DE2624070C3 - Verfahren zum elektrochemischen Bohren - Google Patents
Verfahren zum elektrochemischen BohrenInfo
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- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- B23H9/00—Machining specially adapted for treating particular metal objects or for obtaining special effects or results on metal objects
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- B23H9/16—Making holes using an electrolytic jet
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum elektrochemischen Bohren, bei dem eine isolierende,
hohle Düse mit katodisch geladener Elektrode in dichtem Abstand von einem anodisch geladenen
Werkstück angebracht wird und durch die Düse ein stark leitender Elektrolyt geleitet wird, der gegen das
Werkstück prallt.
Ein solches Verfahren ist unter der Bezeichnung EC-Bohren bekannt (American machinist, 3. November
1969, Seite 33). Dieses Verfahren ist zum Bohren äußerst
kleiner Löcher in zähen Metallen, beispielsweise Superlegierungen auf Nickelbasis, angewendet worden.
Mit Hilfp dieses Verfahrens ist es möglich, Löcher mit
einem Durchmesser in der Größenordnung von 0,127 bis 0,508 mm zu bohren. Beim EC-Bohren wird
normalerweise eine aus einem Glasrohr bestehende Düse mit einer hinter der Düsenspitze angebrachten
Elektrode angewendet. Das EC-Bohfen wird bei Betriebsbedingungen mit relativ hohem Widerstand Und
hoher Gleichspannung ausgeführt, deren Wert typischerweise in der Größenordnung von 300 bis ÖOO Volt
liegt. Dazu wird entweder ein Salz* oder Säureelektrolyt verwendet. Die Druckwerte des Elektrolyten liegen bei
45
55
60
65 diesem Verfahren typischerweise in der Größenordnung
von 1,4 bis 7 kg/cm3.
Auch die Anwendung einer welligen Gleichspannung beim EC-Bohren ist bereits bekannt (Industrieanzeiger,
97. Jahrgang, Sonderausgabe vom 31. Mai 1975, Seiten 905,906).
Es hat sich jedoch gezeigt, daß es bei herkömmlichen
elektrochemischen Abtragverfahren vom Typ des EC Bohrverfahrens schwierig ist, Löcher zu bohren, die
in ihrer gesamten axialen Länge einen gleichmäßigen Durchmesser haben. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die
hergestellten Löcher in dem am dichtesten bei der Elektrodüse liegenden Teil schräg verlaufende Seitenwände
aufweisen; der gewünschte Lochdurchmesser erscheint nur an der von der Elektrode am entferntesten
liegenden Stelle des Lochs. Dieser, als »Auswaschen« bekannte Zustand ist besonders dort störend, wo
mehrere Löcher in dichtem Abstand gebohrt werden sollen, da sich die Auswaschungen benachbarter Löcher
übe-lappen können, was zu einen
unerwünschten
Abtragen von Metall in der Werkstückoberfläche zwischen den Löchern führt
Das EC-Bohrverfahren leidet in der derzeit ausgeführten Form auch unter dem Nachteil, daß eine
übermäßige Abnutzung an der Spitze -ier isolierenden Düse auftritt, so dtS die Düsen relativ häufig ersetzt
werden müssen. Der Grund für diese Abnutzung ist zwar noch nicht exakt bestimmt worden, doch wird
angenommen, daß unter den Bedingungen der dauernd anliegenden Spannung ein übererhitzter Dampf erzeugt
wird, der die Glaselektrode angreift, was zu einer Erosion durch Auslaugen der Glaszusammensetzung
führt
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum elektrochemischen Bohren zu schaffen,
das die Erzeugung von Löchern mit gleichmäßigerem Durchmesser als bisher ermög'icht und bei dem die
Abnutzung der Elektrodenspitze ve^ hindert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an die Elektrode eine Spannung mit negativem
Gleichspannungsanteil angelegt wird, dem negative Impulse überlagert sind, die eine Welligkeit zwischen
75% und 600% des Gleichspannungsanteils ergeben, und daß die Ampl · ude der Impulse so gewählt wird, daß
sie nicht ausreicht, eine Funkenentladung zwischen der Elektrode und dem Werkstück zu verursachen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Löcher mit genau definierten gleichmäßigen Durchmessern
gebohrt werden, wenn die negativen Impulse, die dem Gleichspannungsanteil überlagert sind, eine im
oben angegebenen Bereich liegende Welligkeit des Gleichspannungsanteils ergeben.
Wie die Praxis erwiesen hat, wird die Standzeit der Elektrodenspitze bei Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens deutlich verlängert.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Teilschnittansicht der Ausgestaltung einer typischen Elektroden- und Düsen*
anordnung,
Fig.2 eine schematische Ansicht der Düse und des
Werkstücks am Anfang des Löchböhrvorgangs,
Fί g.3 eine ähnliche Ansicht Wie in Fig. 2, wobei die
Düse und das Werkstück jedoch Unmittelbar vor dem Durchbruch dargesteHt sind,
F i g, 4 eine den F i g, 2 Und 3 ähnliche Ansicht, die die
Düse und das Werkstück darstellt, nachdem die Spannung im Anschluß an den Durchbruch zur
Fertigstellung des Bohrvorgangs erhöht worden ist,
Fig.5 eine Teilschnittansicht eines Werkstücks, in
dem mittels eines herkömmlichen Aufprallverfahrens ein Loch auf elektrochemische Weise gebohrt worden
ist, und
Fig.6 ein Diagramm des typischen Spannungsver-Iaufs,
wie er beim erfindungsgemäßen Verfahren angewendet werden kann.
In F i g. 1 ist eine Elektrodenanordnung 10 dargestellt,
wie sie beim erfindungsgemäßen Verfahren angewendet wird; diese Elektrodenanordnung enthält ein Rohr 11
aus Isoliermaterial wie Glas, wobei das Rohr mit einem verjüngten Abschnitt 12 versehen ist, der mit einem
relativ dünnen Düsenabschnitt 13 endet Typischerweise kann der Innendurchmesser der Düse in der Größenordnung
von 0,127 mm und 0,254 mm liegen. Eine Metallelektrode 14, die an eine noch zu beschreibende,
eine pulsierende negative Spannung abgebende Soannungsquelle
angeschlossen ist, ist hinter dci Düse 13
vorzugsweise innerhalb eines (nicht dargestellten) Verteilerrohrs angebracht, das mehrere Rohre 11 speist.
Fig.6 zeigt einen bevorzugten Verlauf der an die Elektrode 14 angelegten negativen Spannung. Diese
Spannung hat einen im allgemeinen sägezahnförmigen Verlauf, der einem vorbestimmten negativen Gleichspannungspotential
aufgeprägt ist und das in F i g. 6 eine negative Spannung mit dem Wert 400 Volt ist. Wie der
Darstellung zu entnehmen ist, reicht der negative Spitzenwert bis zu -1100 Volt. Der Effektivwert der
Spannung mit dem in Fig. 6 dargestellten Verlauf würde sich beim Ablesen auf einem herkömmlichen
Gleichspannungsmeßgerät mit etwa 750 Volt ergeben. Für das hier zu beschreibende Verfahren liegt der
Effektivwert der an die Elektrode angelegten Spannung im Bereich zwischen 100 und 800 Volt. Abhängig vom
Verlauf der Kurve können Spitzen bis in der Gegend von etwa MOO Volt erreicht werden.
Der in Fig. 6 angegebene spezielle Verlauf zeigt einen Hub von 700 Volt vom konstanten Gleichspannungswert
von 400 Volt aus, so daß der Welligkeitsfak tor des in Fig. 6 dargestellten Verlaufs 175% beträgt.
Für das hier beschriebene Verfahren kann die Welligkeit von 75 bis 600% der vorbestimmten
Gleichspannungskomponente reichen; vorzugsweise liegt sie zwischen 100 und 300% der Gleichspannungskomponente.
Zur Sicherstellung der oesten Ergebnisse ist auch die
Impulsfrequenz von Bedeutung. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Verlauf beträgt die Impulsdauer 2 ms, so
daß die Impulsfolgefrequenz 500 Hz beträgt. Allgemein haben sich Impulsfolgefrequenzen von 60 bis 720 Hz als
zufriedenstellend gezeigt.
Durch die Düse 19 wird entweder ein Salzelektrolyt oder ein Säureelektrolyt gegen das zu bohrende Objekt
gelenkt. Eine Schwefelsäurelösung mit 15 bis 30 Vol.-% Schwefelsäure und vorzugsweise 20 Vol.-% Schwefelsäure
ist geeignet; der Elektrolytdruck liegt dabei zwischen 1,4 und 7 kg/cm2.
Der Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück sollte zum Bohren entweder von Hand oder automatisch
in eine Entfernung gesteuert Werden, die im wesentlichen von der Art des zu bohrenden Materials
abhängt. Für diii meisten Materialien ergibt ein Abstand bs
von etwa 0,76 mm bis V,5mm (0,030 bis 0,060 inch)
befriedigende Ergebnisse. Es ist wichtig, daß der Abstand nicht unter 0,25 mm (0,101 inch) herabgesetzt
wird, da sonst ein übermäßiges Materialabtrag^n auftreten könnte, das zu dem oben beschriebenen
Auswaschen führen kann.
In F i g. 2 ist die Düse 10 dargestellt, wie sie in einem
festen Abstand von einem anodisch aufgeladenen Werkstück 16 einen aufprallenden Elektrolytstrom 15
abgibt Wenn das Abtragen des Metalls erfolgt, sinkt der Strom, und es ist dann erwünscht, die Spannung und den
Strom zur Kompensierung des erhöhten Abstanries zu erhöhen.
Wenn das Bohren fortschreitet, wird im Werkstück eine allgemein konische Vertiefung 17 gebildet, und
schließlich bricht der Elektrolyt durch die Hinterfläche des Werkstücks 16. An dieser Stelle steigt der effektive
Abstand beträchtlich an, und es ist besonders wichtig, die Spannung nach dem Durchbrechen zu erhöhen und
die erhöhte Spannung an der Elektrode 10 aufrechtzuerhalten, bis sich ein Loch 18 mit einem im wesentlichen
gleichmäßigen Durchmesser ergv Die für diesen Verweiivorgang benötigte Zeitdauer krnn in einfacher
Weise mit Hilfe einiger vorbereitender Versuche ermittelt werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Löcher mit geraden Seitenflächen in relativ kurzer Zeit
hergestellt werden. Im Gegensatz dazu führen die bisher angewendeten Verfahren, bei denen ein nichtver
änderliches Gleichspannungspotential angewendet wird, häufig zur Erzeugung von Loche· η gemäß F i g. 5,
wo ein Werkstück 19 mit einem gebohrten Loch dargestellt ist, das eine sich im wesentlichen erweiternde
Fläche 20 aufweist und den gewünschten Durchmesser D nur in dem Gebiet hat, in dem der Durchbruch erzielt
worden ist. Diese sich erweiternde Form, die als Auswaschung bezeichnet wird, kann insbesondere dort,
wo dicht nebeneinanderliegende Löcher gebohrt werden sollen, sehr unerwünscht sein.
Ein spezieller Plan für das Erhöhen des Strot.is und
der Spannung kann nach wenigen Versuchen ermittelt werden. Die nachfolgend angegebenen Beispiele behande.n
Pläne, die sicn in vielen Fällen als brauchbar erwiesen haben.
Ein Werkstück mit einer Dicke von 2,54 mm wurde unter Anwendung eines Elektrolytdrucks von
1,4 kg/cm2 mit einem Elektrolyt aus 20 Vol.-% Schwefelsäure einem elektrochemischen Bohrverfahren
unterzogen. Der Abstand zwischen der Elektrode und dem zu bohrenden Werkstück wurde zwischen 0,76 und
1,52 mm gehalten. Das Bohren wurde mit einer angelegten Spannung von 100 V0N und einem Strom von
100 p-.A begonnen. Wenn der Sirom mit dem Fortlaufen
des Bohrvorgangs auf 90 mA abfiel, wurde die Spannung auf 300 V erhöht, so daß det Strom auf
12OmA anstieg. Die eingeprägte Spannung war eine Sägezahnspannung, die allgemein den in Fig. 6
dargestellten Ve-Iauf hatte. Wenn der Strom anschließend auf 110 mA abgefallen war, wurde die Spannung
auf 600 V erhöht, so daß der Strom auf 180 mA anstieg. Beim Dürchbruch wurde die Spannung auf 750 V
erhöht, und def dabei gezogene Strom betrug 600 mA.
Der gesamte Vorgang zum Durchbohren des Werkstücks zur Erzielung eines Lochs mit gleichmäßigem
Durchmesser beanspruchte 'i,5 Minuten.
Unter Anwendung des Elektrolyten, des Elektrolytdrucks Und des Abstandes gemäß dem Beispiel 1 wurde
bei einer Anfangsspannung von 500 Vetf ein weiteres
Werkstück gebohrt. Der Durchbruch erfolgte nach 2 Minuten, worauf die Spannung auf 750 V erhöht und für
die Dauer von 30 Sekunden auf diesem Wert gehalten wurde. Es zeigte sich, daß das Loch im Werkstück einen
gleichmäßigen Durchmesser ohne merkliches Auswaschen hatte.
Es wird angenommen, daß das effihdungsgemäße
Verfahren wirksamer als herkömmliche Aufpräilverfahren ist, da Impulse mit höherer Spannung in
zuverlässiger Weise an die Elektrode angelegt werden können, wodurch mehr Energie zum Bohren des Lochs
geliefert wird. Außerdem gestattet es das Pulsieren der negativen Gleichspannung, daß die Elektrolytflüssigkeit
kühler bleibt, so daß die Möglichkeit für die Erzeugung überhitzten Dampfs an der Arbeitsspitze der Düse
geringer ist. Mittels der Erfindung können viele dicht nebeneinanderliegehde Löcher gleichzeitig gebohrt
werden; diese Fähigkeit wiesen die herkömmlichen Aufprallverfahren gewöhnlich nicht auf.
Es wurde die Abnutzung an Glaselektroden bei Anwendung einer herkömmlichen Gleichspannungsversorgungsquelle
mit einer Welligkeitsspannung von 1% öder weniger mit der Abnutzung an ebensolchen
Elektroden bei Anwendung der pulsierenden Gleichspannungsversorgungsquelle
der hier beschriebenen Art verglichen. Die anschließend angegebenen Abnutzungsdauerzahlen
vergleichen die Änderung der Kapillarlänge der Elektrode nach verschiedenen Betriebsstunden.
Kapillariängenäriderurig
Stunden
Die Zeichnungen veranschaulichen ein Verfahren, bei dem die Lage des Werkstücks und der Düse fest sind.
Die hier beschriebene Energieversorgung kann auch auf den herkömmlichen Vorschubbohrvorgang angewendet
werden, bei dem die Düse mit dem Fortschreiten des Bohrvorgangs in das Loch bewegt wird und bei dem die
Bewegung der Düse beendet wird, wenn der Durchbruch erzielt ist.
Gesiebte | Pulsierende |
Gleichspannung | Gleichspannung |
0,003 | 0 |
0,005 | 0 |
0,0075 | 0 |
0,0092 | 0 |
0,011 | 0 |
0,0132 | 0 |
0,053 | 0 |
0,0171 | 0,001 |
0,0193 | 0,0022 |
0,022 | ö,öö25 |
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren zum elektrochemischen Bohren, bei dem eine isolierende, hohle Düse mit katodisch
geladener Elektrode in dichtem Abstand von einem anodisch geladenen Werkstück angebracht wird und
durch die Düse ein stark leitender Elektrolyt geleitet wird, der gegen das Werkstück prallt, dadurch
gekennzeichnet, daß an die Elektrode eine Spannung mit negativem Gleichspannungsanteil
angelegt wird, dem negative Impulse überlagert sind, die eine Welligkeit zwischen 75% und 600% des
Gleichspannungsanteils ergeben, und daß die Amplitude der Impulse so gewählt wird, daß sie nicht
ausreicht, eine Funkenentladung zwischen der Elektrode und dem Werkstück zu verursachen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dJ3 eine Impulsfo'gefrequenz von 60 bis
720 Hz für uis Impulse gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bohren eines durchgehenden
Loches die Spannung erhöht wird, wenn die Bohrung das Werkstück durchbricht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektrolyt, wie an sich bekannt, Salzwasser oder Säure ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Effektivwert der an die Elektrode
angelegten Tnannung im Bereich zwischen 100 und 800 Volt liegt.
6. Verfahren nach Ansprutn 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück im Berek., von etwa 0,76 bis
1,52 mm gehalten wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den Elektrolyten einwirkende
Druck nicht höher als 7 kg/cm2 ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß Impulse mit einem allgemeinen
sägezahnförmigen Verlauf verwendet werden.
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