DE2311695A1

DE2311695A1 - Elektrode zum elektrolytischen bearbeiten

Info

Publication number: DE2311695A1
Application number: DE2311695A
Authority: DE
Inventors: Wayne Wendell Ferrin; Lloyd Junior Mckinney
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-04-19
Filing date: 1973-03-09
Publication date: 1973-10-25
Also published as: US3795604A; JPS4921342A; GB1433033A; FR2180987A1; BE795869A; CA1006846A; IT983838B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die elektrochemische Entfernung von Material und insbesondere ein Zweifachgerät (dual mode tool) und eine Apparatur für die Erzeugung von Hohlräumen.

In der Gasturbinen-Technologie ist es immer wichtiger geworden, einen Strom eines Kühlmittels durch das Innere einiger der bei nöherer Temperatur arbeitenden Bestandteile, wie Turbinenblätter, zu führen. In einigen Fällen ist es erwünscht, das Kühlmittel durch die Wände des Bestandteils ausströmen zu lassen. Um den Charakter einer solchen Ausströmung zu steuern, ist es . in einigen Fällen erwünscht, einen vergrößerten Diffusormund oder einen abgeschrägten Bereich an der'auslassenden Oberfläche zu schaffen.

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Verschiedene Verfahren zur Herstellung solcher versenkter öffnungen in den schwierig zu bearbeitenden Hochtemperatur-iSuperlegierungen, die bei der Herstellung von Gasturbinenblättern verwendet werden, umfassen als erste Stufe das Gießen des abgeschrägten Bereiches in den Teil und dann das Bohren des engeren Loches in das hohle Innere des Teiles, z. B. durch elektrochemische Bearbeitung. Ein anderes Verfahren umfaßte ein Zweistufenverfahren, wobei zuerst ein Loch durch elektrolytisches Bohren geschaffen wurde, gefolgt von einem separaten elektrochemischen Bearbeiten des Diffusorbereiches in einer zweiten Stufe. Diese beiden bekannten Verfahren sind von verschiedenen Standpunkten aus nachteilig. Zum einen ist es schwierig, in zwei separaten Stufen, eine ordentliche Ausrichtung zwischen dem Loch und dem Diffusorbereich herzustellen, und zum zweiten werden die Kosten für die Schaffung solcher Öffnungen beträchtlich erhöht, da mindestens zwei Stufen erforderlich sind.

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Elektrode zum elektrolytischen Bearbeiten zu schaffen, die die Fähigkeit hat, in einer einzigen Stufe elektrolytisch ein Loch zu bohren sowie einen versenkten Mundteil zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Elektrode zu schaffen, welche in der Lage ist, elektrolytisch einen Hohlraum unter Verwendung eines Stromes kathodisch geladener Elektrolyten zu erzeugen, der in einem Zustand zumindest des beginnenden Glimmens (incipient glow) ist und die weiter in der Lage ist, einen Diffusor- oder abgeschrägten Mund durch normales elektrochemisches Bearbeiten im üblichen Elektrolysebereicn zu schaffen. . .

Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Die vorliegende Erfindung schafft, kurz gesagt, in ihrer einen Form ein verbessertes Kathodenwerkzeug für die Verwendung in

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einer Apparatur zur elektrolytischen Entfernung von Material von einem leitenden Werkstück. Die Apparatur umfaßt Einrichtungen zur Lieferung elektrischer Energie, eine Vorrichtung zur Zuführung eines Elektrolyten und Mittel, um das Kathodenwerkzeug gegenüber dem Werkstück zu halten. Das Kathodenwerkzeug umfaßt ein den Elektrolyten führendes Teil mit dielektrischen Wänden, welche ein hohles Inneres begrenzen, das den Elektrolyten aufnimmt. Das Führungsteil endet in einer Elektrolyt-Auslaßöffnung, welche den Elektrolytstrom gegen das Werkstück richtet. Innerhalb des hohlen Inneren ist eine erete Elektrode angeordnet. Durch das Führungsteil wird außerhalb der dielektrischen Wände eine zweite Elektrode getragen, die eine Werkzeugoberfläche aufweist, welche dem Werkstück gegenüberliegt, wobei die Elektrode auf den anderen äußeren Oberflächen vorzugsweise mit einem dielektrischen Material beschichtet ist. Mit der ersten Elektrode ist eine Einrichtung verbunden, um elektrischen Strom zu liefern von einem ersten Fötential, das ausreicht, um in dem gegen das Werkstück gerichteten Elektrolytstrom einen Zustand zumindest des beginnenden Glimmens zu schaffen. Mit der zweiten Elektrode ist eine Einrichtung zur Zuführung elektrischen Stromes von einem zweiten Potential verbunden, das geringer ist als das erste Potential und nicht ausreicht, um in dem mit der zweiten Elektrode in Berührung stehenden Elektrolyten einen Zustand zumindest des beginnenden Glühens zu verursachen, so daß die zweite Elektrode, im normalen Elektrolysebereich arbeitet.

In der Zeichnung ist eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kathodenwerkzeuges dargestellt. Und zwar zeigen:

Figur 1 eine teilweise geschnittene, teilweise diagrammartige Ansicht des Kathodenwerkzeuges der vorliegenden Erfindung im Betrieb,

Figur 2 eine teilweise geschnittene vergrößerte Ansicht des Kathodenwerkzeuges "der Figur 1 und

Figur 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 der Figur 2.

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Die zweifache Wirkungsweise des Kathodenwerkzeuges der vorliegenden Erfindung, das in der Zeichnung allgemein mit 10 bezeichnet ist, umfaßt die Ausrichtung eines Elektrolytstromes 12 in Figur 1, der mit Bezug auf das Werkstück 14 kathodisch geladen ist von der Elektrolytauslaßöffnung 15 in Figur 2 gegen das genannte Werkstück. Zwischen dem Werkstück' 14 und der ersten Elektrode 16 innerhalb des hohlen Inneren 17 des Elektrolytführungsteils 18 liegt ein erstes elektrisches Potential, das von einer ersten elektrischen Energiequelle 20 erzeugt wird. Dieses erste Potential reicht aus, in dem Elektxiytstrom zwischen der ersten Kathode 16 und dem Werkstück 14 einen Zustand zumindest beginnenden Glimmens zu erzeugen.

Dieser Zustand ist mehr ins einzelne gehend in der US-Patentschrift 3 403 084 beschrieben. Dieser unübliche Zustand führt zu einer verstärkten Materialentfernung gegenüber der nach dem Faraday'sehen Gesetz erhältlichen. Um eine solche-verstärkte Materialentfernung zu bewirken, wird dieser Zustand in dem Elektrolyten durch die Anwendung einer - relativ hohen Spannung für die elektrolytische Materialentfernung eingestellt, um einen Zustand zumindest des beginnenden Glimmens zu schaffen. In einem splcnen Zustand verringert sich der Strom mit steigender Spannung im Gegensatz zum Ansteigen im Falle der normalen Elektrolyse. Dies wurde von Kellogg in "Journal of Electrochemical Society" 1950, 97j 133 bis 142 beschrieben. Dieser übergangszus'tand ist daher mancnmal als Kellogg-Bereich bezeichnet. Die dafür erforderliche Spannung variiert in Abhängigkeit vom Spalt zwischen der Kathode und dem Werkstück. Ein elektrisches Potential von nur 50 V ist mit Erfolg angewendet worden, obwohl für die praktische Anwendung im allgemeinen mindestens 75 V erforderlich sind. Häufiger jedoch ist das durch die erste elektrische Energiequelle 20 gelieferte Potential wegen des Abstandes zwischen der ersten kathodischen Elektrode 16 und dem. anodischen Werkstück 14 mindestens etwa 200 V.

Da der Strom des kathodisch geladenen Elektrolyten 12 sich in dem außergewöhnlichen elektrischen Zustand zumindest des beginnenden

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Glimmens befindet, ist es erforderlich, daß die Wände des den Elektrolyten leitenden Teiles 18, welche mit dem Elektrolyten in Berührung stehen, von den anderen Komponenten des Systems elektrisch isoliert sind. Der Bequemlichkeit halber ist die Bezeichnung "dielektrisch" in der vorliegenden Beschreibung verwendet worden, um eine solche elektrische Isolation zu beschreiben. Eine solche Isolation ist notwendig sowohl vom Elektrolytstrom als auch vom anodischen Werkstück, welches, wie die Zeichnung zeigt, vom Führungsteil durchdrungen wird. Dies verhindert einen vorzeitigen Verlust elektrischer Ladung im Elektrolytstrom. Der Einfachheit halber ist das Elektrolytführungsteil aus Glas hergestellt.

Von dem Führungsteil 18 getragen und elektrisch davon isoliert ist außen auf dessen Wänden eine zweite Elektrode 22 angeordnet, welche in der Zeichnung in der Form eines Metallkragens dargestellt ist, welcher das Führungsteil 18 umgibt. Die zweite Elektrode, die mehr im Detail in Figur 2 und im Schnitt in Figur 3 dargestellt ist, schließt eine Werkzeugoberfläche 24 ein, die gegenüber dem Werkstück 14 angeordnet ist und auf dem Führungsteil 18 an einem vorbestimmten Punkt angeordnet ist, bei dem es mit dem Werkstück 14 zusammenarbeiten soll. Die zweite Elektrode 22 schließt vorzugsweise eine dielektrische Oberfläche oder Schicht 26 ein, anders als die Werkzeugoberfläche 24, um die Streuung der elektrolytischen Wirkung mit dem Werkstück zu verhindern. Die Werkzeugoberfläche 24 ist so angeordnet, daß sie elektrolytisch Material vom Werkstück 14 in einer gewünschten Kontur entfernt, wie sie z. B. in der Figur 3 dargestellt ist. Dadurch wird ein Diffusormund am Eingang der öffnung geschaffen, die durch die Wirkung des kathodisch geladenen Elektrolytstromes 12 auf dem Werkstück erzeugt worden war.

Zwischen der Elektrode 22 und dem Werkstück 14 wird von einer zweiten elektrischen Energiequelle 28 in Figur 1 ein zweites Potential erzeugt. Dieses zweite elektrische Potential ist geringer als das erste elektrische-Potential, das zwischen der ersten Elektrode Iß und dem anodisch geschalteten Werkstück 14 liegt.

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Dieses zweite Potential reicht daher nicht aus, um in dem Elektrolyten den Zustand zumindest des beginnenden Glimmens zu erzeugen. Die elektrolytische Entfernung von Material zwischen der zweiten Elektrode 22 und dem Werkstück erfolgt daher im Bereich normaler Elektrolyse oder dem elektrochemischen Bearbeitungshereich. Zweckmäßigerweise legt die zweite elektrische Energiequelle 28 ein Potential von weniger als 50 V und im allgemeinen von weniger als 20 V, z. B. zwischen 6 und 8 V₃ zwischen die kathodisehe zweite Elektrode 22 und das anodische Werkstück 14.

Der Elektrolyt, welcher die elektrolytische Bearbeitungswirkung zwischen der zweiten Elektrode 22 und dem Werkstück unterhalt, kommt aus der gleichen ElektiöLytquelle" 30 wie der kathodisehe Elektrolytstrom 12. Zu Beginn tritt der Strom 12 im Zustand zumindest des beginnenden Glimmens in Kontakt mit dem Werkstück und nimmt an der verstärkten elektrolytisehen Materialentfernung, die oben näher erläutert wurde, teil. Dann fließt der Strom 12 aus dem so geschaffenen Hohlraum und bildet dabei die Elektrolytströmung 32 zwischen dem Werkstück und der Werkzeugoberfläche 2k. -flenn von der zweiten elektrischen Energiequelle 28 das elektrische Potential zwischen die zweite Elektrode 22 und das Werkstück Ik gelegt wird, um die zweite Elektrode kathodisch mit Bezug auf das Werkstück zu schalten, dann geschieht eine normale elektrolytis ehe Bearbeitung zwischen der zweiten Elektrode und dem Werkstück, wenn die zweite Elektrode an das Werkstück herangeführt wird.

Es wird auf diese Weise ein konturierter Mund oder eine versenkte Vertiefung am Beginn des Loches geschaffen, das durch den geladenen Elektrolytstrom 12 erzeugt wurde. Sowohl das Loch als auch der Mund werden beide in einer einzigen Stufe gesenaffen und durcn die Verwendung des.Kathodenwerkzeuges der vorliegenden Erfindung mit geringeren Kosten, ohne entweder das Werkzeug oder das Werkstück neu anordnen zu müssen. Dies führt zu einer genauen Ausrichtung der versenkten öffnung mit dem Rest des Loches.

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Claims

Patentansprüche

l.J Kathodenwerkzeug für die Verwendung in einer Apparatur für die elektrolytische Entfernung von Material von einem leitenden Werkstück, gekennzeichnet durch ein Elektrolytführungsteil (18) mit einer Wand, welche ein hohles Inneres (17) umgibt, das den Elektrolyten (12) aufnimmt und in einer Elektrolytauslaßöffnung (15) endet, welche den Elektrolyten (12) in einem Strom gegen das Werkstück (I¹O führt, ferner eine erste Elektrode (16) innerhalb des hohlen Inneren (17)* eine zweite Elektrode (22), die von dem Führungsteil (18) außen auf der Wand getragen wird, wobei die zweite Elektrode (22) eine Werkzeugoberfläche (24) aufweist, welche dem Werkstück (14) gegenüberliegt, wobei die Wand des Elektrolytführungsteiles (18) elektrisch sowohl von der ersten (16) als auch der zweiten Elektrode (22) isoliert ist.
2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wand des Elektrolytführungsteiles (18) aus dielektrischem Material besteht.
3· Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet , daß die zweite Elektrode (22) mit Ausnahme der Werkzeugoberfläche (24), welche dem Werkstück gegenüberliegt, eine äußere Oberfläche (26) aus einem dielektrischen Material aufweist.
4. Apparatur für die elektrolytische Entfernung von Material von einem leitenden Werkstück, wobei die Apparatur Einrichtungen zur Lieferung elektrischer Energie, eine Elektrolytzuführvorrichtung und Mittel zum Halten eines Kathodenwerkzeuges gegenüber einem Werkstück aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenwerkzeug das nach Anspruch 1 ist und daß fern"τ* eine erste Einrichtung (20) vorhanden ist, um die erste Elektrode (16) mit einem elektrischen Strom von einem ersten Potential zu versehen, das ausreicht, um in dem Elektrolytstrom (12), der vom Elek-

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trolytauslaß (15) gegen das Werkstück (I¹I) geführt wird, einen Zustand von zumindest beginnendem Glimmen hervorzurufen sowie eine zweite Einrichtung (28), um die zweite Elektrode (22) mit einem elektrischen Strom von einem zweiten Potential zu versehen, das geringer ist als das erste Potential und nicht ausreicht, um in dem Elektrolyten zwischen der zweiten Elektrode (22) und dem Werkstück (I¹I) einen Zustand zumindest beginnenden Glimmens hervorzurufen, wobei die erste (16) und die zweite Elektrode (22) gegenüber dem Werkstück (14) kathodisch geschaltet sind.
5· Apparatur nach Anspruch H_s dadurch gekennzeichnet, daß das erste Potential mindestens 50 V beträgt,
6. Apparatur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Potential mindestens 200 V beträgt und das zweite Potential geringer ist als 20 V.

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