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Einrichtung zur elektrolytischen Oberflächenbehandlung von Metallen
Es ist bekannt, daß bei den verschiedenen elektrochemischen Oberflächenbehandlungsverfahren,
wie Entfetten, Entzundern, Entgraten, Entmetallisieren, Beizen, Polieren usw., je
nach Charakteristik des Verf4,hrens das zu bearbeitende Werkstück als Anode oder
Kathode in einen Gleichstromkreis geschaltet wird.
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Die bisher verwendeten Einrichtungen und Verfahren hatten den Nachteil,
daß die Einrichtungen jeweils nur für einen bestimmten elektrochemischen Arbeitsprozeß
Verwendung fanden; wollte man also verschiedene Arbeitsverfahren anwenden, so war
man gezwungen für jedes Verfahren eine Einrichtung anzuschaffen. Für eine große
Anzahl elektrochemischer Arbeitsverfahren sind hohe Stromdichten zwecks Arbeitszeitverkürzung
vorteilhaft, dies erfordert meist eine Ausgangsspannung von über ioo Volt Gleichstrom.
Bei Anwendung von Spannungen über ioo Volt sind die bisherigen Anlagen und Einrichtungen
nicht mehr verwendbar, da die Unfallgefahr mit zunehmender Spannung steigt. Insbesondere
sind beim Ätzpolierverfahren zur Herstellung von Metallschliffen für metallographische
Untersuchungen und beim Oberflächenpolierverfahren Gleichstromspannungen von etwa
zoo Volt erforderlich, die hierbei erzielten Bearbeitungszeiten liegen dann zwischen
a und io Sekunden.
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Bei diesen kurzen Arbeitszeiten ist der Bedienende nicht mehr in der
Lage die elektrischen Meßinstrumente einwandfrei zu beobachten, wenn er gleichzeitig
seinen Blick auf das zu bearbeitende Werkstück wenden muß. Das Beobachten der Meßinstrurriente,
insbesondere des Strommessers ist jedoch unerläßlich, um einwandfreie Ergebnisse
zu erzielen. Ganz besonders wichtig ist der Stromwert in, der ersten Beärbeitungssekunde.
Bei
Einrichtungen die die Einspannvorrichtung für das Werkstück in Zangenform verwenden,
ist eine Beobachtung und Ablesen der Meßwerte in der ersten Bearbeitungssekunde
unmöglich, da ja das größte Augenmerk auf die Tauchtiefe des Werkstückes gelegt
werden muß. Feststehende Einspannvorrichtungen zu verwenden ist jedoch nicht zweckmäßig,
da die Einspannzeit ein Mehrfaches der Bearbeitungszeit erfordern würde. Für anzuwendende
Schnellverfahren ist es unerläßlich, daß der im BadbehälterbefindlicheElektrolyt
einwandfrei gekühlt, durchflutet und bewegt wird. Die bisher hierfür verwendeten
Rührwerke und Wassermantel haben jedoch große Nachteile, da das Rührwerk beim Arbeiten
hinderlich ist und beim Dauerbetrieb eine einwandfreie Kühlung nicht erreicht wird.
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Die bisher verwendeten Säurepumpen für die Elektrolytförderung können
bei Einrichtungen, die mit Strömen von über ioo Volt Spannung arbeiten, nicht verwendet
werden, da die kleineren Membranpumpen leicht zu Undichtheiten neigen; da der auslaufende
Elektrolyt stromführend ist, können Gesundheitsschäden und Kurzschlüsse auftreten.
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Bei allen elektrochemischen Schnellverfahren treten infolge des hohen
Stromstoßes beim Einschalten des Elektrolysestromes an den Werkstücken Randbeanspruchungen
auf, äie dazu führen, daß die Ecken und Kanten der Werkstücke elektrolytisch stärker
bearbeitet werden als das Zentrum der Oberfläche. Ebenso neigen Metallschlife beim
Ätzpolieren zu störenden Reliefbildungen, di`e nicht allein auf den verschiedenen
Härtegrad der einzelnen Metallmoleküle zurückzuführen ist, sondern eine Folge der
stärkeren Randabtragung ist, da das Abtragungsfeld vom Zentrum der Oberfläche nach
außen sich verdichtet.
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Die vorliegende Erfindung beseitigt alle die vorerwähnten Nachteile
und macht bereits bestehende elektrochemische Schnellverfahren dem allgemeinen Gebrauch
zugänglich bei teilweiser Verbesserung bekannter Verfahren. Die einzelnen Merkmale
gehen aus nachstehender Beschreibung und den Zeichnungen hervor. In diesen zeigt
Abb. i eine Prinzipskizze der mechanischen und elektrischen Schaltung der Einrichtung,
Abb. 2 eine Ausführungsform eines Badbehälters im Längsschnitt mit zwei Elektroden
im Querschnitt und eine Spannzange mit einem erfaßten Werkstück, Abb.3 einen Mittelschnitt
eines Badbehälters in Draufsicht, Abb.4 eine Prinzipskizze eines teilweise aufgeschnittenen
Stoppmeßinstrumentes in Darstellung der mechanischen und elektrischen Schaltung,
Abb. 5 einen Teilquerschnitt durch die Instrumentenzeigerfeststellvorrichtung in
Meßstellung, Abb. 6 einen Teilquerschnitt wie Abb. 5 in Stoppstellung, Abb. 7 einen
Teilquerschnitt wie Abb. 5 einer rein mechanischen 7,eigerfeststellvorrichtung,
Abb. 8 einen Längsschnitt einer Zeigerfeststellvorrichtung mit Einrichtung zur Fernübertragung
des gestoppten Meßwertes.
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Wie Abb. i veranschaulicht, wird die Einrichtung an,einem Doppelumformeraggregat
mit Gleichstromerzeugen i für etwa 220 Volt und einem Gleichstromerzeuger 2 für
etwa 12 Volt Spannung sowie an einem Netzstromkreis, der auch Gleichstromkreis sein
kann 3 angeschlossen und mittels eines gekuppelten Um- und Ausschalters 4 stromseitig
getrennt.
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In einem Vorratsbehälter 5 befindet sich der flüssige Elektrolyt 6
der mittels einer DoppelmembransicherheitssäurePumPe 7 über die Saugleitung 8 durch
die Druckleitung 9 und einer Schlitzöffnung io in einen Badbehälter ii (s. auch
Abb. 2 und 3) gedrückt wird. Wie aus Abb.3 ersichtlich, mündet der Eintrittsschlitz
io schräg in einen Badbehälter ii, so daß der Elektrolyt im Behälter ii eine kreisende
Bewegung ausführt. Die Eintrittsöffnung io ist deshalb als Schlitz ausgebildet,
damit einmal ein Überspritzen des Elektrolyts über den Behälterrand verhindert wird,
und daß neben der Kreisbewegung des Elektrolyts eine auf- und abwellende Bewegung
des Elektrolyts entsteht. Wesentlich ist, daß der Querschnitt des Eintrittsschlitzes
io kleiner ist als der Querschnitt der Zuleitung 9. Gegenüber dein Eintrittsschlitz
io befinden sich in der Ablaufleitung 14 eine Überlaufbohrung 12 und eine am Boden
des Badbehälters ii angeordnete Entleerungsbohrung 13; beide münden entgegengesetzt
zum Eintrittsschlitz io in den Badbehälter ii, so daß durch diese Anordnung die
kreisende Bewegung des Elektrolyts unterstützt wird. Der Querschnitt der Entleerungsbohrung
13 muß wesentlich kleiner sein als der Querschnitt des Eintrittsschlitzes io, damit
sich der Badbehälter ii bis zum Überlauf füllt.
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Im Ablaufrohr 14 ist ein Kontaktthermometer 15 derart eingebaut, daß
es von der Über- und auslaufenden Elektrolytflüssigkeit umspült wird. Das Kontaktthermometer
15 dient zur elektromechanischen Überwachung des Elektrolyts.
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Die Doppelmembransäurepumpe 7 ist als Sicherheitspumpe gebaut. Sie
besitzt eine innere Membran 16 und eine äußere Membran 17; der zwischen den Membranen
befindliche Raum 18 ist mit einer elektrisch neutralen Flüssigkeit gefüllt, z. B.
mit Wasser vom pH-Wert 7,o, Glycerin od. dgl. Nur die äußere Membran 17 wird direkt
angetrieben, z. B. mit einem Motor i9. In den mit einer neutralen Flüssigkeit gefüllten
Zwischenraum 18 sind zwei Elektroden 20 und 21 eingeführt, sie ragen in die Flüssigkeit
hinein. Da die neutrale Flüssigkeit den Raum 18 ohne Lufteinschluß voll ausfüllt,
wird die innere Membran 16 stets die gleiche Bewegung ausführen wie die äußere Membran
17. Sobald nun die innere Membran 16 undicht wird, tritt Elektrolyt in die neutrale
Flüssigkeit ein, dabei ändert sich deren Leitfähigkeit und ein Netzstromkreis 3
a wird geschlossen, so daß ein Warnsignal 22 ertönt. An Stelle des Warnsignals oder
zusätzlich kann auch ein Relais in den Stromkreis zu den Elektroden 20 und 21 zwischengeschaltet
werden, welches bei Undichtwerden der inneren Membran 16 den Antriebsmotor außer
Betrieb setzt. An Stelle der äußeren Membran kann auch ein Kolben als Antriebselement
für die innere Membran 16 verwendet werden.
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Das zu bearbeitende Werkstück 23 (s. auch Abb. 2) wird mit der Spannzange
24 und deren Kontaktbacken 25, die über die Zuleitung 26 am Stromkreis
angeschlossen
sind, erfaßt und in den Elektrolyt getaucht. In Bodennähe des Badbehälters ii befindet
sich eine Unterelektrode 27 deren Stromzüführung 28 von einem Isolierrohr 29 umgeben
ist; direkt unter dem Elektrolytspiegel ist eine Oberelektrode 3o angebracht, deren
Stromzuführung 31 ebenfalls von einem Isolierrohr 32 umgeben ist. Die Oberelektrode
30 wird stets als Ringelektrode ausgeführt.
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Zur Überwachung und Messung der elektrischen Werte befinden sich ein
Spannungsmesser 33 zwischen den Stromleitungen 26 und 28 und ein Spannungsmesser
34 zwischen den Leitungen 26 und-3i. Ein Strommesser 35 befindet sich zwischen den
Leitungen 26 und 37 über dem Stoppinstrument 36, welches sich im Strompfad der Elektrodenzange
24 befindet.
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Die Arbeitsweise des Stoppmeßinstrumentes 36 ist folgende (s. auch
Abb. 4 bis 8) Die Strommeßleitung führt von den Anschlüssen 37 und 38 über einen
Umschalter 39 zur Meßspule des Instrumentes 36 und dieses zeigt wie jedes normale
Meßinstrument die durchfließende Stromstärke an. Sobald nun mittels des Schalters
4o ein Netzstromkreis zur Magnetspule 41 geschlossen wird, zieht der Anker 42 an
und bewegt über eine Schnur 43 und Rolle 44 eine Achse 45, derart, daß in eine Schneide
46 eines Zeigers 47 zwei Borsten der Haltebürste 48 eingreifen. Die Schneide 46
des Zeigers 47 kommt also zwischen zwei Borsten der Haltebürste 48 wie Abb. 6 zeigt
zu liegen, dadurch wird der Zeiger 47 in der Meßstellung festgehalten, die er im
Moment des Betätigens des Schalters 40 innehatte. Im Augenblick der Zeigerfeststellung
betätigt der Anker 42 auch einen Umschalter 39, derart, daß die Strommeßleitung
zum Stoppinstrument 36 unterbrochen wird und die Anschlußklemme 37 wird stromlos,
gleichzeitig wird durch den Umschalter 39 ein Stromkreis zur Anschlußklemme 49 geschlossen
und der Strom fließt nunmehr über ein normales Meßinstrument 35. Der Zeiger 47 des
Stoppmeßinstrumentes 36 bleibt so lange arretiert bis über den Schalter 4o der Erregerstromkreis
zur Magnetspule 41 unterbrochen wird. Sobald der Elektromagnet 41 stromlos wird,
zieht eine Biegefeder 5o die bürstentragende Achse 45 in ihre Ausgangsstellung zurück
und der Instrumentenzeiger 47 wird wieder frei. Es ist auch denkbar, daß im stromlosen
Zustand der Magnetspule 41 der Instrumentenzeiger 47 arretiert ist und beim Anziehen
des Ankers 42 der Zeiger 47 freigegeben wird. In der Ausführungsform nach Abb. 7
und 8 ist ein Bürstenträger 67 hinter der Instrumentenskala 69 angeordnet. Beim
Drücken des Knopfes 63 wird ein Hebel 64 um einen Drehpunkt 65 zur Skala 69 bewegt
und ein Hebel 66 betätigt den Umschalter 39, der auch als Quecksilberschaltröhre
ausgebildet sein kann. Hierbei ist der Umschaltvorgang der gleiche wie vorstehend.
Durch die Bewegung des Hebels 64 mit dem Bürstenträger 67 zur Skala hin, treten
durch eine Ausfräsung 68 in der Skala 69 die Borsten der Bürste 48 in die Bewegungsebene
der Schneide 46 des Zeigers 47, so daß, wie Abb. 8 zeigt, die Schneide 46 des Zeigers
47 zwischen zwei Borsten zu liegen kommt und der Zeiger 47 somit arretiert wird.
Bei Abb. 8 sind hinter dem Borstenträger 67 Widerstandselemente 62 angeordnet. Bei
dieser Ausführungsform kann die Stoppstellung des Zeigers 47 mittels zweier elektrischer
Leitungen fernübertragen werden. Die Borsten 48, aus Edelmetall gefertigt, dienen
als elektrische Kontakte in Verbindung mit einer Edelmetallschneide 46 des Instrumentenzeigers
47, die Widerstände 62 sind so angeordnet, daß hinter jeder Edelmetallborste 48
ein Widerstand 62 angeschlossen ist; alle Borsten und Widerstände sind hintereinandergeschaltet.
Sobald nun der Zeiger 47 durch zwei Edelmetallborsten 48 arretiert wird, schließt
sich ein Stromkreis von einer Batterie 61 über den Zeiger 47 und seiner Edelmetallschneide
46 und die anliegenden Edelmetallborsten mit der zugehörigen Widerstandsserie 62
zum Instrument 6o, welches zweckmäßig ein Ohmmeter ist. Die einzelnen Widerstände
62 können so gewählt werden, daß der Zeigerausschlag des Ohmmeters 6o identisch
dem Zeigerausschlag des Stoppinstrumentes ist. Durch entsprechende Eichung der Skala'des
Ohmmeters 6o mit der Skala 69 des Stoppinstrumentes 36 kann eine einwandfreie Fernübertragung
und Ablesung der Meßwerte erfolgen. Diese Fernübertragung der Zeigerstellung kann
auch bei allen sonstigen nicht elektrischen Zeigermeßinstrumenten, z.B. Manometer,
sinngemä& vorgenommen werden.
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Zum elektrochemischen Beizen und Entmetallisieren wird der Schalter
4 auf Stellung b gebracht, in dieser Stellung ist das zu bearbeitende Werkstück
23 als Anode und die Unterelektrode 27 als Kathode im Stromkreis des 22o-Volt-Generators
i geschaltet. Durch Betätigung eines Tasters 51 wird über ein Relais 52 der Elektrolysestromkreis
geschlossen, die Stromstärke kann mittels des Regulierwiderstandes 53 entsprechend
eingestellt werden. Soll die Mehrzweckeinrichtung als elektrochemisches Poliergerät
verwendet werden, so kommt der Schalter 4 in Arbeitsstellung c, dann ist zusätzlich
die Oberelektrode 3o als Anode in den Stromkreis des Generators i eingeschlossen.
Wird nun nach dem Eintauchen des Werkstückes 23 gleichzeitig mit dem Taster 51 der
Schalter 54 betätigt, so erfolgt über ein Wischkontaktrelais 55 auf die Oberelektrode
ein kurzzeitiger Stromstoß; dadurch wird der Einschaltstromstoß an den Rändern des
Werkstückes 23 vermindert, weil er sich hauptsächlich auf die Oberelektrode
30 verlagert. Durch diese Maßnahme wird verhindert, daß sich die Ränder des
Werkstückes 23 stärker abtragen, als die Oberflächenmitte. Die Zeitdauer des anodischen
Stromstoßes soll 0,5 Sekunden nicht überschreiten, da nur innerhalb dieser Zeit
der Effekt wirkungsvoll ist.
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Wenn die Einrichtung als Entfettungs- und Entkohlungsanlage verwendet
werden soll, muß der Schalter 4 auf Stellung d geschaltet werden; die Unterelektrode
27 ist dann Anode und die Zangenelektrode 24 ist dann Kathode im 22o-Volt-Stromkreis.
Zwecks Vermeidung der Wasserstoffaufladung wird nach dem Entfetten kurzzeitig der
Schalter 4 auf Stellung b gebracht bei gleichzeitigem Kurzschließen des Schalters
56, damit durch verstärkte Sauerstoffbildung die vorhergegangene Wasserstoffaufladung
wirkungslos gemacht wird.
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Soll die Einrichtung als Galvanisierungsanlage verwendet werden, so
kommt der Schalter 4 auf Stellung e,
dann ist Oberelektrode
30 aus dem Elektrolyt herausgehoben als Anodenstange verwendbar und bei Stellung
des Schalters 4 auf f ist die Oberelektrode als Warenstange verwendbar. Die Stromstärke
kann bei galvanischen Arbeiten zusätzlich mittels des Regulierwiderstandes 57 ausreichend
reguliert werden. Bei Schalterstellung e und f ist die Niederspannungsstromquelle
2 angeschlossen.
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Beim elektrolytischen Entgraten wird der Schalter 4 auf Stellung b
geschaltet und zusätzlich der Schalter 56 geschlossen, so daß die Oberelektrode
30 zusammen mit der Unterelektrode 27 als Kathode im Gleichstromkreis des
22o-Volt-Generators i liegen, hierdurch wird erreicht, daß der an den Rändern des
Werkstückes 23 vorstehende Grat wirkungsvoll anodisch abgetragen wird. Dieses Verfahren
eignet sich insbesondere zum Entgraten von Kleinteilen, z. B. gestanzte und gefräste
Zahnräder für die Uhrenindustrie. Aber auch alle anderen Kleinteile der Feinmechanik
können somit im Schnellverfahren in wenigen Sekunden vom anhaftenden Grat befreit
werden.
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Mit der vorstehend beschriebenen Einrichtung können auch alle perchlorhaltigen
Alkoholelektrolyte wirkungsvoll eingesetzt werden, ohne daß es zu Elektrolytbränden
oder Explosionen kommt, da das in der Rücklaufleitung 14 befindliche Kontaktthermometer
15 den Hauptstromkreis zur Zangenelektrode 24 mittels eines Relais 58 dann unterbricht,
wenn der Elektrolyt sich unzulässig erwärmen sollte. Mit dem Abschalten des Hauptstromkreises
schaltet automatisch das Relais 58 eine Kontrollampe 59 ein, so daß sofort erkannt
wird, daß der unzulässig erwärmte Elektrolyt die Abschaltungsursache ist. Da sich
durch die Entleerungsbohrung 13 (s. Abb. 2) wärmerer und kälterer Elektrolyt in
Kontaktthermometernähe mischt, wird ein empfindlich reagierendes Kontaktthermometer
15 das Relais 58 in unregelmäßigen Perioden ein- und ausschalten, so daß die Kontrolllampe
59 als Blinklampe erhöhte Warnwirkung hat.
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Die universelle Verwendbarkeit der Einrichtung kann noch dadurch erhöht
werden, daß noch weitere Stromquellen mittels eines Schalters 4 in den Elektrolysestromkreis
zugeschaltet werden können.
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Auch die Umstellung von einem auf den anderen Elektrolyt ist denkbar
einfach. Es ist nur erforderlich, daß der Vorratsbehälter 5 auswechselbar angeordnet
wird. Bei Elektrolytwechsel ist dann nur erforderlich, daß Säurepumpe 7 und Badbehälter
ii mittels einer Neutralisationsflüssigkeit durchgespült werden.
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Für größere Betriebe ist es zweckmäßig, die Einrichtung als mehrzelliges
Gerät auszuführen, um erforderliche Elektrolytwechsel auf ein Mindestmaß beschränken
zu können.