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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks mit
Hilfe einer Elektrode, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden
Verfahrensschritte umfasst:
- – das Einstellen
eines Spaltes zwischen der Elektrode und dem Werkstück, wobei
dieser Spalt mit einem Elektrolyt gespült wird,
- – das
Zuführen
eines elektrischen Stromes durch den Elektrolyt in dem Spalt über die
Elekt rode und das Werkstück,
damit das Werkstück
bearbeitet wird,
- – das
Erzeugen eines Messsignals mit Information über etwaige Funkenentladungen
in dem Spalt, und
- – das
Schützen
der Elektrode und/oder des Werkstücks vor Beschädigung durch
Reduktion des Stromes, wenn ein Parameter des Messsignals einen
bestimmten Schwellenwert übersteigt.
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich weiterhin auf eine Einrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung
eines Werkstücks
mit Hilfe einer Elektrode, wobei diese Einrichtung die nachfolgenden
Elemente umfasst:
- – ein Betätigungselement zum Einstellen
eines Spaltes zwischen der Elektrode und dem Werkstück,
- – Flüssigkeitstransportmittel
zum Spülen
des Spaltes mit einem Elektrolyt,
- – Speisemittel
zum Zuführen
eines elektrischen Stromes durch den Elektrolyt in dem Spalt über die
Elektrode und das Werkstück,
damit das Werkstück
bearbeitet wird, und eine Beschädigung
vermeidende Mittel, die Folgendes enthalten:
- – Messmittel
zum Erzeugen eines Messsignals mit Information über etwaige Funkenentladungen in
dem Spalt,
- – Detektionsmittel
zum Erzeugen eines Stopsignals, wenn ein Parameter des Messsignals
einen Schwellenwert übersteigt,
und
- – Reduktionsmittel
zum Reduzieren des genannten Stromes bei Detektion des genannten
Stopsignals.
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Ein derartiges Verfahren, eine derartige
Einrichtung und derartige eine Beschädigung vermeidende Mittel sind
aus GB 2 140 824 bekannt. Das bekannte Verfahren wird in einer Einrichtung
zur elektrochemischen Bearbeitung (ECM) eines Werkstücks mit
einer Elektrode angewandt. Nach diesem Verfahren wird zwischen der
Elektrode und dem Werkstück ein
Spalt eingestellt. Dieser Spalt wird mit einem Elektrolyt gefüllt und über die
Elektrode und das Werkstück
wird durch den Elektrolyt ein Strom von einer Stromversorgung geschickt.
Um zu vermeiden, dass über
den Spalt ein elektrischer Bogen erzeugt wird; werden mit Hilfe
einer elektrischen Schaltungsanordnung, die mit der Elektrode und
dem Werkstück verbunden
ist, einzelne Funkenentladungen detektiert. Die elektrische Schaltungsanordnung
umfasst Filtermittel zum Unterscheiden von Störungen, verursacht durch Funkenentladungen,
von Störungen, verursacht
durch die Stromversorgung. Bei Detektion von Funkenentladungen wird
die Stromversorgung angeschaltet und Beschädigung, verursacht durch einen
elektrischen Bogen, wird dadurch vermieden. Ein Nachteil des bekannten
Verfahrens, der bekannten Einrichtung und der bekannten eine Beschädigung vermeidenden
Mittel ist, dass die Funkenentladungen selber ebenfalls die Elektrode
und das Werkstück
beschädigen.
Insbesondere wenn der Zwischenelektrodenspalt kleiner ist als 50
um sollten Funkenentladungen vermieden werden, weil die resultierende
Beschädigung
Ersatz der Elektrode erfordern kann.
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Es ist nun u. a. eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, die Gefahr vor Beschädigung der Elektrode und/oder
des Werkstücks
zu reduzieren. Dazu schlägt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 1 vor. Durch
Reduktion des Stromes bei Detektion dieser Information wird dem
Auftritt von Funkenentladungen derart entgegengewirkt, dass die
Gefahr vor Beschädigung
reduziert wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Erkenntnis zugrunde, dass beim Einschalten einer Funkenentladung
Teilentladungen in einer Zwischenschicht innerhalb des Spaltes auftreten.
Eine derartige Zwischenschicht kann eine Pasivierungsschicht auf
der – Anode
sein, eine Blasenschicht aus Wasserstoffgas auf der Kathode oder
eine Blasenschicht aus Sauerstoffgas auf der Anode. Eine derartige
Zwischenschicht hat im Vergleich zu dem Elektrolyt eine niedrige
Leitfähigkeit,
so dass nahezu die ganze Spaltspannung an der Zwischenschicht erscheint. Eine
derartige Zwischenschicht hat eine Dicke, die nur ein Teil der Spaltbreite
ist, so dass die elektrische Feldstärke, herrührend aus der Spaltspannung,
so hoch sein kann, dass in dieser Zwischenschicht eine Teilentladung
auftritt. Solche Teilentladungen verursachen eine örtliche
Erhitzung des Elektrolyts, so dass eine Gasblase gebildet wird.
Wenn das erzeugte Gasvolumen ausreicht, kann es zwischen der Elektrode und
dem Werkstück
eine isolierende Brücke
bilden und durch einen Lawineneffekt wird es zwischen der Elektrode
und dem Werkstück
eine Funkenentladung geben. Auf diese Art und Weise dürfte es
einleuchten, dass die Teilentladungen Vorläufer einer Funkenentladung
sind. Es hat sich herausgestellt, dass die Teilentladungen viel
weniger Beschädigung
verursachen als die Funkenentladungen. Außerdem hat es sich herausgestellt,
dass diese Teilent- ladungen zu hochfrequenten, elektromagnetischen
Wellen führen,
die mit einer Antenne detektiert werden können. Auf diese Weise kann
durch Überwachung
elektromagnetischer Wellen mit einer derartigen Antenne und durch
Reduktion des Stromes bei Detektion elektromagnetischer Wellen entsprechend
den Teilentladungen, Beschädigung
der Elektrode und/oder des Werkstücks entgegengewirkt werden.
Dadurch kann eine kleinere Spaltbreite angewandt werden, was zu
einer besseren Bearbeitungsgeschwindigkeit und zu einer besseren
Bearbeitungsgenauigkeit führt.
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Es sei bemerkt, dass Messung von
Funken mit einer Antenne aus GB 2 095 153 bekannt ist. Diese Messung
wird aber in einer elektrischen Entladungsmaschine (EDM) angewandt,
die gemeint ist zum Erzeugen von Funkenentladungen, die mit einer Frequenz
von 10 bis 30 MHz auftreten. In einer derartigen EDM-Maschine sind
die Spaltphänomene völlig anders
und von Teilentladungen ist überhaupt nicht
die Rede. Die Antenne wird zum Erzeugen eines Signals benutzt, das
die Frequenz und die Amplitude der Funkenentladungen angibt und
nicht zum Detektieren von Teilentladungen, die einer Funkenentladung
vorhergehen.
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Ein Parameter, der geeignet ist und
auf einfache Art und Weise überwacht
werden kann, ist beispielsweise die Amplitude des Messsignals, nachdem
dies durch ein Bandpassfilter gefiltert worden ist, das ein hohes
Frequenzband überträgt. Durch
Filterung der niedrigeren Frequenzen wird vermieden, dass beispielsweise
die Netzfrequenz die De- _ tektion von Teilentladungen stört.
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In einer industriellen Umgebung gibt
es meistens Maschinen, die HF-Signale
ausstrahlen, indem hohe Ströme
ein- und abgeschaltet werden. Wenn diese HF-Stromstöße von der Antenne aufgenommen
werden, könnte
dies zu sog. "Fehlalarm" führen. Um
die Gefahr von "Fehlalarm" zu reduzieren wird bevorzugt,
den Betrag an Energie in einem hohen Frequenzband des Messsignals
zu überwachen.
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Der Schwellenwert für den überwachten
Parameter entsprechend einer Teilentladung kann auf einfache Art
und Weise durch ein Experiment ermittelt werden, wobei vorsätzlich Funkenentladungen erzeugt
werden und wobei das Messsignal in einem Zeitschlitz beobachtet
wird, der dem Auftritt eines Funken vorhergeht. Dies wird nachstehend
in der Beschreibung anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
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Die Einrichtung nach der vorliegenden
Erfindung ist in Anspruch 5 definiert. Die Maßnahme nach dem Unteranspruch
6 hat den Vorteil, dass HF-Störungen in
den Stromversorgungsleitungen, die mit der Elektrode und/oder dem
Werkstück
verbunden sind, nicht unmittelbar zu der Antenne gekoppelt werden,
so dass die Qualität
der Detektion verbessert wird.
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Die Maßnahme nach Anspruch 7 hat
den Vorteil, dass die Antenne außerhalb der Arbeitsbereichs
vorgesehen werden kann, so dass die Elektrode und das Werkstück auf einfache
Weise zugänglich sind
und auf einfache Weise ohne Hemmung durch die Antenne geändert werden
können.
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Die Maßnahme nach Anspruch 8 hat
den Vorteil, dass die Antenne sehr empfindlich ist für elektromagnetische
Wellen, die von Entladungen in dem Spalt herrühren und weniger empfindlich
ist für
störende
elektromagnetische Wellen aus der Umgebung.
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Die Maßnahme nach Anspruch 9 hat
den Vorteil, dass diese zu einem guten Preis-Leistungsverhältnis führt. Eine
Einrichtung für
Messungen in diesem Frequenzband ist zu relativ geringen Kosten auf
einfache Weise erhältlich.
Die elektromagnetischen Wellen, herrührend von Teilentladungen enthalten
ebenfalls Frequenzanteile über
100 MHz. Es reicht aber Frequenzanteile unterhalb 100 MHz zu detektieren.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden Fall
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
Dipolantenne in einer zweiten Ausführungsform nach der vorliegenden
Erfindung,
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3 eine
Ringantenne in einer dritten Ausführungsform nach der vorliegenden
Erfindung und
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4 ein
gefiltertes Antennensignal Ua und die Spannung an dem Spalt Ub als
Funktion der Zeit t vor dem und bei dem Auftritt einer Funkenentladung.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Die Einrichtung 1 ist
eine Einrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks 2 mit
Hilfe einer Elektrode 3. Die Einrichtung 1 hat
ein Betätigungselement
8 zum Einstellen eines Spaltes 4 zwischen der Elektrode 3 und
dem Werkstück 2.
Die Einrichtung hat weiterhin ein Flüssigkeitstransportmittel in Form
eines Kanals 11 zum Spülen
des Spaltes 4 mit einem Elektrolyt 5 und einen
Behälter 10 für den Elektrolyt 5.
In diesem Fall besteht der Elektrolyt aus einer von 2–25% NaNO3 in Wasser. Es sind Stromversorgungsmittel
in Form von Stromkabeln 12 und 13 vorgesehen zum
Zuführen
eines elektrischen Stromes-I, der von einer Stromversorgung 40 über den
Elektrolyt in dem Spalt 4 über die Elektrode 3 und das
Werkstück 2 geliefert
wird zum Bearbeiten des Werkstücks 2.
In der Nähe
des Spaltes 4 ist eine Antenne 21 vorgesehen zum
Aufnehmen elektromagnetischer Wellen, ausgestrahlt von dem Spalt 4.
Die Antenne 21 ist mit einem Bandpassfilter 22 verbunden,
das Signale in einem Frequenzband von 40 bis 100 MHz zu einem Pegeldetektor 23 durchlässt. Der Pegeldetektor 23 vergleicht
die Amplitude des gefilterten Signals Ua mit einem Schwellenwert
und liefert ein Stopsignal Us zu der Steuereinheit 30,
wenn die Amplitude den Schwellenwert übersteigt. Die Steuereinheit 30 ist
derart programmiert, dass sie In Reaktion auf das Stopsignal Us
einen Schalter 43 in der Stromversorgungseinheit 40 öffnet. Die
Antenne 21, das Bandpassfilter 22, der Pegeldetektor 23 und
die Steuereinheit 30 bilden zusammen ein Beschädigungsvermeidungssystem,
das in einer bestehenden ECM-Aufstellung angewandt werden kann.
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Die Antenne 21 befindet
sich in dem Behälter 10 und
ist in dem Elektrolyt 5 untergetaucht. Da der Elektrolyt 5 eine
geringe Leitfähigkeit
hat, ist die Antenne gegenüber
der Elektrode 4 und dem Werkstück 2 praktisch isoliert,
so dass die Stromversorgungseinheit 40 von der Antenne 21 entkoppelt
ist und Störungen,
erzeugt von der Stromversorgungseinheit 40 und andere Störungen,
die von den Speiseleitungen 12 und 13 aufgefangen
werden, nicht zu dem Bandpassfilter 22 übertragen werden.
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2 zeigt
eine Dipolantenne in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Die Dipolantenne 121 befindet sich neben einem
Zwischen-Elektrodenspalt 204 zwischen
einer Elektrode 103 und einem Werkstück 102 und ist derart
ausgerichtet, dass sie einen optimalen Empfang elektromagnetischer
Wellen hat, die von dem Spalt 204 herrühren. Eventuell ist die Antenne 121 gegen
elektromagnetische Wellen, die von Stellen herrühren anders als dem Spalt 204,
abgeschirmt. Die Antenne 121 ist mit einer Mikroprozessoreinheit 122 verbunden,
die das Antennensignal abtastet und die Energie des abgetasteten
Signals in einem Frequenzband von 10 bis 20 MHz während Zeit schlitze
von 1 μs
berechnet. Wenn die berechnete Energie einen bestimmten Schwellenwert übersteigt,
liefert die Mikroprozessoreinheit 122 ein Stopsignal zu
einer Stromversorgung, wie in 1 dargestellt.
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3 zeigt
eine Ringantenne in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Die Ringantenne 221 befindet sich um einen Spalt 204 zwischen
einer Elektrode 203 und einem Werkstück 202. Die Ringantenne 221 ist
mit einem Bandpassfilter 222 verbunden; das Frequenzanteile
von 35 bis 45 MHz durchlässt.
Die anderen Teile dieser Ausführungsform
entsprechen denen, die in 1 beschrieben
worden sind.
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4 zeigt
ein gefiltertes Antennensignal Ua und die Spannung an dem Spalt
Ub als Funktion der Zeit t vor und bei dem Auftritt einer Funkenentladung. Eine
derartige Funkenentladung kann beispielsweise in einem Experiment
dadurch erzeugt werden, dass die Strömung des Elektrolyts reduziert
wird, so dass mehr Gasblasen in dem Spalt gebildet werden. Bei t =
t0 wird der Schalter 43 in der Stromversorgungseinheit 40 eingeschaltet
(siehe 1) und an den
Spalt 4 zwischen der Elektrode 3 und dem Werkstück 2 wird
eine Spannung Ub angelegt. Zwischen t = t1 und t = t2 zeigt das
Antennensignal einen HF-Anteil,
der durch Teilentladungen in dem Zwischenelektrodenspalt 4 verursacht
wird. Zwischen t = t2 und t = t3 fällt die Spannung Ub an dem
Spalt 4 als Ergebnis der vielen Funkenentladungen ab, was
dazu führt,
dass die Elektrode 3 mit dem Werkstück 2 zu dem Zeitpunkt
t = t3 verschweißt
wird, wodurch ein Kurzschluss entsteht und die Spannung Ub zu Null
sinkt. Die Amplitude des Signals Ua bleibt im normalen ECM-Betrieb
wie zwischen t0 und t1 dargestellt, deutlich unterhalb des Schwellenwertes
Uc und übersteigt
den Schwellenwert Uc deutlich, wenn zwischen t1 und t2 in dem Spalt 4 Teilentladungen
auftreten. Es hat sich herausgestellt, dass abhängig von den Prozessparametern,
wie Spaltbreite, Strömungsgeschwindigkeit
des Elektrolyts 5 durch den Spalt 4 usw. die Periode
zwischen t1 und t2 gut 30 μs
betragen kann. Diese relativ lange Periode reicht zum Abschalten
der Stromversorgung, so dass wirkliches Funken und Beschädigung der
Elektrode 3 und/oder des Werkstücks 2 vermieden werden
kann. Es dürfte ebenfalls
aus 4 einleuchten, dass
obschon bei der Spannung Ub beim Auftritt von Teilentladungen eine
gewisse Störung
detektiert werden kann, das Antennensignal Ua eine viel bessere
Angabe des Anfangs einer Funkenentladung angibt und folglich das Verfahren
und die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung eine große Verbesserung
im Bereich von ECM bietet.
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Es sei bemerkt, dass die vorliegende
Erfindung sich nicht auf die hier gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung sind viele andere Ausführungsformen
möglich.
So ist es beispielsweise möglich,
eine gepulste Stromversorgung und/oder einen anderen Elektrolyt, wie
eine Lösung
von NaCl in Wasser zu verwenden. Weiterhin können andere geeignete Antennengeometrien
auf einfache Art und Weise experimentell erhalten werden und es
kann eine andere Art der Reduktion des Stromes durch den Spalt in
Reaktion auf das Stopsignal angewandt werden.