WO2006000200A1 - Device for electrochemical cutting - Google Patents

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WO2006000200A1
WO2006000200A1 PCT/DE2005/001135 DE2005001135W WO2006000200A1 WO 2006000200 A1 WO2006000200 A1 WO 2006000200A1 DE 2005001135 W DE2005001135 W DE 2005001135W WO 2006000200 A1 WO2006000200 A1 WO 2006000200A1
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tool electrode
fiber
tool
electrode
net
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PCT/DE2005/001135
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Holger Reinecke
Wolfgang Menz
Ralf Förster
Bernhard Wielage
Herbert Mucha
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Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H7/00—Processes or apparatus applicable to both electrical discharge machining and electrochemical machining
    • B23H7/02—Wire-cutting
    • B23H7/08—Wire electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H3/00—Electrochemical machining, i.e. removing metal by passing current between an electrode and a workpiece in the presence of an electrolyte
    • B23H3/04—Electrodes specially adapted therefor or their manufacture
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23H3/04—Electrodes specially adapted therefor or their manufacture
    • B23H3/06—Electrode material

Definitions

  • the invention relates to a device for electrochemical cutting which comprises a tool electrode connected to a current / voltage source and to an electrolyte source and clamped between two tool holders applying a tensile force, acted upon by an electrolyte flow in the working gap, in particular for producing long, narrow channels a workpiece.
  • electrolysis in which two electrodes are electrically connected to a voltage source and immersed in an electrolyte bath (eg NaCl).
  • the electrolyte is in this case in the form of separate Na + and Cl " ions and H + and OH " ions.
  • the ions are free to move and therefore justify the ion mobility of the electrolyte and thus the charge replacement taking place at the electrodes.
  • the cations migrate to the cathode and the anions to the anode.
  • the metal atoms here of the workpiece
  • the metal atoms are split into ions with release of their electrons, and in a further reaction, the formation of metal hydroxide takes place.
  • the H + ions take up electrons and form H 2 molecules.
  • the dependence of the ab ⁇ carried material weight of the molecular weight and the ge flowed charge results from the Faraday's law.
  • electrochemical metal machining the removal of material takes place by anodic dissolution of the electrically conductive workpiece material, by means of an electrolyte solution a circuit is produced between a poled as cathode molding tool (tool electrode) and the workpiece poled as an anode.
  • the geometry The tool electrode is adapted to the machining task to be solved and the desired final contour of the workpiece.
  • the electrolyte is forced at high flow rate through the gap formed between the tool electrode and the workpiece.
  • the electrolyte solution is conducted at high pressures through the working gap between the tool and the workpiece and dissipates the heat of reaction and the metallic reaction products.
  • mechanical oscillations can be superimposed on the electrochemical sinking process.
  • the tool electrode is countersunk into the workpiece with or without feed, whereby the accuracy of the imaging can be improved by using pulsed process source.
  • the invention is based on the object herebil ⁇ the tool electrode during electrochemical cutting so that with an improved process behavior in the workpiece to be ⁇ as narrow as possible channels in the predetermined, even complicated contour herge ⁇ can be produced accurately.
  • fibers of different materials can be combined with each other in one and the same fiber tool electrode over its entire length or in individual regions.
  • the length of the fiber tool electrode is between 0.01 and 1000 mm, preferably between 2 and 200 mm, while its thickness comprises a range of 0.01 to 200 microns, but preferably from 1 to 20 microns.
  • the tensile force potential of the individual fibers is between 0.01 and 10 N, preferably between 0.1 and 3 N.
  • carbon fibers which also include graphite fibers, are used which have both a turbo-static and a graphitic structure.
  • PAN fibers polyacrylonitrile
  • pitch such as, for example, oil tar pitch, coal tar pitch or synthetic pitch.
  • the surface of the fiber tool electrode over its entire length or in certain areas coated with conductive and / or insulating materials or treated in vacuum or a vacuum atmosphere with defined residual gas composition or with a microstructure in the form of Kanä ⁇ len, nubs or the like. be provided, thereby affecting the Ei ⁇ properties of the fiber tool electrode in terms of conductivity, the strength properties and Elek ⁇ trolytransport.
  • the latter can be provided with a metallic coating in order to be able to attach assembly auxiliary devices, for example guides or clamping systems, to the tool with the aid of corresponding solders.
  • a sensor attached optionally to the fiber tool electrode serves for the timely detection of fiber damage. to prevent damage during the machining process.
  • the fiber tool electrode can have different cross-sectional shapes, for example round, square, star-shaped and the like, or else have a different cross-sectional shape and size along their length, in order to thereby form channels with a specific channel wall contour or with undercuts.
  • the fiber-tool electrode can have a cross-section which increases gradually from the one to the other end, thereby producing a conically tapering channel during electrochemical cutting.
  • the fiber tool electrode can be designed as a tubular hollow body, preferably also with lateral electrolyte outlet openings, on the one hand to improve cooling and on the other hand specifically and / or additionally to specific channel regions for increasing the material removal and rinsing effect Supply electrolyte solution.
  • the fluid guided in the interior of the fiber tool electrode can also differ from the fluid flowing past its outer surface.
  • the current / voltage source connected to the fiber-optic electrode is connected to a pulse generator in order to impart to the fiber-tool electrode a pulse current or a pulse voltage.
  • the fastening means 4 and 5 for the Faserwerk ⁇ zeugelektrode ⁇ are sealingly in guides (not shown) in the upper and lower vibrating unit 2, 3 arranged independently adjustable in the u and v direction to the fiber tool electrode 6 in the Her Positioning of a channel at a predetermined angle an ⁇ and thus to be able to produce conical sections in the workpiece 9 can.
  • the workpiece 9 is mounted on an operating table (not shown) which, in accordance with the desired course of the channel to be produced in the workpiece 9, can be moved horizontally in the X and / or Y direction.
  • a vertical oscillation movement of the workpiece 9 can also be generated via the clamping system of the workbench.
  • the oscillating units 2, 3 are capable of carrying out a horizontal oscillation movement in the X and / or Y direction, the advancing movement of the fiber tool electrode ⁇ can be superimposed on any oscillatory movement.
  • a continuous electrolyte stream in the working gap along the outer surface of the fiber tool electrode 6 is generated by means of the nozzle body 8 in order, on the one hand, to remove the electrolytic removal and the removal of the workpiece 9 Material and, on the other hand, a cooling of the fiber effect tool electrode 6.
  • the interior of the fiber tool electrode 6 can also be flowed through by the electrolyte in order to achieve better cooling.
  • electrolyte outlet openings 10 can also be provided at specific locations in order to specifically supply specific working gap areas with electrolyte.
  • the rinsing conditions can be improved, in particular in the case of different resolving power of the workpiece material, or undercuts can also be produced by material removal limited to specific channel areas.
  • the invention is not limited to the previously described by the example of a tubular carbon fiber tool electrode be ⁇ execution variant. Rather, a multiplicity of modifications is possible with respect to the fiber material of the fiber tool electrode, the connection of the fibers or the coating or the surface profile of the fiber tool electrode. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

The invention relates to a device for electrochemically cutting narrow, differently profiled channels in a workpiece (9), using a fibre tool electrode (6) which is under tensile stress and consists of electroconductive fibres. Said fibre tool electrode comprises fibres which are optionally embedded in a carrier material. Said fibres can differ over the cross-section of the fibre tool electrode or in individual length sections thereof, and are embodied as tubular hollow bodies, optionally with lateral electrolyte outlets, and/or in such a way that they differ in terms of the cross-sectional shape and size thereof. The surface can have a microtexture and/or a conductive or insulating coating. The tool holders (4, 5) connected to oscillating units (2, 3) which oscillate perpendicularly to the longitudinal axis of the tool electrode can be adjusted perpendicularly to the longitudinal axis. The workbench receiving the workpiece (9) can oscillate in the longitudinal direction of the tool electrode.

Description

Vorrichtung zum elektrochemischen Schneiden Device for electrochemical cutting
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrochemi¬ schen Schneiden, die eine an eine Strom-/Spannungsquelle und an eine Elektrolytquelle angeschlossene und zwischen zwei Werkzeughaltern unter Aufbringung einer Zugkraft aufgespannte, im Arbeitsspalt mit einem Elektrolytstrom beaufschlagte Werkzeugelektrode umfasst, insbesondere zur Erzeugung langer schmaler Kanäle in einem Werkstück.The invention relates to a device for electrochemical cutting which comprises a tool electrode connected to a current / voltage source and to an electrolyte source and clamped between two tool holders applying a tensile force, acted upon by an electrolyte flow in the working gap, in particular for producing long, narrow channels a workpiece.
Das der elektrochemischen Metallbearbeitung zugrunde lie¬ gende Prinzip ist die Elektrolyse, bei der zwei Elektro- den elektrisch leitend mit einer Spannungsquelle verbun¬ den und in ein Elektrolytbad (z.B. NaCl) getaucht sind. Der Elektrolyt liegt in diesem Fall in Form getrennter Na+- und Cl"-Ionen sowie H+ und OH" Ionen vor. Die Ionen sind frei beweglich und begründen daher die Ionenbeweg- lichkeit des Elektrolyten und damit den an den Elektroden stattfindenden Ladungsaustauseh. Bei der Elektrolyse wan¬ dern die Kationen zur Kathode und die Anionen zur Anode. An der Anode werden die Metallatome (hier des Werkstücks) unter Abgabe ihrer Elektronen in Ionen aufgespalten und in einer weiteren Reaktion erfolgt die Bildung von Me¬ tallhydroxid. An der Kathode nehmen die H+-Ionen Elektro¬ nen auf und bilden H2-Moleküle. Die Abhängigkeit des ab¬ getragenen Werkstoffgewichts von der Molmasse und der ge¬ flossenen Ladung ergibt sich aus dem Faradayschen Gesetz.The principle underlying electrochemical metalworking is electrolysis, in which two electrodes are electrically connected to a voltage source and immersed in an electrolyte bath (eg NaCl). The electrolyte is in this case in the form of separate Na + and Cl " ions and H + and OH " ions. The ions are free to move and therefore justify the ion mobility of the electrolyte and thus the charge replacement taking place at the electrodes. During electrolysis, the cations migrate to the cathode and the anions to the anode. At the anode, the metal atoms (here of the workpiece) are split into ions with release of their electrons, and in a further reaction, the formation of metal hydroxide takes place. At the cathode, the H + ions take up electrons and form H 2 molecules. The dependence of the ab¬ carried material weight of the molecular weight and the ge flowed charge results from the Faraday's law.
Bei der elektrochemischen Metallbearbeitung erfolgt der Materialabtrag durch anodische Auflösung des elektrisch leitenden Werkstückmaterials, indem mittels einer Elek- trolytlösung ein Stromkreis zwischen einem als Kathode gepolten Formwerkzeug (Werkzeugelektrode) und dem als Anode gepolten Werkstück hergestellt wird. Die Geometrie der Werkzeugelektrode ist an die zu lösende Bearbeitungs- aufgabe und die angestrebte Endkontur des Werkstücks an- gepasst. Zur Abführung der Reaktionsprodukte und der Wär¬ me wird der Elektrolyt mit hoher Strömungsgeschwindigkeit durch den zwischen Werkzeugelektrode und Werkstück gebil¬ deten Spalt gedrückt. Für den elektrochemischen Bearbei- tungsprozess werden bevorzugt wässrige Elektrolyte, Elek¬ trolytgemische, Säuren und Elektrolyt-Säure-Gemische ver¬ wendet. Folgende Merkmale sind Verfahrenstypisch:In electrochemical metal machining, the removal of material takes place by anodic dissolution of the electrically conductive workpiece material, by means of an electrolyte solution a circuit is produced between a poled as cathode molding tool (tool electrode) and the workpiece poled as an anode. The geometry The tool electrode is adapted to the machining task to be solved and the desired final contour of the workpiece. In order to remove the reaction products and the heat, the electrolyte is forced at high flow rate through the gap formed between the tool electrode and the workpiece. For the electrochemical machining process, preference is given to using aqueous electrolytes, electrolyte mixtures, acids and electrolyte / acid mixtures. The following features are typical of the process:
Das unedlere Metall wird aufgelöst. An der Kathode findet kein Metallabtrag statt. Die umgesetzte Stoffmenge ist abhängig vom Atomge¬ wicht und der Wertigkeit des aufzulösenden Metalls sowie von der geflossenen Ladungsmenge. Je nach Art des Metall-Elektrolytsystems können sich an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff bilden. Der anodisch aufgelöste Werkstoff fällt in Form ei- nes Niederschlags aus der Lösung aus oder kann bei einigen Elektrolyten auch gelöst werden. Die zugeführte elektrische Energie wird in Joule- sche Wärme umgesetzt, so dass die Temperatur der Lösung und ihre spezifische Leitfähigkeit zunimmt. - Werkstück und Werkzeug liegen als Elektroden am po¬ sitiven bzw. negativen Pol einer Strom- oder Span¬ nungsquelle oder einer gepulsten Strom- oder Span¬ nungsquelle. Die Elektrolytlösung wird mit hohen Drücken durch den Arbeitsspalt zwischen Werkzeug und Werkstück geführt und führt die Reaktionswärme sowie die me¬ tallischen Reaktionsprodukte ab. Zur Verbesserung der Spülbedingungen können dem elektrochemischen Senkprozess mechanische Schwin- gungen überlagert werden. Die Werkzeugelektrode wird mit oder ohne Vorschub in das Werkstück eingesenkt, wobei die Abbildege¬ nauigkeit durch Verwendung gepulster Prozessener¬ giequellen verbessert werden kann.The less noble metal is dissolved. At the cathode no metal removal takes place. The amount of substance reacted depends on the atomic weight and the valency of the metal to be dissolved and on the amount of charge flowed. Depending on the type of metal-electrolyte system, hydrogen can form at the cathode and oxygen at the anode. The anodically dissolved material precipitates out of the solution in the form of a precipitate or can also be dissolved in some electrolytes. The supplied electrical energy is converted into Joule heat, so that the temperature of the solution and its specific conductivity increases. Workpiece and tool are electrodes on the positive or negative pole of a current or voltage source or a pulsed current or voltage source. The electrolyte solution is conducted at high pressures through the working gap between the tool and the workpiece and dissipates the heat of reaction and the metallic reaction products. To improve the rinsing conditions, mechanical oscillations can be superimposed on the electrochemical sinking process. The tool electrode is countersunk into the workpiece with or without feed, whereby the accuracy of the imaging can be improved by using pulsed process source.
Nach dem elektrolytischen Materialabtragsverfahren können auch schwer zerspanbare Werkstoffe bearbeitet werden. Auch komplizierte geometrische Formen und kleine tiefe Löcher können mit hoher Abtrags1eistung sowie gratfrei, formgenau und mit hoher Oberflächengüte erzeugt werden. Die Herstellung von sehr feinen, langen Kanälen erfolgt bekanntermaßen mit sehr dünnen, als Elektrode fungieren¬ den Drähten. Jedoch sind der Ausbildung von sehr langen Kanälen mit sehr geringem Durchmesser insofern Grenzen gesetzt, als der Durchmesser der als Werkzeugelektrode eingesetzten Drähte nicht beliebig verringert werden kann, da diese eine bestimmte Steifigkeit haben müssen und zur Erzielung der erforderlichen Genauigkeit der Kon¬ tur vorgespannt werden und mithin eine bestimmte Zugfes- tigkeit aufweisen müssen und zudem noch die notwendige Arbeitsspaltbreite für den Transport des Elektrolyten ge¬ währleistet sein muss.After the electrolytic Materialabtragsverfahren even difficult to machine materials can be edited. Even complicated geometrical shapes and small deep holes can be produced with high removal rates as well as burr-free, dimensionally accurate and with high surface quality. The production of very fine, long channels is known to be carried out with very thin wires acting as an electrode. However, the formation of very long channels with very small diameter are limited insofar as the diameter of the wires used as a tool electrode can not be arbitrarily reduced, since these must have a certain rigidity and be biased to achieve the required accuracy of Kon¬ temperature and Consequently, it must have a certain tensile strength and, moreover, the necessary working gap width for the transport of the electrolyte must be guaranteed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Werkzeug- elektrode beim elektrochemischen Schneiden so auszubil¬ den, dass bei verbessertem Prozessverhalten in dem zu be¬ arbeitenden Werkstück möglichst schmale Kanäle in der vorgegebenen, auch komplizierten Kontur formgenau herge¬ stellt werden können.The invention is based on the object auszubil¬ the tool electrode during electrochemical cutting so that with an improved process behavior in the workpiece to be¬ as narrow as possible channels in the predetermined, even complicated contour herge¬ can be produced accurately.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Werkzeug- elektrode gelöst. Aus den Unteransprüchen ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Er- findung. Der Kern der Erfindung besteht mit anderen Worten in der Ausbildung der Werkzeugelektrode aus elektrisch leitfähi¬ gen Fasern und/oder Faserbündeln. Während der Durchmesser der Fasern sehr gering ist, beispielsweise bei Kohlen- Stofffasern zwischen 3 und 10 μm liegt, können diese bis zum 40-fachen ihrer Ausgangslänge gedehnt werden und Fes¬ tigkeiten erreichen, die etwa 100 Mal höher als die von Stahl sind. Es wurde gefunden, dass mit einer aus elek¬ trisch leitfähigem Fasermaterial gebildeten Werkzeugelek- trode die elektrochemische Herstellung von sehr langen, schmalen Kanälen bei hoher Reaktionswärme und mit großer Abtrags1eistung sowie bei minimalem Werkzeugverschleiß und ungehindertem Elektrolyttransport bzw. Abtransport des abgetragenen Werkstückmaterials in einer vorgegebenen Kontur formgenau möglich ist. Das Fasermaterial ist zudem auf verschiedene Weise, das heißt, hinsichtlich seiner mechanischen und elektrischen Eigenschaften sowie seiner Kontur, Masse und funktionellen sowie Oberflächen-Gestal¬ tung, modifizierbar, und kann daher hinsichtlich der zu bearbeitenden Werkstoffe und Kanalformen an viele Anwen¬ dungsfälle angepasst und unter unterschiedlichen Prozess- bedingungen betrieben werden.According to the invention the object is achieved with a trained according to the features of claim 1 tool electrode. From the dependent claims, further features and advantageous developments of the invention result. In other words, the core of the invention consists in the design of the tool electrode made of electrically conductive fibers and / or fiber bundles. Is while the diameter of the fibers is very low, for example carbon fibers 3-10 microns, this can be up to 40 times their original length are stretched and reach ACTIVITIES Fes ¬ the about 100 times are higher than those of steel. It has been found that with a formed of elec ¬ trically conductive fiber material Werkzeugelek- trode the electrochemical production of very long, narrow channels with a high heat of reaction and with great Abtrags1eistung and with minimum tool wear and unobscured electrolyte transport and evacuation of the removed workpiece material in a predetermined contour shape accurate is possible. The fiber material can also be modified in various ways, that is to say in terms of its mechanical and electrical properties and its contour, mass and functional and surface design, and can therefore be adapted to many applications with regard to the materials and channel shapes to be processed be operated under different process conditions.
Die elektrisch leitfähigen Fasern oder Faserbündel können aus Kohlenstofffasern, Metallfasern, Halbleiterfasern oder elektrisch leitfähigen Glas-, Keramik- oder Kunst¬ stofffasern bestehen oder auch aus Wasser und Proteinen bestehende elektrisch leitfähige Fasern umfassen, die verschleißfest sind und bei sehr geringem Durchmesser hohe Festigkeiten und Dehnungen ermöglichen.The electrically conductive fibers or fiber bundles may consist of carbon fibers, metal fibers, semiconductor fibers or electrically conductive glass, ceramic or plastic fibers or may comprise electrically conductive fibers consisting of water and proteins which are wear-resistant and have high strengths and elongations with a very small diameter enable.
In Ausgestaltung der Erfindung können in ein und dersel¬ ben Faserwerkzeugelektrode über deren gesamte Länge oder in einzelnen Bereichen auch Fasern aus unterschiedlichen Werkstoffen miteinander kombiniert sein. Die Länge der Faserwerkzeugelektrode liegt zwischen 0,01 und 1000 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 200 mm, während deren Stärke einen Bereich von 0,01 bis 200 μm, vorzugs¬ weise aber von 1 bis 20 μm umfasst. Das Zugkraftpotential der Einzelfasern liegt zwischen 0,01 bis 10 N, vorzugs¬ weise zwischen 0,1 und 3 N.In an embodiment of the invention, fibers of different materials can be combined with each other in one and the same fiber tool electrode over its entire length or in individual regions. The length of the fiber tool electrode is between 0.01 and 1000 mm, preferably between 2 and 200 mm, while its thickness comprises a range of 0.01 to 200 microns, but preferably from 1 to 20 microns. The tensile force potential of the individual fibers is between 0.01 and 10 N, preferably between 0.1 and 3 N.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin¬ dung werden Kohlenstofffasern, zu denen auch Graphitfa- sern gerechnet werden, eingesetzt, die sowohl eine turbo¬ statische als auch eine graphitische Struktur aufweisen. Bevorzugt werden Kohlenstofffasern auf Poly-Acryl-Nitril- Basis (PAN-Fasern) oder auf Pech-Basis, wie beispielswei¬ se Ölteerpech, Kohleteerpech oder Synthesepech, verwen- det.In a particularly preferred embodiment of the invention, carbon fibers, which also include graphite fibers, are used which have both a turbo-static and a graphitic structure. Preference is given to carbon fibers based on polyacrylonitrile (PAN fibers) or based on pitch, such as, for example, oil tar pitch, coal tar pitch or synthetic pitch.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Oberflä¬ che der Faserwerkzeugelektrode über ihre gesamte Länge oder in bestimmten Bereichen mit leitenden und/oder iso- lierenden Stoffen beschichtet oder im Vakuum bzw. einer Vakuumatmosphäre mit definierter RestgasZusammensetzung behandelt oder mit einer Mikrostruktur in Form von Kanä¬ len, Noppen oder dgl . versehen sein, um dadurch die Ei¬ genschaften der Faserwerkzeugelektrode hinsichtlich der Leitfähigkeit, der Festigkeitseigenschaften und des Elek¬ trolyttransports zu beeinflussen.In a further embodiment of the invention, the surface of the fiber tool electrode over its entire length or in certain areas coated with conductive and / or insulating materials or treated in vacuum or a vacuum atmosphere with defined residual gas composition or with a microstructure in the form of Kanä¬ len, nubs or the like. be provided, thereby affecting the Ei¬ properties of the fiber tool electrode in terms of conductivity, the strength properties and Elek¬ trolytransport.
In bestimmten Bereichen der Faserwerkzeugelektrode kann diese mit einer metallischen Beschichtung versehen sein, um an dem Werkzeug mit Hilfe entsprechender Lote Montage- hilfseinrichtungen, beispielsweise Führungen oder Spann¬ systeme, anbringen zu können.In certain areas of the fiber tool electrode, the latter can be provided with a metallic coating in order to be able to attach assembly auxiliary devices, for example guides or clamping systems, to the tool with the aid of corresponding solders.
Eine wahlweise an der Faserwerkzeugelektrode angebrachte Sensorik dient zur rechtzeitigen Erkennung von Faserschä- den, um Schadensfälle während des Bearbeitungsprozesses zu verhindern.A sensor attached optionally to the fiber tool electrode serves for the timely detection of fiber damage. to prevent damage during the machining process.
Zudem kann die Faserwerkzeugelektrode verschiedene - bei- spielsweise runde, quadratische, sternförmige und dgl. - Querschnittsformen oder auch eine über ihre Länge unter¬ schiedliche Querschnittsform und -große aufweisen, um da¬ durch Kanäle mit einer bestimmten Kanalwandkontur oder mit Hinterschneidungen auszubilden. Die Faserwerkzeug- elektrode kann außerdem einen sich von dem einen zum an¬ deren Ende hin allmählich vergrößernden Querschnitt ha¬ ben, um dadurch beim elektrochemischen Schneiden einen sich konisch verjüngenden Kanal zu erzeugen.In addition, the fiber tool electrode can have different cross-sectional shapes, for example round, square, star-shaped and the like, or else have a different cross-sectional shape and size along their length, in order to thereby form channels with a specific channel wall contour or with undercuts. In addition, the fiber-tool electrode can have a cross-section which increases gradually from the one to the other end, thereby producing a conically tapering channel during electrochemical cutting.
Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung kann die Faserwerkzeugelektrode als röhrenförmiger Hohlkörper, vorzugsweise auch mit seitlichen Elektrolytaustrittsöff¬ nungen, ausgebildet sein,' einerseits um die Kühlung zu verbessern und andererseits um bestimmte Kanalbereiche zur Erhöhung der Materialabtrags- und Spülwirkung gezielt und/oder zusätzlich mit Elektrolytlösung zu versorgen. Das im Innern der Faserwerkzeugelektrode geführte Fluid kann sich zudem von dem an deren Außenfläche vorbeiströ¬ menden Fluid unterscheiden.According to a further important feature of the invention, the fiber tool electrode can be designed as a tubular hollow body, preferably also with lateral electrolyte outlet openings, on the one hand to improve cooling and on the other hand specifically and / or additionally to specific channel regions for increasing the material removal and rinsing effect Supply electrolyte solution. The fluid guided in the interior of the fiber tool electrode can also differ from the fluid flowing past its outer surface.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist das Fasermateri¬ al der Faserwerkzeugelektrode in ein Trägermaterial ein¬ gebettet, das vorzugsweise aus Keramik, Kunststoff, Glas bzw. Glasfasern besteht oder zwei oder mehrere von diesen umfasst, eingebettet ist. Dadurch können über die Länge der Faserwerkzeugelektrode in Querschnittsform und/oder - große und/oder Fasermaterial unterschiedliche, getrennte Faserbereiche miteinander verbunden werden und Werkzeug- bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften geschaffen werden. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Fa¬ serwerkzeugelektrode auch aus einer Mehrzahl parallel ausgerichteter und mechanisch lagefixierter Fasern beste¬ hen, um parallele Strukturen, beispielsweise für miniatu- risierte Wärmetauscher und dgl . zu schneiden.In a further embodiment of the invention, the fiber material of the fiber tool electrode is embedded in a carrier material which preferably consists of ceramic, plastic, glass or glass fibers or comprises two or more of these. As a result, over the length of the fiber tool electrode in cross-sectional shape and / or - large and / or fiber material different, separate fiber regions can be connected to one another and tool regions with different properties can be created. In an advantageous embodiment of the invention, the Fa ¬ serwerkzeugelektrode can also consist of a plurality of parallel oriented and mechanically fixed position fibers beste¬ hen to parallel structures, for example for miniaturized heat exchanger and the like. to cut.
In weiterer Ausbildung der Erfindung sind die Werkzeug¬ halter, zwischen denen die Faserwerkzeugelektrode aufge¬ spannt ist, jeweils mit einer Schwingeinheit und/oder mit einer Rotationseinheit verbunden, um eine Schwingbewegung und/oder eine Rotation der Faserwerkzeugelektrode um bzw. senkrecht zu deren Längsachse zu bewirken. Das obere und/oder das untere Befestigungsmittel (Werkzeughalter, Werkzeugführungskopf) ) für die Faserwerkzeugelektrode sind in der jeweiligen Schwingeinheit in Führungen ange¬ ordnet, die in u- und v-Richtung verlaufen, und können unabhängig voneinander in u- und v-Richtung verstellt werden, um konische Schnitte zu erzeugen. Darüber hinaus kann das Werkstück auf einem in Richtung der Längsachse der Faserwerkzeugelektrode schwingfähigen Arbeitstisch befestigt sein, um dem Schneidvorgang auch in dieser Richtung eine Schwingbewegung zu überlagern.In a further embodiment of the invention the Werkzeug¬ are holders, between which up the fiber tool electrode ¬ is clamped, each connected to a vibrating unit and / or with a rotation unit for a swinging motion and / or a rotation of the fiber tool electrode to or perpendicular to to the longitudinal axis cause. The upper and / or lower fastening means (tool holder, tool guide head) for the fiber tool electrode are arranged in the respective oscillating unit in guides which run in the u and v directions and can be moved independently of one another in the u and v directions be used to create conical cuts. In addition, the workpiece can be fastened on a working table oscillatable in the direction of the longitudinal axis of the fiber tool electrode in order to superimpose a swinging movement on the cutting operation in this direction as well.
In Ausgestaltung der Erfindung ist die mit der Faserwerk- zeugelektrode verbundene Strom-/Spannungsquelle an einen Impulsgeber angeschlossen, um der Faserwerkzeugelektrode einen ImpulsStrom bzw. eine ImpulsSpannung aufzuprägen.In a refinement of the invention, the current / voltage source connected to the fiber-optic electrode is connected to a pulse generator in order to impart to the fiber-tool electrode a pulse current or a pulse voltage.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in deren einziger Figur eine Vorrichtung zur elektrochemischen Herstellung von langen schmalen Kanälen in einem Werkstück mittels einer aus Kohlefasern beste¬ henden Werkzeugelektrode schematisch dargestellt ist, nä¬ her erläutert. Die Vorrichtung umfasst ein Maschinengestell 1 mit im Ab¬ stand einander gegenüberliegenden Schwingeinheiten 2, 3 sowie an diesen angebrachten Werkzeughaltern 4, 5 zum Einspannen der aus einer Kohlenstofffaser bestehenden Fa- serwerkzeugelektrode 6. Die Faserwerkzeugelektrode 6 steht unter Zugspannung und kann verschiedene Quer¬ schnittsformen (rund, quadratisch, dreieckig usw.) auf¬ weisen und insbesondere auch hohl ausgebildet sein. Der oberen Schwingeinheit 2 ist ein an einen Zuführungskanal 7 angeschlossener Düsenkörper 8 zugeordnet, über den eine Elektrolytlösung an die Außenflächen und gegebenenfalls in den Hohlraum der Faserwerkzeugelektrode 6 geleitet wird. Die Befestigungsmittel 4 und 5 für die Faserwerk¬ zeugelektrode β sind abdichtend in Führungen (nicht dar- gestellt) in der oberen und der unteren Schwingeinheit 2, 3 unabhängig voneinander in u- und v-Richtung verstellbar angeordnet, um die Faserwerkzeugelektrode 6 bei der Her¬ stellung eines Kanals in einem vorgegebenen Winkel an¬ stellen und dadurch in dem Werkstück 9 konische Schnitte erzeugen zu können. Das Werkstück 9 ist auf einem Ar¬ beitstisch (nicht dargestellt) befestigt, der entspre¬ chend dem gewünschten Verlauf des Kanals der in dem Werk¬ stück 9 erzeugt werden soll, in X- und/oder Y-Richtung horizontal bewegbar ist. Außerdem kann über das Spannsys- tem des Arbeitstisches auch eine vertikale Schwingbewe¬ gung des Werkstücks 9 erzeugt werden. Da die Schwingein¬ heiten 2, 3 in der Lage sind, eine horizontale Schwingbe¬ wegung in X- und/oder Y-Richtung auszuführen, kann der Vorschubbewegung der Faserwerkzeugelektrode β eine belie- bige Schwingbewegung überlagert werden. Während der Vor¬ schubbewegung des Werkstücks 9 (Arbeitstisches) wird mit¬ tels dem Düsenkörper 8 ein ständiger Elektrolytrom im Ar¬ beitsspalt entlang der Außenfläche der Faserwerkzeugelek¬ trode 6 erzeugt, um einerseits die elektrolytische Abtra- gung und den Abtransport des vom Werkstück 9 abgelösten Materials und andererseits auch eine Kühlung der Faser- werkzeugelektrode 6 zu bewirken. Darüber hinaus kann auch der Innenraum der Faserwerkzeugelektrode 6 von dem Elek¬ trolyten durchströmt werden, um eine bessere Kühlung zu erreichen. In der Wand der als Röhre ausgeführten Faser- werkstoffelektrode 6 können an bestimmten Stellen auch Elektrolytaustrittsöffnungen 10 vorgesehen sein, um be¬ stimmte Arbeitsspaltbereiche gezielt mit Elektrolyt zu versorgen. Dadurch können insbesondere bei unterschiedli¬ chem Auflösungsvermögen des Werkstückmaterials die Spül- bedingungen verbessert oder durch einen auf bestimmte Ka¬ nalbereichen begrenzten Materialabtrag auch Hinterschnei- düngen erzeugt werden.An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing, in the single figure of which a device for the electrochemical production of long narrow channels in a workpiece is schematically represented by means of a tool electrode consisting of carbon fibers. The apparatus comprises a machine frame 1 with oscillating units 2, 3 arranged opposite one another and tool holders 4, 5 mounted thereon for clamping the fiber tool electrode 6 consisting of a carbon fiber. The fiber tool electrode 6 is under tensile stress and can have various cross-sectional shapes ( round, square, triangular, etc.) and in particular also hollow. The upper oscillating unit 2 is assigned a nozzle body 8, which is connected to a feed channel 7 and via which an electrolyte solution is conducted to the outer surfaces and optionally into the cavity of the fiber tool electrode 6. The fastening means 4 and 5 for the Faserwerk¬ zeugelektrode β are sealingly in guides (not shown) in the upper and lower vibrating unit 2, 3 arranged independently adjustable in the u and v direction to the fiber tool electrode 6 in the Her Positioning of a channel at a predetermined angle an¬ and thus to be able to produce conical sections in the workpiece 9 can. The workpiece 9 is mounted on an operating table (not shown) which, in accordance with the desired course of the channel to be produced in the workpiece 9, can be moved horizontally in the X and / or Y direction. In addition, a vertical oscillation movement of the workpiece 9 can also be generated via the clamping system of the workbench. Since the oscillating units 2, 3 are capable of carrying out a horizontal oscillation movement in the X and / or Y direction, the advancing movement of the fiber tool electrode β can be superimposed on any oscillatory movement. During the advancing movement of the workpiece 9 (working table), a continuous electrolyte stream in the working gap along the outer surface of the fiber tool electrode 6 is generated by means of the nozzle body 8 in order, on the one hand, to remove the electrolytic removal and the removal of the workpiece 9 Material and, on the other hand, a cooling of the fiber effect tool electrode 6. In addition, the interior of the fiber tool electrode 6 can also be flowed through by the electrolyte in order to achieve better cooling. In the wall of the fibrous material electrode 6 embodied as a tube, electrolyte outlet openings 10 can also be provided at specific locations in order to specifically supply specific working gap areas with electrolyte. As a result, the rinsing conditions can be improved, in particular in the case of different resolving power of the workpiece material, or undercuts can also be produced by material removal limited to specific channel areas.
Die Erfindung ist nicht auf die zuvor am Beispiel einer röhrenförmigen Faserwerkzeugelektrode aus Kohlenstoff be¬ schriebene Ausführungsvariante beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Modifikationen in Bezug auf das Faser¬ material der Faserwerkzeugelektrode, die Verbindung der Fasern oder die Beschichtung oder das Oberflächenprofil der Faserwerkzeugelektrode möglich. BezugszeichenlisteThe invention is not limited to the previously described by the example of a tubular carbon fiber tool electrode be¬ execution variant. Rather, a multiplicity of modifications is possible with respect to the fiber material of the fiber tool electrode, the connection of the fibers or the coating or the surface profile of the fiber tool electrode. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Maschinengestell 2 Obere Schwingeinheit 3 Untere Schwingeinheit 4 Oberer Werkzeughalter/Werkzeugführungskopf 5 Unterer Werkzeughalter/Werkzeugführungskopf 6 Faserwerkzeugelektrode 7 Zuführungskanal 8 Düsenkörper 9 Werkstück 10 Elektrolytaustrittsöffnung 1 Machine frame 2 Upper oscillating unit 3 Lower oscillating unit 4 Upper tool holder / tool guiding head 5 Lower tool holder / tool guiding head 6 Fiber tool electrode 7 Feed channel 8 Nozzle body 9 Workpiece 10 Electrolyte outlet opening

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum elektrochemischen Schneiden, die eine an eine Strom-/Spannungsquelle und an eine Elektrolytquelle angeschlossene und zwischen zwei Werkzeughaltern (4, 5) unter Aufbringung einer Zug¬ kraft aufgespannte, im Arbeitsspalt mit einem Elek- trolytstrom beaufschlagte Werkzeugelektrode um- fasst, insbesondere zum Schneiden langer schmaler Kanäle in ein Werkstück (9) , gekennzeichnet durch eine aus elektrisch leitfähigen Fasern oder Faser¬ bündeln bestehende Faserwerkzeugelektrode (6) .1. A device for electrochemical cutting, which comprises a tool electrode connected to a current / voltage source and to an electrolyte source and clamped between two tool holders (4, 5) with the application of a tensile force, acted upon by an electrolyte flow in the working gap, in particular for cutting long narrow channels into a workpiece (9), characterized by a fiber tool electrode (6) consisting of electrically conductive fibers or fiber bundles.
2. Werkzeugelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die leitfähigen Fasern oder Faser¬ bündel oder in Längsrichtung beabstandete Faserab¬ schnitte in ein Trägermaterial eingebettet sind.2. Tool electrode according to claim 1, characterized gekenn¬ characterized in that the conductive fibers or Faser¬ bundles or longitudinally spaced Faserab¬ sections are embedded in a carrier material.
3. Werkzeugelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das Trägermaterial aus Keramik und/oder Kunststoff oder aus Glas oder Glasfasern besteht.3. Tool electrode according to claim 2, characterized gekenn¬ characterized in that the carrier material consists of ceramic and / or plastic or of glass or glass fibers.
4. Werkzeugelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Faserwerkstoff Kohlenstoff oder Metall oder Halbleiterwerkstoff oder Kunst¬ stoff, Glas, Keramik oder Protein mit Wasser, je- weils in elektrisch leitfähiger Form, oder eine Kombination aus unterschiedlichen oder über die Länge der Faserwerkzeugelektrode (6) abschnittswei¬ se unterschiedlichen elektrisch leitfähigen Fasern vorgesehen ist. 4. Tool electrode according to claim 1 or 2, characterized in that as the fiber material carbon or metal or semiconductor material or Kunst¬ material, glass, ceramic or protein with water, each in electrically conductive form, or a combination of different or over the length the fiber tool electrode (6) is provided in sections of different electrically conductive fibers.
5. Werkzeugelektrode nach Anspruch 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Kohlenstofffasern auf Pechbasis oder PoIy-Acryl-Nitril-Basis hergestellt sind.5. Tool electrode according to claim 4, characterized gekenn¬ characterized in that the carbon fibers are made on a pitch basis or poly-acrylonitrile base.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Faserwerkzeugelektrode (6) in ver¬ schiedenen Querschnittsformen ausgebildet ist.6. Apparatus according to claim 1, characterized gekennzeich¬ net, that the fiber tool electrode (6) is formed in ver¬ different cross-sectional shapes.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich- net, dass die Faserwerkzeugelektrode (6) über ihre Länge eine wechselnde Querschnittsform und/oder Querschnittsgröße aufweist.7. The device according to claim 6, characterized marked, that the fiber tool electrode (6) over its length has an alternating cross-sectional shape and / or cross-sectional size.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich- net, dass Faserwerkzeugelektrode (6) eine sich über ihre Länge allmählich ändernde Querschnittsgröße aufweist.8. The device according to claim 6, characterized marked, that fiber tool electrode (6) has a gradually changing over its length cross-sectional size.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dass die Faserwerk- zeugelektrode (6) als röhrenförmiger Hohlkörper ausgebildet ist, der zur Kühlung und/oder örtlich gezielten Zuführung des Elektrolyten in den Ar¬ beitsspalt an einen Zuführungskanal (7) der Elek¬ trolytquelle angeschlossen ist.9. Apparatus according to claim 6, that the Faserwerk- zeugelektrode (6) is formed as a tubular hollow body, which is connected for cooling and / or locally targeted supply of the electrolyte in the Ar¬ beitsspalt to a supply channel (7) of Elek¬ trolytequelle.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich¬ net, dass in der Seitenwand des Hohlkörpers an de¬ finierten Stellen Elektrolytaustrittsöffnungen (10) vorgesehen sind.10. The device according to claim 9, characterized gekennzeich¬ net, that in the side wall of the hollow body at de¬ finite points electrolyte discharge openings (10) are provided.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Oberfläche der Faserwerkzeugelektrode (6) zur Beeinflussung der Oberflächeneigenschaften ganz oder teilweise oder abschnittsweise eine Mi- krotextur oder eine leitende oder isolierende Be- Schichtung aufweist und/oder im Vakuum oder in ei¬ ner Restgasatmosphäre behandelt ist.11. The device according to claim 1, characterized gekennzeich¬ net, that the surface of the fiber tool electrode (6) for influencing the surface properties wholly or partially or in sections a micro-texture or a conductive or insulating Has layering and / or treated in vacuo or in ei¬ ner residual gas atmosphere.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine metallische Beschichtung der Faserwerkstoff- elektrode (6) mit an dieser angebrachten Führungen, Spannsystemen und/oder Montagehilfseinrichtungen.12. The apparatus according to claim 11, characterized by a metallic coating of the fiber material electrode (6) with attached thereto guides, clamping systems and / or assembly aids.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass die Faserwerkzeugelektrode (6) zur Erzeu¬ gung paralleler Strukturen aus einer Mehrzahl pa¬ rallel ausgerichteter und mechanisch lagefixierter Fasern gebildet ist.13. Device according to claim 1, characterized in that the fiber-tool electrode (6) for generating parallel structures is formed from a plurality of parallel aligned and mechanically fixed-position fibers.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine an der Faserwerkzeugelektrode (6) angebrachte Sensorik zur Erkennung von Faserschäden.14. The device according to claim 1, characterized by a on the fiber tool electrode (6) mounted sensor system for detecting fiber damage.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass die Werkzeughalter (4, 5) für die Faser¬ werkzeugelektrode (6) jeweils mit einer senkrecht zur Längsachse der Faserwerkzeugelektrode (6) os¬ zillierenden Schwingeinheit (2, 3) und/oder einer Rotationseinheit verbunden sind.15. Device according to claim 1, characterized in that the tool holders (4, 5) for the fiber tool electrode (6) each have a vibrating unit (2, 3) which oscillates perpendicularly to the longitudinal axis of the fiber tool electrode (6). or a rotation unit are connected.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Werkzeughalter (4, 5) in senkrecht zur Längsachse der Faserwerkzeugelektrode (6) in u- und v-Richtung verlaufenden Führungen an der Schwingeinheit (2, 3) geführt und unabhängig vonei¬ nander verstellbar sind.16. The apparatus according to claim 15, characterized gekennzeich¬ net, that the tool holder (4, 5) in perpendicular to the longitudinal axis of the fiber tool electrode (6) in the u- and v-direction guides on the oscillating unit (2, 3) out and independently vonei ¬ are mutually adjustable.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass das Werkstück auf einem in Längsrichtung der Faserwerkzeugelektrode (6) schwingenden Ar¬ beitstisch gehalten ist. 17. The device according to claim 1, characterized gekennzeich¬ net, that the workpiece is held on a working table in the longitudinal direction of the fiber tool electrode (6) Ar¬.
18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass die an die Faserwerkzeugelektrode (6) an¬ geschlossene Strom-/Spannungsquelle eine/n Impuls- strom/lmpulsspannung oder bipolare Impulse erzeugt.18. The device according to claim 1, characterized gekennzeich¬ net, that to the fiber tool electrode (6) closed ¬ current / voltage source generates a / n pulse current / pulse voltage or bipolar pulses.
19. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass einem der Werkzeughalter (4, 5) ein an die Elektrolytquelle angeschlossener Düsenkörper (8) zur Außenspülung der Faserwerkzeugelektrode (6) zugeordnet ist. 19. The device according to claim 1, characterized gekennzeich¬ net, that one of the tool holder (4, 5) is associated with a connected to the electrolyte source nozzle body (8) for external rinsing of the fiber tool electrode (6).
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