EP4733453A1 - Verfahren und vorrichtung zur plasmaelektrolytischen bearbeitung einer werkstückoberfläche - Google Patents

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren (1) und eine Vorrichtung zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung einer elektrisch leitfähigen Oberfläche (2) eines Werkstücks (3), bei dem wenigstens ein Elektrolyt mittels einer Versorgungseinheit (5) zu einer Ausbringungseinheit (4) gefördert wird, durch die zumindest zeitweise die Oberfläche (2) des Werkstücks (3) mit einem Elektrolytstrahl beaufschlagt wird, zwischen der zu bearbeitenden Oberfläche (2) des Werkstücks (3) und einer Elektrode (6), die wenigstens teilweise den Elektrolyten berühren, durch eine elektrische Energiequelle (7) eine elektrische Spannung angelegt wird, sodass die Elektrode (6) während der Bearbeitung eine Gegenelektrode zur Oberfläche (2) des Werkstücks (3) bildet, sodass im Bereich der bearbeiteten Oberfläche (2) des Werkstücks (3) eine Dampf-Plasmahaut erzeugt wird.Wesentlich für die beschriebene technische Lösung ist, dass wenigstens eine Strömungseigenschaft des Elektrolytstrahls derart eingestellt werden, dass aufgrund der kinetischen Energie des Elektrolytstrahls ein auf den Phasenübergang zwischen flüssigem Elektrolyten und der Dampf-Plasmahaut wirkender Druck erzeugt wird, sodass sich zwischen der Elektrode (6) und der mit dem Elektrolytstrahl beaufschlagten Oberfläche (2) des Werkstücks (3) ein stabiler elektrischer Jet-Widerstand von maximal 1200 Ω · cm² einstellt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung einer elektrisch leitfähigen Oberfläche eines Werkstücks. Wesentlich bei der beschriebenen Lösung ist, dass ein Elektrolytstrahl zielgerichtet und bedarfsgerecht steuerbar auf die Werkstückoberfläche zur Bearbeitung von Teilbereichen der Gesamtoberfläche gerichtet wird. Zur Bearbeitung wird zwischen der zu bearbeitenden Oberfläche und der Ausbringungsöffnung, durch die der Elektrolytstrahl austritt, eine derart hohe elektrische Spannung angelegt, dass sich auf der Werkstückoberfläche ein Dampf-Plasmahaut bildet und der gewünschte Materialabtrag von der Oberfläche erfolgt.
• Bei Werkstücken aus Metalllegierungen werden die Zieleigenschaften der Oberfläche regelmäßig nicht im primären Fertigungsschritt erreicht, sodass eine nachgelagerte Endbearbeitung bzw. Veredelung erforderlich ist. Grundsätzlich kommen in Abhängigkeit der jeweiligen Qualitätsanforderungen und der benötigten Oberflächenbeschaffenheit eines Werkstücks unterschiedliche spanabhebende oder auch elektrochemische Bearbeitungsverfahren in Frage. In diesem Zusammenhang stellt die plasmaelektrolytische Bearbeitung elektrisch leitfähiger Oberflächen eine spezielle Weiterentwicklung der bekannten Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung von metallischen Werkstücken dar.
• Plasmaelektrolytische Bearbeitungsverfahren sind Verfahren, mit denen die Beschaffenheit einer zumindest zeitweise mit einem Elektrolyten in Kontakt stehenden Werkstückoberfläche durch das Anlegen einer elektrischen Spannung verändert wird, wobei diese Veränderung durch die oberflächennahe Ausbildung eines Plasmas ermöglicht, begünstigt oder beeinflusst wird. Während unter anderem das plasmaelektrolytische Oxidieren der Herstellung verschleißbeständiger Randschichten insbesondere auf Leichtmetallen dient, wird beim plasmaelektrolytischen Polieren die Randschicht durch Materialabtrag verändert. Dies geschieht im Vergleich zum Elektropolieren unter Verwendung von wässrigen Salzlösungen statt hochkonzentrierten Säuren als Elektrolyt, wobei das Werkstück typischerweise in ein solches Elektrolytbad eingetaucht und anodisch kontaktiert wird. Durch Anlegen einer Gleichspannung von 200 V bis 450 V, vorzugsweise von 300 V bis 400 V, verdampft der mit dem Werkstück in Kontakt stehende Elektrolyt und bildet eine dieses umschließende Dampfhaut, welche die Elektrolytlösung von der Werkstückoberfläche verdrängt. Die über der Dampfhaut abfallende Polierspannung führt zu einer partiellen lonisation und zur Ausbildung eines Plasmas. Die Oberfläche des Werkstücks wird durch eine Kombination physikalischer, chemischer und elektrochemischer Abtragprozesse gleichmäßig geglättet und gleichzeitig von Verunreinigungen befreit.
• Auf diese Weise lassen sich besonders glatte und glänzende Oberflächen innerhalb kürzester Zeit und ohne formgebundene Werkzeuge erzeugen. Außerdem ist es nicht erforderlich, das jeweilige Werkstück vorzubehandeln oder eventuell auf der Oberfläche vorhandene Öle oder Schmierstoffe zu entfernen. Ferner lässt sich je nach Material, das bearbeitet wird, durch eine plasmaelektrolytische Bearbeitung eine Werkstückoberfläche erzeugen, deren Korrosionsneigung gehemmt ist. Das Verfahren eignet sich mithin nicht nur für die Reduzierung der Oberflächenrauheit, sondern auch unter anderem für das Entgraten, das Erzeugen von Glanz, das Passivieren, das Reinigen, das Sterilisieren sowie die Glättung des Oberflächenprofils.
• Eine gattungsgemäße Anlage zum Plasmapolieren ist aus der DE 10 2006 016 368 B4 bekannt. Die beschriebene Anlage ist geeignet zum Reinigen und Polieren von elektrisch leitfähigen Werkstückoberflächen und verfügt über einen Elektrolytbehälter, eine Aufnahme für das Werkstück und eine Energieversorgung zur Bereitstellung der zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung erforderlichen Spannung. Ferner ist eine Steuerung zur Überwachung und Einstellung der erforderlichen Stromstärke vorgesehen, die die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück in den Elektrolytbehälter eingetaucht wird, in Abhängigkeit der Stromstärke einstellt.
• Entscheidende Grenze für die Anwendbarkeit des Tauchbadverfahrens ist die lineare Abhängigkeit der Leistungsanforderungen an die Prozessenergiequelle (PEQ), welche die zur Erzeugung der Dampf-Plasmahaut (DPH) erforderliche Spannung bereitstellt, und der Werkstückoberfläche. Für Edelstähle beträgt dieser Faktor etwa 70 W/cm², weshalb das Plasmapolieren derzeit aus technischen und wirtschaftlichen Restriktionen heraus auf ca. 2.500 cm² Bauteiloberfläche - ca. ein DIN A3 Blatt - begrenzt ist.
• Es gibt die Bestrebung, diese lineare Abhängigkeit durch eine Lokalisierung der Bearbeitung zu durchbrechen. Neben der plasmaelektrolytischen Bearbeitung von Werkstücken in einem Tauchbad, sind so ferner Verfahren bekannt, bei denen mit Hilfe eines auf eine zu bearbeitende Oberfläche gerichteten Elektrolytstrahls und dem Anlegen der für die Plasmaerzeugung benötigten Spannung zwischen der Austrittsöffnung, durch die der Elektrolytstrahl austritt, und der Werkstückoberfläche, eine an die Bauteilgeometrie anpassbare Bearbeitung von Oberflächenteilbereichen erfolgt. Die DPH bildet sich hier nur in einem lokal begrenzten Wirkbereich aus, der durch den Elektrolytstrahl definiert wird. Diese Verfahren werden daher auch als Strahl-Plasmapolieren bzw. Jet-Plasmapolieren bezeichnet.
• Ein derart gattungsgemäßes Verfahren ist aus der RU 2 640 213 C1 bekannt. In diesem Dokument wird eine Anlage zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung von Werkstücken beschrieben, bei der eine düsenförmige, stets vertikal nach oben gerichtete Ausbringungseinheit im Raum positionierbar ist. Mithilfe der beschriebenen Anlage soll es möglich sein, auch grö-ßere Werkstücke durch kontinuierliches Abrastern der Oberfläche plasmaelektrolytisch zu bearbeiten.
• Auch die CN 110125734 A beschreibt eine Anlage zur Jet-plasmaelektrolytischen Bearbeitung von Werkstückoberflächen. Um eine bedarfsgerechte Bearbeitung auch von Werkstücken mit vergleichsweise komplizierter Werkstückgeometrie ermöglichen zu können, wird hier vorgeschlagen, einen Industrieroboter einzusetzen, wobei die Ausbringungsöffnung für die Ausbringung des Elektrolytstrahls am Ende eines bewegbaren Roboterarms angeordnet ist, um die Ausrichtung bzw. Positionierung des Elektrolytstrahls möglichst schnell verändern zu können.
• Bei der plasmaelektrolytischen Bearbeitung von Werkstückoberflächen hängt die Stabilität des Prozesses und die Qualität des Bearbeitungsergebnisses maßgeblich von der Ausprägung der DPH ab. Im Tauchbad wird diese primär durch den eingesetzten und auf den zu bearbeitenden Werkstoff abgestimmten Elektrolyt, dessen Leitfähigkeit, pH und Temperatur sowie die durch die PEQ bereitgestellte Prozessspannung bestimmt. Entscheidend ist ein möglichst uniformes und stabiles Filmsieden entlang der Bauteilkontur. Messbar ist diese Stabilität durch den Strom-Zeit-Verlauf. Ideal verläuft dieser bei der Bearbeitung im Tauchbad konstant bei Stromdichten von 0,1 A/cm² bis 0,2 A/cm² bearbeiteter Oberfläche.
• Ein Zusammenbrechen der DPH führt zum direkten Kontakt zwischen Elektrolyt und Werkstückoberfläche, zu Fehlzündungen des Plasmas und zu instabilen Stromspitzen. Das ausgewogene Zusammenspiel zwischen elektrochemischen und plasmaphysikalischen Abtrag, welches für die einzigartigen Oberflächenergebnisse beim Plasmapolieren sorgt, kann sich nicht einstellen. Es dominieren Ätz- und Erosionsmechanismen. Auch die übermäßige, instabile Ausbildung der DPH, z. B. aufgrund zu hoher Elektrolyttemperatur und eines damit zu geringen Deltas zur Siedetemperatur des Elektrolyten, führt zu wiederholtem Zusammenbruch des Prozesses. Entscheidend sind folglich die an der Phasengrenzfläche zwischen flüssigen Elektrolyten und DPH herrschenden Prozessbedingungen.
• Im Stand der Technik wird die strahlbasierte Zuführung des Elektrolyten beim Jet-Plasmapolieren bisher allein als technische Lösung gesehen, um lokal begrenzt zu bearbeiten und so den linearen Zusammenhang aus Bauteiloberfläche und elektrischer Leistung zu durchbrechen. Die minimale Strömung des Elektrolytstrahls dient lediglich der lokalen Zuführung des Elektrolyten und Abführung von Abtragsprodukten. Im Wirkbereich des Jet-Plasmapolierens muss selbstverständlich dieselbe Prozessstabilität bzw. Stabilität der DPH herrschen, wie sie bereits aus dem Tauchbad bekannt ist. Jedoch kommen hier die unmittelbar auf die Phasengrenzfläche einwirkenden Strömungsbedingungen des Elektrolyten als entscheidender, bislang als störend gesehener Prozessparameter hinzu. Prozessstabilität wird folglich sichergestellt, indem diese Strömungsbedingungen so eingestellt werden, dass sie die Bedingungen im Tauchbad möglichst exakt replizieren. So ist nach dem in RU 2 640 213 C1 beschriebenen Verfahren zum Jet-Plasmapolieren mit vertikal nach oben gerichteter Düse der Druck der den Elektrolyten fördernden Pumpe möglichst so einzustellen, dass die Höhe des sich ergebenden Strahls dem Abstand zum Werkstück entspricht. Die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten, resultierend aus dem Volumenstrom aus der Austrittsöffnung, deren Querschnittsfläche und der hier entgegenwirkenden Gravitation, soll quasi Null an der Phasengrenzfläche zur DPH sein und so den Bedingungen im Tauchbad entsprechen.
• Im Ergebnis findet die lokale Bearbeitung mit derselben Geschwindigkeit statt, wie sie auch in einem Tauchbad zu erwarten ist, und liegt regelmäßig zwischen 30 s und 300 s. Diese Zeit ist für die Bearbeitung einer gesamten Werkstückoberfläche in einem Tauchbad im Vergleich zu anderen Verfahren wie dem Gleitschleifen oder Elektropolieren sehr schnell. Erfolgt allerdings die Bearbeitung einer Werkstückoberfläche im Wege des Jet-Plasmapolierens, sodass kleine Bereiche der Werkstückoberfläche nacheinander bearbeitet werden, ist die Gesamtbearbeitungszeit als Vielfaches hiervon sehr lang. Durchlaufzeiten von 30 Minuten bis zu mehreren Stunden pro Einzelteil sind schnell erreicht. Im Ergebnis ist das Jet-Plasmapolieren für Werkstücke in der Serienfertigung bisher noch regelmäßig wirtschaftlich unattraktiv.
• Bislang werden Elektrolytstrahlen mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten verwendet, um eine Ausprägung der DPH wie im Tauchbad zu ermöglichen. Dabei wird davon ausgegangen, dass es ein optimales Prozessfenster gibt, welches nach oben und unten wie folgt begrenzt wird: bei einer zu geringen Strömungsgeschwindigkeit kommt es aufgrund der nicht ausreichenden Zuführung von neuem Elektrolyten zu einem Prozess, der eher einem lokal überhitzten Elektrolytbad entspricht. Das Ergebnis ist ein mit der instabilen Dicke der DPH schwankender und meist überhöhter Prozessstrom. Eine zu hohe Strömungsgeschwindigkeit stört wiederum die Ausprägung der DPH, was zu einem durch Stromspitzen (Plasma-Zündungen) unterbrochenen Polierstrom führt. Als Grund hierfür wird der auf die Phasengrenzfläche wirkende Druck angeführt, der die DPH partiell durchbricht. Das Prozessfenster dazwischen wird im Folgenden als quasi-hydrostatische Stabilitätszone bezeichnet.
• Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten technischen Lösung zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung von Werkstücken sowie den zuvor geschilderten Problemen, insbesondere beim Jet-Plasmapolieren, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren anzugeben, mit dem ein stabiler Prozess zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung von Bauteilen mit einem Elektrolytstrahl mit deutlich reduzierter Bearbeitungszeit ohne Qualitätseinbußen realisierbar ist, sodass eine wirtschaftliche Bearbeitung einzelner Werkstücke reproduzierbar und mit hoher Qualität im Wege des Jet-Plasmapolierens erfolgen kann. Auf diese Weise soll eine besonders flexible und insbesondere auch für Bauteile mit komplizierter Geometrie geeignete Bearbeitung im Wege des Jet-Plasmapolierens ermöglicht werden.
• Von Bedeutung ist in diesem Zusammenhang, dass sich der Prozess zum Jet-Plasmapolieren mittels der anzugebenen Lösung vergleichsweise einfach und dennoch präzise regeln lässt, sodass eine zügige und dennoch qualitativ hochwertige und reproduzierbare, an die jeweiligen Betriebsbedingungen anpassbare plasmaelektrolytische Bearbeitung von Werkstückoberflächen realisierbar ist.
• Im Weiteren ist es wünschenswert, dass sich die anzugebende technische Lösung auch in bereits existierende Anlagen zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung von Werkstücken mit wenigstens einem Elektrolytstrahl, also Anlagen zum Jet-Plasmapolieren, integrieren und etwa durch verhältnismäßig einfache Adaptionen in bekannte Steuerungen und Steuerungsverfahren integrieren lässt.
• Die vorstehende Aufgabe wird mithilfe eines Verfahrens gemäß Anspruch 1 sowie einer Vorrichtung nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Hierbei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung als offenbart, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder vielmehr genommen werden kann.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung einer elektrisch leitfähigen Oberfläche eines Werkstücks, bei dem wenigstens ein Elektrolyt mittels einer Versorgungseinheit zu einer Ausbringungseinheit gefördert wird, durch die zumindest zeitweise die Oberfläche des Werkstücks mit einem Elektrolytstrahl beaufschlagt wird, wobei zwischen der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks und einer Elektrode, die wenigstens teilweise den Elektrolyten berühren, durch eine elektrische Energiequelle eine elektrische Spannung angelegt wird, sodass die Elektrode während der Bearbeitung eine Gegenelektrode zur Oberfläche des Werkstücks bildet. Die Ausbringungseinheit verfügt über eine, vorzugsweise kreisförmige Ausbringungsöffnung, die einen auf geeignete Weise ausgebildeten Elektrolytstrahl in die Umgebung und hier in Richtung der zu bearbeiten Werkstückoberfläche ausbringt. Die plasmaelektrolytische Bearbeitung erfolgt somit mit wenigstens einem Elektrolytstrahl und daher im Vergleich zur Bearbeitung in einem Elektrolytbad jeweils auf einer Teiloberfläche des Werkstücks. Wesentlich ist wiederum, dass sich während der Werkstückbearbeitung im Bereich der bearbeiteten Werkstückoberfläche eine Dampf-Plasmahaut ausbildet. Gattungsgemäße Bearbeitungsverfahren werden daher auch als Verfahren zum Jet-Plasmapolieren bezeichnet.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Strömungseigenschaften des Elektrolytstrahls derart eingestellt werden, dass aufgrund der kinetischen Energie des Elektrolytstrahls ein auf den Phasenübergangs zwischen flüssigem Elektrolyten und der sich ausbildenden Dampf-Plasmahaut wirkendes Druckprofil erzeugt wird, sodass sich zwischen der Elektrode und der mit dem Elektrolytstrahl beaufschlagten Oberfläche des Werkstücks ein stabiler elektrischer Jet-Widerstand von maximal 1200 Ω · cm² einstellt. Unter stabil ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass der Wert für den Jet-Widerstand im Zeitverlauf nur in geringem Maße schwankt und/oder keine größeren Sprünge aufweist, was darauf zurückzuführen ist, dass die Stärke des im Bearbeitungsbereich fließenden Stroms ebenfalls zumindest nahezu gleichbleibt, also auch nur geringen Schwankungen unterworfen ist. Bevorzugt weist der Wert des Prozessstroms im zeitlichen Verlauf eine Schwankungsbreite von nicht mehr als 5% um einen Mittelwert, besonders bevorzugt von nicht mehr als 2% um einen Mittelwert auf. Hierbei kann berücksichtigt werden, dass insbesondere Sprünge der Stromstärke auf einen instabilen Prozess und/oder eine teilweise Zerstörung der Dampf-Plasmahaut zurückzuführen sind, was erfindungsgemäß nicht gewünscht ist. Denkbar ist in diesem Zusammenhang, dass ein Wert des Jet-Widerstandes der 200 Ω · cm², insbesondere 150 Ω · cm² und im ganz Speziellen 100 Ω · cm² unterschreitet, als unterer Grenzwert für das Verfahren zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung einer Werkstückoberfläche festgelegt wird. Durch die vorgenannte Einstellung lässt sich eine stabile plasmaelektrolytische Bearbeitung mit definiert ausgebildeter, insbesondere komprimierter Dampf-Plasmahaut erreichen. Erfindungsgemäß lässt sich somit die kinetische Energie des in Richtung der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche ausgebrachten Elektrolytstrahls, die maßgeblich durch dessen Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird, bedarfsgerecht variieren, sodass der hydrodynamische Druck, der im Auftreffbereich und somit zumindest mittelbar auf die sich im Bearbeitungsbereich ausbildende Dampf-Plasmahaut wirkt, in Abhängigkeit der jeweiligen Anforderungen der Werkstückbearbeitung veränderbar ist.
• Bei dem elektrischen Jet-Widerstand, oder im Folgenden auch einfach als Jet-Widerstand bezeichnet, handelt es sich um das Produkt der jeweiligen Wirkfläche A, definiert als die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung oder die überspülte Werkstückoberfläche, je nachdem welche dieser Flächen kleiner ist, und des aus der elektrischen Spannung U und Stromstärke I ermittelbaren elektrischen Widerstands R, der zwischen Elektrode und Werkstückoberfläche herrscht. Die Wirkfläche A wird somit üblicherweise durch die Größe der Austrittsöffnung bestimmt. Lediglich bei sehr kleinen zu bearbeitenden Oberflächen, die kleiner als die Fläche der Austrittsöffnung sind, entspricht die Wirkfläche der vom Elektrolyten überspülten Werkstückoberfläche.
• Wird der Elektrolytstrahl stark vereinfacht als elektrischer Leiter angenommen, ist sein Widerstand gleich dem spezifischen Widerstand, einer Materialkonstante, multipliziert mit dessen Länge und geteilt durch dessen Querschnittsfläche. Bei einem realen Elektrolytstrahl handelt es sich jedoch nicht um einen homogenen, elektrischen Leiter, wie beispielsweise ein Kupferdraht, sondern seine elektrischen Eigenschaften, insbesondere sein elektrischer Widerstand resultieren aus einem komplexen Zusammenwirken des vergleichsweise stark leitfähigen Elektrolyten, der deutlich weniger leitfähigen, ionisierten Dampf-Plasmahaut und der dazwischen bestehenden Phasengrenzfläche. Der deutlich überwiegende Teil der Spannung fällt über der durch die Dampf-Plasmahaut gebildeten Bearbeitungszone ab. Über den gesamten Elektrolytstrahl betrachtet gilt somit, dass der elektrische Widerstand nicht linear mit der Länge des Elektrolytstrahls ansteigt. Vielmehr bleibt dieser auch bei einer Variation der Strahllänge in gewissen Grenzen nahezu konstant. Die lineare Abhängigkeit von der Wirkfläche aus der Modellbetrachtung verbleibt dabei jedoch. Das System zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung einer Werkstückoberfläche lässt sich daher eindeutig durch den oben genannten Jet-Widerstand mit der Einheit Ω · cm² oder Ω · m² beschreiben. Dieser Jet-Widerstand stellt das Bindeglied zwischen den komplexen, plasmaelektrolytischen Einflussgrößen und den mess- und regelbaren Systemgrößen dar, da er anhand der an der Energie- und/oder Spannungsquelle eingestellten und/oder gemessenen Spannung und der Stärke des im Bearbeitungsbereich, insbesondere im Bereich der Dampf-Plasmahaut, fließenden Stroms ermittelbar ist.
• Die im Elektrolytstrahl wirkenden Prozessbedingungen sind maßgeblich für die Stabilität, Geschwindigkeit und Qualität einer plasmaelektrolytischen Bearbeitung. Diese Prozessbedingungen lassen sich unterteilen in klassische, plasmaelektrolytische Einflussgrößen einerseits, wie etwa die Auswahl des für eine Bearbeitung verwendeten Elektrolyten, seine Leitfähigkeit und Temperatur, und hydrodynamische Einflussgrößen andererseits, aus denen ein auf die Phasengrenzfläche der Dampf-Plasmahaut wirkendes Druckprofil resultiert. Erfindungsgemäß wird durch geeignete Einstellung der Prozessspannung und der Strömungseigenschaften des Elektrolytstrahls ein spezifischer Jet-Widerstand erreicht, sodass sich das komplexe Zusammenspiel der verschiedenen Prozessparameter auch bei jeweils unterschiedlichen konkreten Systemausprägungen quantifizieren und regeln lässt.
• Aus dem Jet-Widerstand lässt sich durch Division durch die Wirkfläche A der elektrische Widerstand R errechnen und unter Berücksichtigung der Prozessspannung U wiederum der Prozessstrom I. Bei Letzteren handelt es sich im Gegensatz zu z. B. der veränderlichen Dicke der Dampf-Phasenhaut entlang der Werkstückoberfläche, um mess-, regel- und technisch überwachbare Größen. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden daher die Prozessspannung und/oder der Prozessstrom kontinuierlich oder in bedarfsgerecht gewählten Zeitintervallen gemessen und der Einstellung der Strömungseigenschaften zur Erreichung des gewünschten Jet-Widerstandes zugrunde gelegt.
• Die Berücksichtigung der oben bezeichneten, klassischen plasmaelektrolytischen Einflussgrößen ist bereits aus der Tauchbadbearbeitung bekannt. Vorzugsweise werden diese Einflussgrößen bei der Steuerung oder Regelung eines Systems zum Jet-Plasmapolieren als konstant angenommen. Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ist die gezielte Einstellung des Jet-Widerstands über die gezielte Variation der hydrodynamischen Einflussgrößen, aus denen sich das auf den Phasenübergang zwischen flüssigem Elektrolyt und Dampf-Phasenhaut wirkende Druckprofil, also das Profil der auf den Phasenübergang wirkenden Druckkräfte, ergibt.
• Der Jet-Widerstand als charakterisierende Größe des Elektrolytstrahls ist somit das Produkt aus seiner Wirkfläche und dem elektrischen Widerstand des Systems.
• Beispielhaft werden zur Erläuterungen zwei spezielle Ausführungsformen der Erfindung, wobei sich die Durchmesser der verwendeten Elektrolytstrahlen unterscheiden, beschrieben. Bei den hier erläuterten Ausführungsformen sind zur Werkstückbearbeitung bei der ersten Ausführungsform ein erster Elektrolytstrahl und bei der zweiten Ausführungsform ein zweiter Elektrolytstrahl vorgesehen, die jeweils einen zumindest nahezu kreisrundem Wirkbereich aufweisen und gleichen plasmaelektrolytischen Einflussgrößen unterliegen. Der zweite Elektrolytstrahl verfügt im Vergleich zum ersten Elektrolytstrahl über den doppelten Durchmesser, sodass sich der Wirkbereich über die vierfache Fläche erstreckt und sich in der Regel deutlich unterschiedliche Prozessströme bzw. elektrische Widerstände einstellen. Die beiden Systeme sind unterschiedlich ausgeführt und nicht direkt vergleichbar. Mit Hilfe des Jet-Widerstandes lässt sich jedoch eine Quasi-Normierung oder Vergleichbarkeit der beiden Systeme herstellen, wobei sich auf vorteilhafte Weise sicherstellen lässt, dass bei Einstellung des gleichen Jet-Widerstandes in den Systemen gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform auch die Strömungs- und Bearbeitungsbedingungen in den beiden Systemen gleich sind. Auf diese Weise lassen sich auf vorteilhafte Weise unterschiedlich konfigurierte Systeme zur Jet-Plasmabearbeitung von Werkstücken, beispielsweise solche Systeme, die sich hinsichtlich Größe, Orientierung und Parametrisierung unterscheiden, vergleichen, auslegen und steuern.
• Die Erfindung beruht nun auf der erstaunlichen Erkenntnis, dass die Jet-Plasmabearbeitung von Werkstücken, insbesondere das Jet-Plasmapolieren, innerhalb des bisher als nicht als verfahrensrelevant betrachteten Bereichs hoher Strömungsgeschwindigkeiten einen weiteren, stabilen Zustand aufweist, und sich dieser durch ein die geeignete Auswahl des Jet-Widerstands gezielt einstellen lässt. Dieser zweite, stabile Bearbeitungsbereich wird im Folgenden als hydrodynamische Stabilitätszone bezeichnet und zeichnet sich insbesondere durch eine deutlich erhöhte Bearbeitungsgeschwindigkeit aus. Erfindungsgemäß wird somit die gezielte Einstellung hydrodynamischer Eigenschaften eines zur Werkstückbearbeitung verwendeten Elektrolytstrahls, insbesondere des Volumenstroms, genutzt und basierend auf der Überwachung und/oder Einstellung des Jet-Widerstands derart geregelt, sodass eine sichere und qualitativ hochwertige Werkstückbearbeitung auch mit hohen Volumenströmen und somit in vergleichsweise kurzer Zeit erfolgen kann.
• Gemäß einer speziellen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die hydrodynamischen Eigenschaften des Elektrolytstrahls derart einzustellen, sodass sich aufgrund der Strömungsbedingungen während der Jet-Plasmabearbeitung zumindest im Bearbeitungsbereich, insbesondere im Bereich der Dampf-Plasmahaut, Zustandsparameter einstellen, die sich deutlich von den Zuständen im Tauchbad unterscheiden.
• Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird das Profil des auf die Phasengrenzfläche wirkenden Drucks etwa durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Volumenstroms des Elektrolyten, erhöht, sodass sich im Anschluss an die Einstellung eines ersten stabilen Bearbeitungsprozesses nach einer Übergangsphase an bekannten Instabilitäten ein zweiter stabiler Bearbeitungsprozess für die Jet-Plasmabearbeitung eines Werkstücks einstellt. Dieser zweite Bearbeitungsprozess, der auf einer vergleichsweise hohen Strömungsgeschwindigkeit bzw. einem hohen Volumenstrom des Elektrolytstrahl beruht, ist gekennzeichnet durch:
• die Ausbildung einer stabilen und aufgrund des Drucks, der durch den Elektrolytstrahl bewirkt wird, definiert komprimierten Dampf-Plasmahaut,
• vergleichsweise hohe Stromdichten auf der Oberfläche des Werkstücks und
• eine sonst nicht erreichbare hohe Material-Abtragrate ohne Qualitätsverluste.
• Auf vorteilhafte Weise lässt sich der zuvor beschriebene zweite Betriebszustand erreichen, indem der Jet-Widerstand auf einen Wert von maximal 1200 Ω · cm² eingestellt wird, bevorzugt auf einen Wert zwischen 400 Ω · cm² und 800 Ω · cm². Das Erreichen der hydrodynamischen Stabilitätszone, z. B. durch eine Reduzierung des Jet-Widerstands beginnend bei hohen Werten über 1200 Ω · cm², geht neben den oben genannten Eigenschaften in der Regel mit einer schlagartigen, milchigen Trübung des Elektrolytstrahls einher.
• Durch Einstellung des Jet-Widerstandes im Wertebereich gemäß der Erfindung wird ein Elektrolytstrahl erzeugt und in Richtung der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche ausgebracht, der die sich ausbildende Dampf-Plasmahaut derart komprimiert, dass sich ein stabiles Gleichgewicht zwischen plasmaelektrolytischen und elektrochemischen Abtrag einstellt. Gegenüber den bekannten Systemen erfolgt die Oberflächenbearbeitung hierbei mit vergleichsweise hohen elektrischen Stromdichten von bevorzugt 0,5 bis 1,0 A/cm², was zu einem Materialabtrag führt, der etwa sechs- bis zehnfach höher als bislang üblich ist. Es wird daher eine vergleichsweise schnelle Bearbeitung ermöglicht, die dennoch zu den gewohnt spiegelnden Glanz aufweisenden Oberflächen führt. Die angegebenen Jet-Widerstandswerte sind hierbei universell, und die resultierenden Messwerte für den elektrischen Widerstand abhängig von dem gewählten oder eingestellten Durchmesser des Elektrolytstrahls, der insbesondere durch eine geeignete Wahl des Ausbringungselements, besonders bevorzugt in Form einer kreisförmigen oder rechteckigen Düse, einstellbar ist.
• Gemäß der Erfindung ermöglicht ein Jet-Widerstand im Bereich von nicht mehr als 1200 Ω · cm² eine qualitativ hochwertige und reproduzierbare Werkstückbearbeitung durch plasmaelektrolytische Bearbeitung mit einem Elektrolytstrahl, also durch Jet-Plasmapolieren. Ebenso kann das Verfahren auch für das Entgraten oder Reinigen eingesetzt werden.
• Sobald die Strömungsgeschwindigkeit bzw. der durch den Elektrolytstrahl auf die Werkstückoberfläche und damit zumindest mittelbar auf die Dampf-Plasmahaut einwirkende Druck bzw. das Druckprofil zu hoch ist, wird die Dampf-Plasmahaut so komprimiert, dass sie ihre Funktion als Bearbeitungszone nicht mehr erfüllen kann. Das Ergebnis ist ein Strom-Zeit-Verlauf, der alternierend Zündströme im Bereich des Zehnfachen des Prozessstroms zur Ausbildung der Dampf-Plasmahaut und anschließend einen vollständigen Zusammenbruch aufzeigt. Hierdurch wird die hydrodynamische Stabilitätszone hinsichtlich der Werte für den Jet-Widerstand nach unten begrenzt.
• Bei der Jet-Plasmabearbeitung, insbesondere dem Jet-Plasmapolieren, wird bevorzugt eine Verstellung der Prozessspannung vorgenommen, während sich der Prozessstrom durch die Parameter des Prozesses ergibt. Entscheidend ist, dass eine sehr gleichmäßige Druckverteilung auf der Wirkfläche herrscht. Die Stabilität auch bei geringeren Jet-Widerständen wird deshalb durch größere Wirkflächen begünstigt. Die Wirkfläche liegt bevorzugt zwischen 0,8 cm² und 80 cm², besonders bevorzugt zwischen 5 cm² und 10 cm². Wird diese durch die Größe der Austrittsöffnung bestimmt, entsprechen 7 cm² etwa einer Runddüse mit 30 mm Durchmesser. Bei der bisherigen Jet-Plasmabearbeitung, insbesondere dem Jet-Plasmapolieren, in der quasi-hydrostatischen Stabilitätszone wäre mit einem Prozessstrom zwischen 0,8 A und 1,2 A zu rechnen, was einem Jet-Widerstand von 3.092 Ω · cm² bzw. 2.062 Ω · cm² entspricht. Zielwert für eine effiziente Jet-Plasmabearbeitung wäre jedoch nach den wesentlichen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens das Erreichen der hydrodynamischen Stabilitätszone, mithin das Erreichen eines Werts für den Jet-Widerstand der 1.200 Ω · cm² nicht übersteigt. Die Strömungsbedingungen werden bevorzugt vergleichsweise intensivier eingestellt, sodass nach Überwindung des ersten Instabilitätsgebiets ein stabiler Prozessstrom von 2,1 A erreicht wird, der in der Regel mit einer schlagartigen Trübung des Elektrolytstrahls einhergeht.
• Auch innerhalb der hydrodynamischen Stabilitätszone ist die Stabilität des Prozessstroms, charakterisiert durch dessen Schwankungsbreite im Zeitverlauf, nicht konstant. Vielmehr gibt es einen Teilbereich, welcher sich durch besonders hohe Prozessstromstabilität auszeichnet. Dessen Lage lässt sich vorzugsweise durch Veränderung des Systemaufbaus, des gewählten Elektrolyten sowie Werkstoff und Geometrie des bearbeiteten Werkstücks beeinflussen. Sind diese gegeben, kann die Lage durch eine Variation des Jet-Widerstands ermittelt werden.
• Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht deshalb vor, den Jet-Widerstand innerhalb der hydrodynamischen Stabilitätszone zuerst soweit zu reduzieren, bis der Prozessstrom eine bestimmte Schwankungsbreite im Zeitverlauf, vorzugsweise von 5 %, unterschreitet, und dann so lange weiter zu reduzieren, bis dieser das vorgegebene Schwankungsintervall wieder erreicht. So wird sichergestellt, dass die Bearbeitung bei höchstmöglicher Geschwindigkeit, aber dennoch stabil erfolgt. Besonders bevorzugt erfolgt so eine weitere Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Volumenstroms des Elektrolytstrahls und damit Erhöhung des auf die Phasengrenze des Dampf-Plasmahaut wirkenden Drucks bzw. Druckverlaufs oder Druckprofils in den Bereich für den Jet-Widerstand von 400 Ω · cm² bis 800 Ω · cm², mithin im genannten Beispiel 3,1 A bis 6,2 A Prozessstrom.
• Auf bevorzugte Weise wird zum Erreichen der hydrodynamischen Stabilitätszone eine vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolytstrahls, bzw. ein hoher Volumenstrom bei gleicher Wirkfläche eingestellt. Dieser Volumenstrom sollte für gleiche Prozessbedingungen abhängig von der Größe der Austrittsöffnung gewählt werden. Im bekannten Stand der Technik werden bezogen auf 1 cm² Fläche der Austrittsöffnung Werte für den Volumenstrom des Elektrolyten im Bereich von 5,3 bis 10,6 l/h ( RU2681239C1 ) und 1,1 l/h ( EP0955393A1 ) vorgeschlagen. Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung sind zum Erreichen der hydrodynamischen Stabilitätszone hingegen, ebenso normalisiert, Werte für den Volumenstrom von 100 l/h bis 400 l/h, bevorzugt 250 l/h bis 300 l/h vorgesehen. Bei Einsatz einer Düse zur Ausbringung des Elektrolytstrahls, die eine Austrittsöffnung mit einem Durchmesser von 30 mm und somit eine Austrittsfläche von ca. 7,1 cm² aufweist, wird bevorzugt ein Volumenstrom im Bereich von 1.775 bis 2.130 l/h, z. B. 2.000 l/h eingestellt.
• In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Stromstärke des von der elektrischen Energiequelle bereitgestellten Stroms gemessen und die Strömungsbedingungen in Abhängigkeit eines Sollwerts für die Jet-Widerstandsdichte verändert und/oder eingestellt wird. Dies erfolgt beispielsweise durch die Regelung einer Pumpendrehzahl.
• Das Erreichen der hydrodynamischen Stabilitätszone durch Unterschreiten des Jet-Widerstands von 1200 Ω · cm² wird in der Regel durch eine Veränderung der optischen Eigenschaften es Elektrolytstrahls, insbesondere eine schlagartige, milchige oder auch farbige Trübung begleitet. In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist es deshalb vorgesehen, dass mindestens eine optische Eigenschaft des Elektrolyten stromabwärts der Elektrode (6), insbesondere eine schlagartige Trübung, absolut oder in Relation zu einem anderen Messpunkt im System gemessen und wenigstens eine Strömungseigenschaft des Elektrolytstrahls in Abhängigkeit eines Sollwerts für den Jet-Widerstand verändert und/oder eingestellt wird. Der weitere Messpunkt kann sich z. B. im Bereich der Pumpe befinden, und durch eine relative Betrachtung beider Messungen die Eliminierung sonstiger optischer Einflüsse wie z. B. Abtragsprodukte erlauben.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die vom Elektrolytstrahl beaufschlagte Oberfläche mit wenigstens einem stromabwärts einer Ausbringungsöffnung der Ausbildungseinheit angeordneten Begrenzungselement begrenzt wird. Ein derartiges Begrenzungselement kann über eine bevorzugt bewegbar angeordnete Dichtlippe verfügen, die den Bearbeitungsbereich zumindest abschnittsweise und/oder zeitweise auf eine maximal benötigte Größe oder Form begrenzt. Ebenso ist es alternativ oder in Ergänzung denkbar, andere Mittel zur Begrenzung des vom Elektrolytstrahl beaufschlagten Bearbeitungsbereich, in dem sich eine Dampf-Plasmahaut ausbildet, zu begrenzen.
• In diesem Zusammenhang sieht eine spezielle Weiterbildung vor, dass mithilfe einer Druckluftquelle wenigstens zeitweise ein Druckluftstrahl, z. B. in Form eines Druckluftvorhangs, in Richtung des Elektrolytstrahls, insbesondere im Bereich der zu bearbeiteten Werkstückfläche geleitet wird und so die Form und/oder Ausrichtung des Elektrolytstrahls aktiv beeinflusst wird. Denkbar ist in diesem Zusammenhang auch dass zumindest zeitweise ein Luftstrom mit Umgebungsluftdruck, also nicht komprimiert, verwendet wird.
• Von besonderem Vorteil für die Erfindung ist es, wenn der Elektrolytstrahl bezogen auf eine Austrittsöffnung der Ausbringungseinheit mit einer Fläche von 1 cm² mit einem Volumenstrom von 100 bis 400 l/h, insbesondere von 250 l/h bis 300 l/h aus der Ausbringungseinheit in Richtung der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche ausgebracht wird. Mithilfe einer Versorgungseinheit wird die benötigte Menge des Elektrolyten, beispielsweise aus einem Elektrolytvorratsbehälter, in Richtung der Ausbringungseinheit gefördert, in der dann eine Strahlformung und letztendlich Ausbringung eines Elektrolytstrahls mit dem zuvor genannten Volumenstrom aus einer Austrittsöffnung erfolgt.
• In einer speziellen Ausgestaltung Erfindung ist vorgesehen, dass mit dem aus der Ausbringungseinheit austretenden Elektrolytstrahl während der Bearbeitung zeitgleich eine Fläche von 0,8 cm² bis 80 cm² der Oberfläche des Werkstücks beaufschlagt und so materialabtragend bearbeitet wird.
• Gemäß einer speziellen Weiterbildung der Erfindung wird ein Elektrolytstrom stromaufwärts einer Ausbringungsöffnung der Ausbringungseinheit, bevorzugt der Ausbringungsöffnung einer Düse, zur Erzeugung von Solleigenschaften des aus der Ausbringungsöffnung austretenden Elektrolytstrahls zumindest zeitweise gestaut. Dies ist insbesondere dann eine bevorzugte Ausführung, wenn der sich die durch die Gravitation ergebende Strömungsgeschwindigkeit bereits zu hoch für die hydrodynamische Stabilitätszone ist.
• Die Ausbringungseinheit verfügt hierfür über wenigstens ein geeignetes Stauelement, das beispielsweise in Form einer Querschnittsverengung, einer speziellen Beschichtung einer Innenwand des den Elektrolyten fördern Strömungskanals, eines Gitters, eines offenporigen Schwamms, eines Tesla-Ventils oder eines gezielt bewegbaren Elements, etwa eines Ventilverschlusses zur Ein- und Auskopplung solcher Stauelemente in den Elektrolytfluss ausgebildet ist. Eine derartige zumindest zeitweise Aufstauung des Elektrolyten innerhalb der Ausbringungseinheit führt dazu, dass stromaufwärts des jeweils verwendeten Stauelements der hydrodynamische Druck erhöht und die Strömungsgeschwindigkeit auf einen definierten Wert reduziert wird, während sich stromabwärts des Stauelements wiederum eine freie Veränderung, insbesondere Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit durch die Gravitation ergibt. Ist die Entfernung zwischen Stauelement und Oberfläche des Werkstücks klein, kann so erreicht werden, dass die an der Phasengrenzfläche herrschende Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten nahezu der durch das Stauelement eingestellten Strömungsgeschwindigkeit entspricht.
• Auf besonders vorteilhafte Weise ist das wenigstens eine Stauelement derart ansteuerbar, dass die Stauwirkung des Stauelementes und damit die durch das Stauelement auf den Elektrolytstrom erfolgende Beeinflussung der Strömungseigenschaften gezielt und bedarfsgerecht in Abhängigkeit der gewünschten Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere des im Bearbeitungsbereich herrschenden Ist-Jet-Widerstands und/oder eines Soll-Jet-Widerstands eingestellt wird.
• Im Weiteren sieht eine spezielle Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Versorgungseinheit und/oder die Ausbringungseinheit über geeignete Mittel verfügt, um eine gezielte Einstellung bzw. Beeinflussung von Eigenschaften des Elektrolytstrahls zu bewirken. Hierbei ist es denkbar, dass die Strömungseigenschaften, insbesondere der Volumenstrom, dessen Strömungsgeschwindigkeit oder auch die Zusammensetzung des Elektrolytstrahls aktiv verändert wird oder werden, beispielsweise, um die Strömungsform des Elektrolyten zu verändern, insbesondere Turbulenzen zu erzeugen, Gase einzubringen oder Verunreinigungen zu entfernen.
• Auf besonders vorteilhafte Weise erfolgt eine entsprechende Anpassung der Eigenschaften des Elektrolytstrahls durch die Versorgungseinheit und/oder die Ausbringungseinheit in Abhängigkeit eines Steuersignals, das in der Steuereinheit unter Berücksichtigung eines Ist- oder Sollwerts des Jet-Widerstands, insbesondere im Bereich der Bearbeitungsfläche, erzeugt wird.
• Gemäß einer weiteren speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausbringungseinheit oder zumindest die Ausbringungsöffnung mittelbar oder unmittelbar mit einer Bewegungseinheit verbunden, durch die eine gezielte Bewegung der Ausbringungseinheit, insbesondere der Ausbringungsöffnung, initiierbar ist. Auf vorteilhafte Weise ermöglicht dies eine Bewegung der Ausbringungseinheit, insbesondere der Ausbringungsöffnung, beispielsweise in drei Raumrichtungen, um so eine gezielte und bedarfsgerechte Bearbeitung auch von Werkstücken mit komplizierter Bauteilgeometrie zu realisieren. Wesentlich ist wiederum, dass auch bei einer auf geeignete Weise bewegbaren Ausbringungseinheit mit ihrer Ausbringungsöffnung ein Elektrolytstrahl erzeugt und auf die Werkstückoberfläche ausgebracht wird, dessen Jet-Widerstand einen Wert von maximal 1200 Ω · cm² annimmt. Wird durch die Bewegung die Orientierung der Ausbringungseinheit im Raum geändert, insbesondere durch Drehen, Kippen oder Neigen, sieht eine speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, die Strömungseigenschaften des Elektrolytstrahls durch eine Steuereinheit derart zu verändern, dass der Jet-Widerstand trotz Orientierungsänderung konstant bleibt.
• Neben einem Verfahren betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung eines Werkstücks mithilfe eines Elektrolytstrahls, also eine Vorrichtung zum Jet-Plasmapolieren. Die Vorrichtung ist derart ausgeführt, dass sie das erfindungsgemäße Verfahren mit oder ohne wenigstens eines der zuvor beschriebenen speziellen Ausgestaltungen ausführen kann.
• In einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zumindest ein Messelement zur Erfassung einer Stärke des durch den Elektrolytstrahl fließenden Prozessstroms, wenigstens ein Element zur Bestimmung des aktuellen Ist-Jet-Widerstandes und eine Steuereinheit vorgesehen, durch die in Abhängigkeit eines Soll-Jet-Widerstandes sowie des Ist-Jet-Widerstandes die Stärke des Prozessstroms veränderbar und/oder einstellbar ist. Von besonderem Vorteil für das erfindungsgemäße Verfahren zur Erreichung des gewünschten Jet-Widerstandes ist es, wenn die hydrodynamischen Eigenschaften des Elektrolytstrahls, insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Volumenstrom, verändert werden, sodass der auf die Dampf-Plasmahaut einwirkende Druck und auch die Stärke es im Elektrolytstrahl fließenden Stroms ansteigt. Wesentlich ist wiederum, dass die Vorrichtung über geeignete Mittel verfügt, insbesondere wenigstens eine Messeinheit, eine Steuereinheit sowie eine Ausbringungseinheit, durch die ein Elektrolytstrahl in Richtung der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche ausbringbar ist, sodass sich im Elektrolytstrahl ein Jet-Widerstand von maximal 1200 Ω · cm² einstellt. Sobald ein derartiger Wert des Jet-Widerstandes erreicht wird, ist eine besonders schnelle Bearbeitung der Oberfläche bei gleichbleibender Qualität möglich. Dies ist wiederum darauf zurückzuführen, dass ein Elektrolytstrahl mit vergleichsweise hoher Strömungsgeschwindigkeit in Richtung der Werkstückoberfläche ausgebracht wird, beim Auftreffen dort ein vergleichsweise hohes Druckprofil erzeugt und ein Zustand erreicht wird, bei dem sich die für die Bearbeitung der Werkstückoberfläche benötigte Dampf-Plasmahaut in einem komprimierten, aber wieder stabilen Zustand befindet.
• Im Weiteren ist es besonders vorteilhaft, wenn die Ausbringungseinheit über eine Gitterstruktur und/oder eine Düse mit einem Teslaventil und/oder andere staudruckerzeugende Strukturen zur Beeinflussung von Strömungseigenschaften des Elektrolytstrahls verfügt, die stromaufwärts oder an einer Ausbringungsöffnung der Ausbringungseinheit angeordnet ist oder sind.
• Gemäß einer weiteren speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausbringungseinheit oder zumindest die Ausbringungsöffnung mittelbar oder unmittelbar mit einer Bewegungseinheit, durch die eine gezielte Bewegung der Ausbringungseinheit, insbesondere der Ausbringungsöffnung, initiierbar ist. Auf vorteilhafte Weise ermöglicht eine derartige Bewegungseinheit eine Bewegung der Ausbringungseinheit, insbesondere der Ausbringungsöffnung, beispielsweise in drei Raumrichtungen, um so eine gezielte und bedarfsgerechte Bearbeitung auch von Werkstücken mit komplizierter Bauteilgeometrie zu realisieren. Besonders bevorzugt wird als Bewegungseinheit ein Industrieroboter mit einem Roboterarm eingesetzt, durch den die Ausbringungseinheit, insbesondere die Ausbringungsöffnung, schnell und mit hoher Genauigkeit im Raum relativ zum zu bearbeiten Werkstück positionierbar und bewegbar ist. Wesentlich ist wiederum, dass auch bei einer auf geeignete Weise bewegbaren Ausbringungseinheit mit ihrer Ausbringungsöffnung ein Elektrolytstrahl erzeugt und auf die Werkstückoberfläche ausgebracht wird, dessen Jet-Widerstand einen Wert von maximal 1200 Ω · cm² annimmt.
• Eine weitere Ausführungsform Erfindung sieht vor, dass eine Druckluftquelle und eine Druckluftausbringungseinheit vorgesehen sind, wobei durch die Druckluftquelle Druckluft erzeugt und durch die Druckluftausbringungseinheit, insbesondere in Form einer Düse, in Richtung des Elektrolytstrahls und/oder der mit dem Elektrolytstrahl beaufschlagten Oberfläche ausbringbar ist. Die Druckluftquelle und die Druckluftausbringungseinheit sind bevorzugt derart ausgeführt, dass Druckluft, insbesondere in Form eines Druckluftstrahls oder Druckluftvorhangs, gezielt hinsichtlich Positionierung und Volumenstrom steuerbar in Richtung des Elektrolytstrahls ausbringbar ist, sodass dessen Form und Strömungseigenschaften durch das Auftreffen des Druckluftstrahls aktiv beeinflusst werden. Die Ausrichtung des Druckluftstrahls und/oder der Druckluftvolumenstrom werden wiederum bevorzugt von der zentralen Steuereinheit unter Berücksichtigung der Werkstückeigenschaften, der Werkstückgeometrie des zu bearbeitenden Werkstücks und der Eigenschaften des Elektrolytstrahls, also dessen Zusammensetzung und/ oder insbesondere des Jet-Widerstands eingestellt.
• Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand spezieller Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1:

Schematische Seitenansicht einer Düse während der plasmaelektrolytischen Bearbeitung einer Werkstückoberfläche,

Fig. 2:

Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Prozessstroms während der plasmaelektrolytischen Bearbeitung einer Werkstückoberfläche bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Prozessführung sowie

Fig. 3:

Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Prozessstroms bei der plasmaelektrolytischen Bearbeitung einer Werkstückoberfläche bei einer erfindungsgemä-ßen Prozessführung.

• Fig. 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung 1 zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung, vorzugsweise zum Entgraten und/oder Polieren, einer Oberfläche 2 eines Werkstücks 3. In der Darstellung gemäß Fig. 1 sind zur Wahrung einer besseren Übersichtlichkeit lediglich die Ausbringungseinheit 4 sowie das zu bearbeitende Werkstück 3 während der Bearbeitung der Werkstückoberfläche 2 dargestellt. Im Weiteren sind ebenfalls lediglich schematisch eine Versorgungseinheit 5, die den verwendeten Elektrolyten bedarfsgerecht zur Austrittsöffnung fördert, ein Vorratsbehälter 16 zur Bevorratung eines Elektrolyten, eine elektrische Energiequelle 7, die die zur Erzeugung einer Dampf-Plasmahaut erforderliche Spannung erzeugt und eine Steuereinheit 9, durch die die benötigte Ansteuerung der einzelnen Anlagenkomponenten erfolgt, dargestellt.
• Mit der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 1 zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung wird die Oberfläche 2 des zu bearbeitenden Werkstücks mit Hilfe eines auf der Werkstückoberfläche 2 erzeugten Plasmas poliert. Hierfür stellt die Versorgungseinheit 5 aus einem Vorratsbehälter an einer Austrittsöffnung 10 einer Ausbringungseinheit 4 zu Verfügung, sodass ein Elektrolytstrahl in Richtung der Werkstückoberfläche 2 ausgebracht wird und auf diese auftrifft. Zwischen der Elektrode 6, die gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel Teil der Ausbringungseinheit 4 ist, und der Oberfläche 2 des Werkstücks 3 wird eine Spannung angelegt, die derart gewählt wird, dass sich im Bereich der zu bearbeitenden Oberfläche eine Dampf-Plasmahaut bildet. Hierbei erfolgt der gewünschte Materialabtrag von der Oberfläche, wobei Oberflächenrauigkeiten R_a von bis zu 0,02 µm erreichbar sind. Mit Hilfe der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung und dem im Folgenden näher erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren ist es auf vorteilhafte Weise möglich, auch bei Bauteilen mit komplexer Bauteilgeometrie im Wege der plasmaelektrolytischen Oberflächenbearbeitung qualitativ besonders hochwertige Oberflächen in vergleichsweise kurzer Zeit herzustellen. Es ist somit im Vergleich zu bekannten Verfahren möglich, die Anzahl der in einer Zeiteinheit bearbeiteten Werkstücke ohne Qualitätseinbuße zu erhöhen und somit die Effektivität und Wirtschaftlichkeit der Werkstückbearbeitung zu verbessern.
• Die Versorgungseinheit 5 führt einer Ausbringungseinheit 4 mit einer Austrittsöffnung 10 den zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung einer Werkstückoberfläche 2 benötigten Elektrolyten zu. Die Versorgungseinheit 5 verfügt hierbei über eine Pumpe, die während des Betriebs den Elektrolyten nahezu pulsationsfrei aus einem Vorratsbehälter 16 zu der Austrittsöffnung 10 der Ausbringungseinheit 4 fördert.
• Die Förderung des Elektrolyten beginnt, nachdem das Werkstück 3, dessen Oberfläche 2 bearbeitet werden soll, in der Bearbeitungsposition fixiert wurde, wobei ein Elektrolytstrahl aus der Austrittsöffnung 10 auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche 2 auftrifft. Hierbei wird der in dem Vorratsbehälter 16 bevorratete Elektrolyt mithilfe eines Heizelementes 18 vorerwärmt und dann über die Elektrolytzufuhr 13 mittels einer Pumpe zur Austrittsöffnung 10 gefördert, wobei generell verschiedene Stellelemente 8, insbesondere Ventile, und/oder sonstige Mittel zur Beeinflussung der Strömungseigenschaften des Elektrolyten vorgesehen sind oder vorgesehen sein können.
• Die gezeigte Vorrichtung 1 verfügt im Übrigen über eine Steuereinheit 9, mit der die Versorgungseinheit 5, eine als Spannungsquelle eingesetzte elektrische Energiequelle 7 sowie die jeweils vorgesehenen Stellelemente 8, wie etwa Ventile, die im Folgenden nicht näher erläutert werden, bedarfsgerecht angesteuert werden können. Wesentlich für die erfindungsgemäße Lösung ist, dass die hydrodynamischen Eigenschaften des Elektrolytstrahls, gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Volumenstrom, bedarfsgerecht verändert werden. In diesem Zusammenhang ist erkannt worden, dass durch die geeignete Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Volumenstroms des aus der Austrittsöffnung 10 austretenden Elektrolytstrahls die Bildung und Form der Dampf-Plasmahaut aufgrund einer leichten Komprimierung derart auf vorteilhafte Weise beeinflussbar ist, dass sich eine besonders stabile Dampf-Plasmahaut ausbildet, die nicht nur eine qualitativ hochwertige, sondern auch eine vergleichsweise schnelle Bearbeitung einer Werkstückoberfläche sicherstellt.
• Während des Bearbeitungsvorgangs wird zwischen der Elektrode 6, die gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel Teil der Ausbringungseinheit 4 ist und durch ein Rohrstück gebildet wird, dessen Ende die Austrittsöffnung 10 bildet, und der Werkstückoberfläche 2 eine Gleichspannung angelegt. Erfindungswesentlich ist in diesem Zusammenhang, dass als Regelgröße des Bearbeitungsprozesses der Jet-Widerstand verwendet wird, der dem Produkt aus dem jeweils während der Bearbeitung im Bearbeitungsbereich, also dem Spalt zwischen Elektrode 6 und Werkstückoberfläche 2, herrschenden elektrischen Widerstand und der Wirkfläche entspricht. Bei der Wirkfläche handelt es sich um die für die Bearbeitung wirksame Fläche, die in den meisten Fällen der Querschnittsfläche der Austrittsöffnung 10 entspricht. Lediglich in Bearbeitungsfällen, in denen die zu bearbeitende, vom Elektrolytstrahl überspülte Fläche kleiner als die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung 10 ist, entspricht die Wirkfläche A der Größe der bearbeiteten Werkstückoberfläche. Gemäß der Erfindung wird der Widerstand aus der Spannung, die von der elektrischen Energiequelle 7 erzeugt und separat gemessen wird und dem im Bearbeitungsbereich fließenden Strom, der gemessen wird, ermittelt und unter Berücksichtigung der Wirkfläche A, gemäß dem hier erläuterten Ausführungsbeispiel der Querschnittsfläche der Austrittsöffnung 10, der aktuelle Jet-Widerstand berechnet. Gemäß der Erfindung werden die relevanten Betriebsparameter, insbesondere der Volumenstrom des Elektrolytstrahls stets derart eingestellt, dass der Jet-Widerstand während der Bearbeitung des Werkstücks einen Wert von 1200 Ω · cm² nicht überschreitet.
• Sobald dieser Wert des Jet-Widerstandes nicht überschritten wird, bildet sich eine vergleichsweise stabile Dampf-Plasmahaut aus, die auch über einen längeren Zeitraum eine vergleichsweise schnelle plasmaelektrolytische Bearbeitung einer Werkstückoberfläche 2 gewährleistet.
• Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Bearbeitung des Werkstücks 3 mit einem Elektrolytstrahl, wobei die Austrittsöffnung 10 einen Durchmesser von 20 mm aufweist, durch die ein Elektrolytstrahl mit einem Volumenstrom von 1200 bis 2200 l/h in Richtung des Werkstücks ausbringbar ist.
• Zu Beginn der Bearbeitung wird mit Hilfe der elektrischen Energiequelle 7 eine Spannung von 310 V angelegt und der Volumenstrom des Elektrolytstrahls derart eingestellt, dass im Spalt zwischen Elektrode 6 und Werkstückoberfläche und somit im Bereich der sich ausbildenden Dampf-Plasmahaut eine Stromstärke von 2,0 A gemessen wird. In der Steuereinheit wird aus der angelegten Spannung und der Stärke des im Bearbeitungsbereich fließenden Stroms ein elektrischer Widerstand von 155 Ω und unter Berücksichtigung des Durchmessers der Austrittsöffnung von 20 mm eine Wirkfläche von A = 3,14 cm², die in diesem Fall der Querschnittsfläche der Austrittsöffnung entspricht, ermittelt.
• Die Stärke des im Bearbeitungsbereich fließenden Stroms ist spezifisch für die jeweils gewählte Düse. Wird eine größere Düse als im beschriebenen Ausführungsbeispiel bei ansonsten gleichen Bedingungen verwendet, etwa mit einem Durchmesser vom 30 mm, wird der im Bearbeitungsbereich fließende elektrische Strom ebenfalls höher ausfallen.
• Aus den in der Steuereinheit ermittelten Werten für die Wirkfläche A von 3,14 cm² und dem elektrischen Widerstand von 155 Ω wird ein Jet-Widerstand JW = R * A in Höhe von 487 Ω · cm² ermittelt. Dieser Wert liegt unterhalb des erfindungsgemäß vorgesehenen Grenzwerts von 1200 Ω · cm² und innerhalb der hydrodynamischen Stabilitätszone. Es ist folglich in diesem Fall davon auszugehen, dass sich eine stabile, komprimierte Dampf-Plasmahaut im Bearbeitungsbereich an der Werkstückoberfläche ausbildet.
• Würde anstelle einer Ausbringungseinheit mit einer Austrittsöffnung, die einen Durchmesser von 20 mm aufweist, eine Austrittsöffnung mit einem Durchmesser von 30 mm verwendet werden, erhöht sich die Wirkfläche auf A = 7,1 cm². Unter der Annahme, dass der Jet-Widerstand ebenso 487 Ω · cm² beträgt, ergibt sich für den elektrischen Widerstand in diesem Fall ein Wert von 68,6 Ω, sodass im Bearbeitungsbereich ein Strom mit einer Stärke von I = U/R = 4,5 A fließt. Hieraus lässt sich ableiten, dass sofern die von der elektrischen Energiequelle erzeugte elektrische Spannung 310 V beträgt und der Volumenstrom des Elektrolytstrahls bei Verwendung einer Austrittsöffnung mit einem Durchmesser von 30 mm so eingestellt wird, dass im Bearbeitungsbereich eine Stärke für den hier fließenden Strom von 4,6 A gemessen wird, die gleichen Bedingungen im Bearbeitungsbereich und der Dampf-Plasmahaut herrschen, wie sie zuvor bei Einsatz einer Austrittsöffnung mit einem Durchmesser von 20 mm und geänderten Volumenstrom des Elektrolytstrahls erreicht wurden. Dis lässt sich leicht anhand des ermittelten Jet-Widerstandes ableiten, der in beiden Fällen gleich ist und somit auf vorteilhafte Weise einen Wert darstellt, der Verfahren zur plasmaelektrolytischen Werkstückbearbeitung, die unterschiedliche Prozessparameter und/oder Anlagenkonfigurationen nutzen, vergleichbar macht.
• Sobald der Elektrolytstrahl auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche 2 auftrifft, kommt es zu einer Gas- bzw. Dampfbildung und es bildet sich auf der Oberfläche 2 eine Dampf-Plasmahaut aus, unter der es zu dem gewünschten Materialabtrag kommt. Nachdem der Elektrolyt auf die Werkstückoberfläche 2 aufgetroffen ist, wird dieser mittels einer Elektrolytabfuhr 14 der Versorgungseinheit 5 abgesaugt und einer Aufbereitungseinheit 15 zur Elektrolytaufbereitung zugeführt. Hier werden in einem ersten Schritt mithilfe eines Zyklonfilters Schwebteilchen entfernt. Daraufhin wird mittels wenigstens einer Sensoreinheit 17 die Trübung, der pH-Wert sowie die elektrische Leitfähigkeit des abgeführten Elektrolyten gemessen. Sollte der Elektrolyt besonders stark verschmutzt sein, wird über eine Dosiereinheit aus einem Tank ein Fällungsmittel zudosiert, um so eine Fällungsreaktion im Elektrolyten zu bewirken, und der Elektrolyt in einen separaten Aufbereitungstank umgepumpt. Weiterhin wird in Abhängigkeit der erfassten Messwerte für die Leitfähigkeit und den pH-Wert des Elektrolyten bei Bedarf Salz und/oder ein pH-Regulator aus entsprechenden Vorratsbehältern mit geeigneten Dosiereinheiten 19 zudosiert. Im Anschluss daran gelangt der aufbereitete Elektrolyt wieder in den Vorratsbehälter 16. Im Bereich des Vorratsbehälters 16 sind ein Temperatursensor 20 und ein Heizelement 18 vorgesehen, sodass der Elektrolyt stets auf die benötigte Temperatur erwärmt wird, bevor dieser der Ausbringungseinheit 4 mit der Mehrzahl von Austrittsöffnungen 10 zugeführt wird.
• Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Bearbeitung der Werkstückoberfläche 2, indem das Werkstück 3 im Bereich der Ausbringungseinheit 4 der erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtung 1 fixiert bzw. eingespannt wird. Das Werkstück 3 wird somit zu seiner Bearbeitung in die hierfür vorgesehene Position eingefahren und in dieser Position fixiert. Im Anschluss daran werden die Ausbringungseinheit mit der Austrittsöffnung 10 in ihre Bearbeitungsposition ausgefahren.
• Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung einer Werkstückoberfläche 2, wie es mit der in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, sowie dessen Unterschiede und Vorteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren mit Hilfe der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Grafiken näher erläutert. Hierbei sind die während des Bearbeitungsverfahrens gewählten Betriebsparameter, aus denen sich die Größe des Jet-Widerstandes ergibt, wesentlich für die Erfindung, da erkannt wurde, dass bei einem Jet-Widerstand während der plasmaelektrolytischen Bearbeitung, der einen Wert von 1200 Ω · cm² nicht überschreitet, eine komprimierte, aber dennoch besonders stabile Dampf-Plasmahaut erzeugt und damit eine vergleichsweise schnelle und qualitativ hochwertige plasmaelektrolytische Bearbeitung einer Werkstückoberfläche 2 realisierbar ist. Wird ein Betriebszustand erreicht, bei dem aufgrund der gewählten Parameter, insbesondere eines vergleichsweise hohen Volumenstroms die Dampf-Plasmahaut zu stark komprimiert wird und es zumindest zeitweise zu einem direkten Kontakt des Elektrolyten mit der Werkstückoberfläche kommt, findet keine plasmaelektrolytische Werkstückbearbeitung im Sinne der Erfindung mehr statt, da keine stabile Dampf-Plasmahaut und damit kein stabiler Bearbeitungsprozess vorliegt. Der Übergang aus einem stabilen plasmaelektrolytischen Bearbeitungszustand in einen Betriebszustand, bei dem die Dampf-Plasmahaut sehr stark komprimiert und zeitweise zerstört wird ist durch einen sprunghaften Anstieg der Stärke des im Bearbeitungsbereich fließenden Stroms um das 10- bis 20-fache gekennzeichnet. Entsprechend ist davon auszugehen, dass bei einem Jet-Widerstand unterhalb von 200 Ω · cm², insbesondere unterhalb von 150 Ω · cm² und ganz bestimmt unterhalb von 100 Ω · cm² kein stabiler plasmaelektrolytischer Bearbeitungsprozess im Sinne der Erfindung realisierbar ist.
• In Fig. 2 sind in den drei Teilansichten a), b) und c) jeweils der zeitliche Verlauf der Stärke des im Bearbeitungsbereich während der plasmaelektrolytischen Bearbeitung der Werkstückoberfläche fließenden elektrischen Stroms in Diagrammen aufgetragen, wobei die hier verwendeten Parameter bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren eingesetzt werden. Die Bearbeitung unterscheidet sich in den drei in Fig. 2 a), b), und c) dargestellten Betriebssituationen durch den jeweils eingestellten Volumenstrom des Elektrolytstrahls. So zeigt die Kurve gemäß. Fig. 2 a) den zeitlichen Verlauf der Stromstärke bei einem Volumenstrom des Elektrolytstrahls von 12 l/h, Fig. 2 b) bei einem Volumenstrom von 65 l/h und Fig. 2 c) bei einem Volumenstrom von 520 l/h. Es wurde eine Ausbringungseinheit mit einer Austrittsöffnung eingesetzt, die eine Querschnittsfläche von 10 cm² aufweist, was einem Durchmesser von 35,7 mm entspricht. Die im Weiteren zu berücksichtigende Wirkfläche nimmt somit einen Wert von 10 cm² an.
• Bei einer Bearbeitung gemäß Fig. 2 a) ist eine deutliche Schwankung der Stärke des im Bearbeitungsbereich fließenden Stroms zu beobachten, hier zwischen 1 A und 5 A. Hieraus lässt sich ableiten, dass bei diesem Betriebszustand, also einer von der elektrischen Energiequelle erzeugten Spannung von 310 V und einem Elektrolytstrahl mit einem Volumenstrom von 12 l/h, keine stabile Dampf-Plasmahaut im Bearbeitungsbereich erzeugbar ist. Bei einer solchen, geringen Strömungsgeschwindigkeit kann sich aufgrund des lokalen thermischen Energieeintrags des Jet-Plasmapolierens in den Elektrolyten keine stabile Temperatur ausbilden. Das System verhält sich wie ein lokal überhitztes Elektrolytbad.
• Wird nun der Volumenstrom des Elektrolytstrahl auf 65 l/h erhöht, fließt im Bearbeitungsbereich ein Strom mit einer zumindest nahezu konstanten Stromstärke von etwa 1,1 A, wie es in Fig. 2 b) dargestellt ist. Bei diesen Betriebsparametern wird eine stabile Dampf-Plasmahaut im Bearbeitungsbereich an der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche 2 erzeugt, die durch die geringe Elektrolytströmung nur minimal beeinflusst wird. Das System befindet sich in der quasi-hydrostatischen Stabilitätszone und das ausgewogene Zusammenspiel zwischen elektrochemischen und plasmaphysikalischen Abtrag, welches für die einzigartigen Oberflächenergebnisse beim Plasmapolieren sorgt, kann sich einstellen. Bei den gemäß Fig. 2 b) gewählten Betriebsparametern nimmt der Jet-Widerstand einen Wert von 2818 Ω · cm² an und übersteigt daher den erfindungsgemäß vorgesehenen Grenzwert deutlich. Wird der Volumenstrom in diesem System wiederum auf einen Wert von 520 l/h erhöht, zeigt Fig. 2 c) eine auftretende, pulsartige Instabilität des Prozessstroms im Zeitverlauf. Diese wurde bisher zum Anlass genommen, das Prozessfenster des Jet-Plasmapolierens auf die hydrodynamische Stabilitätszone zu begrenzen.
• Daraus lässt sich ableiten, dass sich mit den vorgenannten Betriebsparametern, insbesondere einem Elektrolytstrahl mit einem Volumenstrom von 65 l/h, zwar eine stabile Dampf-Plasmahaut erzeugen lässt. Jedoch weist diese, wie von den Erfindern erkannt wurde, nur mit dem klassischen Bad-Prozess vergleichbare Bearbeitungsgeschwindigkeiten auf und ist somit regelmäßig mit sehr langen Taktzeiten als Summe der lokalen Bearbeitungszeiten verbunden. Eine Bearbeitung bei einem höheren Volumenstrom ist dem Stand der Technik deutlich überlegen, da hier ein schnellerer Materialabtrag erreicht werden kann. In diesem Zusammenhang wurde von den Erfindern erkannt, dass sobald die Betriebsparameter, insbesondere der Volumenstrom des Elektrolytstrahls, derart gewählt werden, dass sich ein Jet-Widerstand von maximal 1200 Ω · cm² einstellt, eine zweite Stabilitätszone erreicht wird. Dieser als hydrodynamische Stabilitätszone bezeichnete Bereich ermöglicht eine besonders effektive und schnelle plasmaelektrolytische Bearbeitung einer Werkstückoberfläche, da sich eine besonders stabile, auf zulässige Weise komprimierte Dampf-Plasmahaut im Bearbeitungsbereich ausbildet.
• Beispielhaft zeigen die in Fig. 3 in den Teilansichten a), b) und c) den zeitlichen Verlauf der Stromstärke bei einer konsequenten Fortsetzung der Erhöhung des Volumenstroms, insbesondere bei einer erfindungsgemäßen Wahl der Betriebsparameter. Fig. 3 a) zeigt den zeitlichen Verlauf der Stromstärke bei Nutzung einer Ausbringungseinheit, die ebenso wie in Fig. 2 eine Austrittsöffnung mit einer Querschnittsfläche von etwa 10 cm² aufweist, und Ausbringung eines Elektrolytstrahls mit einem Volumenstrom von 1300 l/h. Wie das Diagramm zeigt, nimmt die Stromstärke bei einer von der elektrischen Energiequelle erzeugten Spannung von ebenso 310 V einen Wert an, der bei ca. 2,6 A liegt und sich nur leicht über die Zeit verändert. Überraschend schwankt der Wert nur gering, sofern der Elektrolyt durch das System gleichmäßig und pulsationsarme ausgebracht wird. Die in Fig. 2 c) gezeigte Instabilität ist überwunden und die hydrodynamische Stabilitätszone erreicht, die eine effektive Bearbeitung mit der sich ausbildenden, komprimierten Dampf-Plasmahaut ermöglicht. Der Jet-Widerstand liegt in diesem Fall bei 1192 Ω · cm², somit knapp unterhalb des erfindungsgemäß vorgesehenen Maximalwerts von 1200 Ω · cm². In der Regel ist mit dem Unterschreiten dieser Grenze eine schlagartige, milchige oder auch farbige Trübung des Elektrolytstrahls verbunden. Wie stark sich die zwischen beiden Stabilitätsgebieten liegende Instabilität ausprägt, ist abhängig von den Prozessparametern, insbesondere der Kombination aus Werkstoff und Elektrolyt sowie der Prozessspannung.
• Wird nun der Volumenstrom des Elektrolytstrahls weiter erhöht, hier auf einen Wert von 2600 l/h, ohne dass die Spannungseinstellung der elektrischen Energiequelle verändert wird, steigt der im Bearbeitungsbereich fließende Strom an und weist einen Zeitverlauf wie in Fig. 3 b) auf. Der Strom hat gemäß dem erläuterten Ausführungsbeispiel eine Stärke von 7,5 A und ist über die dargestellte Zeitspanne nahezu konstant. Es stellt sich ein Jet-Widerstand von 419 Ω · cm² ein. Der Prozess läuft also auch hier in erfindungsgemäßer Form innerhalb der hydrodynamische Stabilitätszone und weist durch die im Vergleich zu Fig. 3 a) stärker komprimierte Dampf-Plasmahaut eine noch effektivere Bearbeitung auf.
• Wird ausgehend von dem in Fig. 3 b) gezeigten Betriebszustand der Volumenstrom des Elektrolytstrahls weiter auf einen Wert von 3200 l/h erhöht, stellt sich für die Stärke des im Bearbeitungsbereich fließenden Stroms der in Fig. 3 c) dargestellte zeitliche Verlauf ein. Gemäß dem hier erläuterten Betriebszustand bricht die Dampf-Plasmahaut durch das auf die Phasengrenzfläche wirkende Druckprofil zumindest zeitweise zusammen und es kommt zu einer sprunghaften Erhöhung der Stromstärke um das 10- bis 20-fache. Das ist darauf zurückzuführen ist, dass der Elektrolytstrahl nun direkt auf die zu bearbeitende Oberfläche auftrifft und Nachzündungen des Plasmas bedingt. Entsprechend den angegebenen Werten verringert sich der Jet-Widerstand im Vergleich zum Betriebszustand gemäß Fig. 3b) entsprechend um das 10- bis 20-fache, schwankt stark und nimmt zumindest zeitweise Werte unterhalb von 100 Ω · cm² an. Eine plasmaelektrolytische Bearbeitung der Oberfläche eines Werkstücks ist bei diesem Betriebszustand nicht oder nur unter Inkaufnahme qualitativ schlechter Fertigungsergebnisse möglich.
• Wie die obigen Ausführungen deutlich zeigen, kann durch eine Erhöhung des Volumenstroms eines zur Werkstückbearbeitung genutzten Elektrolytstrahls, die derart ausgeführt wird, dass sich ein nahezu gleichbleibender oder nur leicht schwankender Jet-Widerstand einstellt, der unterhalb von 1200 Ω · cm² liegt, eine besonders effektive und schnelle plasmaelektrolytische Bearbeitung von Werkstückoberflächen aufgrund der Ausbildung einer speziellen Dampf-Plasmahaut realisiert werden. Diese Erkenntnis ermöglicht auf überraschende Weise die Effektivität und Schnelligkeit des Prozesses zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung von Werkstückoberflächen besonders stark zu steigern.
Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung einer elektrisch leitfähigen Werkstückoberfläche

2

Oberfläche

3

Werkstück

4

Ausbringungseinheit

5

Versorgungseinheit

6

Elektrode

7

elektrische Energiequelle

8

Stellelement

9

Steuereinheit

10

Austrittsöffnung

11

Verstelleinheit

12

Stellmittel

13

Elektrolytzufuhr

14

Elektrolytabfuhr

15

Aufbereitungseinheit

16

Vorratsbehälter

17

Sensoreinheit

18

Heizelement

19

Dosiereinheit

20

Temperatursensor

21

Düsenkopf

Claims (17)

1. Verfahren (1) zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung einer elektrisch leitfähigen Oberfläche (2) eines Werkstücks (3), bei dem wenigstens ein Elektrolyt mittels einer Versorgungseinheit (5) zu einer Ausbringungseinheit (4) gefördert wird, durch die zumindest zeitweise die Oberfläche (2) des Werkstücks (3) mit einem Elektrolytstrahl beaufschlagt wird, zwischen der zu bearbeitenden Oberfläche (2) des Werkstücks (3) und einer Elektrode (6), die wenigstens teilweise den Elektrolyten berühren, durch eine elektrische Energiequelle (7) eine elektrische Spannung angelegt wird, sodass die Elektrode (6) während der Bearbeitung eine Gegenelektrode zur Oberfläche (2) des Werkstücks (3) bildet, sodass im Bereich der bearbeiteten Oberfläche (2) des Werkstücks (3) eine Dampf-Plasmahaut erzeugt wird,
   dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Strömungseigenschaft des Elektrolytstrahls derart eingestellt werden, dass aufgrund der kinetischen Energie des Elektrolytstrahls ein auf den Phasenübergang zwischen flüssigem Elektrolyten und der Dampf-Plasmahaut wirkender Druck erzeugt wird, sodass sich zwischen der Elektrode (6) und der mit dem Elektrolytstrahl beaufschlagten Oberfläche (2) des Werkstücks (3) ein stabiler elektrischer Jet-Widerstand von maximal 1200 Ω · cm² einstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Jet-Widerstand von maximal 1200 Ω · cm² in einem ersten Schritt ein Volumenstrom des Elektrolytstrahls solange erhöht wird, bis sich der zwischen Elektrode und der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks fließende elektrische Prozessstrom stabilisiert, vorzugsweise ein Schwankungsintervall von 5 % um einen Mittelwert im Zeitverlauf nicht überschreitet, und in einem darauf folgenden zweiten Schritt der Volumenstrom so lange weiter erhöht wird, bis der Prozessstrom dieses Stabilitätskriterium wieder verletzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
   dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromstärke des von der elektrischen Energiequelle (7) bereitgestellten Stroms gemessen und wenigstens eine Strömungseigenschaft des Elektrolytstrahls in Abhängigkeit eines Sollwerts für den Jet-Widerstand verändert und/oder eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Eigenschaft des Elektrolyten stromabwärts der Elektrode (6), insbesondere eine schlagartige Trübung, absolut oder in Relation zu einem anderen Messpunkt im System gemessen und wenigstens eine Strömungseigenschaft des Elektrolytstrahls in Abhängigkeit eines Sollwerts für den Jet-Widerstand verändert und/oder eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet, dass die vom Elektrolytstrahl beaufschlagte Oberfläche (2) durch wenigstens ein stromabwärts einer Ausbringungsöffnung der Ausbringungseinheit (4) angeordnetes Begrenzungselement begrenzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise die vom Elektrolytstrahl beaufschlagte Oberfläche (2) durch Zuführung von Gasen, vorzugsweise Druckluft, begrenzt und/oder verändert wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet, dass aus der Ausbringungseinheit (4) während der Bearbeitung mit dem Elektrolytstrahl zeitgleich eine Fläche von 0,8 cm² bis 80 cm² der Oberfläche (2) des Werkstücks beaufschlagt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts einer Ausbringungsöffnung der Ausbringungseinheit der Elektrolyt zur Erzeugung von Solleigenschaften des aus der Ausbringungsöffnung austretenden Elektrolytstrahls zumindest zeitweise gestaut wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungseigenschaften des Elektrolytstrahls zumindest zeitweise durch die Versorgungseinheit (5) und/oder Ausbringungseinheit (4) verändert werden.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Ausbringungsöffnung der Ausbringungseinheit (4) während der Bearbeitung der Oberfläche (2) des Werkstücks wenigstens zeitweise relativ zum zu bearbeitenden Werkstück gedreht, geschwenkt und/oder gekippt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass während zumindest die Ausbringungsöffnung der Ausbringungseinheit (4) gedreht, geschwenkt und/oder gekippt wird, die wenigstens eine Strömungseigenschaft des Elektrolytstrahls unter Berücksichtigung des Jet-Widerstands verändert wird.
12. Vorrichtung zur plasmaelektrolytischen Bearbeitung einer elektrisch leitfähigen Oberfläche (2) eines Werkstücks (3) gemäß dem Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Messelement zur Erfassung einer Stärke des von der elektrischen Energiequelle (7) bereitgestellten elektrischen Prozessstroms und wenigstens eine Steuereinheit, durch diese der aktuelle Ist-Jet-Widerstand bestimmbar ist und die in Abhängigkeit eines Soll-Jet-Widerstandes sowie des Ist-Jet-Widerstandes, ein Steuersignal erzeugt und an ein Stellelement überträgt, das eingerichtet ist, die wenigstens eine Strömungseigenschaft des Elektrolytstrahls zu verändern.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringungseinheit über eine Querschnittsverengung, ein Gitter, ein Tesla-Ventil oder ein anderes geeignetes Stauelement zur Beeinflussung von Strömungseigenschaften des Elektrolytstrahls stromaufwärts oder an einer Ausbringungsöffnung der Ausbringungseinheit verfügt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringungseinheit mittelbar oder unmittelbar mit einer Bewegungseinheit verbunden ist, durch die die Ausbringungseinheit gezielt bewegbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckluftquelle und eine Druckluftausbringungseinheit vorgesehen sind, wobei durch die Druckluftquelle Druckluft in Richtung des Elektrolytstrahls und/oder der mit dem Elektrolytstrahl beaufschlagten Oberfläche (2) ausbringbar ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Messelement zur Erfassung einer optischen Eigenschaft des Elektrolyten stromabwärts der Elektrode (6) und wenigstens eine Steuereinheit, durch diese der aktuelle Ist-Jet-Widerstand bestimmbar ist und die in Abhängigkeit eines Soll-Jet-Widerstandes sowie des Ist-Jet-Widerstandes, ein Steuersignal erzeugt und an ein Stellelement überträgt, das eingerichtet ist, die wenigstens eine Strömungseigenschaft des Elektrolytstrahls zu verändern.