DE3022519A1

DE3022519A1 - Verfahren und vorrichtung zum elektrochemischen fraesen des randes eines werkstueckes

Info

Publication number: DE3022519A1
Application number: DE19803022519
Authority: DE
Inventors: Robert Glenn Adinolif; Joseph Frederick Loersch; James Wesley Neal
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1979-06-20
Filing date: 1980-06-16
Publication date: 1981-01-15
Also published as: CA1158197A; JPS5641381A; GB2053274A; US4217190A; SE8004513L; FR2459301A1; FR2459301B1; GB2053274B; BE883634A

Description

PATENTANWÄLTE

Zugelassene Vertreter vor dem Europaischen Patentamt Professional representatives before the European Patent Office

Erhardtstrasse 12, D-8000 München 5

Patentanwälte Menges & Prahl, Erhardtstr. 12. D-8000 München 5 Dipl.-lng. Rolf Menges

Dipl.-Chem.Dr. Horst Prahl

Telefon (089) 26 3847 Telex 529581 BIPATd Telegramm BIPAT München

IhrZeichen/Your ref.

UnserZeichen/Ourref. ^{U 703}

Datum/Date 16.6.1980

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum elektrochemischen Fräsen des Randes eines Werkstückes

Die Erfindung betrifft das elektrochemische Fräsen und Fertigbearbeiten von Metallteilen, wie beispielsweise Gasturbinenflügelprofilteilen.

Das elektrochemische Fräsen ist bekannt und beinhaltet das Abtragen von Material von der Oberfläche eines Metallteils durch Aufbauen eines elektrischen Potentials in Gegenwart eines leitenden Elektrolyten. Das Verfahren eignet sich besonders gut, um Teilen, die Oberflächenunregelmäßigkeiten haben, eine glatte Oberfläche zu geben. Beispiele für Teile, die zur Fertigbearbeitung durch elektrochemisches Fräsen geeignet sind, sind präzisionsgeschmiedete Titanflügelprofilteile, wie sie in Gasturbinen benutzt werden. Solche Teile werden zwar häufig auf beinahe ihre endgültige Abmessung im ganzen geschmiedet, es ist jedoch ziemlich typisch, daß der vordere und der hintere

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Rand die Eigenschaften des Schmiedegratstumpfes von Schmiedestücken hat, die in geschlossenen Gesenken hergestellt worden sind. Zur Verwendung in Gasturbinen ist es erforderlich, daß die Flügelprofilteile einen abgerundeten und sehr glatten Rand haben, und deshalb werden elektrochemische Verfahren für diesen Zweck bei der Fertigbearbeitung von Schmiedestükken und anderen ähnlichen Teilen angewandt.

Die US-PS 3 849 273 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Runden des Randes eines Flügelprofilteils unter Verwendung einer hohlen Elektrode, durch die der Elektrolyt hindurch zu dem Rand geleitet wird. Die Elektrode hat eine willkürliche Fläche und Größe. Insgesamt bietet die Elektrode dem Werkstückrand eine planare Fläche dar, die zu der Richtung des Strom- und des Elektrolytflusses rechtwinkelig ist. Wenn ein sich konstant ändernder Radius längs des Schaufelrandes erzeugt werden soll, wie er erforderlich ist, wenn sich die Dicke des Flügelprofilteils über dessen Länge ändert, sagt man, daß der Abstand zwischen dem Rand und dem nächstgelegenen Elektrodenpunkt zu der Materialmenge proportional sein sollte, die örtlich von dem Flügelprofilteilrand abzutragen ist. Infolgedessen ist eine relativ genaue Steuerung des Abstandes zwischen der Elektrode und dem Rand erforderlich, die aber dadurch besonders schwierig gemacht wird, daß durch den schnell strömenden Elektrolyten Kräfte verursacht werden und daß sich Komplikationen ergeben, wenn der Flügelprofilteil· eine starke Verdrehung hat und der Rand eine sich kontinuierlich ändernde Kurve ist.

Die US-PS 3 970 538 beschreibt eine weitere Lösung zum Fertigbearbeiten von Flügelprofilteilrändern, bei der ein geteiltes zylindrisches Rohr den Rand des Flügelprofilteils erfaßt und als Elektrode dient. Die Elektrode ist somit ziemlich nahe bei dem Flügelprofilteil angeordnet und der Schlitz in dem Körper des Werkzeuggehäuses muß der Gestalt der Schaufel, die gefräst wird, angepaßt sein. Weiter ist es aufgrund der besonderen Gestalt und der Nähe der Elektrode zu dem Flügelprofilteil möglich, daß der Stromfluß und die sich ergebende Ma-

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terialabtragung unannehmbar örtlich so weit begrenzt sind, daß in der Flügelprofilteiloberfläche entfernt von dem Rand, wo die elektrochemische Wirkung durch die Werkzeugkonfiguration abrupt aufhört, eine Stufe gebildet wird.

Vorstehende Darlegungen zeigen, daß es bereits erkannt worden ist, daß einfach das Einschalten einer willkürlichen Elektrode in einen elektrischen Stromkreis in der Nähe eines Flügelprofilteilrandes nicht zur erwünschten Fertigbearbeitung des Randes führt, sondern daß die aus den beiden vorgenannten US-Patentschriften bekannten und ähnliche Lösungen präzisionsbearbeitete Elektroden speziell für jedes Teil erfordern oder eine sorgfältige und äußerst starre Einspannung, um die genaue Lage zwischen der Elektrode und dem Werkstück aufrechtzuerhalten. Es besteht deshalb ein Bedarf am einfachen Abtragen von Material von Flügelprofilteilrändern durch ein Verfahren, das eine weniger kritische Positionierung erfordert und die Schwierigkeit des Ausbildens und Konstruierens der Elektroden verringert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zum elektrochemischen Fräsen der Ränder von Turbinenschaufeln zu schaffen, und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit denen eine Vielfalt unterschiedlich großer Flügelprofilteile und Werkstücke ohne übermäßig hohe Kosten bei der Elektrodenherstellung und ohne übermäßige Komplexität in der Einspannung fertigbearbeitet werden können. Es soll ein Verfahren geschaffen werden, bei dem kleine Änderungen in der Elektroden- und Flügelprofilteilpositionierung geringere Folge haben und bei dem kleine Änderungen in dem Werkstück ebenfalls kompensiert werden.

Gemäß der Erfindung ist das elektrochemische Fräsen des Randes eines Werkstückes durch das Vorsehen einer geformten Elektrode, wie beispielsweise einer konischen Elektrode, gekennzeichnet, die sowohl eine Mantelfläche als auch einen Abstand von

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dem Rand hat, welche sich gemäß der Menge an von dem Werkstück abzutragendem Material ändern. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Elektrodenkatode die Form eines spitz zulaufenden Kegels und ist in der Nähe des Randes befestigt. In der Nähe eines weniger dicken Randes wird die Elektrode somit sowohl einen größeren Abstand zwischen ihrer Oberfläche und dem Rand als auch eine kleinere Fläche, von der aus elektrischer Strom fließen kann, haben. Wenn ein gleichmäßiges elektrisches Potential zwischen der Elektrode und dem Werkstück aufgebaut wird, führt die Erfindung zu einer mehr oder weniger gleichmäßigen Stromdichte längs des Werkstückrandes. Infolgedessen wird das abgetragene Material mehr oder weniger im Verhältnis zu der Fläche stehen und es wird, wie für ein gutes fertiges Teil erforderlich, eine größere Menge an Material von dem dickeren Teil des Randes als von dem dünneren Teil abgetragen.

Allgemein ausgedrückt werden sowohl die Einheitsmantelfläche oder das Mantelflächenelement A der Elektrode als auch der Abstand S zwischen der Elektrode und dem Werkstück so verändert, daß das Verhältnis A/S dort niedriger ist, wo eine geringere Materialmasse abzutragen ist.

Ein Merkmal der Erfindung ist, daß eine Elektrode relativ leicht konstruiert oder modifiziert werden kann, um sie unterschiedlichen Teilekonfigurationen anzupassen. Da die Stromdichte durch die Kombination von Elektrodermantelf lache und Abstand gesteuert wird, wird der Abstand von selbst insofern, als er die Materialabtragung beeinflußt, weniger kritisch. Dadurch wird in erwünschter Weise die Notwendigkeit für eine hochpräzise Einspannung verringert.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Herstellung von Elektroden wenig kostet, daß die Vorrichtung relativ einfach ist, daß Teile leicht gegeneinander ausgetauscht werden können, wenn eine Anzahl von Bauteilen bearbeitet wird, und daß übliche Baumaterialien und herkömmliche Elektrolyten und Stromversorgungen benutzbar sind.

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Mehrere Ausführungsbeispiels der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein typisches Werkstück in Form eines

Flügelprofilteils,

Fig. 2 Teilquerschnitte des unfertigen und des

fertigbearbeiteten Randes des Werkstückes von Fig. 1,

Fig. 3 eine Gesamtansicht der Vorrichtung zum

elektrochemischen Fräsen,

Fig. 4 eine Elektrode mit einer Mehrfachkoni

zität,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Elek

trode,

Fig. 6 schematisch die Verteilung des elek

trischen Potentials und des Stromflusses zwischen einer Elektrode und einem Werkstück und

Fig. 7 in einer Teilansicht die planare Posi

tionierung der Elektrode und des Werkstückes im Schnitt auf der Linie 7-7 von Fig. 3.

Die bevorzugte Ausführungsform wird anhand des elektrochemischen Fräsens von Titanflügelprofilteilen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, beschrieben. Dem Fachmann ist jedoch ohne weiteres klar, daß die Erfindung bei anderen Werkstückkonfigurationen und anderen Werkstückmaterialien anwendbar ist.

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Fig. 1 zeigt ein als Beispiel gewähltes, geschmiedetes Titanflügelprofilteil 10 mit einem vorderen Rand 12 und einem hinteren Rand 14. Ein Schaft 16 ist zum Befestigen und Erfassen des Flügelprofilteils verwendbar. Es ist zu erkennen, daß der vordere Rand von dem Schaftende zur Spitze 18 hin in der Dicke abnimmt, ebenso wie der Körper des Flügelprofilteils. Fig. 2 zeigt repräsentative Querschnitte von vorderen Rändern, wobei Fig. 2A einen vorderen Rand 12a in seinem unfertigen Zustand zeigt und die abgescherten Reste eines Schmiedegrates zu erkennen sind, während Fig. 2B einen fertigbearbeiteten vorderen Rand 12b zeigt, der erwünscht ist und durch die Anwendung der hier beschriebenen Erfindung erzielt wird. Da sich die Dicke des vorderen Randes über seiner Länge ändert, ist klar, daß zur Erzielung einer glatten Rundung und einer glatten Oberfläche längs des Randes mehr Material nach Gewicht und Volumen von dem dickeren Teil als von dem dünneren Teil des Randes abzutragen ist. (Bei anderen Werkstücken kann es erwünscht sein, von einem Rand mit konstanter Dicke mehr Material in einem Gebiet als in einem anderen Gebiet für spezielle Zwecke abzutragen. Die folgenden Darlegungen werden zeigen, daß die Erfindung ohne weiteres auch in einem solchen Fall anwendbar ist.)

Fig. 3 zeigt die Vorrichtung, die bei der Durchführung der Erfindung benutzt wird. In einem nichtleitenden Gefäß 18 ist ein Elektrolyt 20 enthalten. Ein nichtleitender Träger 22 ist in fester Position auf dem Gefäß angebracht. Das Flügelprofilteil 10 ist innerhalb eines leitenden, flüssigen Elektrolyten fest positioniert, und zwar durch Befestigung des Schaftes 16 in einem Loch in dem Träger 22. In gleicher Weise ist eine Elektrode 24 in der Nähe des Flügelprofilteils durch ihren Schaft 25 gehaltert. Abdeckmaterial 36 ist in ausgewählter Weise auf das Werkstück aufgebracht, um jede unerwünschte Ätzung entfernt von dem Rand, der fertigbearbeitet wird, zu verhindern. Bereiche, die normalerweise abgedeckt sind, werden der Schaft oder Teile des Flügelprofilteils in der Nähe des entgegengesetzten Randes 14 sein. Bei der bevorzugten Anwendung der Erfindung ist keine Abdeckung auf den Körper des Flügelprofilteils in der Nähe des Randes 12 aufgebracht/ da dadurch eine geätzte stufenförmige

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Diskontinuität in dem Flügelprofilteil verursacht werden könnte.

Die Elektrode besteht aus rostfreiem Stahl, Kupfer, Kohlenstoff oder anderem üblichem Material, das mit dem Elektrolyten nicht reagiert. Es ist zwar aus Fig. 3 nicht völlig zu erkennen, die Hauptachse 26 der Elektrode ist jedochungefähr auf den vorderen Rand 12 ausgerichtet. Die Positionierung ist besser in Fig. 7 zu erkennen. Die Elektrodenhauptachse 26 ist von dem Rand 12 des Flügelprofilteils ungefähr gleichabständig und liegt ungefähr auf der Verlängerung der Hauptlinie 27 des Flügelprofilteilquerschnittes. Wenn das Flügelprofilteil in seiner Form eine Verdrehung aufweist, wird die Elektrode daher in bezug auf die Längsachse der Schaufel abgeschrägt sein. Die vorstehend dargelegte Positionierung wird für einen symmetrisch geformten Rand bevorzugt. Die Elektrode kann versetzt zu der verlängerten Mittellinie angeordnet werden, wenn an dem vorderen Rand eine unsymmetrische Kontur erwünscht ist.

Die Elektrode hat eine konisch zulaufende zylindrische Form, wobei der Teil der Elektrode, der den kleineren Durchmesser hat, an dem Ende des Flügelprofilteils angeordnet ist, das den Rand mit der geringeren Dicke aufweist. Aufgrund der Konizität der Elektrode wird der in Fig. 3 mit S bezeichnete Abstand zwischen der Oberfläche der Elektrode und dem vorderen Rand grosser, wenn die Dicke des vorderen Randes über der Länge des Flügelprofilteils abnimmt. In gleicher Weise nimmt die Einheitsmantelfläche oder das Mantelflächenelement der Elektrode, die in Fig.3 mit A bezeichnet ist, über der Länge der Elektrode ab.

Die Elektrode und das Flügelprofilteil sind mit einer Stromquelle verbunden, die zum Aufbauen des elektrischen Potentials geeignet ist, das zur Durchführung des elektrochemischen Fräsens notwendig ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 ist das Werkstück anodisch und die Elektrode katodisch.

Im Betrieb wird das elektrische Potential bis zu einem aus-

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reichenden Wert und ausreichend lange aufgebaut, damit die gewünschte Metallabtragung erzielt wird. Der Stromfluß an Punkten längs des Randes wird durch den Abstand und die Mantelfläche des benachbarten Elektrodenteils beeinflußt. Die Materialmenge, die von einem Teil des Werkstückes abgetragen wird, wird gemäß dem bekannten Faraday'sehen Gesetz im Verhältnis zu der hindurchgeleiteten Elektrizitätsmenge stehen. Die Elektrode und die Werkstücke, die gute elektrische Leiter sind, werden erwünschtermaßen konstante elektrische Potentiale auf ihrer gesamten Länge haben. Die Änderung im Potentialgradienten pro Einheitsstrecke innerhalb des Elektrolyten wird deshalb dort kleiner sein, wo die Abstandsstrecke zwischen der Elektrode und dem Werkstück größer ist, und der Stromfluß wird geringer sein. Die Werkstückauflösung oder die Geschwindigkeit des elektrochemischen Fräsens werden somit zu dem Abstand zwischen der Katode und der Anode umgekehrt proportional sein. Weiter wird dort, wo der Elektrodendurchmesser geringer ist,eine kleinere Mantelfläche vorhanden sein und somit die Tendenz bestehen, daß die Stromdichte ansteigt. Dieser Tendenz werden aber die sich an der Elektrodenoberfläche und innerhalb des Elektrolyten ergebenden Effekte, wie die Gaspolarisation, entgegenwirken. Das Gesamtergebnis besteht darin, daß der Stromfluß, der von Teilen der Elektrode mit kleinerem Durchmesser ausgeht, geringer sein wird. Infolgedessen werden die kombinierten Auswirkungen der Abstandsstreckenzunahme und der Durchmesserabnahme darin bestehen, daß der Stromfluß in den dünneren Abschnitten des Flügelprofilteilrandes verringert und dadurch die Masse an abgetragenem Material verringert wird. Der sich ergebende Radius wird somit im Verhältnis zu der Randdicke stehen, ohne daß es zu einer übermäßigen Abtragung von Material von den dünneren Teilen kommt.

Bei der bevorzugten Durchführung der Erfindung wird angestrebt, eine relativ gleichmäßige Stromdichte über der Länge des Flügelprofilteilrandes 12 zu erzielen. Selbstverständlich ist die Berechnung dafür etwas kompliziert, da der Strom auch zu anderen benachbarten Gebieten des Randes fließt. Das ist in Fig.

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dargestellt, in der eine Querschnittansicht der Elektrode und des Werkstückes von Fig. 3 gezeigt ist. In Fig. 6 ist der Einheitsgradient des elektrischen Potentials, der zwischen der Elektrode und dem Werkstück vorhanden ist, schematisch durch die mit V bezeichneten Linien dargestellt; der Einheitsstromfluß ist durch die mit I bezeichneten Linien dargestellt. Es ist zu erkennen, daß die Stromdichte zwischen dem vorderen Rand des Werkstückes und dem Teil der Elektrode, der dem Werkstück am nächsten ist, am höchsten ist. Außerdem fließt Strom, aufgrund des längeren Weges durch den Elektrolyten allerdings mit geringerer Dichte, zu anderen Gebieten der Elektrode. Der Strom tendiert aber dazu, sich an den scharfen Rändern des Werkstückes zu konzentrieren, wodurch die gewünschte Abrundung des vorderen Randes bewirkt wird. Die Gradienten des elektrischen Potentials und die ihnen zugeordneten Stromdichten können analysiert werden, indem in zwei Dimensionen der Zellen- und der Elektrodenquerschnitt auf Widerstandspapier modelliert werden. Eine EMK wird an die Elektroden angelegt und dadurch ein "Potentialfeld" zwischen ihnen aufgebaut, das aufgelöst und aufgetragen werden kann. Statt dessen kann die gewünschte Elektrodenkonfiguration auch experimentell bestimmt werden, indem die Elektrode wiederholt geändert oder umgebildet wird, bis die gewünschte Gleichmäßigkeit erzielt ist, die durch die Ergebnisse an Testflügelprofilteilen gemessen wird.

Einige weitere Beobachtungen können über den Gesamtaufbau und die Betriebsweise der konischen Elektrode gemacht werden. Da es erwünscht ist, den Strom an dem vorderen Rand zu konzentrieren und keinen nennenswerten Strom zu anderen Teilen des Flügelprofilteilkörpers fließen zu lassen, darf der Hauptdurchmesser der Elektrode gegenüber der Dicke des Randes nicht zu groß sein. Die Erfinder haben herausgefunden, daß ein Verhältnis von etwa 10 bis 1 zufriedenstellend ist.

Da es die Änderung der Abstandsstrecke zwischen der Elektrodenoberfläche und dem Werkstückrand ist, die zur Verringerung des Stroms beiträgt, wird der Hauptdurchmesser der Elektrode vor-

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zugsweise in enger Nachbarschaft des Randes angeordnet. Wenn die gesamte Elektrode in einem zu großen Abstand von dem Rand angeordnet ist, dann wird selbstverständlich die relative Änderung der Abstandsstrecke geringer sein und die erwünschte Änderung des Stroms kann nicht erzielt werden. Andererseits kann die Elektrode nicht zu nahe bei dem Werkstück angeordnet werden, weil es zu einer Berührung und zu einer Lichtbogenbildung kommen kann. Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen haben die Erfinder herausgefunden, daß ein Mindestabstand von 1,2 mm an dem Hauptdurchmesser zufriedenstellend ist. Die Elektrode ist konisch zulaufend, um die Änderung in der Materialabtragung zu erzielen, die erwünscht ist. Die Erfinder haben herausgefunden, daß die erwünschte Änderung im Durchmesser diejenige ist, die zu der Änderung in der Dicke des Randes mehr oder weniger in direktem Verhältnis steht. Da die Änderung im Durchmesser der Elektrode sowohl einen kleineren Querschnitt proportional zu der Durchmesseränderung als auch eine Änderung im Abstand erzeugt, wird selbstverständlich die kombinierte Wirkung beider Paktoren größer sein als die Änderung in der Randdicke. Das gibt die Kompliziertheit der Situation wieder, weshalb die Erfinder meinen, daß zum gegenwärtigen Zeitpunkt keine genaue Formel oder Analyse angegeben werden kann.

Es gibt eine weitere Überlegung bei der Ausbildung der Durchmesser der Elektrode, und zwar handelt es sich um das Vermögen der Elektrode, Strom durch ihren Querschnittskörper und von ihrer Oberfläche aus in den Elektrolyten zu leiten. Wenn der Durchmesser verringert wird, wird das Mantelflächenelement oder die Einheitsmantelfläche der Elektrode kleiner. Wenn die Mantelfläche f_ur ^en Strom nicht ausreicht, der durch das aufgebaute elektrische Potential erzeugt wird, kann es zur Erhitzung der Elektrode kommen und, was noch wichtiger ist, es kann eine übermäßige Gaserzeugung auftreten. Schließlich kann es zum Abbrennen und zum Verlust von Material an der Elektrode führen. Es ist klar, daß der Körperquerschnitt ausreichen muß, um Strom auf der gesamten Elektrodenlänge ohne übermäßige Erhitzung und ohne übermäßigen Spannungsabfall zu führen. Es ist somit zu beachten, daß es Fälle geben wird, in denen die abso-

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luten Durchmesser der Elektrode ungeachtet anderer Kriterien oberhalb gewisser Werte gehalten werden müssen. Ein weiterer Faktor, der zu beachten ist, ist die Passivierung, die an dem Werkstück, insbesondere bei einem Werkstück aus Titan, auftritt, wenn die Stromdichte nicht über einem bestimmten Schwellenwert liegt. Der Mindestdurchmesser und der Mindestabstand der Elektrode werden daher notwendigerweise oberhalb des Wertes gehalten werden, der die Stromdichte auf den Punkt verringern würde, bei dem es zur Passivierung an dem Werkstück kommt.

Bei komplizierteren Werkstückformen wird es erwünscht sein, die Elektrode weiter zu verfeinern. Als ein relativ einfaches Beispiel sei angegeben, daß die Flügelprofilteil- und Elektrodenanordnung, die in Fig. 3 gezeigt ist, dazu führen kann, daß übermäßig Material von dem Punkt 30 abgetragen wird, an welchem der vordere Rand 12 die Spitze 18 des Flügelprofilteils schneidet. In einem solchen Fall wird es sich als nützlich erweisen, eine Elektrode mit Mehrfachkonizität des in Fig. 4 gezeigten Typs zu verwenden. Der erste und überwiegende Teil der Elektrode hat einen Konus gemäß den oben dargelegten Prinzipien, während der zweite Teil 34 einen spitzeren Konus hat, wodurch die Abstandsstrecke mehr vergrößert unddie Mantelfläche mehr verringert wird. Das wird eine weitere Verringerung des Stroms in der Nähe des Schnittpunkts 30 von Spitze und Rand ergeben. Der genaue Punkt, an welchem der Mehrfachkonus längs der Achse 2 6 der Elektrode beginnen muß, ist bei besonderen Formen von Werkstücken experimentell zu ermitteln. In einem weiteren Fall, in welchem beispielsweise das Flügelprofilteil eine Plattform hat, kann es erwünscht sein, die Mantelfläche der Elektrode zu vergrößern und die Abstandsstrecke in der Nachbarschaft zu verringern, so daß Strom veranlaßt wird, in die Ecke zu fließen, zu der er natürlicherweise nicht fließen würde. Es ist somit klar, daß die Erfindung variiertere Änderungen in der Elektrodenkonfiguration umfaßt als bei der angegebenen bevorzugten Ausführungsform. Beispielsweise ist es bei der Durchführung der Erfindung möglich, eine Elektrode vorzusehen, die

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im Durchmesser und im Abstand zuerst abnimmt, dann zunimmt und dann wieder abnimmt oder dazwischen gerade Abschnitte aufweist.

Die Form und der Abstand der Elektrode stehen, wie oben beschrieben, untereinander in Beziehung. Tatsächlich ist bei einer konisch zulaufenden zylindrischen Elektrode des in den Fig. 3 und 4 gezeigten Typs die Beziehung zwangsläufig. In gewissen Fällen können auch andere Formen von Elektroden benutzt werden. Beispielsweise zeigt die Fig. 5 eine trapezförmige Elektrode, bei der der Elektrodenabstand und die Elektrodenmantelfläche unabhängig geändert werden können, wenn die Stirnfläche 28 dem Werkstück dargeboten wird. Weitere Konfigurationen bieten sich dem Fachmann von selbst an. Die exakte Beziehung zwischen der Änderung in der Fläche und dem Grad, in welchem die Abstandsstrecke vergrößert wird, ist bei der Erzielung der erwünschten exakten Ergebnisse eine experimentelle Angelegenheit. Es hat sich jedoch bei der konisch zulaufenden zylindrischen Elektrode gezeigt, daß die Änderung in der Einheitsmantelflache der Elektrode mehr oder weniger gemäß der Änderung der Dicke des vorderen Randes eines Flügelprofilteils bemessen werden sollte, was im folgenden beispielshalber noch näher beschrieben ist.

Im folgenden ist die Durchführung der Erfindung bei der Fertigbearbeitung einer Gasturbinenschaufel aus der Titanlegierung AMS 4928 (6A1-4V-Rest Ti) beschrieben, die in einem geschlossenen Gesenk in einem Präzisionsschmiedeprozeß hergestellt worden ist, aber einen Restschmiedegrat an den Rändern hat, dessen Abtragung im folgenden beschrieben ist. Das Flügelprofilteil hat eine Nennabmessung von 9 χ 3,2 χ 0,3 cm und ist an den Rändern und an der Spitze konisch zulaufend. Der fertig zu bearbeitende Rand sieht scharf abgeschert aus und seine Dicke ändert sich von etwa 1,15 bis 0,06 mm oder in einem Verhältnis von 1,9 zu 1. Vor dem Einbringen in den Elektrolyten ist das Teil selbstverständlich entzundert und abgebeizt worden, um jedewede aus dem Schmiedevorgang stammende Verunreinigung zu entfernen. Unmittelbar vor dem Einbringen in den Elektrolyten ist das Teil in üblicher Weise entfettet, mit Wasser gespült, in Salpeter-/Flußsäure 10-20 s eingetaucht worden, um jegliches Oberflächenoxid zu entfernen,

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und dann in kaltem Wasser gespült und getrocknet worden. Eine Abschirmung aus einer thermoplastischen Abdeckmasse wird um den Rand des Flügelprofilteils aufgebracht, der zu dem elektrochemisch zu fräsenden entgegengesetzt ist, um Streuströme und andere nachteilige Effekte von dem Rand fernzuhalten, der bereits vorher fertigbearbeitet worden sein kann. Die Abschirmung bedeckt etwa 1,3 cm des Flügelprofilteils, gemessen von dem entgegengesetzten Rand aus; sie erstreckt sich nicht über den Flügelprofilteilkörper bis zu dem Punkt, wo die elektrochemische Wirkung eine Stufe an dem Flügelprofilteil an ihrem Endpunkt verursachen kann.

Die Schaufel wird in einem PolyvinylchLoridträger zusammen mit einer Elektrode so befestigt, daß beide in den Elektrolyten eingetaucht sind, der in einem Polypropylentank gehalten ist. Der Elektrolyt ist vorzugsweise ein Äthylenglykol/Schwefel-/ Flußsäuregemisch, das die bevorzugte Zusammensetzung von Tabelle I hat. Zusammensetzungen in dem in der Tabelle gezeigten Bereich können ebenfalls benutzt werden, ebenso wie andere bekannte Elektrolyten auf Glykol- oder Alkoholbasis. Während des elektrochemischen Fräsens wird das Bad vorzugsweise auf einer Temperatur zwischen 25 und 32 ⁰C gehalten.

TABELLE I
ELEKTROLYT ZUSAMMENSETZUNG IN VOL.%

Äthylenglykol
konzentr. Schwefelsäure konzentr. Flußsäure

Bevorzugt	Bereich
77	'75 -
13	11 -
10	8 -
- 79
■ 15
- 12

Eine Elektrode, die die in Fig. 3 oder 4 gezeigte Konfiguration hat, wird benutzt. Die Abmessungen der Elektrode aus A1S1-316-rostfreiem Stahl sind: Durchmesser 8 mm, Konizität mit einem Winkel von 1°20' gegen ihre Hauptachse. Die Elektrode hat eine

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Nennlänge von 9 cm und damit etwa dieselbe Länge wie der vordere Rand, mit dem Ergebnis, daß der kleine Durchmesser ungefähr 4,6 mm beträgt. Wenn eine zusammengesetzte Konizität benutzt wird, wird der kleine Durchmesser oder die Spitze der Elektrode zuerst auf etwa 3,2 mm verkleinert und die Elektrode wird von da aus im Durchmesser unter einem Winkel von 5° gegen die Hauptachse erweitert, bis der Zusatzkonus den Hauptkonus an einem Punkt schneidet, der nominell 13 mm von der Spitze entfernt ist- Es sei angemerkt, daß das Verhältnis des Elektrodenhauptdurchmessers zur Dicke des benachbarten Randes 8 mm/ 1,15 mm oder 7 zu 1 beträgt. Die Elektrode wird in dem Träger mit der Schaufel so angeordnet, daß ihr nächstgelegener Punkt, die Oberfläche bei dem Hauptdurchmesser, etwa 0,76 bis 1,5 mm von dem Flügelprofilteilrand entfernt ist.

Eine Quelle elektrischen Potentials wird derart an die Elektrode und das Werkstück angeschlossen, daß die Elektrode die Katode und das Werkstück die Anode ist. Eine Stromquelle mit einer Ausgangsspannung von etwa 50 V hat sich als zufriedenstellend erwiesen. Der Stromfluß wird eingeleitet, indem die erforderliche Spannung angelegt wird, und dann wird während des Betriebes die Spannung geregelt, um den Strom auf ungefähr 22 A zu halten.

Die beschriebene Elektrode hat eine Mantelfläche von etwa

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12,3 cm und die Gesamtmantelfläche des Flügelprofilteils (aus-

2 schließlich des abgedeckten Teils) beträgt etwa 41 cm . Daher beträgt bei 22 A die mittlere Stromdichte an dem Werkstück et-

wa 0,5 A/cm , während die auf der Elektrode 1,7 beträgt. Selbstverständlich wird der Strom nicht gleichmäßig über die Flächen der Elektrode und des Werkstückes verteilt sein, sondern wird an ihren benachbarten Flächen konzentriert sein, wie es in Fig. 6 schematisch gezeigt ist. Basierend auf der Erfahrung kann angenommen werden, daß 75% des Stroms auf dem Werkstück innerhalb 0,5 mm des Randes konzentriert sind. Basierend darauf wird

2 die mittlere Stromdichte etwa 1,7 A/cm in dem konzentrierten Gebiet betragen, wobei selbstverständlich in diesem Gebiet eine ungleiche Verteilung vorhanden sein wird. Ebenso wird für

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die Elektrode angenommen, daß, wenn 75% des Stroms durch die vordere Hälfte der dem Rand zugewandten Katode gehen, die

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mittlere Stromdichte etwa 2,5 A/cm betragen wird. Die oben angegebenen Stromdichten sind lediglich Schätzwerte.

An dem Hauptdurchmesser von 8 mm kann die Einheitsmantelfläche oder das

Mantelflächenelement für einen Schritt von 1 mm zu 50 mm berechnet werden, während die Einheitsmantelflache oder das Mantelflächenelement bei dem kleinen Durchmesser von 4,6 mm an einer Elek-

2 trode mit einem Konus zu etwa 16,6 mm berechnet werden kann.

Somit liegt das Verhältnis der Einheitsmantelfläche von der Basis zur Spitze der Elektrode in der Größenordnung von 3 zu 1. (Selbstverständlich ist der Spezialfall der Mehrfachwinkelspitze aus dieser Berechnung ausgenommen).

Die Abstandsstrecke zwischen der Elektrodenoberfläche und dem vorderen Rand in der Nähe des Hauptdurchmessers der Elektrode beträgt etwa, wie erwähnt, 1,5 mm, weshalb der Spalt an der Einfachkonuselektrodenspitze etwa 3,2 mm und das Verhältnis etwa 2 zu 1 beträgt.

Der Strom wird zwischen der Elektrode und dem Werkstück für eine ausreichende Zeit aufrechterhalten, damit ein fertig bearbeitendes Produkt erzeugt wird. Typischerweise beträgt diese Zeit etwa 2 Minuten. Wenn der Strom abgeschaltet wird und das Teil aus dem Elektrolyten entnommen wird, zeigt es sich, daß der vorher rauhe Rand in einen glatten, gerundeten Rand umgewandelt worden ist, der einen Radius von etwa 2,9 mm an dem Spitzenende und von etwa 4,6 mm an dem Basisende des Flügelprofilteils hat.

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Zusammenfas sung ;

Beschrieben sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum elektrochemischen Fertigbearbeiten der Ränder von Flügelprofilteilen und von anderen Gegenständen mit dünnen Rändern. Wenn sich der Rand eines Flügelprofilteils über dessen Länge in der Dicke ändert, wird eine konische Elektrode vorgesehen, die sowohl einen verringerten Durchmesser als auch einen vergrößerten Abstand hat, was die Erzielung eines Randes mit einem Radius ermöglicht, der im Verhältnis zu der Dicke steht. Insgesamt werden in dem System, das eine Elektrode mit einer Einheitsmantelfläche A und mit einer Abstandsstrecke S zwischen der Elektrodenoberfläche und der Werkstückoberfläche hat, sowohl A als auch S so geändert, daß das Verhältnis A/S für Elektrodenteile gesenkt wird, die sich gegenüber Randteilen mit geringerer Dicke befinden.

Claims

Patentansprüche :

MJ Verfahren zum elektrochemischen Fräsen des Randes eines Werkstückes, wobei unterschiedliche Materialmengen von dem Werkstückrand an unterschiedlichen Stellen über dessen Länge abgetragen werden müssen, gekennzeichnet durch Schaffen einer geformten Elektrode mit einer Einheitsmantelflache A und einem Abstand S zwischen der Elektrodenoberfläche und dem Werkstückrand gemessen an Punkten über der Länge der Elektrode, wobei sowohl A als auch S so geändert werden, daß das Verhältnis von A/S auf niedrigere Werte an Punkten geändert wird, die Stellen des Werkstückrandes benachbart sind, wo weniger Einheitsgewicht an Material abgetragen wird.
2. Verfahren zum elektrochemischen Fräsen des Randes eines dünnen Werkstückes, wobei ein Teil des Randes eine Dicke hat, die sich über seiner Länge ändert, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Schaffen einer Elektrode mit einem konischen Teil, deren Hauptachse in nomineller Ausrichtung mit dem Rand ist, so daß der Abstand zwischen Unterteilen des konischen Teils der Elektrode und den benachbarten Unterteilen des Werkstückrandes dort grös-

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ser ist, wo die Randdicke geringer ist, wobei die Elektrode weiter eine Einheitsmantelflache hat, die über der Länge des Randes in demselben Sinn abnimmt wie die Dicke des Randes abnimmt, um Material in ungefährem Verhältnis zu der Randdicke abzutragen und einen gut fertigbearbeiteten Rand zu erzeugen.
3. Vorrichtung zum elektrochemischen Fräsen des Randes eines dünnen Werkstückes, wobei unterschiedliche Materialmengen von unterschiedlichen Stellen längs eines Teils des Randes abgetragen werden, gekennzeichnet durch:
ein Werkstück mit einem dünnen Rand;
ein Gefäß zur Aufnahme eines Elektrolyten; eine Elektrode, deren Hauptachse in nomineller Ausrichtung auf den Rand ist und einen konischen Teil hat, wobei die Änderung im Konus so gewählt ist, daß die Elektrodeneinheitsmantelfläche und der Elektrodenabstand von dem Werkstücksrand sich beide in demselben Sinn ändern, in welchem sich die von dem Rand abzutragende Materialmenge ändert;

eine Einrichtung zum Haltern der Elektrode und des Werkstückes in festen Positionen in dem Elektrolyten; und eine Einrichtung zum Aufbauen eines elektrischen Potentials zwischen der Elektrode und dem Werkstück, das ausreicht, um die Abtragung von ,Material von dem Teil des Werkstückrandes zu bewirken.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Werkstück ein Flügelprofilteil ist, das einen Randunterteil hat, der in einer freien Schnittfläche endigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode einen zusammengesetzten Konus hat, der benachbart zu dem Randunterteil angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine zylindrische, konische Elektrode und durch ein Flügelprofilteilwerkstück, wobei die Achse der Elektrode nominell längs der Verlängerungen der mittleren Mittellinien der Flügelprofilteilquerschnitte angeordnet ist.

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