gleichspannungsquelle 22 und eine Ladungs/Entladungs-Sektion 23 aufweist. Die Ladungs/Entladungs-Sektion 23 erzeugt einen Impuls von einer Stromdichte (bedeutet im Besonderen "durchschnittliche Stromdichte") für eine von der Oberfläche der Aussparung 2a abhängige Impulsdauer als Antwort auf Signale von der Bearbeitungszustandssteuersektion 10.
• Das System besitzt außerdem eine Eingabeeinrichtung 13 zum Eingeben von Bearbeitungsbedingungen und eine Elektrolytfiltereinrichtung 14.
• Bezugnehmend auf Fig. 4 besitzt die Ladungs/Entladungs-Sektion 23 eine Entladungssektion 24 und eine Ladungssektion 25. Die Entladungssektion 24 enthält eine Vielzahl von Kondensatoren 26- 1 bis 26-n, die parallel zueinander geschaltet sind, Dioden 27-1 bis 27-n, um einen Umkehrstrom zur Stromquelle zu verhindern und Schalter 28-1 bis 28-n, um Impulse zu erzeugen. Die Ladungssektion 25 enthält einen Spannungsdetektor 29, um die auf die Kondensatoren 26-1 bis 26-n aufgebrachte Ladespannung aufzunehmen, einen Komparator 31 zum Vergleichen einer an einer Ladespannungseinstellungs-Einheit 30 in der Bearbeitungszustandssteuersektion 10 eingestellten Soll-Spannung mit der durch den Spannungsdetektor 29 aufgenommenen Ladespannung sowie einen auf ein Signal von einem Komparator 31 ansprechenden Ladungsschalter 32, um die Gleichspannungsquelle 22 an die Kondensatoren 26-1 bis 26-n zur Ladung jedes Kondensators auf einen Sollwert anzuschließen. Die Gleichspannungsquelle 22 enthält einen Transformator 33 und einen Gleichrichter 34.
• Die Bearbeitungszustandssteuersektion 10 enthält eine Wellenformerzeugungssektion 35 zum Bereitstellen von wellenförmigem Strom, der in einem Spalt 18 zwischen dem Werkstück 2 und der Elektrode 4 entladen wird, einen Impulsgenerator 36 zum Erzeugen von Impulsen, die jeweils eine vorbestimmte Impulsdauer haben, eine Gatterschaltung 37 zum Liefern eines Betriebssignals zu den Schaltern 28-1 bis 28-n als Antwort auf Signale von der Sektion 35 und dem Generator 36, und eine Ladespannungseinstellungssektion 30. Es ist eine Diode 38 vorgesehen, die die Schalter 28-1 bis 28-n vor einer Beschädigung durch einen Umkehrstrom bewahrt. Die Eingabeeinrichtung 13 ist vorgesehen, um verschiedene Bearbeitungsbedingungssignale, wie zum Beispiel das Werkstückmaterial, den Verlauf der Werkstoffoberfläche, die Bearbeitungstiefe, die Höhe der Abmessungsgenauigkeit, die Oberflächenrauheit und das Ausmaß des Spaltes 18 zwischen der Elektrode und dem Werkstück einzugeben. Die Signale werden an die Motorsteuersektion 9 und die Bearbeitungszustandssteuersektion 10 übermittelt.
• Wie Fig. 5 zeigt, enthält die Elektrolytfiltereinrichtung 14 einen Schmutzbehälter 42 zum Aufnehmen von Rückstandsprodukte beinhaltendem Elektrolyt, welcher aus dem Elektrolyttrog 15 entfernt wird, einem Zentrifugalabscheider 45, der durch einen Motor 54 angetrieben wird, um den durch eine Pumpe 43 von dem Schmutzbehälter 42 durch einen Filter 44 geförderten Elektrolyt abzuscheiden, einen Vorratsbehälter 46, in dem sauberer von dem Zentrifugalabscheider 45 kommender Elektrolyt gelagert wird, eine Pumpe 47 zum Fördern von Elektrolyt aus dem Vorratsbehälter 46 in den Elektrolyttrog 15 durch ein magnetisch betätigtes Ventil 50, Durchflußmeßventile 48 und 49 zum Einstellen des Druckes von in den Trog 15 geförderten Elektolyt und einen Druckminderer 51. Wie in Fig. 3 gezeigt, besitzt das Ventil 50 eine Düse 50a, die auf den Spalt 18 gerichtet ist. Ein Paar von Füllstandsschaltern 52 und 53 sind vorgesehen, um für den Elektrolyt eine obere und eine untere Grenze in dem Schmutzbehälter 42 herzustellen.
• Die Elektrolytflußsteuersektion 11 steuert die Durchflußmeßventile 48 und 49, um den Druck konstant zu halten und das magnetisch betätigte Ventil 50 als Antwort auf die Signale von der Bearbeitungszustandssteuersektion 10 zu steuern.
• Das Bearbeitungsverfahren des Werkstücks wird im folgenden beschrieben. Die Position des Werkstücks 2 wird eingestellt durch Bedienen von x-y Tischen (nicht dargestellt), um die Aussparung 2a mit einer Elektrodenoberfläche 4a auszurichten. Die Elektrode 4 wird durch die Antriebsvorrichtung 6 abgesenkt, um das Werkstück 2 zu berühren, und die Position der Elektrode wird als eine ursprüngliche Position A gespeichert. Danach wird die Elektrode angehoben, um einen vorbestimmten Ausgangsspalt vorzusehen. Elektrolyt 41 (Fig. 3) wird zu dem Trog 15 gefördert und die elektrolytische Bearbeitung wird gestartet. In einer ersten Periode wird ein Impuls, der eine Stromdichte zwischen 10A/cm² und 70A/cm² (z.B. 17A/cm²) und eine Impulsdauer, die kürzer als 10 Millisekunden (msec) ist, aufweist durch den Impulsgenerator 8 auf die Elektrode 4 aufgebracht. In Übereinstimmung mit Bearbeitungsbedingungen, wie z.B. die zu bearbeitende Oberfläche und Stromdichte, wird die Anzahl der Kondensatoren 26-1 bis 26-n ausgewählt. Durch den elektrolytischen Prozeß werden vorgesehene Bereiche auf der Oberfläche der Aussparung 2a erodiert, so daß die Höhe von jedem dieser Bereiche reduziert werden kann. Nachdem ein oder mehrere Impulse aufgebracht worden sind, wird die Elektrode 4 angehoben, um den Spalt 18 auszuweiten. Der Elektrolyt 41 in dem Trog 15 wird zusammen mit Rückstandsprodukten, wie z.B. Partikel aus abgetragenem Metall und Wasserdampf, in den Schmutzbehälter 42 entleert. Zur gleichen Zeit mit der Entleerung oder nach der Entleerung wird das magnetisch betätigte Ventil 50 geöffnet, um sauberen Elektrolyt aus dem Vorratsbehälter in den Spalt 18 einzuspritzen und dadurch die Rückstandsprodukte aus dem Spalt und dem Trog 15 zu entfernen. Nach dem Entleeren des Elektrolyten wird die Elektrode 4 abgesenkt, um die Aussparung 2a zu berühren, und die Position der Elektrode 4 wird gespeichert. Die gespeicherte Position wird mit der ursprünglichen Position A verglichen, so daß die Bearbeitungstiefe je Bearbeitungsgang (für jeden einzelnen oder weitere Impulse) gemessen wird. Danach wird die Elektrode 4 wieder angehoben, um den vorbestimmten Spalt zu bilden, und sauberer Elektrolyt wird durch die Pumpe 47 durch eine Leitung 47a und das Durchflußmeßventil 48 in den Trog 15 gefördert. Nun wird die oben beschriebene Bearbeitung in Übereinstimmung mit den Signalen von der Steuereinheit 21 wiederholt.
• Wenn der Unterschied zwischen der Summe der Bearbeitungstiefen und der Eingabetiefe einen vorbestimmten Wert in Bezug auf die Eingabetiefe annimmt, (z.B. 1 um), wird die kurze Impulsdauer (< 10 msec) auf eine lange Impulsdauer (zwischen 10 msec und 60 msec) durch das Signal von der Bearbeitungszustandssteuersektion 10 angehoben, und die Stromdichte wird ebenso auf einen Wert, der höher als 30A/cm² und kleiner als 70A/cm² ist, angehoben. Mit dem langen Impuls wird die gleiche elektrolytische Bearbeitung, wie die oben beschriebene Bearbeitung mit dem kurzen Impuls, ausgeführt.
• Durch Aufbringen eines kurzen Impulses mit einer geringeren Stromdichte werden Bereiche auf der Werkstückoberfläche entfernt, und die Oberfläche wird durch einen langen Impuls von hoher Stromdichte zu einer glänzenden Oberfläche vollendet. Jedenfalls kann der gleiche Effekt durch Anheben von nur der Stromdichte oder nur der Impulsdauer erreicht werden.
• Obwohl der Zeitpunkt des Impulswechsels in dem obigen Verfahren durch die Bearbeitungstiefe festgestellt wird, kann er ebenso durch Berechnen der angehäuften Ladungsmenge in Coulomb bis die Bearbeitung endet, fetgestellt werden.
• Fig. 6a zeigt eine bevorzugte Form der Stromdichte des Impulses. Durch Halten der Stromdichte in einem hinteren Bereich R auf einem höheren Wert als ein eingestellter Wert kann eine glänzende Oberfläche erhalten werden. Wie in Fig. 6b dargestellt, nimmt die gesamte Stromdichte ab, wenn die Stromdichte in dem Bereich R abnimmt, so daß im Ergebnis eine glänzende Oberfläche nicht erzeugt werden kann.
• Der Betrieb der Elektrolytfiltereinrichtung 14 wird im folgenden beschrieben. Der Füllstand des Elektrolyten in dem Schmutzbehälter 42 wird durch Füllstandsschalter 52 und 53 festgestellt, und das festgestellte Füllstandssignal wird der Elektrolytflußsteuersektion 11 zugeführt. Wenn sich der Füllstand zwischen den Schaltern befindet, erzeugt die Steuersektion 11 ein Signal, welches die Pumpe 43 betreibt, um den Elektrolyten durch den Filter 44 zu dem Zentrifugalabscheider 45 zu übertragen. Der Zentrifugalabscheider 45 wird durch den Motor 54 betrieben, um die Rückstandsprodukte von dem Elektrolyten zu trennen. Der saubere Elektrolyt wird in dem Vorratsbehälter 46 gelagert. Der Elektrolyt in dem Behälter 46 wird von dem Ventil 50 in den Trog 15 eingespritzt und, wie oben beschrieben, durch das Durchflußmeßventil 48 zu dem Tank gefördert. Der Druck des flüssigen Elektrolyts, der von dem Ventil 48 geliefert wird, wird wie unten beschrieben, konstant gehalten. Wenn der von dem Druckmesser 51 gemessene Druck geringer als ein eingestellter Wert der Elektrolytflußsteuersektion 11 ist, wird die Öffnungsstellung des Durchflußmeßventils 48 vergrößert, und gleichzeitig wird die Öffnungsstellung des Ventils 49 in der Rückleitung reduziert, wodurch der Druck angehoben wird. Wenn der gemessene Druck höher als ein eingestellter Wert ist, wird die Öffnungsstellung des Ventils 48 reduziert und die Öffnungsstellung des Ventils 49 wird vergrößert. Durch Halten des Druckes in dem zu dem Trog 15 gelieferten Elektrolyt werden die Bedingungen des Elektrolyten, z.B. die verstrichene Zeit, bis die Oberfläche des Elektrolyten glatt wird, konstant gehalten. Somit wird das Werkstück in hoher Qualität fertigbearbeitet. Wie oben beschrieben spritzt das magnetisch betätigte Ventil 50 den Elektrolyten in den Spalt 18, um die Rückstandsprodukte in dem Spalt zusammen mit dem Elektrolyten zu entfernen.
Beispiel 1
• Elektrode: Kupfer
• Grundwerkstoff: Werkzeugstahl (Oberflächenrauhigkeit von 20 um)
• Elektrolyt: Natriumnitrat (Konzentration von 40%)
• Impulsdauer in der ersten Periode: 3 msec
• Stromdichte in der ersten Periode: 40A/cm²
• Impulsdauer in darauf folgender Periode: 30 msec
• Stromdichte in darauf folgender Periode: 40A/cm²
• Fertige Oberflächenrauhigkeit: kleiner als 1 um
• Fertige Oberfläche: glänzende Oberfläche
Beispiel 2
• Elektrode: Kupfer
• Grundwerkstoff: Werkzeugstahl (Oberflächenrauhigkeit von 23 um)
• Elektrolyt: Natriumnitrat (Konzentration von 30%)
• Impulsdauer in der ersten Periode: 5 msec
• Stromdichte in der ersten Periode: 17A/cm²
• Impulsdauer in darauf folgender Periode: 10 msec
• Stromdichte in darauf folgender Periode: 50A/cm²
• Fertige Oberflächenrauhigkeit: kleiner als 3 um
• Fertige Oberfläche: glänzende Oberfläche
Beispiel 3
• Elektrode: Kupfer
• Grundwerkstoff: Werkzeugstahl (Oberflächenrauhigkeit von 20 um)
• Elektrolyt: Natriumnitrat (Konzentration von 40%)
• Impulsdauer in der ersten Periode: 5 msec
• Stromdichte in der ersten Periode: 17A/cm²
• Impulsdauer in darauf folgender Periode: 5 msec
• Stromdichte in darauf folgender Periode: 40A/cm²
• Fertige Oberflächenrauhigkeit: kleiner als 3 um
• Fertige Oberfläche: glänzende Oberfläche
• Obwohl die Impulsdauer in Ausführungsbeispielen einmal geändert wird, kann sie zweimal oder mehrmals geändert werden. Z.B. änderte sich in der ersten Periode die Impulsdauer von 3 msec auf 5 msec und in der darauf folgenden Periode änderte sich die Impulsdauer auf 3 Perioden von 20 msec, 40 msec und 60 msec. Ähnlich kann die Stromdichte in mehreren Schritten vorteilhaft geändert werden. Die vorliegende Erfindung kann für Fertigbearbeitungsarbeiten, die andere sind als die Metallbearbeitung, verwendet werden, wie z.B. das Bearbeiten von Siliziumeinkristallen, um Halbleiter herzustellen, und für das Bearbeiten von Galliumarsenid-Grundmaterial und anderen.
• Aus dem Vorherigen heraus ergibt sich, daß die elektrolytische Fertigbearbeitung in stationären Elektrolyten durch Impulse ausgeführt wird. Dementsprechend wird die Bearbeitung unter einheitlicher Konzentration von Elektrolyt und gleichbleibendem Zustand während der elektrolytischen Fertigbearbeitung ausgeführt, so daß maßgenaue Produkte, die eine hohe Qualität aufweisen, erhalten werden können. Da die Impulsdauer und/oder Stromdichte in einer späteren Periode des Prozesses gesteigert wird, kann die Oberfläche des Werkstückes zu einer glänzenden Oberfläche fertig bearbeitet werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Fertigbearbeiten eines Werkstücks (2), das eine dreidimensionale Oberfläche aufweist, mit den folgenden Schritten:

Positionieren einer Elektrode (4), um einen vorbestimmten Spalt zwischen der Elektrode (4) und der Oberfläche des Werkstücks (2) herzustellen;

Versorgen eines Elektrolyttrogs (15) mit Elektrolyt, um die Elektrode (4) und das Werkstück (2) einzutauchen;

Intermittierendes Zuführen von Impulsen an die Elektrode (4);

Intermittierendes Entfernen des Elektrolyts, der mit Rückstandsprodukten kontaminiert ist;

Reinigen des kontaminierten Elektrolyts;

neues Versorgen des Spaltes mit sauberem Elektrolyt, Regeln der Impulsdauer und Stromdichte der Impulse in einer Weise, daß mindestens ein Impuls in einer ersten Periode auf die Elektrode (4) aufgebracht wird, und, falls die Bearbeitungstiefe einen vorbestimmten Wert erreicht, Beginnen einer darauffolgenden Periode, in der zumindest ein Impuls aufgebracht wird, der eine längere Dauer als der Impuls in der ersten Periode und eine Stromdichte aufweist, die genauso hoch oder höher ist wie die des Impulses in der ersten Periode.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer und die Stromdichte in der ersten Periode zwischen 10A/cm² und 70A/cm² liegt und die Impulsdauer in der darauffolgenden Periode zwischen 10 msec und 60 msec liegt und die Stromdichte zwischen 30A/cm² und 70A/cm² liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungstiefe festgestellt wird durch Absenken der Elektrode (4) bis zum Berühren der Werkstückoberfläche und Feststellen des Unterschieds zwischen der Berührungsposition und einer vor dem Beginn der maschinellen Fertigbearbeitung gespeicherten Position und Vergleichen dieses Unterschieds mit dem vorbestimmten Wert.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungstiefe durch Detektieren der akkumulierten aufgebrachten Ladung fesstgestellt wird.