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Die Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung zur Texturierung und/oder Beschichtung einer Oberfläche eines Bauteils, welches zumindest partiell sich in einem mit Dielektrikum gefüllten Behälter befindet, wobei das Bauteil beabstandet gegenüberliegend mindestens einer Elektrode angeordnet ist, und wobei die Vorrichtung eine Einrichtung zur Relativbewegung von Bauteil und Elektrode zueinander aufweist und wobei jeder Elektrode eine Einrichtung zur Versorgung mit elektrischer Energie vorgeordnet ist.
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Mit derartigen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik werden Verfahren zur Texturierung von Oberflächen der zu bearbeitenden Bauteile bzw. Verfahren zur Aufbringung von Material auf einer Oberfläche eines Bauteiles durch Funkenerosion ausgeübt.
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In diesem Zusammenhang spricht man bei der Texturierung (Aufrauhung) von Bauteiloberflächen durch Funkenerosion vom sogenannten EDT-Verfahren, welches sich aus der englischen Bezeichnung „electrical discharge texturing“ herleitet.
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Darüber hinaus werden derartige Vorrichtungen auch im Zusammenhang mit dem EDC-Verfahren (electrical discharge coating) eingesetzt, bei dem Material der Elektrode in die Oberfläche eines Bauteils eingebracht wird (Beschichtung).
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Aus dem Stand der Technik sind grundsätzlich zwei Vorrichtungen gemäß den 1 und 2 bzw. den 3 und 4 der Figurenbeschreibung bekannt.
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Die Vorrichtung gemäß den 1 und 2 weist einen Kondensator, einen Widerstand (diskrete Widerstandsstufen einstellbar), ein Schalterelement und eine im Dielektrikum beabstandet von der Oberfläche des zu texturierenden Bauteils angeordnete Elektrode auf. Der sogenannte Stützkondensator wird auf eine konstante Spannung kontinuierlich aufgeladen, wobei über den nachgeschalteten, variablen Widerstand der Strom eingestellt wird. Sofern der Schalter geschlossen ist, zündet der Funke über die Funkenstrecke nach einer gewissen Verzögerungszeit und der Materialabtrag von der Oberfläche des Bauteils findet statt.
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Auf nachteilige Weise muss der Großteil der Energie über den Widerstand als Wärme abgeführt werden, sobald die Zündung erfolgt ist. Dadurch haben die Widerstände ein großes Bauvolumen und auf nachteilige Weise ist die Abführung der Wärme sehr aufwendig. Auch kann die Stromstärke nur in Kombination mit diskreten Widerständen eingestellt werden.
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Des Weiteren ist aus dem druckschriftlich nicht nachweisbaren Stand der Technik auch eine Vorrichtung bekannt, die aus einer Spule, einer Stromregelung, zwei Schalterelementen und wiederum einer im Dielektrikum angeordnete Elektrode gebildet wird (siehe 3 und 4). In dieser Vorrichtung wird in einer Spule über eine Zweipunktregelung ein definierter Strom eingeprägt. Wird der Schalter S1 geschlossen und der Schalter S2 geöffnet, zündet die Funkenstrecke nach einer unbestimmten Verzögerungszeit.
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Auf nachteilige Weise muss wegen der unbestimmten Verzögerungszeit die Induktivität der Spule genügend groß sein, um die Leistung (Stromstärke) bis zur Zündung vorzuhalten. Auch hat die Spule auf nachteilige Weise ein hohes Gewicht. Außerdem kann es bei dieser Art der Vorrichtung durch äußere Einflüsse wie z.B. Inhomogenitäten im Dielektrikum sowie Abstandsänderungen zwischen Elektrode und Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils zu Ausfällen bei der Zündung kommen, wodurch die Funkenausbeute negativ beeinflusst werden kann.
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Beispielsweise beschreibt die
DE 11 2008 003 599 B4 ein Entladungsgerät für den genannten Prozess. Die
US 3 757 073 A zeigt eine Bearbeitung der Oberfläche mit verschiedenen Spannungen. Die
DE 10 2010 046 557 A1 offenbart eine Vorrichtung, welche die Elektrode mittels eines Linearmotors zum Bauteil ausrichtet.
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Ausgehend von dem letzten dargelegten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung nun darin, eine neue Vorrichtung zur Texturierung und/oder Beschichtung einer Oberfläche eines Bauteils zu schaffen, welche eine geringere Baugröße aufweist, wobei gleichzeitig eine Verbesserung der Energieeffizienz und eine Erhöhung der Funkenausbeute erreicht werden soll.
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Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus einer Vorrichtung zur Texturierung und/oder Beschichtung einer Oberfläche eines Bauteils gemäß den Merkmalen des nachfolgenden Anspruchs 1:
- Vorrichtung zur Texturierung und/oder Beschichtung einer Oberfläche eines Bauteils, welches zumindest partiell sich in einem mit Dielektrikum gefüllten Behälter befindet, wobei das Bauteil beabstandet gegenüberliegend mindestens einer Elektrode angeordnet ist, und wobei die Vorrichtung eine Einrichtung zur Relativbewegung von Bauteil und Elektrode zueinander aufweist und wobei jeder Elektrode eine Einrichtung zur Versorgung mit elektrischer Energie vorgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung aus lediglich einer Spule und einem Kondensator gebildet wird, die parallel angeordnet und abwechselnd mit der Elektrode verbunden sind, wobei der Kondensator zunächst eine konstant hohe Spannung zur Ionisation des Dielektrikums und die Spule dann die gewünschte Stromstärke zum Materialabtrag und/oder Materialauftrag an dem Bauteil zur Verfügung stellt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat zunächst den wesentlichen Vorteil, dass durch die parallele Anordnung einer Spule und einem Kondensator, welche abwechselnd mit der Elektrode verbunden sind, sich die Baugröße der Vorrichtung insgesamt deutlich verringert, da die Spule wie auch der Kondensator in der erfindungsgemäßen Vorrichtung jeweils eine deutlich geringere Baugröße aufweisen.
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Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine verbesserte Energieeffizienz auf und zeichnet sich durch geringeren Aufwand für die Wärmeabführung aus.
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Letztlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine erhöhte Funkenanzahl und weitgehend konstante Funkenausbeute auf.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung handelt es sich bei dem Bauteil um eine Walze für ein Kaltwalzwerk, welche in einer Einrichtung zur drehenden Anordnung befestigt ist.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, dass statt einer Spule ein Operationsverstärker (als Konstantstromquelle), ein Operationsverstärker mit nachgeschaltetem MOSFET oder ein Festspannungsregler als Konstantstromquelle bzw. statt einem Kondensator eine Batterie, zwei Festspannungsregler (integrierter Schaltkreis/IC), ein geregeltes (Schalt-) Netzteil oder ein (Leistungs-) Operationsverstärker eingesetzt wird.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dem Kondensator eine weitere Spule zur Begrenzung des Stromanstiegs nachgeordnet.
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Auch ist es bei einer weiteren Ausführungsform möglich, dass dem Kondensator zusätzlich ein Spannungsmessgerät zugeordnet ist.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen 7 und 8.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Texturierung und/oder Beschichtung einer Oberfläche eines Bauteils.
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Ausgehend von dem oben bereits dargelegten Stand der Technik sowie der ebenfalls definierten Aufgabe ergibt sich die Lösung aus den nachfolgenden Merkmalen des Verfahrensanspruchs 6:
- Verfahren zur Texturierung und/oder Beschichtung einer Oberfläche eines Bauteils, welches zumindest partiell sich in einem mit Dielektrikum gefüllten Behälter befindet, wobei das Bauteil beabstandet gegenüberliegend mindestens einer Elektrode angeordnet ist, und wobei die Vorrichtung eine Einrichtung zur Relativbewegung von Bauteil und Elektrode zueinander aufweist und wobei jeder Elektrode eine Einrichtung zur Versorgung mit elektrischer Energie vorgeordnet ist, wobei die Einrichtung aus lediglich einer Spule und einem Kondensator gebildet wird, die parallel angeordnet und abwechselnd mit der Elektrode verbunden sind, wobei die Spannungsquelle zunächst eine konstant hohe Spannung zur Ionisation des Dielektrikums und die Stromquelle dann die gewünschte Stromstärke zum Materialabtrag und/oder Materialauftrag an dem Bauteil zur Verfügung stellt, gekennzeichnet durch nachfolgende Verfahrensschritte:
- - Aufladung einer am elektrischen Netz angeordneten Spannungsquelle
- - Entkoppelung der Spannungsquelle von der elektrischen Versorgung
- - Zündvorgang durch Schaffung der elektrischen Verbindung zwischen Spannungsquelle und Elektrode mit der Folge einer hohen Potentialdifferenz zwischen der Elektrode und der Bauteiloberfläche sowie Ionisierung des Dielektrikums zwischen Elektrode und Bauteiloberfläche
- - Beginn eines Stromflusses, der von der durch die Spannungsquelle hervorgerufenen Potentialdifferenz ausgeht, bei gleichzeitigem Spannungsabfall an der Spannungsquelle
- - Zuschaltung der parallelen Stromquelle und Materialabtrag und/oder Materialauftrag an der Oberfläche des Bauteils im Zeitraum T 1 durch Funkenerosion
- - Unterbrechung der Verbindung der Spannungsquelle zur Elektrode sowie anschließende Aufladung der Spannungsquelle
- - Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen der parallelen Stromquelle und der Elektrode sowie Unterbrechung des Materialabtrags und/oder Materialauftrag (Pause) im Zeitraum T2
- - Entkopplung der Spannungsquelle von der elektrischen Versorgung
- - Neuer Zündvorgang
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist ebenfalls die bereits oben zur erfindungsgemäßen Vorrichtung genannten Vorteile, insbesondere hinsichtlich geringerer Baugröße, erhöhter Energieeffizienz und hoher und stabiler Funkenausbeute auf.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, dass es sich bei dem Bauteil um eine Walze für ein Kaltwalzwerk handelt, welche in einer Einrichtung zur drehenden Anordnung befestigt ist.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Patentansprüchen sowie aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
- 1 und 2 eine erste Vorrichtung zur Texturierung und/oder Beschichtung einer Oberfläche einer Walze nach dem Stand der Technik,
- 3 und 4 eine zweite Vorrichtung zur Texturierung und/oder Beschichtung einer Oberfläche einer Walze nach dem Stand der Technik und
- 5 - 8 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Texturierung und/oder Beschichtung einer Oberfläche einer Walze mit ihren verschiedenen Verfahrensschritten.
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In den 1 und 2 ist jeweils eine Vorrichtung A zur Texturierung und/oder Beschichtung einer Oberfläche B einer Walze C eines nicht dargestellten Kaltwalzwerks in unterschiedlichen Verfahrenszuständen nach dem Stand der Technik zu erkennen, wobei die Walze C gegenüberliegend einer Elektrode D in einer mit Dielektrikum E gefüllten Wanne F angeordnet ist. Die Vorrichtung A weist zunächst einen am elektrischen Netz N angeordneten Kondensator K auf, der über einen regelbaren Widerstand W und einen Schalter S mit der in der Wanne F im Dielektrikum E angeordneten Elektrode D verbunden ist, wobei der Abstand der Elektrode D zur Walze C mittels einer motorischen Verstellung G verändert werden kann.
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Wie in 1 dargestellt, wird zunächst der Kondensator K über das Netz N bei geöffnetem Schalter S auf eine konstante Spannung kontinuierlich aufgeladen. Wenn der Schalter S geschlossen wird, zündet die Funkenstrecke nach einer Verzögerungszeit, da sich zunächst durch die Spannung ein Ionenkanal im Dielektrikum E bilden muss, wodurch sich der Widerstand des Dielektrikums E erheblich verringert, so dass dann ein Strom fließen kann, der die Basis für den notwendigen Funkenschlag FS darstellt. Die Stärke dieses Stromes wird über den Widerstand W eingestellt. Diese zuletzt geschilderte Situation ergibt sich gemäß 2 nach dem Schließen des Schalters S.
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Bei der Ausführungsform nach dem Stand der Technik gemäß den 3 und 4 sind Teile der Vorrichtung A identisch mit dem Stand der Technik gemäß den 1 und 2. So weist die Vorrichtung A wiederum eine Wanne F auf, die mit Dielektrikum E gefüllt ist, in der eine Walze C drehend angeordnet ist, wobei gegenüberliegend der sich drehenden Walze C eine Elektrode D befestigt ist. Auch hier ist eine motorische Verstellung G des Abstandes der Elektrode D von der Walze C vorgesehen.
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Bei diesem Stand der Technik ist der Elektrode D jedoch eine am Netz N angeordnete Spule P vorgeordnet, welche über eine Stromregelung SR und zwei Schalter S1 und S2 mit der Elektrode D verbunden ist. In der Spule P wird über eine Zweipunktregelung eine definierte Stromstärke eingeprägt.
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Sofern, wie in 4 dargestellt, der Schalter S1 geschlossen und der Schalter S2 geöffnet wird, zündet die Funkenstrecke nach einer Verzögerungszeit.
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In den 5 - 8 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Texturierung und/oder Beschichtung einer Oberfläche 11 einer Walze 12 eines Kaltwalzwerkzeuges mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Die Walze 12 ist auf nicht dargestellte Weise drehend in einer mit Dielektrikum 13 gefüllten Wanne 14 angeordnet. In der Wanne 14 bzw. an der Wanne 14 ist im Dielektrikum 13 in einem bestimmten Abstand von der Oberfläche 11 der Walze 12 eine Elektrode 15 befestigt.
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Der Abstand zwischen der Elektrode 15 und der Oberfläche 11 der Walze 12 wird während der Texturierung aktiv durch eine mit der Bezeichnung 25 gekennzeichnete motorische Verstellung der Elektrode 15 geregelt. Regelgröße ist die sogenannte „Gap-Spannung“, d.h. die Spannung, die während des Funkenüberschlags an der Elektrode 15 gemessen wird. Bei bekanntem Strom kann man so auf den Widerstand der Ionenstrecke und damit auf den Abstand zwischen der Elektrode 15 und Walze 12 schließen. Die „Gap-Spannung“ wird gemessen und an die Steuerung der Vorrichtung 10 weitergeleitet. Grundsätzlich wird ein möglichst großer Elektronenabstand angestrebt, da dies die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit der Walze 12 senkt. Je größer der Elektrodenabstand desto höher ist die benötigte Zündspannung.
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Dieser vorbeschriebenen Anordnung ist jeweils eine nachfolgend beschriebene Einrichtung zur Versorgung mit elektrischer Energie vorgeordnet.
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So ist grundsätzlich erfindungsgemäß in paralleler Anordnung am elektrischen Netz 16 eine Spule 17 (Induktivität 200 µH) mit einer Stromregelung 18 und einem Schalter 19 einerseits und andererseits parallel dazu ein Schalter 20, ein Spannungsmessgerät 21, ein Kondensator 22 (Kapazität ca. 20 nF) und eine Spule 23 sowie ein Schalter 24 angeordnet.
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Aus der 5 erkennt man, dass in einem ersten Schritt eine Aufladung des mit dem elektrischen Netz 16 über den geschlossenen Schalter 20 verbundenen Kondensator 22 bei gleichzeitig zur Elektrode 15 hin geöffneten Schalter 24 stattfindet, wobei zugleich der parallele Schalter 19 geöffnet ist.
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Nach der Aufladung des Kondensators 22 wird zunächst der Schalter 20 geöffnet (s. 6), so dass eine Entkopplung des Kondensators 22 vom elektrischen Netz 16 stattfindet. Dann wird der Zündvorgang durch Schließung des Schalters 24, also durch Schaffung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Kondensator 22 und der Elektrode 15 hergestellt. Dies führt zu einer hohen Potentialdifferenz zwischen der Elektrode 15 und der Oberfläche 11 der Walze 12 sowie zu einer Ionisierung des Dielektrikums 13 zwischen der Elektrode 15 und der Oberfläche 11 der Walze 12.
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Den Beginn eines Stromflusses, der von der durch den Kondensator 22 hervorgerufenen Potentialdifferenz bei gleichzeitigem Spannungsabfall am Kondensator 22 ausgeht, erkennt man in 6 durch das Funkenschlagsymbol FS zwischen der Elektrode 15 und der Oberfläche 11 der Walze 12.
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Der durch das Spannungsmessgerät 21 festgestellte Spannungsabfall ist das Signal zur Zuschaltung der parallelen Spule 17, wodurch in einem Zeitraum T1 ein Materialabtrag an der Oberfläche 11 der Walze 12 durch Funkenerosion stattfindet (s. 7).
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Gleichzeitig wird durch Öffnen des Schalters 24 die Verbindung des Kondensators 22 zur Elektrode 15 unterbrochen, wobei durch Schließung des Schalters 20 zugleich wieder eine parallele Aufladung des Kondensators 22 stattfindet (siehe 8).
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Nach Ablauf des Zeitraums T1 (Pulsdauer) wird im nächsten Schritt die elektrische Verbindung zwischen der parallelen Spule 17 und der Elektrode 15 unterbrochen, wodurch zugleich in einer „Pause“ der Materialabtrag an der Oberfläche der Walze 12 im Zeitraum T2 unterbrochen wird.
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Letztlich wird nach Vollendung der Aufladung des Kondensators 22, welche durch das Spannungsmessgerät 21 festgestellt wird, wiederum der Kondensator 22 von der elektrischen Versorgung 16 entkoppelt und ein neuer Zündvorgang beginnt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 11
- Oberfläche von 12
- 12
- Walze
- 13
- Dielektrikum
- 14
- Wanne
- 15
- Elektrode
- 16
- elektrisches Netz
- 17
- Spule
- 18
- Stromregelung
- 19
- Schalter
- 20
- Schalter
- 21
- Spannungsmessgerät
- 22
- Kondensator
- 23
- Spule
- 24
- Schalter
- 25
- motorische Verstellung (Doppelpfeil)
- FS
- Funkenschlag
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Stand der Technik
- A
- Vorrichtung
- B
- Oberfläche von C
- C
- Walze
- D
- Elektrode
- E
- Dielektrikum
- F
- Wanne
- P
- Spule
- S
- Schalter (1/2)
- W
- diskreter Widerstand
- K
- Kondensator
- S1/S2
- Schalter (Fig. ¾)
- N
- Netz
- SR
- Stromregelung
- G
- motorische Verstellung (Doppelpfeil)
