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Verfahren und Vorrichtung zum Anzeigen einer vorbestimmten Ätztiefe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anzeigen einer vorbestimmten
Ätztiefe in einem in ein chemisches Ätzbad eingesetzten Werkstück.
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Bisher wurde beim Ätzen von Metallen die Ätztiefe eines in ein chemisches
Ätzbad eingesetzten Werkstücks im wesentlichen nach zwei verschiedenen Verfahren
ermittelt: erstens durch genaue Einhaltung einer bestimmten Atzzeit und zweitens
durch periodisches Herausnehmen des Werkstücks und Messen der noch vorhandenen Dicke
des Werkstücks. Das zuerst genannte Verfahren berücksichtigt nur ungenügend die
Veränderungen des Ätzgrades, die den verhältnismäßig lang andauernden Ätzvorgang
begleiten, während das zweite Verfahren eine Vergeudung von Zeit und Einbußen an
Genauigkeit durch das periodische Herausnehmen des Werkstücks aus dem Bad zur Folge
hat. Befindet sich eine größere Anzahl von Werkstücken gleichzeitig in dem chemischen
Ätzbad, dann ergeben sich sehr leicht Irrtümer und Fehler, weil sich die Eigenschaften
des Bades verändern können, ohne daß dies rechtzeitig und in dem erforderlichen
Umfang bemerkt wird. Diese Probleme spielen insbesondere dann eine große Rolle,
wenn bei den zu ätzenden Werkstücken die Einhaltung enger Toleranzen verlangt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu schaffen, um die Tiefe der chemischen Bearbeitung bzw. Ätzung so genau wie nur
irgend möglich zu überwachen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß an dem
Werkstück oder in dessen unmittelbarer Nachbarschaft ein Musterstück in dem Atzbad
angeordnet wird, das aus demselben Material wie das Werkstück besteht und dessen
Mindestdicke in einem ganz bestimmten Verhältnis zu der Ätztiefe steht, und daß
beide Stücke den gleichen Ätzbedingungen unterworfen werden, bis infolge der Schwächung
oder der vollständigen Durchätzung des Musterstücks eine Anzeigevorrichtung betätigt
wird, welche die Erreichung der vorbestimmten Ätztiefe in dem Werkstück anzeigt
bzw. eine Tauchvorrichtung betätigt.
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Die Materialschwächung oder die Durchätzung des Musterstückes in dem
Ätzbad werden also dazu benutzt, elektrische, mechanische oder pneumatische Anzeigesignale
für die Erreichung der gewünschten Ätztiefe des Werkstücks zu geben. Als besonders
vorteilhaft hat sich ein Verfahren erwiesen, bei dem durch das Musterstück ein elektrischer
Strom geleitet wird, dessen Stärke je nach dem Umfang der Materialabnahme durch
das Ätzen herabgesetzt bzw. auf Null zurückgeführt wird, so daß auf diese Weise
ein Abtasten der erreichten Atztiefen erzielt wird.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
enthält eine elektrische Ermittlungsvorrichtung (z. B. einen Leiter oder ein Schaltgerät),
die in einem eine Stromquelle und das Musterstück enthaltenden elektrischen Stromkreis
liegt und auf elektrische Änderungen in dem Stromkreis anspricht.
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Im folgenden sollen einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben werden. In der Zeichnung ist
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach der Erfindung, F i g. 2 ein Schaltschema einer Ausführungsform der elektrischen
Ermittlungseinrichtung, F i g. 3 eine abgewandelte Schaltanordnung für die Ermittlungseinrichtung
nach der Erfindung, F i g. 4 ein Schnitt durch ein Musterstück und stellt die Ätzwirkung
dar, F i g. 5 ein Teil einer elektrischen Ermittlungseinrichtung mit einem einen
Bestandteil des Werkstücks bildenden Musterstück, F i g. 6 eine Draufsicht auf den
überzug bzw. das Blech gemäß F i g. 5, F i g. 7 eine Schrägansicht auf eine andere
Ausführungsform eines Musterstücks, F i g. 8 eine mechanische Ermittlungseinrichtung
zur überwachung der Ätztiefe,
F i g. 9 eine abgeänderte Ausführungsform
der mechanischen Ermittlungseinrichtung nach F i g. 8 und F i g. 10 eine pneumatische
Ermittlungseinrichtung zur Überwachung der Ätztiefe.
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Wie F i g. 1 zeigt, wird das Werkstück 2 in einen Trog oder Tank 1
eingebracht und besteht bei dem gewählten Ausführungsbeispiel aus einem gebogenen
Stück Blech, dessen Kanten mit einem ätzfesten Film 3 überzogen werden. Das Ätzmittel
ätzt das Metall in dem Bereich 4 weg, so daß ein Blech entsteht, das einen zentralen
Bereich geringerer Dicke als das ursprüngliche Material und übrige, nicht geätzte
Teile aufweist. Mit 5 ist die übliche Vorrichtung bezeichnet, die dazu dient, das
Ätzgut in den Tank hinein und aus diesem heraus zu befördern.
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In dem Tank 1 befindet sich das Musterstück 6, das den gleichen Ätzbedingungen
wie das Werkstück 2 unterworfen wird. Es besteht im allgemeinen aus demselben Material
wie das Werkstück und besitzt Mindestabmessungen, die der gewünschten Ätztiefe proportional
sind. Diese Mindestabmessungen haben im allgemeinen einen solchen Wert, daß eine
Durchätzung des Musterstücks eintritt, wenn die vorbestimmte Ätztiefe erreicht ist.
Bei getrennt angeordnetem Musterstück wird die Mindestabmessung im allgemeinen gleich
der gewünschten Ätztiefe sein. Bei der Ermittlung durch Abnahme eines Stromdurchflusses
endet der nachstehend beschriebene Nebenschlußeffekt des Musterstücks bei einem
kritischen Wert von annähernd 25 - 10-s mm in Abhängigkeit von den tatsächlichen
Abmessungen des Musters. Dieser Wert stellt dann den theoretischen Grenzwert dar,
bei dem die Anzeige erfogt. Infolge der verhältnismäßig großen Ungenauigkeit, die
der Ätzbehandlung an sich anhaftet, werden jedoch die Toleranzen der hier beschriebenen
Überwachungseinrichtungen gewöhnlich in der Größenordnung von ±0,025 bis
0,050 mm liegen.
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Während des gleichzeitigen Ätzangriffs auf das Werkstück 2 und das
Muster 6 wird ein elektrischer Strom über die Zuführungen 7 und 8 durch das Werkstück
geleitet. Eine Ermittlungseinrichtung 9, die vorzugsweise als kompaktes Aggregat
in der Nähe des Tanks angeordnet ist, dient dazu, eine vorbestimmte Schwächung des
Musterstücks 6 zu erkennen. Tritt diese Schwächung ein und wird sie festgestellt,
dann kann über die Zuleitungen 11 ein Ermittlungssignal einer Meldeeinrichtung
10 oder über die Zuleitungen 13 einer Auslöseeinrichtung 12 und der Bedienungsvorrichtung
5 zugeführt werden. Auf diese Weise wird die Bedienungsperson des Ätzbades durch
ein optisches oder akustisches Signal von dem Erreichen der vorbestimmten Ätztiefe
in Kenntnis gesetzt, und das Werkstück kann von Hand oder maschinell aus dem Bad
entnommen werden.
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Die Überwachungseinrichtung dient zwar vorzugsweise zum Überwachen
des selektiven Ätzens verschiedener Werkstücke, es können aber auch andere Sorten
Bleche. Schmiedestücke, Gußstücke und Stanzstücke durch die Ermittlungseinrichtung
überwacht werden. Die Werkstücke können daher ohne weiteres auch aus Titan, Aluminium
oder Stahl bestehen, die in alkalischen oder sauren Ätzlösungen geätzt und kontrolliert
werden sollen.
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Während des Atzens des Werkstücks und des gleichzeitigen, in demselben
Ausmaß erfolgenden Ätzens des Musterstücks 23 liegt letzteres als Nebenschluß am
Stromkreis durch die Primärwicklung des Transformators 17. Dieser Nebenschluß verhindert,
daß eine wesentliche Spannung an ein Relais gelangt, das parallel zu dem Musterstück
geschaltet ist. Die Schwächung des Musterstücks während des Atzvorgangs kann bis
zu einem Mindestmaß erfolgen (beispielsweise 25.10-6 mm), bei dem der Nebenschlußeffekt
durch Querschnittsverminderung aufhört oder eine völlige Zerstörung des Musterstücks
eintritt.
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Die bei der Schwächung an dem Musterstück ansteigende Spannung beeinflußt
einen Transformator 25, wird in einem Gleichrichter 26 gleichgerichtet und durch
einen Kondensator 27 geglättet und betätigt schließlich ein elektromagnetisches
Relais 28.
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Nach F i g. 2 kann die Speisespannung der Sekundärseite eines Transformators
25a zugeführt werden, wobei die Nebenschlußwirkung des Musterstücks über
den Transformator nutzbar gemacht wird. Diese Auswirkung ist das normale Ergebnis
der Grundeigenschaften eines Transformators, die darin besteht, die Impedanz der
einen Wicklung auf die andere Wicklung zu übertragen. Dies ermöglicht eine vollständige
Isolation jedes einzelnen Musterstücks und das Fortlassen des Transformators 17.
Bei dieser Schaltanordnung müssen die Widerstände 20a und 21a dem Wert nach den
umlaufenden höheren Spannungen angepaßt werden.
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Eine weitere Abwandlung einer elektrischen Ermittlungs- und Anzeigeeinrichtung
wird in F i g. 3 dargestellt. Nach dieser wird die Netzspannung an dem Schalter
69 mit einer »Ein« anzeigenden Lampe 70 zugeführt. Zum Regeln der Empfindlichkeit
der Schaltung ist ein Widerstand 71 und ein zu dem Musterstück 23 führender Abwärtstransformator
72 vorgesehen. An der Primärseite des Abwärtstransformators 72 liegen ein fester
Widerstand 73 und eine Glimmlampe 74. 1m Betrieb ist der Stromkreis bei 69 geschlossen,
das Licht 70 eingeschaltet, und es fließt ein Strom durch die Glimmlampe 74, die
aber als Folge der Nebenschlußwirkung des Transformators 72 auf die Speisespannung
nicht glimmt. Tritt bei dem Musterstück 23 eine Schwächung ein, so erreicht der
Widerstand in diesem einen Maximalwert, wobei die Impedanz der Primärseite des Transformators
im Vergleich zu dem Widerstand 71 so hoch wird, daß der Spannungsabfall an
der Lampe 74 das darin enthaltene Gas ionisiert und ein Zünden der Lampe bewirkt.
Das Glimmen der Lampe 74 zeigt daher eine vorbestimmte Schwächung des Musters und
damit das Erreichen der gewünschten Ätztiefe an. Die Glimmlampe 74 kann eine beliebige
Gasentladungslampe, wie Neon-Lampe, oder ein Thyratron sein. Weiterhin kann an den
Glimmlampenkreis eine akustische Einrichtung angeschlossen werden, die das Zünden
dieser Lampe akustisch anzeigt.
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F i g. 4 stellt die normale Ätzwirkung auf eine Metallfläche dar.
Ein Metallblech 47 ist auf der Rückseite mit einer ätzfesten Schicht
49 und auf der zu ätzenden Vorderseite teilweise mit einer ätzfesten Schicht
48 abgedeckt. Soll das Blech 47 bis zu einer vorbestimmten Tiefe d geätzt werden,
wirkt die Ätzung gleichzeitig unter die frei liegende Kante der ätzfesten Schicht
48, so daß sich eine Hohlkehle bildet. Die Hohlkehle besitzt einen von dem
Punkt 51 ausgehenden Radius 50, der gleich der gewünschten Tiefe d der Ätzung ist.
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Diese Erscheinung wird als Grundlage für die Bestimmung der Ätztiefe
eines einen Teil des Werkstücks bildenden Musterstücks, wie in F i g. 5 dargestellt,
benutzt.
Es wird am Werkstück 52 ein das Musterstück bildender Abschnitt unter Verwendung
einer ätzfesten Scheibe 54 od. dgl. hergestellt, deren Durchmesser doppelt so groß
ist wie die gewünschte Ätztiefe.
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Bei dem selektiven Ätzen des Werkstücks 52 wird dieses mit einer ätzfesten
Schicht 53 überzogen, wobei eine zu ätzende Fläche der ätzfesten Schicht ausgespart
wird. Die ätzfeste Scheibe 54 wird auf einer ungeschützten, als Musterstück dienenden
Zone des Blechs 52 befestigt und das ganze Blech der Einwirkung des Ätzmittels ausgesetzt.
Die Ätztätigkeit wird außer dem Wegfressen des direkt exponierten Materials auch
die Scheibe 54 hinterätzen, und zwar in einem Ausmaß, das gleich der tatsächlichen
Tiefe der Atzung in einem ungeschützten Bereich ist. F i g. 5 zeigt die durch das
Hinterätzen gebildeten Hohlkehlen mit den Radien 56. Durch die ätzfeste Schicht
und die Scheibe 54 hindurch werden bei 55 bzw. 57 elektrische Anschlüsse hergestellt.
Ist die gewünschte Ätztiefe d erreicht, so zeigt der Teil 57 a die
in F i g. 5 bedeutend vergrößert dargestellte Schwächung.
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Der in F i g. 5 dargestellte Schaltungsteil umfaßt eine Wechselspannungsquelle
14, einen Abwärtstransformator 17, Empfindlichkeitsregler 20, 21 und den
Aufwärtstransformator 25.
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Die Schaltung ist so aufgebaut, daß während des Ätzvorganges das Musterstück
als ein Teil des Werkstücks als Nebenschluß zwischen den Kontaktpunkten 57 und 55
wirkt. Tritt bei dem Musterstück 57a eine wirksame Schwächung auf, so hört die Nebenschlußwirkung
auf, und der Stroinfluß durch den Transformator 25 vergrößert sich bis auf einen
vorherbe.itimmten Wert, bei dem er das Anzeigesignal auslöst.
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F i g. 6 ist eine Draufsicht auf das einen Bestandteil des Werkstücks
bildende Musterstück nach F i g. 5. Das Werkstück 52 ist in seinem Randbereich mit
einem Überzug 53 versehen und mit der ätzfesten Scheibe 54, die eine Stromzuführung
54 a zur Überwachung einer Ätztiefe gleich dem halben Durchmesser der Scheibe 54
besitzt.
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Fig.7 stellt eine bevorzugte Ausführungsform eines vom Werkstück getrennten
Musterstückes 23 dar, das vorzugsweise aus einem Metallstück desselben Materials
wie das Werkstück besteht. Das dargestellte Musterstück wird gewöhnlich verwendet,
wenn nur eine Seite des Werkstücks geätzt werden soll. An der Unterseite des Musters
und an dessen Stirnseiten ist eine ätzfeste Schicht 59 aufgebracht. Die Zuführungen
60 sind an die Stirnseiten des Musterstücks 23 durch die Schicht 59 hindurch angeschlossen.
In der Oberfläche 58 des Musterstücks ist ein Kanal 61 vorgesehen, dessen
Grund eine wirksame kritische Dicke 62 des Musterstücks einstellt, die gleich der
gewünschten Ätztiefe ist. Im Betrieb greift das Ätzmittel in gleichem Umfang sowohl
das Werkstück als auch das Musterstück an. Ist der Atzvorgang entsprechend der gewünschten
Ätztiefe fortgeschritten und hat sich dabei die kritische Dicke 62 entsprechend
vermindert, hört der Nebenschlußeffekt des Musterstücks 23 auf. Die überwachungseinrichtung
ermittelt diese Schwächung und signalisiert deren Auftreten.
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Wenn das Werkstück auf beiden Seiten geätzt werden soll, kann die
ätzfeste Schicht 59 entfallen. Die kritische Dicke 62 muß jedoch so bemessen sein,
daß sie der gewünschten Gesamtätztiefe auf beiden Seiten entspricht. Dabei müssen
die Verbindungen der Zuführungen 60 zu dem Musterstück 23 vor der Ätzwirkung geschützt
werden. Dies kann normalerweise dadurch bewirkt werden, daß sich die ätzfeste Schicht
59 entlang den Stirnseiten des Musterstücks, wie in F i g. 7 dargestellt, erstreckt.
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Beim Ätzen von plattiertem Blech wird der Kanal gewöhnlich an der
Unterseite des Musterstücks angeordnet, so daß die kritische Dicke 62 das gesamte
Plattierungsmaterial umfaßt. Dadurch werden durch das Plattierungsmaterial bedingte
Unterschiede in der Ätzwirkung berücksichtigt. Wird die Ätztiefe, wie im folgenden
beschrieben, mechanisch ermittelt, können die Schutzschicht des Musterstücks und
der schwächende Kanal entfallen, da dann kein Bereich mit entsprechend dem Ätzgrad
variablem elektrischem Widerstand erforderlich ist.
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F i g. 8 stellt eine mechanische Einrichtung zum Ermitteln der Schwächung
des Musterstücks und eine mechanische Einrichtung zum Auslösen und Weitermelden,
daß eine solche Schwächung erreicht worden ist, dar. Das Muster 23 ist in dem Ätztank
1 zwischen einer Haltevorrichtung 63 und einer Federeinrichtung 64 untergebracht.
Mit der Feder 64 steht ein Hebelglied 65 in Verbindung und ist an einem Stützarm
68 drehbar angebracht. Gewöhnlich sind an dem Hebel 65 ein Gegengewicht 67 und ein
Fahnensignal 66 befestigt. Das Musterstück 23 wird der gleichen Ätzwirkung ausgesetzt
wie das nicht dargestellte Werkstück im Tank 1. Die Dicke des Musterstücks 23 ist
so gewählt, daß sie der gewünschten Ätztiefe auf dem Werkstück entspricht. Ist diese
gewünschte Ätztiefe erreicht, wird die Kraftwirkung der Feder 64 größer als die
Festigkeit in der durchätzten geschwächten Zone des Musterstücks, und dieses bricht,
wodurch die Anzeige ausgelöst wird.
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Die Federspannung wird so gewählt, daß die Vorrichtung bei einer vorherbestimmten
Verminderung der Festigkeit des Musterstücks anspricht. Dieses reißt dann auseinander
und bewirkt, daß sich die Signalfahne 66 in die gestrichelt dargestellte Stellung
hebt. Dies ist für die Bedienung ein sichtbares Zeichen, daß die gewünschte Ätztiefe
erreicht ist. Ferner kann das Hebelglied 65 die Kontakte 33 und 33 a überbrücken,
um einen Läutekreis zu betätigen, der eine Energiequelle 14 und eine Klingel 37
enthält.
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Eine weitere Einrichtung zum Überwachen des Erreichens der gewünschten
Ätztiefe ist in F i g. 9 dargestellt. Eine Luftröhre 88 od. dgl. kann in den Tank
1 eingesetzt werden. An den Enden der genannten Röhre ist eine Federklammer oder
eine andere Klemmvorrichtung 87 vorgesehen. Zwischen die Enden der Röhre 88 und
den Federn der Klammer 87 wird ein Musterstück 23 eingesetzt. Vorzugsweise wird
dazwischen eine Gummidichtung 89 gelegt. Die Leitung 88 wird durch eine einen z.
B. pneumatischen Druck erzeugende Einrichtung 92 unter Druck gesetzt. Während des
Ätzvorganges bleibt die Leitung 88 durch den Verschluß der Luftröhre 88 mittels
Gummidichtung und Musterstück 23 unter Druck. Wird das Musterstück 23 durch das
Ätzen zerstört, kann die Luft aus der Röhre 88 in den Tank 1 entweichen,
wobei in der Röhre 88 ein Druckabfall oder eine Veränderung verursacht wird. Diese
Druckveränderung kann ein Druckventil 90 betätigen, das zu einer Sicht- oder
Hör-Signalleitung 91 führt, oder sie kann eine Membran 94 bewegen, wodurch ein sichtbares
Schwimmersignal 93 betätigt wird.
Es können auch andere mechanische
Ermittlungseinrichtungen verwendet werden. Beispielsweise kann nach F i g. 10 das
Musterstück 23 durch die Vorrichtungen 63 und 64 horizontal gehalten und darauf
ein Gewicht mit einer Fahnenstange 65 a od. dgl. angeordnet werden. Ist ein entsprechender
Teil des Musterstücks abgeätzt, bricht das Gewicht das Musterstück auseinander und
fällt, in der Röhre 65b
geführt, auf den Boden des Tanks. Durch das Herabfallen
des Gewichtes 65a kann eine akustische oder optische Signaleinrichtung ausgelöst
werden.
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Die verschiedenen beschriebenen Einrichtungen bieten eine wartungsfreie
Vorrichtung zum genauen Bestimmen des Zeitpunktes, wann eine gegebene Materialtiefe
aus dem Werkstück durch Ätzen entfernt worden ist. Eine Kompensation der Veränderungen
der Temperatur des Bades oder von Veränderungen der Konzentration des Ätzmittels
sowie anderer möglicher Variationen und Merkmale sind wegen der Gleichförmigkeit
des Angriffs auf das Musterstück einerseits und das Werkstück andererseits unnötig.
Durch das vorliegende Verfahren und die Einrichtung zu dessen Durchführung werden
relativ enge Toleranzen erhalten, wenn das Werkstück sofort aus der Atzlösung entnommen
wird, nachdem das Signal aufgenommen worden ist.
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Obwohl die Erfindung im einzelnen beschrieben und dargestellt ist,
versteht sich von selbst, daß es sich hierbei nur um Beispiele handelt, die keine
Abgrenzung darstellen.