DE69610611T2

DE69610611T2 - Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten mittels bipolaren Stromimpulsen

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Publication number: DE69610611T2
Application number: DE69610611T
Authority: DE
Inventors: Igor L. Agafonov; Naila A. Amirchanova; Aleksandr L. Belogorskij; Nasich Z. Gimaev; Viktor N. Kucenko; Rafail R. Muchutdinov; Aleksandr N. Zajcev
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV; Philips Norden AB
Current assignee: Koninklijke Philips NV; Philips Norden AB
Priority date: 1995-07-18
Filing date: 1996-07-09
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2016-07-10
Also published as: AR002859A1; CN1082860C; PL184299B1; HUP9800265A3; WO1997003781A3; MX9701932A; EA000069B1; DE787056T1; EP0787056A2; EP0787056B1; HUP9800265A2; BR9606518A; EA199700042A1; WO1997003781A2; KR970706097A; JP4148993B2; CN1165493A; CZ81397A3; KR100407873B1; PL319277A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines elektrisch leitfähigen Werkstücks in einem Elektrolyten durch Anlegen bipolarer elektrischer Impulse zwischen dem Werkstück und einer elektrisch leitfähigen Elektrode, wobei einer oder mehrere Stromimpulse normaler Polarität mit Spannungsimpulsen der entgegengesetzten Polarität abwechseln.
Ein derartiges Verfahren ist aus der russischen Patentschrift SU 1440636 A1 bekannt und kann bei der Fertigung von Teilen mit einem komplizierten Profil oder beim Formen von Werkzeugen aus sehr starken und harten Stählen und Legierungen verwendet werden. Während der Stromimpulse von normaler Polarität ist das Werkstück relativ zur Elektrode positiv und das Metall des Werkstücks löst sich im Elektrolyten, während gleichzeitig auf der Oberfläche des Werkstücks Passivierungsschichten gebildet werden. Während der Spannungsimpulse von entgegengesetzter Polarität ist das Werkstück relativ zur Elektrode negativ und es tritt eine Entpassivierung der Oberfläche auf. Gleichzeitig wird der Elektrolyt in der Nähe des Werkstücks infolge der Bildung von Wasserstoff aus Wasser alkalisch. Der hohe pH-Wert bewirkt eine Reaktion, bei der die Passivierungsschicht aus dem Werkstück sich auflöst. Dem Spannungsimpuls entgegengesetzter Polarität folgt eine Pause mit einer Länge von ungefähr 0,5 bis 2 mal der Dauer des Spannungimpulses.
Ein Nachteil des bekannten Verfahrens liegt in der Tatsache, dass die optimalen Grenzen zum Ändern des Spannungswertes der Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität, um für hohe Produktivität, Präzision und Bearbeitungsqualität zu sorgen, nicht bekannt sind. Es tritt Elektrodenauflösung auf, was zu einer Änderung der Abmessungen und Form der Elektrode führt, wodurch sich die Präzision und Oberflächenqualität verschlechtern.
Das US-Patent 3.654.116 beschreibt ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung mit Hilfe bipolarer Impulse, bei dem Impulse von normaler Polarität mit Impulsen von entgegengesetzter Polarität abwechseln. Die Amplitude und/oder die Dauer und/oder die Lage der Impulse entgegengesetzter Polarität werden so gesteuert, dass die Wirkung dieser Impulse gerade ausreicht, um die Passivierung aufzuheben. Dieses bekannte Verfahren sagt jedoch nichts über die optimalen Grenzen, zwischen denen die Amplitude der Impulse entgegengesetzter Polarität liegen sollten.
EP 0.454.081 beschreibt ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung (ECM: electrochemical machining) eines Werkstücks bei Verwendung einer ECM- Vorrichtung, die eine gegenüber dem Werkstück über einer zuvor bestimmten Bearbeitungslücke liegende Werkstückelektrode enthält sowie eine Einrichtung zum Zuführen eines Impulsstroms zur Bearbeitungslücke über in der Bearbeitungslücke vorhandenen Elektrolyten. Das Verfahren enthält die Schritte der Bestimmung eines zuvor bestimmten Impulsstromes mit einer zuvor bestimmten Impulsbreite, Selektion einer Vielzahl von Teilimpulsströmen mit jeweils einer zuvor bestimmten Teilimpulsperiode, Berechnen einer Vielzahl von Ruheperioden, basiert auf den genannten Teilimpulsbreiten und Zuführen der Teilimpulsströme, wobei jede der Teilimpulsperioden durch zumindest eine Ruheperiode getrennt wird. Die ECM-Vorrichtung enthält eine Steuereinheit, die Werkzeugelektrode, einen Bearbeitungstank und Schaltungen, um der Bearbeitungslücke während einer Verweilzeit zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsströmen eine zuvor bestimmte Elektrolytmenge zuzuführen, um restliche Elektrolytprodukte aus der Bearbeitungslücke und der Werkzeugelektrode zu entfernen.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit verbesserter Genauigkeit, Produktivität und Bearbeitungsqualität des Werkstücks zu verschaffen. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens zu verschaffen. Hierzu ist das Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Spannungsimpulse zwischen zwei zuvor bestimmten Werten eingestellt wird, die aus dem Auftreten einer gegeben Oberflächenqualität des Werkstücks und dem Auftreten von Verschleiß der Elektrode abgeleitet worden sind, wobei eine solche Ableitung mit Hilfe zumindest eines Tests erfolgt, der dem Bearbeiten des Werkstücks vorangeht.
Mit Hilfe eines vorhergehenden Tests zum Bestimmen der optimalen Grenzen, zwischen denen die Amplitude liegen sollte, werden Auflösung der Elektrode und eine daraus folgende Verschlechterung der Bearbeitungsgenauigkeit verhindert und darüber hinaus wird eine hohe Bearbeitungseffizienz erhalten, die mit einer wohl definierten Oberflächenqualität einhergeht, beispielsweise in Form einer glänzenden Oberflächenvergütung.
Bei der Bearbeitung von Chromnickelstahl zeigt sich, dass unter diesen Betriebsbedingungen eine geringere Konzentration an sechswertigem toxischem Chrom in der Abfall-Elektrolytlösung zurückbleibt, so dass es einfacher ist, Umweltanforderungen zu erfüllen.
Die Grenzen, zwischen denen die Amplitude der Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität liegen darf, werden mit Hilfe einer Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Amplitude (Un) der Spannungsimpulse während des Tests allmählich von einem Anfangswert bis zu einem Endwert erhöht wird und dass die zwei zuvor bestimmten Werte bei einer Vorzeichenumkehr der Differenz zwischen aufeinander folgenden Werten eines Parameters bestimmt werden, der im Betrieb für eine Eigenschaft einer Lücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück repräsentativ ist.
Es hat sich gezeigt, dass das Auftreten einer Vorzeichenumkehr in der Differenz zwischen aufeinander folgenden Werten eines Parameters, der für eine Eigenschaft der Lücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück repräsentativ ist, ein charakteristisches Phänomen bei bestimmten Amplituden der Spannungsimpulse von entgegengesetzter Polarität ist. Die erste Vorzeichenumkehr tritt am Anfang eines Bereiches auf, in dem die Amplitude der Spannungsimpulse eine glänzende Oberfläche des Werkstücks erzeugt. Die zweite Vorzeichenumkehr markiert den Zeitpunkt, zu dem die Elektrode sich in dem Elektrolyten aufzulösen beginnt und die Bearbeitungsgenauigkeit beginnt, schlechter zu werden. Während des Tests wird die Amplitude der Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität erhöht und während jeder der beiden nachfolgenden Vorzeichenumkehrungen wird die entsprechende Amplitude gespeichert. Die beiden entsprechenden Amplituden bilden dann die beiden zuvor bestimmten Werte, zwischen denen der Bearbeitungsprozess fortgesetzt wird.
Wenn keine Impulse entgegengesetzter Polarität zugeführt werden, ist die Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück unmittelbar nach Beendigung eines Stromimpulses normaler Polarität nicht gleich null, sondern gleich einer Polarisationsspannung, die allmählich auf null abnimmt, wenn keine weiteren Stromimpulse zugeführt werden. Gemäß der Erfindung wird die Amplitude der Spannungsimpulse während des Tests von einem Anfangswert, der im Wesentlichen der Polarisationsspannung entspricht, auf einen Endwert erhöht, der nicht größer ist als die Spannung, bei der die Elektrode sich im Elektrolyten aufzulösen beginnt.
Eine erste Abwandlung des Verfahrens bezüglich des Parameters, der für eine Eigenschaft der Lücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück repräsentativ ist, kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Parameter die Amplitude eines globalen Minimums der während der Stromimpulse an der Lücke anliegenden Spannung ist, wobei das globale Minimum aus einer Schwingbewegung des Werkstücks und der Elektrode relativ zueinander herrührt. In diesem Fall ist der Parameter die Spannung an der Lücke. Außer einer kontinuierlichen Bewegung zwischen der Elektrode und dem Werkstück liegt auch eine Schwingbewegung vor. Die Elektrode führt beispielsweise eine sinusförmige Bewegung aus, und das Werkstück wird kontinuierlich in Richtung der schwingenden Elektrode bewegt. Die Stromimpulse normaler Polarität werden in einem Zeitintervall zugeführt, in dem die Elektrode dem Werkstück am nächsten liegt. Während der Stromimpulse hat die Spannung an der Lücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück eine Schwingungsform mit einem globalen Minimum. Der Spannungswert dieses globalen Minimums erweist sich als abhängig von der Amplitude der Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität. Während des Tests wird die Amplitude der Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität allmählich erhöht und die Differenz der Spannungswerte von aufeinander folgenden globalen Minima wird berechnet. Sobald eine Vorzeichenumkehr der Differenz auftritt, wird die entsprechende Amplitude der Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität bestimmt.
Während des Tests kann die Amplitude der Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität nach jedem Stromimpuls normaler Polarität um eine gegebene Schrittgröße erhöht werden. Bei einer verhältnismäßig kleinen Schrittgröße tritt eine messbare Änderung des Spannungswertes der aufeinander folgenden globalen Minima nur nach einer verhältnismäßig großen Zahl Stromimpulse auf. In diesem Fall muss eine Anzahl aufeinander folgender Spannungswerte der globalen Minima zusammengetragen und gemittelt werden, damit eine Vorzeichenumkehr mit genügender Genauigkeit detektiert werden kann. Im Allgemeinen wird eine Vorzeichenumkehr zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen messbar sein, wenn eine verhältnismäßig große Schrittgröße verwendet wird. Die optimale Schrittgröße hängt von der gewünschten Genauigkeit für die Grenzen der Amplitude der Spannungsimpulse ab.
Während des Tests wird eine zuvor bestimmte Lückengröße beibehalten. Hierzu ist eine weitere Variante des Verfahrens dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Lücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück so gesteuert wird, dass während der Stromimpulse ein lokales Maximum in der Spannung zwischen dem Werkstück und der Elektrode auftritt. Der Stromimpuls erwärmt den Elektrolyten. Wenn sich die Elektrode vom Werkstück weg bewegt, tritt Hohlraumbildung auf und der Elektrolyt beginnt zu kochen, was zu einer zusätzlichen Blasenbildung in der Lücke führt. Dies bewirkt eine vorübergehende Zunahme des Widerstandwertes des Elektrolyten, was sich als lokales Maximum im Spannungsverlauf zwischen der Elektrode und dem Werkstück während der Stromimpulse manifestiert.
Es ist auch möglich, alternative Eigenschaften der Lücke für den Parameter zu verwenden, der für eine Eigenschaft der Lücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück repräsentativ ist. Hierzu ist eine zweite Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter das Integral des während der Spannungsimpulse durch die Lücke fließenden Stroms ist.
In diesem Fall wird der momentane Strom gemessen, der während des Spannungsimpulses durch die Lücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück fließt. Das Integral dieses Stroms dient als Parameter für die Detektion einer Vorzeichenumkehr.
Eine dritte Abwandlung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter das Integral der während der Stromimpulse an der Lücke liegenden Spannung ist.
Bei diesem alternativen Verfahren wird die momentane Spannung gemessen, die während der Stromimpulse an der Lücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück auftritt. Das Integral dieser Spannung dient als Parameter für die Detektion einer Vorzeichenumkehr.
Die zwei zuletzt genannten alternativen Verfahren sind unter anderem geeignet, wenn kein globales Minimum in der Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück auftritt. Das Nichtvorhandensein eines solchen globalen Minimums kann durch die Tatsache verursacht worden sein, dass keine Schwingbewegung zwischen dem Werkstück und der Elektrode auftritt. Ein anderer Grund kann sein, dass eine Schwingbewegung erfolgt, aber dass jeder Stromimpuls in eine Gruppe aus kurzen Impulsen unterteilt ist, um übermäßige Hohlraumbildung und zu hohe Temperatur des Elektrolyten zu vermeiden. Das globale Minimum ist dann nicht oder kaum messbar.
Noch weitere Alternativen sind die Messung des Widerstandwertes an der Lücke, wobei in diesem Fall Vorzeichenumkehr im Widerstandwertverlauf detektiert werden, und die Messung der Größe der Lücke selbst, wobei Vorzeichenumkehr im Verlauf der Lückengröße detektiert wird. Im letztgenannten Fall kann ein günstiger Wert der Amplitude der Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität mit Hilfe einer weiteren Variante des Verfahrens bestimmt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass während des Tests hintereinander die Amplitude der Spannungsimpulse erhöht wird, die Größe der Lücke zwischen dem Werkstück und der Elektrode gemessen wird, die Differenz zwischen den gemessenen Werten für einen nachfolgenden und einen vorhergehende Wert der Lückengröße berechnet wird, die Amplitude der Spannungsimpulse beim Auftreten einer Vorzeichenumkehr in dieser Differenz bestimmt wird und anschließend die Bearbeitung mit der so bestimmten Amplitude fortgesetzt wird.
Es sei wiederum bemerkt, dass es bei den genannten alternativen Eigenschaften nicht mehr notwendig ist, zwischen der Elektrode und dem Werkstück eine Schwingbewegung auszuführen.
Außerdem sei bemerkt, dass die Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität kürzer sein können als die Pausen zwischen den Stromimpulsen normaler Polarität, um die gleiche Entpassivierungswirkung der zu behandelnden Oberfläche zu erreichen.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines elektrisch leitfähigen Werkstücks in einem Elektrolyten durch Anlegen bipolarer elektrischer Impulse zwischen dem Werkstück und einer elektrisch leitfähigen Elektrode, wobei einer oder mehrere Stromimpulse normaler Polarität mit Spannungsimpulsen der entgegengesetzten Polarität abwechseln. Zum Ausführen des Verfahrens, insbesondere des Tests, bei dem Vorzeichenumkehr in einem Parameter, der für eine Eigenschaft der Lücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück repräsentativ ist, detektiert wird, ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst:
- eine Elektrode;
- Mittel zum Platzieren der Elektrode und des Werkstücks auf Abstand voneinander, so dass eine Lücke dazwischen erhalten bleibt;
- Mittel zum Einbringen von Elektrolyt in die Lücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück;
- eine elektrisch an das Werkstück und die Elektrode anzuschließende Stromquelle, um dem Werkstück und der Elektrode die Stromimpulse zuzuführen;
- eine elektrisch an das Werkstück und die Elektrode anzuschließende Spannungsquelle mit regelbarer Ausgangsspannung;
- Mittel, um abwechselnd die Stromquelle und die Spannungsquelle mit dem Werkstück und der Elektrode zu verbinden;
- Mittel zum Generieren eines Steuersignals zum allmählichen Ändern der Ausgangsspannung der Spannungsquelle;
- Mittel zum Analysieren und Speichern der Spannungs- und/oder Stromschwingungsformen der Impulse zwischen dem Werkstück und der Elektrode;
- Mittel zum Detektieren einer Vorzeichenumkehr der Differenz zwischen aufeinander folgenden Werten eines aus der Spannungsschwingungsform oder der Stromschwingungsform der Impulse oder aus dem Widerstand an der Lücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück abgeleiteten Parameters;
- Mittel zum Speichern eines Momentanwertes des Steuersignals der Spannungsquelle bei Detektion der Vorzeichenumkehr.
Die Stromquelle liefert die für die elektrochemische Bearbeitung des Werkstücks notwendigen Stromimpulse. Eine ideale Stromquelle ist eine Quelle elektrischer Leistung mit einer sehr hohen Ausgangsimpedanz, die ungeachtet des Widerstandswertes der Last einen bestimmten Strom abgibt. In der Praxis ist jedoch die Ausgangsimpedanz begrenzt, aber der abgegebene Strom ist in hohem Maße unabhängig vom momentanen Widerstandswert zwischen der Elektrode und dem Werkstück. Der Verlauf der Spannung an der Lücke wird dann nahezu vollständig vom Widerstandswert über der Lücke festgelegt und nicht durch die Ausgangsimpedanz der Stromquelle selbst. Eine solche Stromquelle ermöglicht es, die genannte Messung einer Vorzeichenumkehr im globalen Minimum und einer Vorzeichenumkehr im Integral der Spannung an der Lücke auszuführen. Wenn jedoch der selektierte Parameter das Integral des Stroms während der Spannungsimpulse ist, ist es nicht notwendig, dass die Stromquelle eine hohe Ausgangsimpedanz hat. Die Schwingungsform der Spannung während der Stromimpulse normaler Polarität spielt nämlich bei der Messung des Stroms während Spannungsimpulsen von entgegengesetzter Polarität keine Rolle. Es folgt, dass unter bestimmten Umständen die Ausgangsimpedanz der Stromquelle so niedrig sein kann, dass die Stromquelle sich wie eine Spannungsquelle verhält.
Die Spannungsquelle liefert die für die Entpassivierung der Werkstückoberfläche notwendigen Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität. Eine ideale Spannungsquelle ist eine Quelle elektrischer Leistung mit einer sehr niedrigen Ausgangsimpedanz, die ungeachtet des Widerstandswertes der Last eine bestimmte Spannung abgibt. In der Praxis ist jedoch die Ausgangsimpedanz begrenzt, aber die abgegebene Spannung ist in hohem Maße unabhängig vom momentanen Widerstandswert zwischen der Elektrode und dem Werkstück. Der Verlauf des Stromes durch die Lücke wird dann nahezu vollständig vom Widerstandswert über der Lücke festgelegt und nicht durch die Ausgangsimpedanz der Spannungsquelle selbst. Insbesondere bei der Messung des Integrals des Stroms während der Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität ist es wünschenswert, eine Spannungsquelle mit niedriger Ausgangsimpedanz zu haben. Bei der Messung von Vorzeichenumkehr im globalen Minimum und Vorzeichenumkehr im Integral der Spannung an der Lücke während der Stromimpulse normaler Polarität spielt die Schwingungsform des Stroms während der Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität eine untergeordnete Rolle. Die Ausgangsimpedanz der Spannungsquelle kann dann so hoch sein, dass die Spannungsquelle sich wie eine Stromquelle verhält.
Die Ausgangsspannung der Spannungsquelle ist regelbar, um die allmähliche Veränderung der Amplitude der Spannungsimpulse beim Test zu ermöglichen. Die Stromquelle und die Spannungsquelle werden abwechselnd mit der Elektrode und dem Werkstück verbunden und erzeugen so eine bipolare Impulsfolge. Wenn die Elektrode und das Werkstück relativ zueinander eine Schwingbewegung ausführen, wird die Impulsfolge vorzugsweise so mit der Schwingung synchronisiert, dass die Mitte des Stromimpulses mit dem Punkt nächster Annäherung der Elektrode an das Werkstück zusammenfällt.
Der Verlauf des Stroms durch und/oder der Spannung an der Lücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück wird als Funktion der Zeit gemessen und in einem Speicher gespeichert. Der Strom und die Spannung werden vorzugsweise mit Hilfe eines Analog-Digital-Umsetzers gemessen, der mit einem Computer gekoppelt ist, in dem die Messdaten gespeichert werden. Durch Analysieren der Messdaten berechnet und detektiert der Computer eine Vorzeichenumkehr im Verlauf des gemessenen Parameters. Der Computer erzeugt auch ein Steuersignal zum Steuern der Ausgangsspannung der Spannungsquelle. Während des Tests wird die Ausgangsspannung der Spannungsquelle unter dem Kommando des Steuersignals aus dem Computer allmählich verändert. Sobald der Computer eine Vorzeichenumkehr detektiert, wird das zugehörige Steuersignal gespeichert. Bei Beendigung des Tests wird das Steuersignal auf Werte zwischen den bei der jeweiligen Vorzeichenumkehr gefundenen Werten eingestellt.
Es sei bemerkt, dass anstelle einer Strom- und/oder Spannungsanalyse eine Analyse der Lückengrößenänderung während des Tests mit geeigneten Positionssensoren und damit gekoppelten Analog-Digital-Umsetzern ausgeführt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 Schwingungsformen von Signalen, die bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens auftreten;
Fig. 3 den Verlauf des Zustandes des Elektrolyten zwischen der Elektrode und dem Werkstück bei der Ausführung der Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 4 eine Schwingungsform eines Signals, das bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens auftritt;
Fig. 5 eine Schwingungsform einer alternativen Stromimpulsfolge zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 6 ein elektrisches Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 7 die Beziehung zwischen Prozessparametern und der Amplitude der Spannungsimpulse von entgegengesetzter Polarität bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 8 Schwingungsformen der zwischen der Elektrode und dem Werkstück bei der Ausführung einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens auftretenden Spannung und
Fig. 9 einen Ablaufplan eines der Prozessschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks 2. Das Werkstück 2 wird von einem Tisch 4 getragen, der sich mit einer Vorschubgeschwindigkeit Vk zur Elektrode 6 bewegt, die mit Hilfe einer von einem Motor 10 angetriebenen Kurbelwelle eine Schwingbewegung relativ zum Werkstück 2 ausführt. Das Werkstück ist beispielsweise aus einem chromhaltigen Stahl hergestellt. Ein Elektrolyt, beispielsweise eine wässrige Lösung aus Nitraten von Alkalimetallen, fließt in der Lücke 5 zwischen dem Werkstück 2 und der Elektrode 6 und zirkuliert bei einem Druck P1 aus einem Reservoir 3. Das Werkstück 2, der Tisch 4 und die Elektrode 6 sind elektrisch leitend. Die Elektrode 6 und der Tisch 4 sind mit einer elektrischen Leistungsquelle 12 verbunden, die bipolare elektrische Impulse zur Elektrode 6 und dem Tisch 4 abgibt. Die elektrischen Impulse umfassen Stromimpulse normaler Polarität, für die der Tisch 4, und daher das Werkstück 2, relativ zur Elektrode 6 positiv ist, wobei diese Impulse mit Spannungsimpulsen entgegengesetzter Polarität abwechseln, für die das Werkstück 2 relativ zur Elektrode 6 negativ ist. Während der Stromimpulse normaler Polarität löst sich das Metall des Werkstücks 2 in dem Elektrolyten auf, während gleichzeitig auf der Oberfläche des Werkstücks 2 Passivierungsschichten gebildet werden. Während der Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität wird die Oberfläche entpassiviert. Gleichzeitig wird der Elektrolyt in der Nähe des Werkstücks 2 infolge der Bildung von Wasserstoff aus Wasser alkalisch. Der hohe pH-Wert bewirkt eine Reaktion, bei der sich die Passivierungsschicht auf dem Werkstück 2 auflöst.
Kurve I in Fig. 2 stellt die Veränderung der Größe S(t) der Lücke 5 zwischen der Elektrode 6 und dem Werkstück 2 dar. Kurven II und III in Fig. 2 zeigen den Verlauf der Spannung U an der Lücke 5 bzw. des Stroms I durch die Lücke 5. Stromimpulse normaler Polarität und Amplitude Ip werden in einem Zeitintervall ti zugeführt, angedeutet in Kurve IV von Fig. 2, in dem die Elektrode 6 am dichtesten beim Werkstück 2 liegt. Während dieser Stromimpulse hat die Spannung an der Lücke 5 ein globales Minimum, wie in Kurve II der Fig. 2 gezeigt wird. Die Stromimpulse wechseln in einem Zeitintervall tu mit Spannungsimpulsen entgegengesetzter Polarität und Amplitude Un ab, in Kurve V von Fig. 2 angedeutet.
Im Anfangsstadium der Annäherung der Elektrode 6 an das Werkstück 2 ist bei einer verhältnismäßig großen Lückengröße Smax, siehe Fig. 3, die Elektrolytströmung turbulent und der Elektrolyt enthält Dampf und Gasblasen. In diesem Stadium hat der Raum zwischen der Elektrode 6 und dem Werkstück 2 einen verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstandswert, was aus dem ersten Maximum in der Spannung U in Kurve II von Fig. 2 ersichtlich ist. Infolge der Annäherung der Elektrode 6 nimmt der Druck in dem Elektrolyten zu, wodurch sich die Dampf und Gasblasen auflösen, so dass der Elektrolyt in der Lücke homogen und uniform ist und mit einer kleinen Lückengröße eine hohe Stromdichte erreicht werden kann. Daher nimmt der elektrische Widerstand ab, was aus dem Auftreten eines globalen Minimum in der Spannung U in Kurve II von Fig. 2 ersichtlich ist. Infolge des zunehmenden Abstandes zwischen der Elektrode 6 und dem Werkstück 2 und der erneuten Bildung von Dampf und Gasblasen steigt der elektrische Widerstand wieder auf ein zweites Maximum an, wie in Kurve II von Fig. 2 gezeigt. Die Zuführung elektrischer Leistung kann so groß sein, dass der Elektrolyt heftig zu kochen beginnt, was zu zusätzlicher Blasenbildung in der Lücke führt. Die zusätzliche Blasenbildung in der Lücke bewirkt eine vorübergehende Zunahme des elektrischen Widerstandes des Elektrolyten, der sich als lokales Maximum im Verlauf der Spannung U zwischen der Elektrode und dem Werkstück während der Stromimpulse manifestiert. Fig. 4 zeigt mehr im Einzelnen den Verlauf der Spannung U mit dem lokalen Maximum U3max, das nach dem globalen Minimum Umin auftritt.
Es sei bemerkt, dass eine solche heftige Blasenbildung durch die Anwendung von Gruppen von Stromimpulsen normaler Polarität vermieden werden kann, wobei diese Gruppen mit Spannungsimpulsen von entgegengesetzter Polarität abwechseln. Eine solche bipolare Impulsfolge ist in Fig. 5 dargestellt. Auf diese Weise läuft der Prozess gleichmäßiger ab, was bei der gleichen minimalen Lückengröße zu einem genaueren Ergebnis führt.
Fig. 6 zeigt das elektrische Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Bearbeitungsvorrichtung, einschließlich einer erfindungsgemäß arbeitenden elektrischen Leistungsquelle 2. Die Leistungsquelle 12 umfasst eine Stromquelle 14, die einen Strom Ip liefert, dessen Größe über ein Steuersignal CSI variabel ist, und eine variable Spannungsquelle 16, die eine Ausgangsspannung Un abgibt, die über ein Steuersignal CSU variabel ist. Der negative Anschluss der Stromquelle 14 und der positive Anschluss der variablen Spannungsquelle 16 sind beide über einen optionalen Serienwiderstand 18 mit der Elektrode 6 verbunden. Der positive Anschluss der Stromquelle 14 ist über einen Schalter 20 mit dem Werkstück 2 verbunden. Der Schalter 20 wird zu den Zeitintervallen ti (siehe Fig. 2) unter der Steuerung eines Signals Si geschlossen, das von einer Synchronisiereinheit 22 abgegeben wird. Der negative Anschluss der variablen Spannungsquelle 16 ist mit dem Werkstück 2 über einen Schalter 24 verbunden. Der Schalter 24 wird zu den Zeitintervallen tu (siehe Fig. 2) unter der Steuerung eines Signals Su geschlossen, das ebenfalls von der Synchronisiereinheit 22 abgegeben wird, die auch für die Synchronisation des Motors 10 sorgt. Die analoge Spannung U zwischen der Elektrode 6 und dem Werkstück 2 wird an den Anschlüssen 32 und 34 mit einem Analog-Digital-Umsetzer 26 gemessen und in ein digitales Signal DU umgesetzt, das in einem Computer 28 gespeichert, analysiert und verarbeitet wird. Auf Wunsch kann der durch die Lücke fließende Strom I auch durch Messung des Spannungsabfalls über dem Serienwiderstand 18 bei Anschlüssen 36 und 38 mit Hilfe eines zweiten Analog-Digital-Umsetzers 30 gemessen werden, der den analogen Spannungsabfall in ein digitales Signal DI umsetzt, das vom Computer 28 in gleichartiger Weise wie das digitale Signal DU verarbeitet wird. Anstelle eines Serienwiderstandes 18 ist es auch möglich, einen Stromtransformator oder eine andere geeignete Schnittstelle zu verwenden. Der Analog-Digital-Umsetzer 30 kann entfallen, wenn zu geeigneten Zeitpunkten die Eingangsanschlüsse des Analog-Digital-Umsetzers 26 von Spannungsmessung an den Anschlüssen 32 und 34 auf Strommessung bei den Anschlüssen 36 und 38 umgeschaltet werden. Die Synchronisiereinheit 22, der Analog-Digital-Umsetzers 26 und 30 und der Computer 28 werden mit Taktimpulsen gespeist (in Fig. 6 nicht abgebildet), die dafür sorgen, dass die Datenerfassung und die Datenverarbeitung synchron zum Auftreten der bipolaren Stromimpulse und der Schwingung der Elektrode ablaufen. Die Position des Tisches 4 wird mit einem Positionssensor 40 überwacht, der ein Signal DS abgibt, das ein Maß für die Verschiebung des Tisches 4 ist. Der Computer 28 erzeugt das Steuersignal CSI für die Stromquelle 14 und das Steuersignal CSU für die regelbare Spannungsquelle 16 über geeignete Schnittstellen 42 und 44, die beispielsweise von Digital- Analog-Umsetzern gebildet werden können.
Durch Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit Vk des Tisches 4 wird die Lücke 5 so eingestellt, dass ein lokales Maximum U3max auftritt, wie in Fig. 4 gezeigt. Dieses lokale Maximum kann durch Analyse der Spannung U mit Hilfe des Analog- Digital-Umsetzers 26 und des Computers 28 oder mit Hilfe eines Oszilloskops bestimmt werden. Auf Wunsch kann jedoch ein beliebiger anderer Arbeitspunkt für die Größe der Lücke 5 gewählt werden, d. h. auch einer, für den in der Spannung U kein lokales Maximum U3max auftritt.
Experimente haben gezeigt, dass bei einer Änderung der Spannung Un der Spannungsimpulse von entgegengesetzter Polarität im Intervall zwischen der Polarisationsspannung Upol und der Spannung Un2, bei der die Elektrode 6 sich aufzulösen beginnt, wobei der Prozess unter den gegebenen Bedingungen ausgeführt wird, der Wert Umin (siehe Fig. 2, Kurve II) des globalen Minimums zuerst ein Minimum Umin = Up1 bei einer Amplitude Un = Un1 durchläuft und anschließend ansteigt und bei einer Amplitude Un = Un2 ein Maximum Umin = Up2 durchläuft. Dieser Fall wird in Fig. 7 veranschaulicht. Die Polarisationsspannung Upol ist die Spannung unmittelbar nach Beendigung eines Stromimpulses normaler Polarität zwischen der Elektrode 2 und dem Werkstück 6, wenn keine Impulse von entgegengesetzter Polarität zugeführt werden. Siehe Fig. 8, Kurve I. Die Polarisationsspannung Upol nimmt allmählich auf null ab, wenn keine weiteren Stromimpulse zugeführt werden. In einer ersten Zone, wo die Spannung Un zwischen Upol und Un0 liegt, befindet sich ein dunkler Oxidfilm auf der Oberfläche des Werkstücks 2. Die Spannung Un ist dann noch nicht ausreichend, diesen Oxidfilm zu entpassivieren. In einer zweiten Zone, wo die Spannung Un zwischen Un0 und Un1 liegt, beginnt das Anlegen der Spannungsimpulse von entgegengesetzter Polarität zu wirken und die Oberfläche des Werkstücks 2 wird allmählich heller. In der folgenden dritten Zone, wo die Spannung Un zwischen Un1 und Un2 liegt, kann die Vorschubgeschwindigkeit Vk des Werkstücks 2 erheblich ansteigen, weil der Auflöseprozess ohne die Oxidschicht wirksamer abläuft. Die Oberfläche des Werkstücks 2 hat dann einen hohen Glanz erhalten, wobei die mittlere Oberflächenrauheit Ra kleiner als 0,1 um ist. Für chromhaltige Stähle erwies sich der Chromgehalt der glänzenden Schicht als höher als im Fall eines unipolaren Prozesses. Außerdem ist die Konzentration toxischer sechswertiger Chromionen in der Abfall-Elektrolytlösung unter diesen Bedingungen geringer. Der Wert Un = Un1 führt zu einer Betriebsbedingung mit einer kleinen Lückengröße St und einem uniformen und blasenfreien Elektrolyten, was eine höhere Kopierpräzision bzw. eine hohe Auflösungsgeschwindigkeit des Werkstücks ergibt. Die Elektrode 6 beginnt sich beim Wert Un = Un2 aufzulösen, was unerwünscht ist, weil dies zu einer verringerten Bearbeitungsgenauigkeit führt.
Die Spannung Un der Spannungsimpulse von entgegengesetzter Polarität muss für eine optimale Wirkung innerhalb der Grenzen Un1 und Un2 gehalten werden. Gemäß der Erfindung werden diese Grenzen mit Hilfe eines Tests bestimmt, der einer weiteren Behandlung des Werkstücks 2 vorangeht. Hierzu wird die Spannung Un unter den gegebenen Betriebsbedingungen von einem Anfangswert gleich der Polarisationsspannung Un = Upol allmählich auf einen Endwert nicht größer als eine Spannung Un = Unmax erhöht, bei der die Elektrode sich aufzulösen beginnt. Zwischen zwei aufeinander folgenden Stromimpulsen wird die Spannung Un um einen Schritt ΔUn erhöht. Für jeden Stromimpuls wird die Spannung Umin gemessen und die Differenz mit Umin des vorhergehenden Stromimpulses wird berechnet. Wenn in dieser Differenz eine erste Vorzeichenumkehr auftritt, ergibt dies den Wert Un = Un1 der graphischen Darstellung in Fig. 7. Wenn nach einer Vielzahl von Impulsen eine zweite Vorzeichenumkehr in der Differenz auftritt, wird der Wert Un = Un2 erhalten. Im Fall einer verhältnismäßig kleinen Schrittgröße ΔUn tritt eine messbare Änderung des Spannungswertes Umin von aufeinander folgenden globalen Minima im Allgemeinen erst nach einer verhältnismäßig großen Zahl Stromimpulse auf. In diesem Fall muss eine Anzahl aufeinander folgende Spannungswerte der globalen Minima zusammengetragen und gemittelt werden, um die Detektion einer Vorzeichenumkehr mit genügender Genauigkeit zuzulassen. Dies kann durch geeignetes Programmieren des Computers 28 erreicht werden. Eine verhältnismäßig große Schrittgröße wird im Allgemeinen eine messbare Vorzeichenumkehr zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen ergeben. Die optimale Schrittgröße hängt von der gewünschten Genauigkeit für die Grenzen Un1 und Un2 der Amplitude Un der Spannungsimpulse ab.
Das Verfahren soll jetzt durch Beschreiben einer Anzahl zu durchlaufender Schritte erläutert werden.

Schritt 1: Selektieren der Betriebsbedingungen des Prozesses

Die gegebenen Betriebsbedingungen sind beispielsweise die, wie sie im Zusammenhang mit der in Fig. 4 gezeigten Signalschwingungsform beschrieben worden sind, d. h. eine Schwingbewegung zwischen der Elektrode 6 und dem Werkstück 2 und das Auftreten eines lokalen Maximums U3max in dem globalen Minimum der Spannung U an der Lücke 5. Es sind jedoch gleichermaßen Betriebsbedingungen mit anderen Lückengrößen und ohne Schwingbewegung möglich, wie z. B. eine konstante Vorschubgeschwindigkeit Vk des Werkstücks 2, die ungefähr gleich der Auflösungsgeschwindigkeit des Werkstücks 2 ist, so dass die Lückengröße nahezu konstant bleibt.

Schritt 2: Messen der Polarisationsspannung Upol

Während des Tests wird die Spannung Un vom Wert Un = Upol aus erhöht, wie in Kurve II von Fig. 8 gezeigt. Um eine Bestimmung der Größe der Polarisationsspannung Upol zu ermöglichen, wird vor dem Test eine Anzahl unipolarer Impulse angelegt, d. h. der Schalter 24 in Fig. 6 ist in den Zeitintervallen tu zwischen den Stromimpulsen von normaler Polarität in den Zeitintervallen ti nicht geschlossen. Die Spannung an der Lücke 5 verläuft dann wie in Kurve I von Fig. 8 dargestellt. Der Wert des Polarisationsspannung Upol wird gemessen und mit Hilfe des Analog-Digital-Umsetzers 26 und des Computers 28 gespeichert.

Schritt 3: Ausführen des Tests zur Bestimmung der Grenzen Un1 und Un2 der Spannung Un

Fig. 9 zeigt den Ablaufplan der vom Computer 28 in Reaktion auf die gemessenen Spannungen ausgeführten Testprozedur. Die Blöcke in Fig. 9 haben die folgenden Inschriften:
B0: Start
B1: Un = Upol
B2: Flag = TRUE
B3: Umin[0] = 0
B4: i = 1
B5: Un = Un + ΔUn
B6: Umin[i] messen
B7: ΔUmin = Umin[i-1] - Umin[i]
B8: i = i+ 1
B9: Flag = TRUE?
B10: ΔUmin < 0?
B11: Flag = FALSE
B12: ΔUmin 1 = Un
B13: ΔUmin > 0?
B14: Un2 = Un
B15: Ende
Ein Zähler i führt Buch über die laufende Nummer der Stromimpulse. Umin[i] ist der gemessene Wert Umin während des I-ten Stromimpulses.
In Block B1 wird der in Schritt 2 gemessene Anfangswert Upol der Variablen Un zugeordnet. Der Computer 28 liefert ein geeignetes Steuersignal CSU an die variable Spannungsquelle 16 über den Digital-Analog-Umsetzer 44, wodurch die Ausgangsspannung Un dieser Spannungsquelle gleich Upol wird. In Block B2 wird der Wert TRUE einer boolschen Variablen Flag zugeordnet. In Block B3 wird der Wert von Umin[0] auf 0 gesetzt. In Block B4 wird der Zähler auf 1 gesetzt. Nach dieser Initialisierung wird die Spannung Un in Block B5 erhöht, wobei der Computer 28 jedesmal ein entsprechendes Steuersignal CSU an die variable Spannungsquelle 16 abgibt. Während des nächsten Stromimpulses wird in Block B6 die Spannung Umin gemessen. Anschließend wird in Block B7 die Differenz zwischen der Umin des vorhergehenden Stromimpulses und des derzeitigen Stromimpulses berechnet. In Block B8 wird der Zähler für eine nachfolgende Messung um 1 erhöht. In Block B9 wird die Flag getestet. Der Flag ist in Block B2 der Wert TRUE gegeben worden. Somit wird Block B10 das erste Mal ausgeführt, um festzustellen, ob eine Vorzeichenumkehr in der in Block B7 berechneten Differenz auftritt oder, mit anderen Worten, ob die Differenz kleiner ist als 0. Wenn dies nicht der Fall ist, kehrt das Programm zu Block B5 zurück. Wenn die Differenz kleiner ist als 0, wird Block B11 ausgeführt, in dem die variable Flag auf FALSE gesetzt wird. In Block B12 wird der während der Vorzeichenumkehr vorherrschende momentane Wert von Un in einer Variablen Un1 gespeichert. Anschließend kehrt das Programm zu Block B5 zurück. Da der Flag nicht der Wert FALSE gegeben worden ist, wird nach dem Test in Block B9 Block B 13 ausgeführt. Block B13 prüft, ob in der in Block B7 berechneten Differenz eine entgegengesetzte Vorzeichenumkehr vorliegt oder, mit anderen Worten, ob die Differenz größer als 0 ist. Wenn dies nicht der Fall ist, kehrt das Programm zu Block B5 zurück. Wenn die Differenz größer ist als 0, wird Block B14 ausgeführt, in dem der während der zweiten Vorzeichenumkehr vorherrschende momentane Wert von Un in einer Variablen Un2 gespeichert wird. Danach wird in Block B15 der Test beendet. Dieser Prozess wird in Kurve II von Fig. 8 veranschaulicht, die die Spannung U für zwei aufeinander folgende Stromimpulse [i-1] und [i] zeigt.

Schritt 4: Unterbrechung des Betriebs

Nach dem Test kann der Betrieb unterbrochen werden, um die Wahl in Schritt S zu treffen.

Schritt 5: Selektieren der Betriebsspannung Un mit den so gefundenen Grenzen Un1 und Un2.

Die Spannung Un wird jetzt auf einen Wert zwischen den während des Tests gefundenen Werten Un1 und Un2 gesetzt. Die Werte Un1 und Un2 sind in dem Speicher des Computers 28 gespeichert worden. Mit geeigneter Software ist es jetzt möglich, die Steuerspannung CSU mittels des Digital-Analog-Umsetzers 42 auf einen Wert zu setzen, der dem selektierten Wert von Un innerhalb der Grenzen Un1 und Un2 entspricht.

Schritt 6: Fortsetzen des Bearbeitungsprozesses

Die Bearbeitung wird jetzt unter den gegebenen Bedingungen und mit der selektierten Spannung Un fortgeführt. Kurve III in Fig. 8 stellt den Verlauf der Spannung U während der bipolaren Impulse dar. Die Bearbeitung setzt sich fort, bis der Tisch 4 eine zuvor bestimmte Verschiebung erfahren hat. Diese Verschiebung wird mit dem Positionssensor 40 gemessen (siehe Fig. 6).

Schritt 7: Beenden des Bearbeitungsprozesses

Die Bearbeitung wird beendet, wenn die zuvor bestimmte Verschiebung des Tisches 4 erreicht ist. Danach wird das Pulsen beendet.
Wenn chromhaltiger Stahl in einem auf einer wässrigen Lösung von Nitraten von Alkalimetallen beruhenden Elektrolyten gemäß dem obigen Verfahren elektrochemischen bearbeitet wird, ergibt dies einen Effekt, bei dem der Spannungsimpuls von entgegengesetzter Polarität zu einer erzwungenen elektrischen Entladung der Polarisation in der Oberfläche des Werkstücks führt und infolge des Freisetzens von aktivem atomaren Wasserstoff hin zu der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche, zu einer Reduktion der Metalloxide in dem Oxidfilm auf dem Werkstück und der in der elektrischen Doppelschicht des Werkstücks liegenden Ionen (einschließlich Dichromat-Ionen Cr&sub2;O&sub7;²&supmin;).
Im Allgemeinen können bei Verwendung bipolarer Impulse die folgenden chemischen Reaktionen auf der zu bearbeitenden Chromstahloberfläche ablaufen:
Für Eisen:
Fe + H&sub2;O → Fe(OH) + e + H&spplus;
Fe(OH) → Fe(OH)+ + e
Fe(OH)&spplus; + NO&sub3;&submin; → Fe(OH)NO&sub3;
Für Chrom:
2Cr + 7H&sub2;O → Cr&sub2;O&sub7;²&supmin; + 14H&spplus; + 12e
2Cr + 3H&sub2;O → Cr&sub2;O&sub3; + 6H&spplus; + 6e
Cr&sub2;O&sub3; + 4H&sub2;O → Cr&sub2;O&sub7;²&supmin; + 8H&spplus; + 6e
Cr&sub2;O&sub3; + 3H&sub2;O → CrO&sub3; 6e + 6H&spplus;
Im Fall von Anodenpolarisation führt dies dazu, dass die folgenden Oxide auf der zu bearbeitenden Oberfläche gebildet werden:
FeO, Fe&sub2;O&sub3;, Cr&sub2;O&sub3;, CrO&sub3;.
Im Fall von Kathodenpolarisation läuft auf der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche die folgende Reaktion ab:
2H&sub2;O + 2e → 2H + 2OH&supmin;
Das aus Wasser erzeugte aktive Wasserstoffatom reduziert die Oberflächenoxide entsprechend den folgenden Reaktionen:
2H + FeO → Fe + H&sub2;O
2H + Fe&sub2;O&sub3; → 2FeO + H&sub2;O
Cr&sub2;O&sub3; + 2H → 2CrO + H&sub2;O
CrO + 2H → Cr + H&sub2;O
2CrO&sub3; + 6H → Cr&sub2;O&sub3; + 3H&sub2;O
und die Anionen (Cr&sub2;O&sub7;²&supmin;) gemäß:
Cr&sub2;O&sub7;²&supmin; + 8H → Cr&sub2;O&sub3; + 4H&sub2;O.
Die Wahl der Spannung der Impulse von entgegengesetzter Polarität beruht auf den folgenden Überlegungen. Die Amplitude des Spannungsimpulses von entgegengesetzter Polarität sollte nicht so groß sein, dass die Elektrode sich aufzulösen beginnt und die integrierende Ladungsmenge Qn sollte nicht zu einem kritischen Alkalisierungswert der Oberflächenschicht des Werkstücks führen, bei dem Passivierungsprozesse beginnen können. Die erforderliche Dauer tu eines Impulses von entgegengesetzter Polarität wird durch die Ladungsmenge Qn bestimmt, die notwendig ist, um Wasserstoff in einem Maße freizusetzen, das zur Entwicklung der Reduktionsreaktionen in der Oxidschicht ausreicht.
Wenn Gruppen von Stromimpulsen normaler Polarität verwendet werden, welche Gruppen mit Spannungsimpulsen von entgegengesetzter Polarität abwechseln, wie in Fig. 5 gezeigt, ist es im Allgemeinen nicht möglich, Umin zu messen, wenn der Test zur Bestimmung von Un1 und Un2 ausgeführt wird. Es ist auch möglich, anstelle von Umin das Integral Fp (siehe Fig. 7) der Spannung U an der Lücke während des Zeitintervalls ti als alternativen Parameter zu messen. Der Differenz aufeinander folgender Werte dieses Integrals Fp weist Vorzeichenumkehr einer Art auf, die der von Umin ähnlich ist. Es ist auch möglich, über Teilintervalle des Zeitintervalls ti zu integrieren. Die Messung des Integrals Fp ist besonders in elektrochemischen Bearbeitungsverfahren nützlich, in denen keine Schwingbewegung zwischen der Elektrode und dem Werkstück stattfindet, wie z. B. einem Bearbeitungsverfahren mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit Vk des Werkstücks 2, die ungefähr gleich der Auflösungsgeschwindigkeit des Werkstücks 2 ist, so dass die Lückengröße nahezu konstant bleibt.
Ein weiterer alternativer Parameter ist das Integral Qn (siehe Fig. 7) des Stroms I, der während der Zeitintervalle tu fließt, d. h. während der Spannungsimpulse entgegengesetzter Polarität. Dieser Strom I wird in Kurve III von Fig. 2 gezeigt. Das Integral Qn stellt die während der Spannungsimpulse von entgegengesetzter Polarität aufgenommene Ladungsmenge dar. Der Strom I wird mit Hilfe des Serienwiderstandes 18 und des Analog-Digital-Umsetzers 30 gemessen und in dem Computer 28 (siehe Fig. 6) integriert. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, weist das Integral Qn ein Maximum bei Un = Un1 und ein Minimum bei Un = Un2 auf, im Gegensatz zum Parameter Umin, der bei Un = Un1 ein Minimum hat und bei Un = Un2 ein Maximum. Das bedeutet, dass, wenn das Integral Qn als Parameter verwendet wird, die jeweilige Vorzeichenumkehr während des Tests entgegengesetzt gerichtet sein wird. Block B10 in dem Ablaufplan von Fig. 9 sollte dann feststellen, ob ΔQn größer ist als 0 und Block B13, ob ΔQn kleiner ist als 0. Die Messung des Integrals des Stroms, der während der Spannungsimpulse von entgegengesetzter Polarität fließt, ist wieder ein Parameter, der für elektrochemische Bearbeitungsverfahrens geeignet ist, bei denen keine Schwingbewegung zwischen der Elektrode und dem Werkstück ausgeführt wird.
Noch andere Parameter, die ein Maß für das Verhalten des Mediums in der Lücke und die chemischen Prozesse in der Elektrode und dem Werkstück sind, sind der Widerstandswert über der Lücke und die Lückengröße St (siehe Fig. 7). Die Widerstandswert kann durch Messen sowohl der Spannung U als auch des Stroms I während der Zeitintervalle ti der Stromimpulse gefunden werden. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, hat die Lückengröße St ein Minimum bei Un = Un1, ebenso wie Umin. Durch Messen der Lückengröße ist es möglich, eine Vorzeichenumkehr zu detektieren.
Das oben beschriebene Verfahren wurde mit einem Werkstück und einer Elektrode ausgeführt, die beide aus vergütetem Stahl bestanden. Die Oberfläche des Werkstücks betrug 0,3 cm²; der Elektrolyt war eine wässrige Lösung aus 8 Gewichtsprozent NaNO&sub3;; die Stromdichte der Stromimpulse von normaler Polarität betrug 80 A/cm²; die Dauer ti war 3 ms; der Elektrolytdruck betrug 0,7 · 10&sup5; Pa; die Temperatur des Elektrolyten war 20ºC; die Schwingungsfrequenz der Elektrode betrug 47 Hz; die Schwingungsamplitude war 0,2 mm; die Schwingungsform der Stromimpulse von normaler Polarität war rechteckig (siehe Fig. 2, Kurve III); und die Schwingungsform der Spannungsimpulse von entgegengesetzter Polarität war auch rechteckig (siehe Fig. 2, Kurve II).
Die Lückengröße St als Funktion der Zeit wurde so gesteuert, dass in der Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück ein lokales Maximum auftrat (siehe Fig. 4). Während des oben beschriebenen Tests wurde die Spannung Un der Impulse entgegengesetzter Polarität von einer Spannung gleich der Polarisationsspannung Upol = +2,3 V in die Spannung (-0,8 V) geändert, bei der die Elektrode sich aufzulösen begann. Der Wert Umin des globalen Minimums wurde als der Parameter zum Detektieren der jeweiligen Vorzeichenumkehr verwendet. Die Obergrenze Un1 ergab sich zu +0,05 V und die Untergrenze Un2 zu -0,6 V. Anschließend wurde die Bearbeitung fortgesetzt, wobei die Spannung Un innerhalb der gefundenen Grenzen gehalten wurde.
Als Alternative kann man die Elektrode 6 gegen das Werkstück 2 antippen lassen, woraufhin die Lückengröße eingestellt wird. Während der Bearbeitung wird die Lückengröße angepasst, um so eine nahezu konstante mittlere Vorschubgeschwindigkeit Vk zu erhalten, die nahezu gleich der Auflösungsgeschwindigkeit des Werkstücks 2 ist.
Es ist ein Verfahren offenbart worden zur elektrochemischen Bearbeitung eines elektrisch leitenden Werkstücks in einem Elektrolyten durch Anlegen bipolarer elektrischer Impulse zwischen dem Werkstück und einer elektrisch leitenden Elektrode, wobei einer oder mehrere Stromimpulse von normaler Polarität mit Spannungsimpulsen von entgegengesetzter Polarität abwechseln. Die Amplitude der Spannungsimpulse wird zwischen zwei zuvor bestimmten Werten eingestellt, die aus dem Auftreten einer bestimmten Oberflächenqualität des Werkstücks und dem Auftreten von Elektrodenverschleiß abgeleitet werden. Die Ableitung erfolgt mit zumindest einem Test, der der Bearbeitung des Werkstücks vorangeht. Während des Tests wird die Amplitude der Spannungsimpulse allmählich von einem Anfangswert bis auf einen Endwert erhöht. Die beiden zuvor bestimmten Werte werden beim Auftreten einer Vorzeichenumkehr in der Differenz zwischen aufeinander folgenden Werten eines Parameters bestimmt, der für eine Eigenschaft einer Lücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück repräsentativ ist. Der Parameter kann die Amplitude eines globalen Minimums in der Spannung an der Lücke während der Stromimpulse sein, welches globale Minimum sich aus einer Schwingbewegung des Werkstücks und der Elektrode relativ zueinander ergibt. Der Parameter kann auch das Integral des während der Spannungsimpulse durch die Lücke fließenden Stroms sein oder das Integral der Spannung an der Lücke während der Stromimpulse oder der Widerstandswert über der Lücke oder die Größe der Lücke.

Claims

1. Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines elektrisch leitfähigen Werkstücks (2) in einem Elektrolyten durch Anlegen bipolarer elektrischer Impulse zwischen dem Werkstück (2) und einer elektrisch leitfähigen Elektrode (6), wobei einer oder mehrere Stromimpulse normaler Polarität mit Spannungsimpulsen der entgegengesetzten Polarität abwechseln, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (Un) der Spannungsimpulse zwischen zwei zuvor bestimmten Werten (Un1, Un2) eingestellt wird, die aus dem Auftreten einer gegeben Oberflächenqualität des Werkstücks (2) und dem Auftreten von Verschleiß der Elektrode (6) abgeleitet worden sind, wobei eine solche Ableitung mit Hilfe zumindest eines Tests erfolgt, der dem Bearbeiten des Werkstücks (2) vorangeht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (Un) der Spannungsimpulse während des Tests allmählich von einem Anfangswert bis zu einem Endwert erhöht wird und dass die zwei zuvor bestimmten Werte bei einer Vorzeichenumkehr der Differenz zwischen aufeinander folgenden Werten eines Parameters bestimmt werden, der im Betrieb für eine Eigenschaft einer Lücke (5) zwischen der Elektrode (6) und dem Werkstück (2) repräsentativ ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangswert der Amplitude (Un) nach Beendigung der Stromimpulse nahezu der Polarisationsspannung (Upol) zwischen dem Werkstück (2) und der Elektrode (6) entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Endwert der Amplitude (Un) nicht größer ist als die Amplitude (Unmax), bei der die Elektrode sich im Elektrolyten aufzulösen beginnt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter die Amplitude (Umin) eines globalen Minimums der während der Stromimpulse an der Lücke (5) anliegenden Spannung ist, wobei das globale Minimum aus einer Schwingbewegung des Werkstücks (2) und der Elektrode (6) relativ zueinander herrührt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter das Integral (Qn) des während der Spannungsimpulse durch die Lücke (5) fließenden Stroms ist.

7. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter das Integral (Fp) der während der Stromimpulse an der Lücke (5) liegenden Spannung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter der Widerstand der Lücke (5) ist.

9. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter die Größe (St) der Lücke (5) ist.

10. Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste der zwei zuvor bestimmten Werte bei einer ersten Vorzeichenumkehr von minus nach plus bestimmt wird und der zweite der zwei zuvor bestimmten Werte bei einer nachfolgenden zweiten Vorzeichenumkehr von plus nach minus.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste der zwei zuvor bestimmten Werte der Wert ist, der bei einer ersten Vorzeichenumkehr von plus nach minus auftritt, und der zweite der zwei zuvor bestimmten Werte der Wert ist, der bei einer nachfolgenden zweiten Vorzeichenumkehr von minus nach plus auftritt.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass während des Tests hintereinander die Amplitude (Un) der Spannungsimpulse erhöht wird, die Größe (St) der Lücke zwischen dem Werkstück (2) und der Elektrode (6) gemessen wird, die Differenz zwischen den gemessenen Werten für einen nachfolgenden und einen vorhergehende Wert der Lückengröße berechnet wird, die Amplitude (Un) der Spannungsimpulse beim Auftreten einer Vorzeichenumkehr dieser Differenz bestimmt wird und anschließend die Bearbeitung mit der so bestimmten Amplitude fortgesetzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Lücke zwischen der Elektrode (6) und dem Werkstück (2) so gesteuert wird, dass während der Stromimpulse ein lokales Maximum (U3max) in der Spannung zwischen dem Werkstück (2) und der Elektrode (6) auftritt.

14. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingbewegung mit dem Auftreten der Stromimpulse synchronisiert wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) aus einem Chrom enthaltenden Stahl hergestellt wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt eine wässrige Lösung aus Nitraten von Alkalimetallen ist.

17. Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines elektrisch leitfähigen Werkstücks (2) in einem Elektrolyten durch Anlegen bipolarer elektrischer Impulse zwischen dem Werkstück (2) und einer elektrisch leitfähigen Elektrode (6), wobei einer oder mehrere Stromimpulse normaler Polarität mit Spannungsimpulsen der entgegengesetzten Polarität abwechseln, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst:

- eine Elektrode (6);

- Mittel (4, 40) zum Platzieren der Elektrode (6) und des Werkstücks (2) auf Abstand voneinander, so dass eine Lücke (5) dazwischen erhalten bleibt;

- Mittel (3) zum Einbringen von Elektrolyt in die Lücke (5) zwischen der Elektrode (6) und dem Werkstück (2);

- eine elektrisch an das Werkstück (2) und die Elektrode (6) anzuschließende Stromquelle (14), um dem Werkstück (2) und der Elektrode (6) die Stromimpulse zuzuführen;

- eine elektrisch an das Werkstück (2) und die Elektrode (6) anzuschließende Spannungsquelle (16) mit regelbarer Ausgangsspannung;

- Mittel (20, 24), um abwechselnd die Stromquelle (14) und die Spannungsquelle (16) mit dem Werkstück (2) und der Elektrode (6) zu verbinden;

- Mittel (44, 28) zum Generieren eines Steuersignals (CSU) zum allmählichen Ändern der Ausgangsspannung der Spannungsquelle (16);

- Mittel (26, 28, 30) zum Analysieren und Speichern der Spannungs- und/oder Stromschwingungsformen der Impulse zwischen dem Werkstück (2) und der Elektrode (6);

- Mittel (28) zum Detektieren einer Vorzeichenumkehr der Differenz zwischen aufeinander folgenden Werten eines aus der Spannungsschwingungsform oder der Stromschwingungsform der Impulse oder aus dem Widerstand an der Lücke (5) zwischen der Elektrode (6) und dem Werkstück (2) abgeleiteten Parameters;

- Mittel (28) zum Speichern eines Momentanwertes des Steuersignals der Spannungsquelle (16) bei Detektion der Vorzeichenumkehr.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Analysieren und Speichern einen Analog-Digital-Umsetzer (26, 30) zum Digitalisieren der Spannungsschwingungsform oder der Stromschwingungsform der Impulse umfasst.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel (8, 10) zum Erzeugen einer Schwingbewegung zwischen der Elektrode (6) und dem Werkstück (2) umfasst sowie Mittel (22) zum Synchronisieren der Mittel (20, 24) zum abwechselnden Anschließen der Stromquelle (14) und der Spannungsquelle (16) mit der Schwingbewegung.

20. Elektrische Stromversorgung zur Verwendung in einem Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines elektrisch leitfähigen Werkstücks (2) in einem Elektrolyten durch Anlegen bipolarer elektrischer Impulse zwischen dem Werkstück (2) und einer elektrisch leitfähigen Elektrode (6), wobei einer oder mehrere Stromimpulse normaler Polarität mit Spannungsimpulsen der entgegengesetzten Polarität abwechseln, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Stromversorgung umfasst:

- Mittel (28) zum Detektieren einer Vorzeichenumkehr der Differenz zwischen aufeinander folgenden Werten eines aus der Spannungsschwingungsform oder der Stromschwingungsform der Impulse oder aus dem Widerstand an einer Lücke (5) zwischen der Elektrode (6) und dem Werkstück (2) abgeleiteten Parameters;