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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung
eines gehärteten
Bauteils, insbesondere eines gehärteten
Schmiedebauteils.
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Aus
der Druckschrift
DE
103 58 503 A1 ist eine Laufverzahnung und ein Herstellungsverfahren für eine solche
bekannt, wobei ein gegossener oder vorgeschmiedeter Rohling elektrochemisch
fertig bearbeitet wird. Nachteilig bei dem offenbarten Herstellungsverfahren
ist allerdings, dass bei der Fertigbearbeitung der Laufverzahnung
lediglich einzelne Zähne der
Laufverzahnung bearbeitet werden und die Laufverzahnung anschließend um
die Zahnteilung weiter gedreht werden und dann erneut einzelne Zähne bearbeitet
werden.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur elektrochemischen
Bearbeitung eines gehärteten
Bauteils, insbesondere eines gehärteten
Schmiedebauteils anzugeben, mit dem die Wirtschaftlichkeit einer
abtragenden Bearbeitung derartiger Bauteile vorteilhaft gesteigert
wird und gleichzeitig die Bearbeitungsgenauigkeit erhöht wird.
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Die
Aufgabe hinsichtlich des anzugebenden Verfahrens wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildun gen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und
der Beschreibung hervor.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur elektrochemischen Bearbeitung eines gehärteten Bauteils, wobei das
Bauteil in einem ersten Verfahrensschritt vorgeschmiedet und anschließend gehärtet wird,
wird das gehärtete
Bauteil in einem weiteren, nachfolgenden Verfahrensschritt mittels
der gepulsten elektrochemischen Bearbeitung fertig bearbeitet.
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Der
Vorteil der Erfindung ist, dass durch die gepulste elektrochemische
Bearbeitung ein hochgenaues Bearbeitungsverfahren verwendet wird,
welches eine sehr hohe Oberflächenqualität am zu
bearbeitenden Bauteil erzeugt, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit
wesentlich erhöht
wird und gleichzeitig zusätzliche
weitere Bearbeitungsschritte einer konventionellen zerspanenden
Bearbeitung für
eine vergleichbare Oberflächequalität erfordert
eingespart werden. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens
vorteilhaft erhöht.
Die Wirtschaftlichkeit wird aber weiterhin noch gesteigert, da als
Bearbeitungsbauteil ein vorgeschmiedetes und gehärtetes Bauteil verwendet wird.
Im Vergleich zur konventionellen zerspanenden Bearbeitung bedeutet
dies eine wesentliche Verkürzung
der Prozesskette der Verfahrensschritte bei der Herstellung eines
solchen Bauteils, was wiederum eine direkte erhebliche Steigerung
der Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutet.
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Das
Verfahren der gepulsten elektrochemischen Bearbeitung (PECM – Pulsed
ElectroChemical Machining) ist dabei gekennzeichnet dadurch, dass bei
der Bearbeitung kein direkter Kontakt zwischen Werkzeugelektrode
und Bearbeitungsobjekt herrscht. Zur Bearbeitung werden hierbei
Werkzeugelektrode und Bearbeitungsobjekt relativ zueinander fest
und definiert positioniert, so dass auf dem Bearbeitungsobjekt die
Geometrie des Bearbeitungswerkzeugs bei der Bearbeitung abgebildet
wird. Alternativ zur festen Positionierung können das Bearbeitungsobjekt
und die Werkzeugelektrode auch relativ zueinander bewegt werden,
vorzugsweise in einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung.
Bei der Bearbeitung wird zwischen der Werkzeugelektrode und dem
zu bearbeitendes Objekt eine elektrische Spannung angelegt, wobei
das Bearbeitungsobjekt als Anode und die Werkzeugelektrode als Kathode
geschaltet wird. Für
die Bearbeitung wird ein vorhandener Spalt, vorzugsweise eine Spaltbreite
von 0,01 bis 0,2 mm, zwischen Werkzeugelektrode (Kathode) und Objekt
(Anode) mit einer konventionellen Elektrolytlösung gespült. Die Elektrolytlösung ist
dabei vorzugsweise unter Umgebungsdruck zuzuführen, wobei dies bei entsprechender
Ausgestaltung der Zuführung
allerdings auch unter allen anderen Druckbedingungen erfolgen kann.
Der Werkstoffabtrag am Bearbeitungsobjekt erfolgt somit elektrochemisch
und der aufgelöste
Werkstoff wird als Metallhydroxid von der Elektrolytlösung aus
der Bearbeitungszone herausgespült.
Aufgrund der sehr geringen Spaltbreite besitzt das PECM-Verfahren eine wesentlich
höhere Bearbeitungsgenauigkeit
als herkömmliche
elektrochemische Abtragverfahren. Charakteristisch für das PECM-Verfahren
ist noch, dass der Bearbeitungsstrom nicht wie bei der konventionellen
elektrochemischen Bearbeitung permanent anliegt, sondern als gepulster
Strom zugeführt
wird. Das Verfahren der PECM-Bearbeitung
zeichnet sich weiterhin durch hohe Prozessstabilität aus.
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Ein
weiterer Vorteil der hochgenauen PECM-Bearbeitung ist die Werkstoffunabhängigkeit für elektrisch
leitfähige
Werkstoffe. Das bedeutet, dass auch elektrisch leitfähige Beschichtungen oder Werkstoffe
bearbeitet werden können,
die durch reine mechanische Bearbeitung nur unzureichend oder unter
hohem Kostenaufwand auf Endkontur bearbeitbar sind. Dies ist insbesondere
bei Getriebebauteilen von Vorteil, da auf Grund der hohen Anforderung
im Allgemeinen gehärtete
Bauteile oder Endkonturnah geschmiedete Bauteile, d. h. mit einem
geringen Aufmass von weniger als 1 mm und vorzugsweise weniger als
0,5 mm, aus verschleißbeständigen und
hochfesten Schmiedewerkstoffen eingesetzt werden. Derartige Werkstoffe
sind allerdings mit konventionellen zerspanenden Bearbeitungsverfahren nicht
oder nur mit großem
Aufwand zu bearbeiten, so dass das erfindungsgemäße Verfahren auch wesentlich
wirtschaftlicher ist, da mitunter mehrere Bearbeitungsschritte einer
konventionellen, mechanischen Vorbearbeitung, eines daran anschließenden Härtens und
einer weiteren nachfolgenden mechanischen Bearbeitung eingespart
werden.
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In
Bezug auf die hochgenaue Bearbeitung des PECM-Verfahrens wird diese
dadurch gekennzeichnet, dass eine hohe Oberflächenqualität im Bereich von Oberflächenrauheiten
RZ kleiner als 5 μm erzielt wird, vorzugsweise
RZ im Bereich von 0,5 μm bis 2 μm. Damit wird im Vergleich zur
konventionellen mechanischen Bearbeitung aber auch im Vergleich zu
anderen berührungslosen
Abtragsverfahren eine Oberfläche
hergestellt, die wesentlich gleichmäßiger und geglättet ist
und damit eine höhere
Verschleißbeständigkeit
der Funktionsfläche
aufweist.
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Mittels
der PECM-Bearbeitung wird die Form der Werkzeugelektrode sehr exakt
und hochgenau auf das zu bearbeitende elektrisch leitfähige Material übertragen.
Die Form der Werkzeugelektrode ist dabei in Abhängigkeit der herzustellenden
Bearbeitungsgeometrie auszugestalten. Es wird in der Regel ein Elektrodenaufbau
verwendet, der einen auf die herzustellende Geometrie speziell ausgestalteten PECM
aktiven Teil aufweist, beispielsweise die Außengeometrie einer Getriebeverzahnung
eines schaltbaren Getriebes, welche dann durch die PECM-Bearbeitung
exakt auf einen zu bearbeitendes Bauteil übertragen wird.
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Auf
Grund des berührungslosen
Bearbeitungsverfahrens ist der Werkzeugverschleiß der Elektrode äußert gering,
wodurch eine hohe Reproduzierbarkeit des Verfahrens gewährleistet
wird.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, dass bei der PECM-Bearbeitung nur ein minimaler Werkstoffabtrag
am zu bearbeitenden Bauteil stattfindet, vorzugsweise im Bereich
von 0,05 mm bis 0,5 mm. Weiterhin wird der Materialabtrag, d. h.
die Abtragsrate bei der PECM-Bearbeitung, direkt über die
im Verfahren angelegte Spannung und/oder durch die Leitfähigkeit
der Elektrolytlösung
gesteuert, so dass damit die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
durch kurze Taktzeiten bei gleichzeitig sehr hoher Oberflächenqualität der bearbeiteten
Fläche angepasst
werden kann. D. h. für
eine abzutragende höhere
Materialdicke ist eine Elektrolytlösung mit höherer Leitfähigkeit also erhöhtem Salzanteil
zu wählen
und/oder die angelegte Spannung ist zu erhöhen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden mindestens zwei Funktionsgeometrien, insbesondere Verzahnungen
und Lagerflächen,
am gehärteten
Bauteil parallel bearbeitet. Somit wird die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
noch weiter gesteigert, da durch die parallele Bearbeitung die Bearbeitungszeit
weiter reduziert wird. Gleichzeitig ist Toleranzgenauigkeit der
Funktionsgeometrien relativ zueinander wesentlich verbessert, da
sie parallel in einer Aufspannung erfolgen. Vorteilhafterwei se sind zur
weiteren Steigerung der Toleranzgenauigkeit die parallel zu bearbeitenden
Funktionsgeometrien in einer Werkzeugelektrode zu integrieren, wodurch
die Reproduzierbarkeit der exakten Positionierung der Funktionsgeometrien
zueinander weiter erheblich gesteigert wird.
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Vorteilhafterweise
erfolgt der Elektrolytaustausch im Bearbeitungsspalt zwischen dem
Bauteil und der Elektrode durch eine oszillierende Relativbewegung
zwischen Elektrode und Bauteil, d. h. durch die Relativbewegung
wird der Elektrolyt in den Bearbeitungsspalt gepumpt und ausgetauscht.
Durch diese Ausgestaltung wird gewährleistet, dass ständig unverbrauchte
Elektrolytlösung
im Bearbeitungsspaltvorhanden ist, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit
und Oberflächengüte der Bearbeitung
vorteilhaft gesteigert werden.
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Weitere
Gegenstände
der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösungen sind
in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Für ein mechanisches
Schaltgetriebe, welches im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges
angeordnet ist, werden Getriebekomponenten mittels PECM bearbeitet.
Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit werden die Getriebezahnräder mit
einem Aufmass von 0,5 mm auf den zu bearbeitenden Flächen endkonturnah
geschmiedet und aus der Schmiedehitze durch kontrolliertes Abkühlen an
der Luft gehärtet.
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Ein
Getriebezahnrad weist eine zu bearbeitende Laufverzahnung und eine
Steckverzahnung, welche zur Positionierung des Getriebezahnrades auf
der Getriebewelle dient, auf. Diese beiden Funktionsgeometrien des
Getriebezahnrades werden nachdem der gezielten Abkühlung des
Zahnrades aus der Schmiedehitze mittels PECM parallel bearbeitet.
Dazu wird ein Getriebezahnrad in einer herkömmlichen Vorrichtung zur elektrochemischen
Bearbeitung mit allen entsprechenden Anschlüssen, welche für eine derartige
Bearbeitung erforderlich sind, aufgenommen und positioniert. Zur
weiteren Steigerung der Wirtschaftlichkeit der elektrochemischen
Bearbeitung werden in einer Vorrichtung vier Getriebezahnräder parallel
bearbeitet.
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Für die PECM-Bearbeitung
jeweils eines Getriebezahnrades wird eine Werkzeugelektrode verwendet,
die unter Berücksichtigung
des Arbeitsspaltes bei der PECM-Bearbeitung von 0,1 mm der herzustellenden
Geometrie am Bauteil entspricht. Die parallel herzustellenden Funktionsgeometrien
der Lauf- und Steckverzahnung sind in einer Werkzeugelektrode integriert,
wodurch die exakte Reproduzierbarkeit der Bearbeitungsgeometrie
gewährleistet wird.
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Eine
derartige Werkzeugelektrode wird bei der PECM-Bearbeitung in der Vorrichtung somit
automatisch zum eingespannten, zu bearbeitenden Bauteil positioniert
und die Elektrolytlösung
wird jeder der vier Bearbeitungsstellen von außen unter Umgebungsdruck zugeführt. Die
Werkzeugelektrode wird relativ zum zu bearbeitenden Getriebezahnrad translatorisch
mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/min verschoben. Durch eine der
translatorischen Verschiebung überlagerte
Oszillation wird der Elektrolytaustausch im Bearbeitungsspalt verbessert,
wodurch eine weiter verbesserte Oberflächenqualität der Verzahnungen und somit
höher belastbare
Verzahnungen hergestellt werden.
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Nach
Erreichen einer definierten Verschiebung der Werkzeugelektrode relativ
zum Bauteil ist die PECM-Bearbeitung abgeschlossen und das Verfahren
beendet.
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Nach
Abschluss der PECM-Bearbeitung werden die fertig bearbeiteten Getriebezahnräder der Vorrichtung
automatisch entnommen.