DE1615328C3 - Verfahren und Vorrichtung zum elektrochemischen Fräsen eines Werkstuckes mit einer rotierenden Werkzeugelektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Fräsen eines Werkstückes mit einer rotierenden Werkzeugelektrode, wobei auf die Arbeitsfläche der Werkzeugelektrode ein Elektrolytfilm aufgebracht und dessen Schichtdicke an einem zwischen der Aufbringstelle und dem Arbeitsspalt gelegenen Punkt begrenzt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der US-PS 29 39 825 bekannt. Bei diesem Verfahren erfolgt das Begrenzen der Elektrolytschichtdicke zwischen der Aufbringstelle und dem Arbeitsspalt durch ein Wehr in der Weise, daß die Elektrolytschichtdicke hinter dem Wehr 2,5 μπι bis 0,51 mm, vorzugsweise 25 μπι bis 0,2 mm, beträgt.

Ein ähnliches Verfahren ist aus der CH-PS 3 42 304 bekannt. Der Elektrolyt wird über einen Pinsel oder eine elastische Laufrolle auf die Oberfläche der Werkzeugelektrode aufgetragen. Durch diese Art des Auftrags wird gleichzeitig die Schichtdicke des Elektrolytfilms begrenzt. Das Auftragen des Elektrolyts und seine Schichtdickenbegrenzung erfolgen also an einem Punkt mit ein und demselben Gerät.

Beide bekannten Verfahren gehen dabei von der Vorstellung aus, daß zur Erzielung der angestrebten elektrochemischen Wirkung der Elektrolytfilm in hinreichender Dicke herzustellen sei. Als »hinreichend dick« wird dabei eine Schichtdicke im Bereich von einigen Mikrometern angesehen. Eine solche Elektrolytschichtdicke wird durch reichlichen Elektrolytauftrag vor dem Arbeitspunkt eingestellt, sei es durch die Begrenzung an der Unterkante eines Wehrs, sei es durch Pinselauftrag. Diese Verfahren führen jedoch zu Profilhinterschneidungen an den Eck-, Winkel- oder Kantenteilen des zu fräsenden Profils. Solche Hinterschneidungen liegen häufig nicht mehr im Rahmen der vorgegebenen Bearbeitungstoleranzen, so daß das prinzipiell durchaus vorteilhafte elektrochemische Schleifverfahren für eine Reihe von Einsatzzwecken ungeeignet ist.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrochemischen Fräsen zu schaffen, die die Übertragung auch komplizierter Werkzeugprofile mit höchster Maßgenauigkeit auf ein Werkstück gewährleisten, wobei das Werkstück insbe-

sondere keine Hinterschneidungen in den Profilkanten aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß der überschüssige Elektrolyt von der Arbeitsfläche durch federndes Andrücken eines Abstreifers an die Arbeitsfläche mit dazu komplementärer Profilausbildung und/oder durch Absaugen und/oder durch Abblasen mit einem gegen die Arbeitsfläche gerichteten Gasstrahl hoher Strömungsgeschwindigkeit wieder entfernt wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zum elektrochemischen Fräsen eines Werkstückes mit einer rotierenden Werkzeugelektrode, einer Einrichtung zum Aufbringen eines Elektrolyten auf die Arbeitsfläche der Werkzeugelektrode und einer zwischen dieser Einrichtung und dem Arbeitsspalt angeordneten Einrichtung zum Begrenzen der Schichtdicke des Elektrolyten ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen federnd auf die Arbeitsfläche gedrückten Abstreifer mit zur Arbeitsfläche komplementärer Profilausbildung, einen dicht über der Arbeitsfläche angeordneten Absaugstutzen oder einen auf die Arbeitsfläche gerichteten Gasstrahl hoher Geschwindigkeit oder eine Kombination dieser Einrichtungen zum Begrenzen der Elektrolytschichtdicke.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung gekennzeichnet durch eine der Arbeitsfläche der Werkzeugelektrode in der Nähe des Arbeitspunktes benachbarte und dieser gegenüber auf ein abweichendes Potential bringbare Hilfselektrode, die vorzugsweise gleichzeitig als Elektrolytzuführungsdüse ausgebildet ist. Dabei läßt man die Arbeitsfläche vorzugsweise so schnell rotieren, daß der über die Hilfselektrode elektrochemisch umgewandelte Elektrolyt vor Beginn der chemischen Rekombinationsprozesse in den Arbeitsspalt gelangt.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann auch der Abstreifer als Hilfselektrode ausgebildet sein.

Gegenüber den bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum elektrochemischen Fräsen unterscheiden sich also das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung primär darin, daß positive, vom Aufbringverfahren des Elektrolyten getrennte Maßnahmen zum Abtragen des Elektrolyten von der" Oberfläche der Werkzeugelektrode vorgesehen sind, durch die der Elektrolyt bis auf eine außerordentlich dünne restliche Haftschicht von der Oberfläche der Werkzeugelektrode wieder abgetragen wird. Überraschenderweise reicht diese restliche dünne Haftschicht nicht nur vollkommen zur Erzielung der elektrochemischen Fräswirkung aus, sondern ermöglicht außerdem die Herstellung außerordentlich präziser und hinterschneidungsfreier Profile, insbesondere auch in den Kantenbereichen.

Der Abstreifer, der gegen die Werkzeugelektrodenoberfläche gedrückt wird und ein zu dieser komplementären Profil aufweist, ist aus einer verhältnismäßig steifen, dünnen Folie hergestellt und besteht vorzugsweise aus Celluloid, Polyäthylen, Polytetrafluoräthylen oder einem anderen Kunststoff mit geringem Reibungskoeffizienten. Der Abstreifer kann vorzugsweise auch aus Graphit hergestellt sein. Er ist in diesem Fall nicht selbst federnd, sondern muß federnd an die Oberfläche der Werkzeugelektrode angedrückt werden. Wichtig ist, daß der Werkstoff, aus dem der Abstreifer hergestellt ist, vom Elektrolyten nicht angegriffen wird.

Die Weiterbildung der Erfindung, nach der eine Hilfselektrode vor dem Arbeitsspalt vorgesehen ist, unterscheidet sich vom Stand der Technik nicht nur in der zuvor beschriebenen Weise durch die außerordentlich dünne Elektrolytschicht, sondern weiterhin dadurch, daß durch einen Stromfluß zwischen der Hilfselektrode und der Werkzeugelektrode auch der elektrochemische Zustand des Elektrolyten selbst modifiziert wird. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, die Zufuhrdüse für den strömenden Elektrolyten als Hilfselektrode auszubilden, um einen möglichst verlustfreien Strompfad zu gewährleisten.

Auf welchen Vorgängen die Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit durch die elektrochemische Beeinflussung des Elektrolyten beruht, ist bislang nicht restlos geklärt. Für die Wechselstromeinwirkung und insbesondere die Hochfrequenzaktivierung des Elektrolyten wird jedoch vermutet, daß die Polarisationseffekte durchbrochen und eine Aktivierung der Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten und den Elektroden bewirkt wird. Offensichtlich wird dadurch der Arbeitsstromfluß zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück verbessert. Auch ist eine Verbesserung der Haftung des Elektrolyten an der Werkzeugelektrode wahrscheinlich. Jedenfalls ist eine überraschende Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit zu beobachten, wenn ein Elektrolytfilm unmittelbar auf der rotierenden Arbeitsoberfläche durch Zuführen eines Gleichstroms, eines Wechselstroms, eines Hochfrequenzwechselstroms (beispielsweise im Bereich von 1 kHz bis 3 MHz) oder eines mit niederfrequentem Wechselstrom (beispielsweise 30 bis 500 Hz) oder eines mit hochfrequentem Wechselstrom (beispielsweise im Kilohertz- oder Megahertzbereich) überlagerten Gleichstroms behandelt wird.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung einer aus Graphit bestehenden Frässcheibe in Verbindung mit einem Elektrolyten erwiesen, dessen dynamischer spezifischer elektrischer Widerstand annähernd gleich dem der Graphitscheibe ist. Als Arbeitsstrom werden auch bei dieser Weiterbildung Gleichstrom oder Wechselstrom verwendet.

Schließlich hat sich gezeigt, daß auch eine Einflußnahme auf die mechanische Oberflächenspannung des Elektrolyts das Fräsergebnis positiv beeinflussen kann. Insbesondere ist der Zusatz oberflächenwirksamer organischer Substanzen vorteilhaft, vorzugsweise der Zusatz von Olivenöl, Erdöldestillationsrückständen, Stearinsäure, Capronsäure oder Cetylalkohol. Dabei sind die Fettsäuren unter der Einwirkung eines Hilfsstromes über die Hilfselektrode in der Lage, mit den Ionen des Elektrolyten in situ Metallseifen zu bilden. Die Tenside bewirken offensichtlich über eine Haftverbesserung des Elektrolyten auf der Werkzeugelektrode, die ein Fortwandern des Elektrolyten auf der Elektrodenoberfläche verringert, eine Unterdrückung der Hinterschneidungserscheinungen. Als Tenside bzw. die Tenside in situ bildende Mittel werden vorzugsweise höhere organische Alkohole, organische Säuren, Alkylöle, aromatische öle oder Aralkylöle eingesetzt.

Durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen zur Steuerung des Elektrolytzustandes einschließlich der Elektrolytschichtdicke kann die Maßgenauigkeit der Profilherstellung gegenüber den bekannten elektrochemischen Fräsverfahren um den Faktor 3,5 erhöht werden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1, 2 und 3 schaubildliche Querschnittansichten

zur Darstellung des Fließverhaltens des Elektrolyten am Umfang der rotierenden Scheiben gemäß Stand der Technik und die daraus resultierende Entstehung von Hinterschneidungen,

Fig.4 und 5 schaubildliche Seitenansichten erfindungsgemäßer Anordnungen mit besseren Leistungsresultaten,

Fig.6 einen Schnitt entlang der LinieVI-VI der Fig.5,

F i g. 7 und 8 eine schaubildliche perspektivische beziehungsweise Seitenansicht weitere Ausführungsformen der Erfindung,

F i g. 9 eine graphische Darstellung von Bearbeitungsergebnissen mit der Vorrichtung der F i g. 8,

Fig. 10 und 11 schaubildliche Seitenrisse von Stirnschleifanordnungen,

F i g. 12 eine perspektivische Teilansicht zur Darstellung eines weiteren Merkmals der Erfindung,

Fig. 13 eine schaubildliche und teilgeschnittene Seitenansicht und

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Fräsvorrichtung.

In den F i g. 1 und 2 ist schaubildlich das Fließverhalten eines Elektrolytfilms F entlang der Arbeitsoberfläche M' einer zum elektrochemischen Fräsen benutzten Graphitscheibe W wiedergegeben. Die profilierte Wandung der Scheibe W ist entlang der Arbeitsfläche mit einer Anzahl von Rippen R', R" und R"' mit dazwischenliegenden Mulden T und T" ausgebildet. Je nach Querschnittsform der Rippen (R' keilförmig, R" abgeflacht, R'" abgerundet) bilden sich längere oder kürzere Strömungsfahnen F" und F'" des Elektrolyten. Arbeitet sich die Arbeitsfläche M' in ein Werkstück w ein (F i g. 3), so verursachen offenbar diese Strömungsfahnen F' bis F'" des Elektrolyten Hinterschneidungen U', U" und U'" in den in das Werkstück w eingearbeiteten Kanälen. Das Profil der bearbeiteten Fläche zeigt mithin erhebliche Abweichungen vom Umrißprofil der Elektrode.

Auch an Scheiben mit zylindrischer Arbeitsoberfläche ohne Vertiefungen bilden sich radiale Strömungsfahnen F' (F i g. 2), die am Werkstück trotz der verhältnismäßig glatten Oberfläche der Werkzeugelektrode Ungleichmäßigkeiten in der Ausbildung der Oberfläche ergeben. Tatsächlich konnte festgestellt werden, daß Unebenheiten und Maßungenauigkeiten in der Oberfläche des Werkstücks weitgehend auf die Beschaffenheit und die besonderen Eigenarten des Elektrolytfilms zurückzuführen sind.

Die im Zusammenhang mit den F i g. 1 bis 3 erörterten Mängel können gemäß der Erfindung beseitigt werden, indem man den überschüssigen Elektrolyten von der Arbeitsoberfläche der Werkzeugelektrode entfernt.

F i g. 4 zeigt eine Anordnung zum elektrochemischen Fräsen, wobei in bekannter Art ein Werkstück 10 auf einem Vorschubschlitten 11 und eine rotierende, beispielsweise aus Graphit bestehende Scheibe 12 an die beiden Pole einer Gleich- oder Wechselspannungsquelle 14 angeschlossen sind.

Auf die zylindrische Arbeitsoberfläche 15 der Scheibe 12 wird Elektrolyt mittels einer Düse 16 nahe der Bearbeitungsstelle aufgebracht. Die elektrolytbeschichtete Arbeitsoberfläche wird in der durch den Pfeil 17 angedeuteten Richtung fortbewegt und gleitet dabei unter einem aus einem porösen Material bestehenden Wischbausch 18 hindurch, in den ein Saugrohr 19 eingeführt ist. Dieses führt zu einer Saugpumpe 20, so daß der Wischerkopf 18 gleichzeitig ein Abwischen der Elektrodenoberfläche 15 und ein Absaugen des Elektrolytüberschusses bewirkt. Eine unterhalb des Wischbausches 18' angeordnete Leitplatte 21 leitet die abgestreifte Flüssigkeit von der Arbeitsoberfläche fort. Hinter dem schwammartigen Saugwischer 18 verbleibt auf dieser Oberfläche ein verhältnismäßig dünner Elektrolytfilm. Dieser dünne Film kann in seiner Stärke noch weiter reduziert werden durch einen Druckluftstrahl 22, der aus einer Düse 23 tangential entgegen dem Drehsinn der Arbeitsoberfläche 15 gegen diese gerichtet wird. Es wurde festgestellt, daß ein solcher Druckluftstrahl keineswegs, wie man vielleicht erwarten könnte, die Gleichmäßigkeit des Films beeinträchtigt, daß aber die Bearbeitungsgenauigkeit hierdurch recht erheblich verbessert werden kann. Falls kein Wischerkopf 18 vorgesehen ist, genügt sogar auch die alleinige Anwendung eines Luftstrahls 22. Eine weitere Saugdüse 25 ist mit ihrer Öffnung auf die Bearbeitungszone gerichtet, um diejenigen Elektrolytanteile abzusaugen, die sich möglicherweise dort ansammeln könnten, womit gewährleistet ist, daß lediglich der dünne Film von der Werkzeugelektrodenoberfläche 15 durch die Bearbeitungszone hindurch mitgeführt wird. Das Werkstück 10 wird mit dem Vorschubschlitten in Richtung des Pfeils 26 zugeführt, wobei der Kanal 13 ausgeformt wird. In den Leitungskanal 19 kann ein Dreiwegehahn 27 eingeschaltet sein, der eine Verbindung mit einer Elektrolytumlaufpumpe 28 und mit einem Vorratsbehälter 29 für den Elektrolyten herstellen kann, falls der Elektrolyt dem System durch den hierbei als Auftragsvorrichtung benutzten porösen Körper 18 hindurch zugeführt werden soll. In diesem Fall dient zur Entfernung des überschüssigen Elektrolyten ausschließlich die Druckluftdüse 23.

In den F i g. 5 und 6 ist eine Anordnung zum Entfernen des Elektrolyten von der Oberfläche 115 einer profilierten Graphitscheibe 112 gezeigt. Hierbei wird der Überschuß mit Hilfe eines aus Kunstharz bestehenden dünnen Plättchens 130, dessen Kante 131 eine komplementäre, der Ausbildung der Rippen 115/·', 115r"und 115r"'der Scheibe 112 angepaßte Umrißform aufweist, entfernt: Das Plättchen 130 ist so gegen die Scheibe 112 gerichtet, daß es als spatelartige Fläche wirkt. Lediglich ein dünner Film des Elektrolyten bleibt auf der Oberfläche der Scheibe 112 in dem in der Betrachtungsrichtung der Fig.5 rechten unteren Quadranten zurück, bevor die Arbeitsoberfläche an dem Werkstück angreift. Das Plättchen 130 kann den Elektrolyten einem Vorratsbehälter 129 zuleiten, aus dem über die üblichen Filtervorrichtungen durch eine Pumpe 128 der Düse 116 zugeführt wird.

In einer weiteren abgeänderten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung (F i g. 7) wird der Elektrolytüberschuß von der Arbeitsoberfläche 15 der Scheibe dadurch entfernt, daß gegen diese aus einer Düse 23 von gleicher Breite wie die Arbeitsoberfläche 15 entgegen der durch den Pfeil 17 verdeutlichten Drehrichtung der Scheibe ein flacher, breitgezogener Luftstrahl gerichtet wird. Die Düse 23 ist hierbei an dem in der Betrachtungsrichtung der Figur rechten unteren Quadranten der Scheibe 12 angeordnet, also an einer Stelle, deren Winkelabstand gegen die Bearbeitungszone 90° nicht überschreitet. Gleichfalls in diesem Bereich ist ein Saugstutzen 25 von gleicher Breite wie die Oberfläche 15 in einem geringen Abstand von dieser angeordnet. Für die Zirkulation des durch die Saugdüse 25 von dem Werkstück 10 abgesaugten Elektrolyten und

für dessen Zuführung in das zum Durchtränken des Wischkörpers 18 mit Elektrolytflüssigkeit dienende Leitungsstück 19 ist eine Pumpe 28 vorgesehen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfährt der Elektrolyt auf der Werkstückoberfläche' eine elektrolytische Umwandlung durch eine Hilfselektrode, die in einem geringen Abstand von der Bearbeitungsstelle angeordnet ist, so daß die Rekombinationszeit des umgewandelten Elektrolyten wesentlich langer ist als die Zeitspanne, die erforderlich ist, um die umgewandelten Anteile des Elektrolyten in die Bearbeitungszonen zu transportieren. Es zeigt sich dabei, daß mit.Hilfe des in dieser Weise auf elektrischem Weg umgewandelten Elektrolyten Maßungenauigkeiten, wie Hinterschneidungen, vermieden werden können. Die auf elektrischem Wege bewirkten Veränderungen der Elektrolytschicht auf der Werkzeugoberfläche können dabei zumindest teilweise auch durch ohmsche Aufheizung des Elektrolyten und durch Einengung des Flüssigkeitsvolumens unter Erzeugung einer verringerten Filmstärke bewirkt werden.

In der elektrochemischen Fräsvorrichtung nach Fig.8 sind das in einem verschiebbaren Behälter 311 angeordnete Werkstück 10 und die aus Graphit bestehende Frässcheibe 12 mit einer Stromquelle 314 für Gleichstrom, für einen mit einer Gleichspannung überlagerten Wechselstrom oder auch für Wechselstrom verbunden. Die Elektrolytzuführdüse 318 stellt eine Hilfselektrode dar, die in enger Gegenüberstellung zu der Arbeitsoberfläche 15 der Werkzeugelektrode angeordnet ist, so daß der dazwischen befindliche Elektrolytfilm unmittelbar auf der Arbeitsoberfläche umgewandelt wird. Zu diesem Zweck ist zwischen die Scheibe 12 und die Hilfselektrode 318 eine weitere Stromquelle 340 geschaltet, wobei es sich entweder um eine Gleichstromquelle handeln kann, deren positiver oder negativer Pol mit der Hilfselektrode verbunden ist, oder es kann sich auch um eine Wechselstromquelle handeln.

In F i g. 9 sind in Abhängigkeit von dem zwischen der Werkzeugelektrode 12 und der Hilfselektrode 318 übergehenden Strom (Abszisse) die Bearbeitungsgeschwindigkeit, ausgedrückt in g/min (durchbrochene Linien), sowie der Kantenradius in Millimetern (ausgezogene Linien) auf der Ordinate aufgetragen, und zwar jeweils eine Kurve für negative bzw. positive Gleichspannung bzw. für Wechselspannung an der Hilfselektrode. Sowohl eine Wechselspannung als auch eine Gleichspannung an der Hilfselektrode ergibt eine merkliche Verbesserung gegenüber dem ohne eine solche Modifizierung des Elektrolyten erhaltenen Kantenradius, wobei allerdings bei einer positiven Polung der Hilfselektrode der Käntenradius mit zunehmendem Strom am stärksten herabgesetzt wird. In allen Fällen wird die Maßgenauigkeit mit steigender Stromstärke des Hilfsstroms zunächst stark erhöht, während in den oberen Stromamplitudenbereichen keine wesentliche weitere Verbesserung zu verzeichnen ist. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit zeigt bei positiver Polung der Hilfselektrode sinkende, sonst jedoch ansteigende Werte.

In einer abgeänderten Ausführungsform nach F i g. 10 wird ein Werkstück 10, beispielsweise ein Schneidstahl, an der kreisförmigen Stirnfläche 15 eines aus Graphit bestehenden elektrochemischen Schleifwerkzeugs 12 geschliffen. Die Stromquelle 414 für die elektrochemische Bearbeitung ist als ein an eine Wechselspannungsquelle angeschlossener Transformator dargestellt. Der Elektrolyt wird hierbei der Düse 418, die auch als Hilfselektrode für die elektrolytische Umwandlung des Elektrolytfilms dient, aus einem Vorratsbehälter 429 durch eine Pumpe 428 zugeführt. Eine zwischen die Hilfselektrode 418 und die Schleifscheibe 12 geschaltete Hilfsstromquelle besteht aus einer Gleichstromquelle 4406, die mit einer Induktivität 440c zur Begrenzung von Stromstößen und einem Potentiometer 44Oe in Reihe liegt, sowie aus einer Wechselstromquelle 440a, die über

ίο einen Kondensator 44Od mit dem Schleifer des Potentiometers 44Oe verbunden ist. Das Potentiometer 44Oe dient somit zur Steuerung der Amplitude des Wechselstroms, der dem zur Elektrolytumwandlung benutzten Gleichstrom überlagert ist.

Bei der abgeänderten Anordnung nach F i g. 11 dient ein Graphitwischer, der sich in Breite des Radius der kreisflächenförmigen seitlichen Arbeitsoberfläche 15 der Graphitscheibe 12 erstreckt, gleichzeitig zum mechanischen Entfernen des Überschusses des Elektrolyten und als Hilfselektrode für dessen elektrolytische Umwandlung. Die an die Hilfselektrode 518a und die ' Werkzeugelektrode 12 geschaltete Hilfsstromquelle 540 besteht aus einem Wechselstromgenerator 540a, der über einen Trenntransformator 5406 und einen Kopp-.

lungskondensator 540c zwischen die Hilfselektrode und die Werkzeugelektrode geschaltet ist. Ein Spannungsmesser 550 liegt parallel zur Wechselstromquelle 540 zwischen der Hilfselektrode 518a und der Werkzeugelektrode 12 und steuert über ein elektromagnetisches Ventil 519 den Elektrolytdurchsatz der Austrittsdüse 518£>. Die Umlaufpumpe 528 fördert den Elektrolyten aus einem Vorratsbehälter 529 zu diesem Ventil 519. Hat der Elektrolytfilm auf der Werkzeugoberfläche die geeignete Stärke und Beschaffenheit, so weist er einen vorbestimmten Widerstandswert auf, die Spannung am Spannungsmesser 550 liegt unterhalb einer vorbestimmten Spitzenspannung. Vergrößert sich der Widerstand zwischen der Hilfselektrode 518a und der Werkzeugelektrode 12, so wird durch die Einrichtung 550 das Ventil 519 im Sinne einer verstärkten Zuführung des Elektrolyten zu der Fläche 15 betätigt. Ist ein Elektrolytüberschuß vorhanden, so wird der verminderte Widerstand gleichfalls durch die Einrichtung 550 erfaßt, die daraufhin die Elektrolytzufuhr drosselt, wodurch die optimale Filmstärke und Filmbeschaffenheit wieder hergestellt werden.

Bei den in den Fig.8 bis 11 dargestellten Anordnungen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dem auf der Arbeitsoberfläche einer elektrolytischen Umwandlung unterworfenen Elektrolyten höhere Alkohole, organische Säuren oder Öle zuzusetzen; es hat den Anschein, daß die elektrolytisch erzeugten Stoffe oder Stoffteilchen (so beispielsweise KOH, NaOH und HOCl) sich mit diesen oberflächenwirksamen organischen Verbindüngen chemisch umsetzen können, wodurch die elektrolytische Umwandlung in ihren Ergebnissen stabilisiert wird und die oberflächenaktiven Mittel den Elektrolyten in seinen Eigenschaften modifizieren, und' zwar im Sinne einer gesteigerten Bearbeitungsgenauigkeit» So muß beispielsweise bei der Betriebsanordnung der'Fig.8 die Hilfselektrode 318 für die meisten Bearbeitungsgeschwindigkeiten um einen Kreiswinkel von etwa 10° gegenüber der Bearbeitungszone nach oben versetzt angeordnet sein, falls kein Stabilisierungsmittel angewendet werden soll. Natürlich kann dieser Winkel annähernd doppelt so groß gewählt werden, wenn die Umfangsgeschwindigkeit der Scheibe verdoppelt wird, wobei alä Orientierungskriterium die Rekom-

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binationsgeschwindigkeit der elektrochemisch erzeugten Stoffarten zu bewerten ist. Die nachstehenden Ausführungsbeispiele zeigen Möglichkeiten für die praktische Anwendung der Erfindung.

Beispiel 1

Mit dem in Fig.4 dargestellten Gerät wurde ein Werkstück bearbeitet, das aus einem 6% Kobalt enthaltenden Wolframcarbid bestand. Die Elektrode war dabei als einfache zylindrische Scheibe ausgebildet, die ein gezacktes Umfangsprofil aufwies und mit einem Druck von 1 bar gegen das Werkstück gedrückt wurde. Der Bearbeitungsstrom war ein 50-Hz-Wechselstrom mit einer Stromstärke von 80 A und einer Spannungsamplitude von 6 V. Die Bearbeitungstiefe betrug 5 mm, und die Bearbeitungsgeschwindigkeit wurde bei 1,6 bis 1,8 mm/min gehalten. Falls dabei die Vorrichtungen zur Behandlung des Films auf der Elektrodenoberfläche unbetätigt blieben, zeigte sich eine Unebenheit oder Rauhigkeit von etwa 0,5 μΐη Hmax und ein Kantenradius von 0,3 mm. Wurde andererseits aber aus der Düse 23 bei einem Abstand zwischen Düse und Elektrode von

1 mm ein Druckluftstrahl mit einem Druck von 6 bar gegen die Werkzeugelektrode gerichtet, so konnte bei gleicher Bearbeitungsgeschwindigkeit der Kantenradius auf 0,08 mm erniedrigt und eine Maßgenauigkeit von 0,015 mm gegenüber 0,07 mm Abweichung vom Umrißprofil der Werkzeugelektrode erzielt werden.

B e i s ρ i e 1 2

Ein Werkzeugstahl SK-2 wurde unter Verwendung des Geräts der F i g. 8 mit einer Graphitscheibe bearbeitet, die eine Arbeitsfläche von 1 cm² und einen Durchmesser von 150 mm aufwies. Die Scheibengeschwindigkeit an der Arbeitsoberfläche betrug 23,2 m/ see, und der Bearbeitungszone wurden pro Minute 750 cm³ des Elektrolyten zugeführt. Bei dem Elektrolyten handelte es sich um eine wäßrige Lösung, die

2 Gew.-% Natriumnitrid und 5 Gew.-% Kaliumnitrat enthält. Zur Bearbeitung diente ein Gleichstrom mit einer Stromstärke von 70 A. Die ohne Zugabe von oberflächenwirksamen Stoffen mit Hilfsströmen von unterschiedlicher Stromstärke erzielten Resultate sind in die graphische Darstellung der F i g. 9 eingegangen. Falls der (zwischen der gegenüber der Bearbeitungszone um einen Winkel von 10° nach oben versetzt angeordneten Hilfselektrode 318 und der Werkzeugelektrode 12 übergehende) Hilfsstrom eine Stromstärke von 100 A hatte, wobei die Elektrode 318 negativ gepolt war, belief sich die bei der Bearbeitung abgetragene Materialmenge auf 0,7 g/min, wobei ein Kantenradius von etwa 0,006 mm festgestellt wurde. Handelte es sich bei dem Hilfsstrom um einen Wechselstrom, so betrug die in der Zeiteinheit abgetragene Materialmenge 0,5 g/min, und der Kantenradius ergab sich zu 0,01 mm. Bei positiver Polung der Elektrode 318 wurden bei einer Stromstärke des Hilfsstroms von 100 A ein Kantenradius von etwa 0,005 mm und eine Materialabtragung von

Tabelle

etwa 0,38 g/min erhalten. Wird kein Hilfsstrom zugeführt, so ist der Kantenradius stets größer als 0,03 mm. Hieraus ergibt sich, daß die in der Zeiteinheit abgetragene Materialmenge und die Maßgenauigkeit erhöht werden können, wenn die Hilfselektrode den negativen Pol darstellt, daß die Maßgenauigkeit zu Lasten der in der Zeiteinheit abgetragenen Materialmenge erhöht werden kann, wenn diese Elektrode den positiven Pol darstellt, und daß die Maßgenauigkeit ohne wesentliche Veränderung der in der Zeiteinheit abgetragenen Materialmenge erhöht werden kann, falls ein Wechselstrom als Hilfsstrom benutzt wird.

Bei Zugabe von 0,5 Gew.-% Stearinsäure, Capronsäure, Cetylalkohol, Olivenöl oder Erdöldestillationsrückständen als oberflächenwirksame Stoffe in den vorbeschriebenen salzhaltigen Elektrolytflüssigkeiten wurde ein Kantenradius erhalten, der gegenüber dem bei gleicher Stärke des Hilfsstroms, jedoch ohne Zugabe eines oberflächenwirksamen Mittels, erhaltenen annähernd auf die Hälfte verringert war.

In der Vorrichtung nach Fig. 12 wird an eine aus Graphit bestehende profilierte Frässcheibe 12 ein gleichfalls aus Graphit bestehendes Abstreifplättchen 630 angedrückt, dessen vorderes Ende 630a mit einer sich in Richtung der Elektrode 12 nach vorn verjüngenden Stärke ausgebildet ist.

In der Praxis kann man so vorgehen, daß man zunächst der Scheibe 12 mittels einer bekannten Zurichtvorrichtung oder durch Formabguß ein Umrißprofil gibt und danach die Scheibe dazu benutzt, an dem Abstreifplättchen 630 ein Umrißprofil auszuformen, wobei zur Unterstützung dieses letzgenannten Bearbeitungsganges zwischen Abstreifplättchen 630 und Scheibe 12 eine Stromquelle 614 angelegt werden kann.

Alternativ kann das Abstreifplättchen 630 auch durch eine Gußverformung von Graphitmaterial an der Scheibe hergestellt werden, wobei ebenfalls ein dem Scheibenprofil komplementäres Umrißprofil des Plättchens erhalten wird. Beim elektrochemischen Einfräsen des Profils in der zuvor beschriebenen Weise wird jedoch ein exakteres Profil erhalten.

Das so hergestellte Abstreifplättchen aus Graphit kann dann zur Bearbeitung anderer Werkstücke als einfacher Abstreifer nach F i g. 5 und 6 oder zusätzlich als Hilfselektrode zur elektrolytischen Umwandlung des Elektrolyten eingesetzt werden, wobei ähnlich wie in F i g. 8 eine Hilfsstromquelle 340 zwischen die Scheibe 12 und das Abstreifplättchen geschaltet wird.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisse von fünf Versuchen wiedergegeben, wobei die maximalen Abweichungen einander gegenübergestellt wurden, die jeweils ohne Abstreifplättchen, mit dem verbesserten Graphitabstreifplättchen bei einem Anlagedruck des Plättchens gegen die Scheibe von 400, 800 bzw. 2200 mbar sowie mit einem aus Kunstharz bestehenden Abstreifplättchen der in Fig.6 dargestellten Art bei einem Anlagedruck von 800 mbar für Bearbeitungszeitspannen von 22 bis 26 min und bei einer Schneidtiefe von 5,5 mm erhalten wurden.

Versuch
Nummer

Ohne Abstreifplättchen

0,062
0,074

Graphitabstreifplättchen

Anlagedruck (mbar) 400

0,031
0,042

0,012 0,011 2200

0,013
0,011

Kunstharzabstreifplättchen

800

0,041
0,044

11 Fortsetzung	Ohne Abstreif- pläüchen	16 15 328	2200	12
Versuch Nummer	0,058 0,06 0,072	G ra phi tabstreif plättchen Anlagedruck (mbar) 400 800	0,012 0,012 0,011	Kunstharzab- streifplättchen 800
3 4 5	0,028 0,012 0,033 0,011 0,03 0,012	0,051 0,038 0,045

Aus den obigen Resultaten geht hervor, daß die erzielbare Maßgenauigkeit bei einem Graphitabstreifplättchen mit einem von der Scheibe übertragenen Umrißprofil bei ähnlichem Anlagedruck etwa 2- bis 4mal so groß ist wie bei einem Kunstharzplättchen, und daß sie mehr als 6mal so groß sein kann wie die ohne Abstreifplättchen oder Wischer erzielbare Maßgenauigkeit.

In der Vorrichtung nach F i g. 13 ist für die Scheibe 12 eine Abdeckung oder Haube vorgesehen, die dem gleichen Zweck dient wie die Saugdüse 25 in F i g. 4. Mit Hilfe der Abdeckung 725 wird der Elektrolythebel abgesaugt und zu der Elektrolytquelle zurückgeführt. Der Elektrolyt tritt durch die Düse 716 aus, während für ein rasches Entfernen der Hauptmenge des Elektrolytüberschusses eine auf Saugwirkung beruhende Abnehmervorrichtung 725a in Gegenüberstellung zur Elektrodenoberfläche vorgesehen ist. Das Abstreifplättchen 730, das iry seiner Ausbildung dem in Fig. 12 dargestellten entsprechen kann, ist in einem Gehäuse 760 angeordnet, in dem eine Feder 761, deren Druckkraft mittels einer Schraube 762 einstellbar ist, gegen eine Anlagefläche 763 des Abstreifplättchens 730 drückt. Das Abstreifplättchen ist in dem Gehäuse zwischen Lagern 764 geführt, so daß im wesentlichen der Gesamtbetrag der Federkraft zum Andrücken des Abstreifplättchens 730 an die Scheibe 12 genutzt wird. Durch ein Zuleitungsrohr 730' wird ein Druckggas, beispielsweise Druckluft, mit hoher Strömungsgeschwindigkeit dem Grenzflächenbereich zwischen dem Abstreifplättchen 730 und der Scheibe 12 zugeführt. Gleicherweise kann auch bei der in Fig. 12 gezeigten und im Zusammenhang mit dieser beschriebenen Anordnung das Abstreifplättchen 630 über ein Zuleitungsrohr 630' mit Druckgas beaufschlagt und einer Andruckkraft F ausgesetzt werden. Wie aus der F i g. 12 hervorgeht, ist das Abstreifplättchen 630 mit einem inneren Hohlraum 665 ausgebildet, der mit dem Luftzuleitungsrohr 630' kommuniziert und sich im wesentlichen bis zum vorderen Ende des Plättchens 630 erstreckt. Beim Ausformen des Umrißprofils 6306 des Abstreifplättchens 630 wird daher diese Kammer 665 an der Berührungskante aufgebrochen, so daß hernach der Luftstrahl an diesen Stellen einen Elektrolytüberschuß fortblasen kann. Die Kammer 665 wird vorzugsweise durch zwei Graphittäfelchen 666 und 667 gebildet, in denen sich deckende, einander zugekehrte Aussparungen vorgesehen sind. Die beiden Graphittäfelchen werden durch Schrauben 668 aneinander befestigt. Das in der F i g. 13 gezeigte und als Hilfselektrode und bzw. oder Abstreifer geschaltete Abstreiferplättchen 730 kann in der gleichen Weise wie das Plättchen 630 ausgebildet sein.

B e i s ρ i e 1 3

Es wird das beschriebene Verfahren verfolgt, wobei aber anstelle eines massiven Abstreifplättchens ein hohles Abstreifplättchen 630 Verwendung findet, das durch Aneinanderschrauben zweier Täfelchen hergestellt wurde (Fig. 12 und 13). Die Endfläche des Abstreifplättchens ist rechteckig ausgebildet und weist eine Höhe von 15 mm und eine Breite von 35 mm auf, während die geöffnete Kammer bei rechteckiger Querschnittsausbildung die Abmessungen

10 mm χ 25 mm aufweist. Das Profil dieses Abstreifplättchens wurde im Verlauf von 45 min in der zuvor beschriebenen Weise elektrochemisch ausgefräst. Das so hergestellte Abstreifplättchen wird dann mit einem gleichbleibendem Druck von 3 bar gegen die zu bearbeitende Scheibe gedrückt, während ein Luftstrom unter hinreichender Druckbeaufschlagung durch das Abstreifplättchen hindurchgeleitet wird, so daß die Luft an der Grenzfläche zwischen Plättchen und Werkzeug austreten kann.

Bei einer Steigerung des Gasdrucks von 0 bis 1 bar

Überdruck erhöht sich die Maßgenauigkeit von einer Toleranz von 50 μίτι auf eine solche von 10 bis 20 μιτι. Toleranzen von weniger als 10 μΐη bei der Übertragung des Profils werden bei Drücken zwischen 2 und 6 bar erhalten, wobei der durch die Stauwirkung des ausströmenden Gases bedingte Abstand zwischen Plättchen und Elektrode sich bei diesen Drücken auf weniger als 0,1 mm beläuft. Es wurde gefunden, daß bei einer geringen Materialabtragungsgeschwindigkeit eine wesentlich höhere Maßgenauigkeit erzielt werden kann, oder daß andererseits erheblich höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten (beispielsweise eine solche von 0,8 mm/ see) bei gleicher Maßgenauigkeit erzielt werden kann, wenn das Plättchen in der in den Fig. 12 und 13 gezeigten Weise mit einem Kanal zum Einblasen von Druckfluid versehen ist, im Vergleich zu sonst gleichen Abstreifplättchen aus Graphit, die einen solchen Kanal nicht aufweisen.

In Fig. 14 ist eine abgeänderte Betriebsanordnung dargestellt, bei der zwei Abstreifplättchen 830a und 8306 vorgesehen sind, deren jedes als Hohlkörper in der in den F i g. 12 und 13 dargestellten Doppeltafelbauweise ausgebildet ist und für die jeweils entsprechende Gaszuleitungsrohre 830a' bzw. 8306' vorgesehen sind. Über diese Zuleitungen wird die Druckluft der Berührungsfläche zugeführt. Beide Abstreifplättchen sind durch Federn in der in Fig. 13 gezeigten Art in Richtung der Pfeile F' bzw. F" gegen die Elektrode 12 gedrückt. Die Doppelplättchenanordnung der Fig. 14 soll gewährleisten, daß an den Flanken 812/" des Umrißprofils nur ein relativ dünner Film haften bleibt und alle überschüssigen Elektrolytanteile davon entfernt werden. Die Plättchen 830a und 830/? sind auf Drehzapfen 880a bzw. 8806 schwenkbar gelagert, und an den beiden Plättchen sind durch Federn 882a bzw. 882ώ gegensinnig beaufschlagte Hebelarme 881a bzw. 8816 vorgesehen, so daß das Plättchen 830a in der Betrachtungsrichtung der F i g. 14 in die dem Uhrzeigersinn entgegengesetzte Richtung belastet ist. Dabei

werden die Kanten 83Oe des Plättchens den Flanken 812/ der Scheibenrille angedrückt. In entsprechender Weise ist das Plättchen 8300 im Uhrzeigersinn vorgespannt. Trotz möglicherweise auftretender Ungenauigkeiten beider Übertragung des Umrißprofils der Scheibe auf die Abstreifplättchen werden somit deren einander diagonal entgegengesetzte Umrißkanten bei der Schrägstellung der verhältnismäßig starken Abstreifplättchen den jeweils gegenüberliegenden Flanken der Scheibenrillen angenähert, wodurch an allen Stellen der Arbeitsoberfläche eine minimale Stärke des

Elektrolytfilms zwischen Abstreifplättchen und Arbeitsoberfläche der Scheibe sichergestellt wird.

Ein Abstreifplättchen, wie es in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet wird, wird durch Mischen von Graphit und Schwefel im Gewichtsverhältnis von 1 :2 bis 1 :4, Aufschmelzen der Mischung bei einer Temperatur zwischen 180 und 160⁰C und anschließendes Vergießen der Schmelze in einer in die Profilfläche der zum elektrochemischen Fräsen dienenden Frässcheibe eingreifenden Gußform hergestellt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum elektrochemischen Fräsen eines Werkstückes mit einer rotierenden Werkzeugelektrode, wobei auf die Arbeitsfläche der Werkzeugelektrode ein Elektrolytfilm aufgebracht und dessen Schichtdicke an einem zwischen der Aufbringstelle und dem Arbeitsspalt gelegenen Punkt begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der überschüssige Elektrolyt von der Arbeitsfläche durch federndes Andrücken eines Abstreifers an die Arbeitsfläche mit dazu komplementärer Profilausbildung und/oder durch Absaugen und/oder durch Abblasen mit einem gegen die Arbeitsfläche gerichteten Gasstrahl hoher Strömungsgeschwindigkeit wieder entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Gasstrahl durch einen schmalen Hohlraum im Abstreifer hindurch auf die Arbeitsfläche richtet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Elektrolyten an einem Punkt zwischen der Elektrolytaufgabe und dem Abstreifer zusätzlich absaugt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Elektrolytschicht vor dem Eintritt in den Arbeitsspalt mit einer Hilfselektrode elektrochemisch umwandelt und daß man die Arbeitsfläche so schnell rotieren läßt, daß die umgewandelte Elektrolytschicht vor Beginn chemischer Rekombinationsvorgänge in den Arbeitsspalt gelangt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Elektrolyten ein die Oberflächenspannung erhöhendes Mittel zusetzt.

6. Vorrichtung zum elektrochemischen Fräsen eines Werkstückes mit einer rotierenden Werkzeugelektrode, einer Einrichtung zum Aufbringen eines Elektrolyten auf die Arbeitsfläche der Werkzeugelektrode und einer zwischen dieser Einrichtung und dem Arbeitsspalt angeordneten Einrichtung zum Begrenzen der Schichtdicke des Elektrolyten, gekennzeichnet durch einen federnd auf die Arbeitsfläche gedrückten Abstreifer mit zur Arbeitsfläche komplementärer Profilausbildung, einen dicht über der Arbeitsfläche angeordneten Absaugstutzen oder einen auf die Arbeitsfläche gerichteten Gasstrahl hoher Geschwindigkeit oder eine Kombination dieser Einrichtungen zum Begrenzen der Elektrolytschichtdicke.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine der Arbeitsfläche der Werkzeugelektrode in der Nähe des Arbeitspunktes benachbarte und dieser gegenüber auf abweichendem Potential liegende Hilfselektrode.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytzuführungsdüse als Hilfselektrode ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstreifer als Hilfselektrode ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstreifer aus Graphit besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstreifer gleichzeitig als Düse für den auf die Arbeitsfläche gestrahlten Gasstrom ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zwischen dem Abstreifer und der Elektrolytzuführungsdüse ein Absaugstutzen dicht über der Arbeitsfläche angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet durch eine auf einen elektrischen Parameter ansprechende, die Elektrolytzufuhr zur Arbeitsfläche steuernde Vorrichtung, die zur Hilfselektrode und zur Werkzeugelektrode parallel geschaltet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstreifer als steife Folie ausgebildet ist.