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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum elektrochemischen spanabhebenden Bearbeiten.
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Durch elektrochemisches spanabhebendes Bearbeiten
können
komplizierte Formen gebildet werden. Bei einem herkömmlichen
elektrochemischen spanabhebenden Bearbeitungsverfahren, werden eine
geformte Elektrode und ein Werkstück in einem Elektrolytbad positioniert.
Der Elektrolyt wird kontinuierlich nachgefüllt, und ein Potential wird über einem
Zwischenraum zwischen der Elektrode und dem Werkstück angelegt.
Die Elektrode wird dann zum Werkstück geführt. Material wird elektrochemisch
von der Oberfläche
des Werkstücks
gemäß des Faraday-Gesetzes
gelöst,
so dass die Oberfläche
des Werkstücks
in Proportion zur lokalen Stromdichte erodiert. Die Teile des Werkstücks, die
der Elektrode am nächsten
sind, erodieren am schnellsten, so dass das Werkstück, wenn
die Elektrode zu ihm hingeführt
wird, allmählich
eine Oberflächengestalt
annimmt, die von der Form der Elektrode (sowie auch anderen Faktoren,
wie Zuführgeschwindigkeit, Potential
und Gesamtstromdichte) abhängig
ist.
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Andererseits wird manchmal chemisches Nassätzen verwendet,
wenn ein einheitliches Erodieren des Oberflächenmaterials erwünscht ist,
z. B. zum Verdünnern
der Wanddicke von Wabenstrukturen. Durch dieses Verfahren ist die
entfernte Materialmenge über
sämtliche
ausgesetzten Oberflächen der
Wabenstruktur gleich.
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Wabenstrukturen kommen in zahlreichen technischen
Anwendungen zum Einsatz, bei denen eine Kombination aus Leichtigkeit
und Stärke
erforderlich ist, z. B. als Kernmaterial für Strukturplatten von Fahrzeugen.
Typischerweise weisen solche Strukturen Zellen mit einem sechseckigen
Querschnitt auf, die in einer Sechseck-Anordnung angebracht sind. Andere Querschnittsformen
wie kreisförmig,
quadratisch oder dreieckig sind aber ebenso möglich; und es können auch
andere Anordnungen der Zellen, wie z. B. eine quadratische Anordnung, verwendet
werden.
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Aluminiumwabenplatten finden als
Aufprallenergieabsorber in Fahrzeugaufprall-Versuchsvorrichtungen Verwendung. Wenn
ein Fahrzeug auf eine solche Platte aufprallt, wird die kinetische
Energie des Fahrzeugs durch kontrolliertes Zerbrechen und Verformen
der Wabenzellen absorbiert. Die Energie wird beinahe gänzlich plastisch,
mit geringem elastischem Rückprall,
absorbiert, so dass das Verformungsausmaß ein genaues Maß für die Energie
des Aufpralls ist.
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Der Verformungswiderstand ist klarerweise vom
der Wanddicke der Waben abhängig,
und er kann bei einer Wabenplatte durch Nassätzen verringert werden. Dies
kann z. B. dann durchgeführt
werden, wenn es notwendig ist, die Energieabsorptionseigenschaften
einer solchen Platte durch die Plattendicke zu variieren. Zwei oder
mehrere Waben mit unterschiedlichen Wanddicken werden miteinander
verbunden, um eine vielschichtige Platte auszubilden, wobei jede
Schicht Zellwände
mit unterschiedlicher Dicke aufweist.
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Die Grenzflächen zwischen angrenzenden Schichten
bilden jedoch Unterbrechungen, die die ansonsten kontrollierte Verformung
der Platte durch Aufprall stören.
Dies verringert die Genauigkeit, mit der das Ausmaß an Energieabsorption
gemessen werden kann.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit
der Verwendung von elektrochemischer Bearbeitung oder elektrochemischem Ätzen, um
einer Zelle mit Wabenstruktur einen Querschnitt zu verleihen, der
in senkrechter Richtung zu diesem Querschnitt, d. h. entlang der
Achse der Zelle, größenmäßig variiert.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein elektrochemisches spanabhebendes Bearbeitungsverfahren bereit,
um einer Zelle mit Wabenstruktur eine dreidimensionale Profilgestalt
mit variierendem Querschnitt senkrecht zur Achse der Zelle zu verleihen,
wobei bei diesem Verfahren eine Elektrode in einer konstanten Position
relativ zur Achse gehalten wird und die Oberfläche der Zelle in axialer Richtung der
Wirkung der Elektrode unterschiedlich ausgesetzt wird, um die Menge
an entferntem Material zu variieren und somit den Querschnitt zu
variieren.
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Ein Vorteil dieses Verfahrens gegenüber herkömmlichem
elektrochemischem spanabhebendem Bearbeiten liegt darin, dass die
unterschiedliche Materialerosion auch ohne ein Hinführen der
Elektrode zur Erosionsoberfläche
bewirkt werden kann, obwohl das Erosionsausmaß mit zunehmendem Zwischenraum
zwischen der Elektrode und der Erosionsoberfläche abnehmen wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann die
Elektrode, um die erforderliche Variation zu erreichen, stationär gehalten
werden und Abschirmungsmittel können
die Oberfläche
der Zelle selektiv von der Wirkung der Elektrode abschirmen.
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In einer anderen Ausführungsform
der Erfindung kann die Elektrode entlang der Achse relativ zum Werkstück bewegt
werden, um die erforderliche Variation zu erhalten.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann die erforderliche Variation erzielt werden, indem
die Elektrode so geformt wird, dass sie einen Zwischenraum zwischen
der Elektrode und der Zelloberfläche
bereitstellt, wobei der Zwischenraum senkrecht zur Achse eine variierende
Dicke aufweist.
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Die vorliegende Erfindung findet
insbesondere bei der Herstellung von Wabenplatten (z. B. aus Aluminium
oder Aluminiunlegierung) Anwendung, bei denen die Wabenzellwanddicken
in axialer Richtung der Zellen variieren.
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Um eine Wabenzelle oder -hohlraum
spanabhebend zu bearbeiten, ist die Elektrode vorzugsweise länglich sowie
parallel zur Achse des Hohlraums ausgerichtet und weist eine Querschnittsform auf,
die der Querschnittsform des Hohlraums entspricht. Die Erosionsrate
kann dann so gesteuert werden, dass sie um den Umfang des Hohlraums, selbst
bei zylindrischen Hohlräumen
mit nicht kreisförmigem
Querschnitt wie z. B. sechseckige Wabenzellen, gleich schnell auftritt.
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Die Zellwanddicke der Wabe kann für alle oder
nur manche Zellen variieren, so dass die Energieabsorptionseigenschaft
der Wabe über
die Dicke der Wabe progressiv und festgesetzt variiert. Ein Vorteil
gegenüber
herkömmlichen
Platten, die aus Wabenschichten aufgebaut sind, ist es, dass es
möglich ist,
das Ausbilden von Unterbrechungen zu verhindern, die die Energieabsorptionseigenschaften
der Wand beeinträchtigen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eignet sich besonders zum spanabhebenden
Bearbeiten der Wände
von Wabenzellen, bei denen die Zellen unregelmäßig geformt und beabstandet
sind. Unregelmäßig geformte
und beabstandete Zellen entstehen aufgrund der Art des Adhäsionsbonding-Prozesses,
der z. B. zur Herstellung von Aluminiumwaben eingesetzt werden.
Unregelmäßig geformte
und beabstandete Zellen erschweren (a) das Zentrieren der Elektrode
in einer bestimmten Zelle, und (b) das Sicherstellen, dass die Erosion
um den Umfang der Zelle einheitlich erfolgt.
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Das bevorzugte Verfahren schließt daher das
Einführen
eines oder mehrerer Verkeilungsfinger in jeweilige benachbarte Zellen
ein, wobei die Verkeilungsfinger von der Elektrode beabstandet sind
und mit den Wänden
ihrer jeweiligen Zellen in Eingriff stehen, so dass auf die Wabenstruktur
lokal eingewirkt wird, regelmäßig zu werden,
und die Elektrode auf der Achse ihrer Zelle gehalten wird.
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Die Haltefinger sind vorzugsweise
verjüngt, um
ihr Einsetzen in ihre jeweiligen Zellen zu erleichtern.
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Die vorliegende Erfindung umfasst
zudem eine Vorrichtung zur elektrochemischen spanabhebenden Bearbeitung
einer Wabenstruktur, die zumindest eine längliche Elektrode und einen
oder mehrere Verkeilungsfinger aufweist, die von der Elektrode beabstandet
sind. Wenn die Wabe sechseckige Zellen besitzt, ist die oder jede
Elektrode vorzugsweise von sechs Verkeilungsfingern umgeben, die
die Ecken eines regelmäßigen Sechsecks
bilden, dessen Mittelpunkt auf der Elektrode liegt.
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Die Vorrichtung umfasst des Weiteren
vorzugsweise Mittel zum Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen
der Elektrode und der Wabenstruktur, und Mittel zum Zuführen eines
Elektrolytstroms zum Zwischenraum zwischen der Elektrode und der Oberfläche einer
Wabenzelle. Die Vorrichtung besitzt zusätzlich (a) Mittel, um entlang
der Achse der Zelle eine Relativbewegung zwischen der Elektrode
und der Zelle zu erzeugen und/oder (b) Mittel, um die Oberfläche der
Zelle selektiv von der Elektrode abzuschirmen. Die Mittel zum selektiven
Abschirmen der Oberfläche
der Zelle können
eine Isolationshülle
zum Belegen eines entsprechenden Zwischenraums zwischen der Elektrode
und der Oberfläche
der Zelle sowie Mittel umfassen, um entlang der Achse eine Relativbewegung
der Hülle
und der Wabenstruktur zu erzeugen.
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Die vorliegende Erfindung schließt weiters eine
Wabenstruktur ein, die durch das Verfahren der Erfindung elektrochemisch
spanabhebend bearbeitet worden ist, so dass die Wände mancher
oder aller Zellen in der axialen Richtung der Zellen in der Dicke variieren.
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Die vorliegende Erfindung wird nun
in Bezug auf spezifische Ausführungsformen
und mit Verweis auf die begleitenden Abbildungen beschrieben werden,
worin:
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1 einen
schematischen Längsquerschnitt
durch ein Werkstück
und Elektrodenwerkzeug zeigt;
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2 einen
schematischen Längsquerschnitt
durch das Werkstück
und Werkzeug aus 1 zeigt,
nachdem das Werkzeug durch das Werkstück verschoben worden ist;
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3 einen
schematischen Längsquerschnitt
durch ein Werkstück
und eine zweite Ausführungsform
des Werkzeugs zeigt;
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4 einen
schematischen Längsquerschnitt
durch ein Werkstück
und eine dritte Ausführungsform
des Werkzeugs zeigt; und
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5 eine
schematisch dargestellte Wabenplatte zeigt.
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1 zeigt
einen schematischen Längsquerschnitt
durch ein Wabenstruktur-Werkstück 1, das
einen zylindrischen Zellhohlraum 2 aufweist. Eine zylindrische
Elektrode 3, die doppelt so lang wie der Hohlraum 2 ist,
ist mit Mitteln 5 zum Verschieben der Elektrode verbunden
und mit einem Zwischenraum zwischen der Elektrode und dem Hohlraum
auf der Achse des Hohlraums 2 angeordnet. Das Verschiebemittel
versorgt zudem die Elektrode 3 mit Strom. Eine Isolationshülle 4 umgibt
die obere Hälfte der
Elektrode 3, so dass der Hohlraum 2 in der Elektroden-Startposition
von der Elektrode 3 abgeschirmt ist. Das Verschiebemittel 5 führt weiters
einen Elektrolytstrom zur Elektrode zu. Der Elektrolyt strömt entlang
eines Durchlasses in der Mitte der Elektrode, um durch Löcher (nicht
dargestellt) auf das Äußere der
Elektrode zu gelangen.
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Die Elektrode 3 wird durch
das Anlegen eines Potentials zwischen dem Werkstück 1 und der Elektrode
aktiviert, und der Elektrolytstrom durch die Elektrode wird gestartet.
Die Elektrode wird mit einer konstanten Geschwindigkeit dann durch
den Hohlraum 2 gezogen, bis der Mittelpunkt der Elektrode
(d. h. wo sie aus der Isolationshülle 4 heraustritt)
von einem Ende des Hohlraums zum anderen bewegt worden ist. 2 zeigt den Mittelpunkt
der Elektrode, wie er das andere Ende des Hohlraums erreicht hat. Nun
wird die Elektrode deaktiviert. Während die Elektrode durch den
Hohlraum 2 dringt, strömt
Elektrolyt aus der Elektrode heraus, um kontinuierlich den Elektrolyten
im Bereich zwischen der Elektrode und den Wänden des Hohlraums zu ersetzen.
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Jede beliebige Stelle auf der Wand
der Hohlraums 2 liegt für
einen gewissen Zeitraum, der proportional zur axialen Distanz dieser
Stelle zum ersten Ende des Hohlraums ist, der aktivierten Elektrode
gegenüber.
Aus diesem Grund wird ein Erosionsausmaß erzeugt, das von einem Ende
des Hohlraums zum anderen proportional variiert.
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Eine Variation dieser Ausführungsform schließt das Haltender
Elektrode 3 in einer fixen Position relativ zum Werkstück sowie
das Verschieben der Isolationshülle 4 (mittels
einem geeigneten Verschiebemittel 5) von einem Ende der
Elektrode zum anderen ein. Dadurch kann genau dasselbe Erosionsprofil
im Hohlraum erzeugt werden.
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In einer zweiten Ausführungsform,
die in 3 dargestellt
ist, wird die aktivierte Elektrode 13 im zylindrischen
Hohlraum 12 des Werkstücks 11 in einer
fixen Mittelposition gehalten. Zuführmittel 15 versorgen
die Elektrode 13 mit elektrischem Strom und führen Elektrolyt
zu, der wiederum durch einen Durchlass in der Mitte der Elektrode
strömt,
um durch Löcher
(nicht dargestellt) auf das Äußere der
Elektrode zu gelangen. In dieser Ausführungsform weist die Elektrode
keinen einheitlichen Querschnitt auf. Die Querschnittsfläche der
Elektrode nimmt von einem Ende der Elektrode zum anderen in einer
Reihe von Stufen 14 ab.
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Wo die Wände des Hohlraums 12 den
breitesten Teilen der Elektrode 13 gegenüberliegen, kommt
es zur höchsten
Materialerosion, da hier der Zwischenraum zwischen Elektrode und
Erosionsoberfläche
am kleinsten ist. Dadurch entsteht wiederum eine Variation in der
Menge an von einem Ende des Hohlraums bis zum anderen entfernten
Materials. Aufgrund der vorhandenen Stufen 14 variiert
die Menge an entferntem Material jedoch nicht so gleichmäßig wie
in der ersten Ausführungsform.
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Dieser Nachteil ist in einer dritten
Ausführungsform
beseitigt, die in 4 veranschaulicht
ist und sich von der zweiten Ausführungsform darin unterscheidet,
dass sich die Elektrode 23 (im zylindrischen Hohlraum des
Werkstücks 21 angeordnet)
von einem Ende zum anderen verjüngt.
Zuführmittel 25 stellen
die elektrische Verbindung für
die Elektrode 23 bereit und führen den Elektrolyt zu. Der
gleichmäßig variierende
Querschnitt der Elektrode erzeugt eine entsprechend gleichmäßige Variation
in der Menge an von einem Ende des Hohlraums 22 zu anderen
Ende entferntem Material.
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Typische Parameter für das elektrochemische
spanabhebende Bearbeitungsverfahren sind eine angelegte Spannung
von 10 bis 20 Volt DC und eine Zwischenraumdistanz von etwa 1 mm
zwischen Elektrode und der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche. Die
Elektrode kann aus Messing oder Kupfer sein. Ein typischer Elektrolyt
besteht aus einer wässrigen
Lösung
aus NaCl oder NaNO3, z. B. 30 bis 40 Gew.-%
NaNO3 wässrige
Lösung.
Es ist erwünscht, eine
hohe Strömungsgeschwindigkeit
des Elektrolyt im Elektroden-Werkstück-Zwischenraum aufrechtzuerhalten,
so dass ein Überhitzen,
Kurzschlüsse
und Veränderungen
in der Elektrolytzusammensetzung vermieden werden können.
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5 zeigt
schematisch eine Aluminiumwabe 31 mit sechseckigen Zellen 32 (klarerweise
sind auch andere Zellformen möglich,
wie z. B. Zellen mit kreisförmigem
Querschnitt). Eine Vorrichtung (nicht dargestellt) zur elektrochemischen
spanabhebenden Bearbeitung der Zellwände der Wabe weist acht zylindrische
Elektroden auf. Die Elektroden sind voneinander beabstandet, so
dass sie gleichzeitig in acht in nächster Nachbarschaft nebeneinander
liegende Zellen 33 (schwarz schattiert dargestellt) eingesetzt werden
können,
wobei die Zellen entlang einer Linie angeordnet sind. Vierunddreißig Polypropylen-Verkeilungsfinger
sind um die Elektroden beabstandet, so dass sie gleichzeitig in
sämtliche
benachbarten Zellen 34 (schraffiert dargestellt) der acht
Zellen 33 eingeführt
werden können.
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Die Verkeilungsfinger sind verjüngt, um
ihr Einsetzen in die Zellen 34 zu erleichtern, und weisen einen
sechseckigen Querschnitt auf. Dies führt zudem dazu, dass die sechseckigen
Querschnitte regelmäßig werden
und die Zellen 33 beabstandet werden. Wenn daher die Elektroden
in die Zellen 33 eingeführt
werden, können
die Elektroden auf die Achsen ihrer zugehörigen Zellen 33 zentriert
werden und einheitliche Zwischenraumabstände zum Rand der zugehörigen Zellen
aufweisen.
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Anschließend werden die Zellen 33 einer elektrochemischen
spanabhebenden Bearbeitung unterzogen. Die Elektroden sind vorzugsweise,
wie in der dritten Ausführungsform
beschrieben, verjüngt, um
eine gleichmäßig variierende
Menge an entferntem Material zu erhalten. Wenn die Zellen 33 spanabhebend
bearbeitet worden sind, werden die Elektroden und Verkeilungsfinger
herausgezogen und auf die Seite verschoben, um die Elektroden mit
einer weiteren Linie von 8 in nächster
Nachbarschaft nebeneinander liegenden Zellen in Ausrichtung zu bringen.
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Auf diese Art und Weise können alle
Zellen der Wabe der Reihe nach in Achtergruppen spanabhebend bearbeitet
werden, und die resultierenden Waben weisen Zelldicken auf, die
in der Dicke gleichmäßig von
einer Seite der Wabe zur anderen variieren.