WO2010081828A1 - Verfahren zum erzeugen von bohrungen - Google Patents

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Harry Kroetz
Juergen Hackenberg
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • B23H1/00—Electrical discharge machining, i.e. removing metal with a series of rapidly recurring electrical discharges between an electrode and a workpiece in the presence of a fluid dielectric
    • B23H1/02—Electric circuits specially adapted therefor, e.g. power supply, control, preventing short circuits or other abnormal discharges
    • 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
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    • B23H3/02—Electric circuits specially adapted therefor, e.g. power supply, control, preventing short circuits

Definitions

  • the invention relates to a method for producing bores according to the preamble of claim 1.
  • Such a method is used, in particular holes with relatively small diameters (so-called microbores), as required for example in injectors in internal combustion engines to produce.
  • material removal at undesired locations on the workpiece always occurs.
  • the reason for this are the electrical fields depending on the electrode geometry.
  • material is preferably removed, since there the current density is highest.
  • High field strengths occur mainly on sharp edges or corners, so that they are removed and rounded during processing. This effect is the more pronounced, the higher the conductivity of the working medium.
  • cylindrical bores can be produced with high accuracy, that is, with the least possible material removal, in particular at the bore edges, in the known method only if an insulated electrode is used.
  • there are so far no suitable insulation which allow high stability for small insulation layer thicknesses. For this reason, producing such small diameter bores is associated with relatively high costs. Disclosure of the invention
  • the object of the invention is to refine the known method in such a way that it is possible, without the use of insulated electrodes, to be able to produce bores of small diameter with high accuracy, in particular in the area of the edge of the bore, with high economic efficiency.
  • the invention is based on the idea of selecting the potential difference or the applied voltage between the two electrodes so high that a gas-steam envelope is produced around the tool forming the cathode by means of the electrolyte. As a result, a field-free space is generated between the gas-steam envelope and the workpiece surface, whereby an electrochemical removal of material, in particular in the mouth region of the bore is prevented.
  • the working voltage and thus the potential difference is varied, in particular pulsed.
  • the working voltage and thus the potential difference is varied, in particular pulsed.
  • the wear of the tool in a pulsed operation by a corresponding extension of the processing breaks in which no potential difference between the workpiece and the tool is present, can be influenced.
  • FIG. 1 is a simplified schematic representation of a method for producing a bore using a non-insulated electrode according to the prior art
  • Fig. 2 a simplified schematic diagram corresponding to FIG. 1, however, using the method according to the invention and
  • FIG. 3 shows the voltage drop course over a plasma column using a method according to the invention according to FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a conventional method for producing a bore 1 in a workpiece 10.
  • a switched with a voltage source not shown, as a cathode, wire-shaped tool 1 1 is moved in the direction of the arrow 12, wherein material is removed from the switched with the voltage source as an anode workpiece 10 in the desired manner.
  • Bore 1 is surrounded by an electrolyte which is in contact with the workpiece 10 as well as with the tool 11.
  • the method described so far is known as the so-called ECM method. It can be seen, in particular, that in the case of a non-insulated tool 11 in the area of the bore mouth 13, increased material removal occurs, so that a rounded bore edge 14 occurs.
  • the desired cylindrical geometry of the bore 1 over the entire bore depth in the known method using a non-insulated tool 1 1 at least in the region of the bore mouth 13 is not achievable.
  • a workpiece 20 is connected as an anode with a voltage source 21 in an analogous manner to the method according to FIG. 1.
  • the wire-shaped tool 22 is guided in a tool carrier 23 and undergoes a feed movement in the direction of the arrow 24.
  • the tool 22 is connected to the voltage source 21 as the cathode.
  • the entire assembly of workpiece 20 and tool 22 is located in a known manner in a manufacturing device 25 not shown in detail and is surrounded by an electrolyte 26 and an electrolyte solution.
  • the electrolyte 26 has a conductivity of greater than 10 mS / cm.
  • the potential difference between the workpiece is provided 20 and tool 22, that is, the voltage Ua at the voltage source 21 (high) to choose such that the tool surface is completely surrounded by a gas-vapor jacket 27, which is at times penetrated by a plasma channel.
  • This is typically achieved at voltages Ua greater than 50V for small bore diameters.
  • Analogous to a thunderstorm the plasma repeatedly breaks through the gas-steam envelope 27 at a different place. If there are voltage breakdowns, these are on the one hand voltage breakdowns through the gas-steam envelope 27 between the tool 22 and the bore 1 within the bore 1. Here, therefore, a material removal takes place only within the bore 1.
  • the voltage Ua is divided into a voltage component U (electrolyte) over the electrolyte 26 and a voltage component U (pl) above the plasma.
  • U electrolyte
  • U voltage component
  • U voltage component
  • FIG. 3 shows the voltage drop across the plasma column during a gas discharge
  • the voltage UpI is divided into a cathode case 28 and an anode case 29. Since the plasma with one side touches the workpiece 20 to be machined, there is a conductive connection between the workpiece surface and the anode of the plasma, which is shown by the dashed line 31 in FIG.
  • the magnitude of the voltage Ua determines whether a plasma forms or not. It has been found that in the present example, at voltages Ua smaller than 70 V, the plasma ignites only very irregular, so that the protection of the workpiece surface from electrochemical removal is only partially available. Therefore, it comes mainly to a removal at the bore edge 33, since there the highest field strengths occur.
  • the relative speed between the tool 22 and the workpiece 20 should be adapted to the course of the voltage Ua in order to increase the accuracy of the bore.

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung von Bohrungen (1 ) beschrieben, bei dem ein als Kathode geschaltetes Werkzeug (22) und ein als Anode geschaltetes Werkstück (20) mit einer Spannungsquelle (21 ) verbunden sind. Hierbei sind das Werkstück (20) und das Werkzeug (22) elektrisch leitend über ein Elektrolyt (26) miteinander verbunden, und es wird zumindest zeitweise eine elektrische Potentialdifferenz (Ua) zwischen dem Werkstück (20) und dem Werkzeug (22) zum Abtragen von Material aus dem Werkstück (20) ausgebildet. Weiterhin erfahren das Werkstück (20) und das Werkzeug (22) zum Erzeugen der Bohrung (1 ) eine Relativbewegung zueinander. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Potentialdifferenz (Ua) zwischen dem Werkstück (20) und dem Werkzeug (22) durch eine entsprechende Höhe der Spannung derart auszubilden, dass sich eine Gas-Dampfhülle (27) ausbildet, das das Werkzeug (22) umgibt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine wirtschaftliche Fertigung von Bohrungen (1 ) mit einem relativ einfach ausgebildeten Werkzeug (22).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Erzeugen von Bohrungen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Bohrungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren wird dazu benutzt, insbesondere Bohrungen mit relativ kleinen Durchmessern (so genannte Mikrobohrungen), wie sie zum Beispiel bei Einspritzdüsen bei Verbrennungskraftmaschinen erforderlich sind, zu erzeugen. Dabei kommt es aus verfahrenstechnischen Gründen jedoch auch immer zu ei- nem Werkstoffabtrag an nicht gewünschten Stellen am Werkstück. Grund hierfür sind die von der Elektrodengeometrie abhängenden elektrischen Felder. An den Stellen mit relativ hoher elektrischer Feldstärke wird bevorzugt Werkstoff abgetragen, da dort die Stromdichte am höchsten ist. Hohe Feldstärken treten vor allem an scharfen Kanten bzw. Ecken auf, so dass diese während der Bearbeitung abgetragen und verrundet werden. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter, je höher die Leitfähigkeit des Arbeitsmediums ist. Aus diesem Grund lassen sich zylindrische Bohrungen mit hoher Genauigkeit, das heißt mit möglichst geringem Materialabtrag insbesondere an den Bohrungsrändern bei dem bekannten Verfahren nur erzeugen, wenn eine isolierte Elektrode verwendet wird. Allerdings gibt es bisher keine gut geeigneten Isolierungen, die bei kleinen Isolationsschichtdicken hohe Standfestigkeiten erlauben. Aus diesem Grund ist das Erzeugen derartiger Bohrungen mit kleinen Durchmessern mit relativ hohen Kosten verbunden. Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren derart weiterzubilden, dass es ohne Verwendung von isolierten Elektroden möglich ist, Boh- rungen mit kleinem Durchmesser mit hoher Genauigkeit insbesondere im Bohrungsrandbereich bei hoher Wirtschaftlichkeit erzeugen zu können.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Potentialunterschied bzw. die angelegte Spannung zwischen den beiden Elektroden derart hoch zu wählen, dass um das die Kathode ausbildende Werkzeug mittels des Elektrolyts eine Gas-Dampfhülle erzeugt wird. Dadurch wird zwischen der Gas-Dampfhülle und der Werkstückoberfläche ein feldfreier Raum erzeugt, wodurch ein elektrochemischer Materialabtrag insbesondere im Mündungsbereich der Bohrung verhindert wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Arbeitsspannung und somit die Potentialdifferenz variiert, insbesondere gepulst. Dadurch lassen sich auch relativ kleine Bohrungen mit einem kleinen Werkzeug herstellen, ohne dass sich dieses zu stark erhitzt bzw. einen erhöhten Verschleiß erfährt.
Zusätzlich kann der Verschleiß des Werkzeugs bei einem gepulsten Betrieb durch eine entsprechende Verlängerung der Bearbeitungspausen, in denen kein Potentialunterschied zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug vorhanden ist, beeinflusst werden.
Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, bei einem gepulsten Betrieb, den Verlauf der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug dem Verlauf des Potentialunterschieds anzupassen. Dadurch wird die Genauigkeit des Bear- beitungsprozesses erhöht. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in:
Fig. 1 : eine vereinfachte Prinzipdarstellung eines Verfahrens zur Erzeugung einer Bohrung unter Verwendung einer nicht isolierten Elektrode nach dem Stand der Technik,
Fig. 2: eine vereinfachte Prinzipdarstellung entsprechend der Fig. 1 jedoch unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 3: den Spannungsabfallverlauf über einer Plasmasäule unter Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der Fig. 2.
In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In der Fig. 1 ist ein herkömmliches Verfahren zur Erzeugung einer Bohrung 1 in einem Werkstück 10 dargestellt. Dabei wird ein mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle als Kathode geschaltetes, drahtförmiges Werkzeug 1 1 in Richtung des Pfeils 12 bewegt, wobei von dem mit der Spannungsquelle als Anode geschalteten Werkstück 10 in gewünschter Weise Material abgetragen wird. Zu- mindest der gesamte Bearbeitungsbereich des Werkstücks 10 im Bereich der
Bohrung 1 ist hierbei von einem Elektrolyt umgeben, das sowohl in Kontakt mit dem Werkstück 10, als auch mit dem Werkzeug 1 1 ist. Das soweit beschriebene Verfahren ist als so genanntes ECM-Verfahren bekannt. Man erkennt insbesondere, dass es bei einem nicht isolierten Werkzeug 1 1 im Bereich der Bohrungs- mündung 13 zu einem erhöhten Materialabtrag kommt, so dass es zu einer gerundeten Bohrungskante 14 kommt. Somit ist die gewünschte zylindrische Geometrie der Bohrung 1 über die gesamte Bohrungstiefe bei dem bekannten Verfahren unter Verwendung eines nicht isolierten Werkzeugs 1 1 zumindest im Bereich der Bohrungsmündung 13 nicht erreichbar. - A -
Bei dem in der Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Bohrung 1 ist in analoger Weise zum Verfahren gemäß der Fig. 1 ein Werkstück 20 als Anode mit einer Spannungsquelle 21 geschaltet. Das drahtförmige Werkzeug 22 ist in einem Werkzeugträger 23 geführt und erfährt eine Vorschub- bewegung in Richtung des Pfeils 24. Hierbei ist das Werkzeug 22 mit der Spannungsquelle 21 als Kathode geschaltet.
Die gesamte Anordnung aus Werkstück 20 und Werkzeug 22 befindet sich in bekannter Art und Weise in einer nicht näher dargestellten Fertigungseinrichtung 25 und ist von einem Elektrolyt 26 bzw. einer Elektrolytlösung umgeben. Beispielhaft weist der Elektrolyt 26 eine Leitfähigkeit von größer 10mS/cm auf. Beim Anlegen einer Arbeitsspannung zwischen Anode und Kathode, im Folgenden als Spannung Ua bezeichnet, kommt es aufgrund der Elektrolyse zu einer Wasserstoffab- scheidung an der Kathodenoberfläche, das heißt an der Oberfläche des Werk- zeugs 22. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Potentialunterschied zwischen dem Werkstück 20 und Werkzeug 22, das heißt die Spannung Ua an der Spannungsquelle 21 derart (hoch) zu wählen, dass die Werkzeugoberfläche komplett mit einer Gas-Dampfhülle 27 umgeben ist, die zeitweise von einem Plasmakanal durchschlagen wird. Dies wird bei kleinen Bohrungsdurchmessern typischerwei- se bei Spannungen Ua von größer 50V erreicht. Analog zu einem Gewitter durchschlägt das Plasma immer wieder die Gas-Dampfhülle 27 an immer anderer Stelle. Kommt es zu Spannungsdurchschlägen, so sind dies zum einen Spannungsdurchschläge durch die Gas-Dampfhülle 27 zwischen dem Werkzeug 22 und der Bohrung 1 innerhalb der Bohrung 1 . Hier findet somit ein Materialab- trag nur innerhalb der Bohrung 1 statt. Bei den anderen Spannungsdurchschlägen zwischen dem Elektrolyt 26 und dem Werkzeug 22 außerhalb der Bohrung 1 fließt der Strom zunächst durch den Plasmakanal, dann durch das Elektrolyt 26 (U(elektrolyt) nicht Null), und könnte zu einem Materialabtrag außerhalb der Bohrung 1 führen. Da das Plasma den Stromfluß jedoch begrenzt (Sättigungseffekt), reicht die Stromdichte an der Werkstücksoberfläche nicht aus, um einen Materialabtrag zu erreichen. Dies führt in gewünschter Weise zur Ausbildung einer relativ scharfkantigen Bohrungskante 33. Zusätzlich wird erwähnt, dass ein Durchschlag durch die Gas-Dampfhülle 27 auch zur Zündung des Wasserstoffs führen kann, vor allem bei einem Durchschlag zwischen dem Werkzeug 22 und dem Werkstück 20, da sich hier sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff in der Gas-
Dampfhülle 27 befindet. Die Spannung Ua teilt sich auf in einen Spannungsanteil U(elektrolyt) über dem Elektrolyt 26 und einen Spannungsanteil U(pl) über dem Plasma. Wie man anhand der Fig. 3 erkennt, die den Spannungsfall über der Plasmasäule bei einer Gasentladung darstellt, teilt sich die Spannung UpI in einen Kathodenfall 28 und einen Anodenfall 29 auf. Da das Plasma mit einer Seite das zu bearbeitende Werkstück 20 berührt, besteht eine leitende Verbindung zwischen der Werkstückoberfläche und der Anode des Plasmas, was durch die gestrichelte Linie 31 in der Fig. 2 dargestellt ist.
Die Höhe der Spannung Ua bestimmt, ob sich ein Plasma ausbildet oder nicht. Es hat sich herausgestellt, dass im vorliegenden Beispiel bei Spannungen Ua kleiner 70 V das Plasma nur sehr unregelmäßig zündet, so dass der Schutz der Werkstückoberfläche vor elektrochemischem Abtrag nur teilweise vorhanden ist. Daher kommt es dann vor allem zu einem Abtrag an der Bohrungskante 33, da dort die höchsten Feldstärken auftreten.
Wird hingegen die Spannung Ua auf 105 V erhöht (bei einer Leitfähigkeit des Elektrolyts 26 von 20mS/cm), so erhält man relativ scharfkantige Bohrungskan- ten 33 entsprechend der Fig. 2.
Ergänzend wird erwähnt, dass es bei kleinen Werkzeug/Elektrodendurchmessern von ca. 100μm empfehlenswert ist, die Spannung Ua zu pulsen, da ansonsten bei einer Gleichspannung die Temperatur an dem Werkzeug 22 so hoch werden kann, dass es abschmelzt. Die Dauer von Pulslänge und Pulspause ist hierbei
(wie auch die Spannung Ua) ein Parameter, um die Intensität des Plasmas zu beeinflussen. Je länger die Pulspause, desto weniger wird das Plasma aufgeheizt. Bei langen Pulspausen erlischt das Plasma zeitweise, und es kommt (wie auch bei relativ niedriger Spannung Ua) zu einem elektrochemischen Abtrag ins- besondere an der Bohrungskante 33, was vorteilhaft ausgenutzt werden kann.
Während der Pulspausen kann es vorteilhaft sein, die ansonsten kontinuierliche Vorschubbewegung des Werkzeugs 22 zu reduzieren bzw. zu stoppen. Im Übrigen sollte vorteilhafterweise die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkzeugs 22 und dem Werkstück 20 dem Verlauf der Spannung Ua angepasst sein, um die Bohrungsgenauigkeit zu erhöhen. Mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ist somit insbesondere die Herstellung hochgenauer Bohrungen mit relativ kleinen Durchmessern (insbesondere mit Durchmessern kleiner 1 mm bzw. einem Durchmesser/Tiefe- Verhältnis von 1 :10, sogenannten Mikrobohrungen, insbesondere im Einlaufbe- reich der Bohrungen möglich, ohne dass hierzu eine isolierte Kathode (Werkzeug
22) erforderlich ist. Es ist aber auch möglich, mit dem beschriebenen Verfahren bei einer Drosselbohrung zunächst die Bohrung herzustellen, und anschließend in derselben Aufspannung derselben Fertigungseinrichtung 25 mit demselben Elektrolyt 26 die Drosselbohrung elektrochemisch bis auf das gewünschte Maß aufzuweiten, oder gezielt die Bohrungskante 33 einer Mikrobohrung (bereits im
Bohrprozess oder auch hinterher durch eine relativ niedrige Spannung Ua, bei der das Plasma nicht sofort zündet) zu verrunden.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Erzeugung von Bohrungen (1 ), bei der ein als Kathode geschaltetes Werkzeug (22) und ein als Anode geschaltetes Werkstück (20) mit einer Spannungsquelle (21 ) verbunden sind, wobei das Werkstück (20) und das Werkzeug (22) elektrisch leitend über ein Elektrolyt (26) verbunden sind und zumindest zeitweise eine elektrische Potentialdifferenz (Ua) zwischen dem Werkstück (20) und dem Werkzeug (22) zum Abtragen von Material aus dem Werkstück (20) ausgebildet wird, und wobei das Werkstück (20) und das Werkzeug (22) zum Erzeugen der Bohrung (1 ) eine Relativbe- wegung zueinander erfahren,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch die Potentialdifferenz (Ua) zwischen dem Werkstück (20) und dem Werkzeug (22) eine Gas-Dampfhülle (27) ausgebildet wird, die das
Werkzeug (20) zumindest teilweise umgibt, und in der es zeitweise zur Bildung von Plasmadurchschlägen kommt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialdifferenz (Ua) an der Spannungsquelle (21 ) pulsierend ist, so dass sich Phasen mit angelegter voller Potentialdifferenz (Ua) mit Phasen abwechseln, in denen die Potentialdifferenz (Ua) gegenüber der vollen Potentialdifferenz (Ua) reduziert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialdifferenz (Ua) zwischen ihrem vollen Wert und Null abwechselt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der vollen Potentialdifferenz (Ua) unterschiedlich von der Dauer der reduzierten Potentialdifferenz (Ua) ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (1 ) einen Durchmesser von 10OOμm oder weniger aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialdifferenz (Ua) mehr als 50 Volt, insbesondere mehr als 100 Volt, bei einer Leitfähigkeit des Elektrolyts (26) von größer/gleich 5mS/cm beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zwischen dem Werkzeug (22) und dem Werk- stück (20) diskontinuierlich ist und dem Verlauf der Potentialdifferenz (Ua) angepasst wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein drahtförmiges Werkzeug (22) Verwendung findet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Arbeitsschritt eine Bohrung (1 ) im Werkstück (20) erzeugt wird, und dass in einem weiteren Verfahrensschritt die Bohrung (1 ) mittels desselben Werkzeugs (20) weiter bearbeitet wird.
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