DE2805638A1 - Elektrochemisches bearbeitungsverfahren - Google Patents
Elektrochemisches bearbeitungsverfahrenInfo
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Description
18.394- Wkr 8. Februar 1978
Centre Technique des Industries
Mecaniques
52, avenue Felix-Louat
60300 Senlis/Frankreich
Elektrochemisches Bearbeitungsverfahren
Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Bearbeitungsverfahren,
insbesondere für metallische Werkstücke.
Bei der elektrochemischen Bearbeitung wird die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes, das sich in einem elektrolytischen Bad
befindet, mit Hilfe eines elektrischen Stromes aufgelöst, der in dem elektrolytischen Bad zwischen zwei Elektroden fließt, von denen
die eine durch das zu bearbeitende Werkstück gebildet wird. Die andere Elektrode, die sich in dem gleichen elektrolytischen
Bad befindet, wird durch eine Werkzeugelektrode gebildet, die die Katode darstellt und ein Profil aufweist, das * der Form gewählt
ist, die das Werkstück nach der Bearbeitung annehmen soll.
Die Weiterentwicklung dieser Technik wurde vernachlässigt, weil das erhaltene Werkstück die Profilform der das Werkzeug bildenden
Katode nicht getreu wiedergibt. Eine Verbesserung dieser Technik durch die Verwendung von passivierenden Elektrolyten des Hatriumnitrat-Typs
anstelle von Elektrolyten des Natriumchlorid-Typs führte nicht zu einer zufriedenstellenden Beseitigung dieser
Schwierigkeit. Die Ungenauigkeiten in der Bearbeitung machen sich insbesondere dann bemerkbar, wenn das Werkzeug ein Profil aufweist,
das man als Rotationsprofil bezeichnen könnte, das Werkzeug also
* entsprechend
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halbkugelförmig oder in anderer Weise gekrümmt ausgebildet ist·
Allgemeiner gesprochen kommen hier Profile in Betracht, die für das Werkzeug einen variablen Abschnitt in der Vorschubrichtung
zur Folge haben. In diesem Fall kann man besonders große Abweichungen bzw. Änderungen in dem Bearbeitungsabstand feststellen,
der den Zwischenraum zwischen der Elektrodenoberfläche und der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks entspricht, wenn man
sie an verschiedenen Punkten in ihrer Position parallel zur Vorschubrichtung des Elektrodenwerkzeugs betrachtet. Wohl ist es
möglich, die erhaltenen Profile angenähert zu berechnen, auch für prismatische Werkzeuge oder Werkzeuge mit Rotationsprofilen, Jedoch
können die experimentellen Ergebnisse an den äußersten Punkten des erhaltenen Profils (oC
> 80° in Figur 1) abweichen. Es ist daher für jede Fabrikationsserie nötig, mehrmals Vorversuche mit
jeweils darauffolgenden Nacharbeiten an der Werkzeugform vorzunehmen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrochemisches
Bearbeitungsverfahren zu schaffen, bei dem die Schwierigkeiten
der bekannten Verfahren nicht auftauchen und das insbesondere eine Verringerung des Bearbeitungsabstandes erlaubt und mit
dem das Profil der das Werkzeug bildenden Katode getreuer reproduzierbar
ist. Ferner sollen gleichmäßigere Oberfächenzustände
erzielbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch einen
Elektrolyten zwischen zwei Elektroden, von denen die Katode von einem Werkzeug und die Anode von einem gemäß dem Profil der
Katode zu bearbeitenden Werkstück gebildet wird, ein pulsierender Strom fließt, der ausschließlich positive Periodtn aufweist, die
durch stromlose Intervalle getrennt sind.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung unterscheidet sich von den bekannten
Verfahren im wesentlichen dadurch, daß anstelle eines kontinuierlichen Gleichstroms ein pulsierender Strom verwendet
wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich für die Bearbeitung aller
metallischen Leiterwerkstoffe und insbesondere für die Bearbeitung aller Stahltypen anwenden.
Die Kenndaten des pulsierenden elektrischen Stromes können je
nach den besonderen Umständen sehr unterschiedlich ausfallen. Es kann sich hier insbesondere um einen im Einweggleichrichterverfahren
gleichgerichteten,sinusförmigen Strom oder aber auch um einen rechteckförmigen Strom handeln. Im allgemeinen liegt seine
Frequenz zwischen 5 und 500 Hz. Vor allem wenn gewöhnlicher oder schwach legierter Stahl behandelt werden soll und wenn man eine
Verbesserung des Oberflächenzustandes wünscht, sollte vorzugsweise
die Frequenz im Bereich von 5 bis 100 Hz liegen, wobei der
Strom nur während einer Halbperiode in jeder Periode fließt.
In der Praxis liegt das Verhältnis zwischen der Zeitdauer einer positiven Periode und der Zeitdauer eines stromlosen Intervalls
vorteilhafterweise zwischen 0,1 und 1,2.
Bei dem die Elektroden umgebenden Elektrolyten handelt es sich vorteilhafterweise um einen passivierenden Elektrolyten. Die passivierenden
Elektrolyten sind an sich bekannt. Der meistverwendete Typ ist natriumnitrat. Beim Stand der Technik werden sie im
allgemeinen in beträchtlichen Konzentrationen verwendet, nämlich in der Größenordnung von 100 bis 160g pro Liter. Obgleich solche
Konzentrationen in Verbindung mit den pulsierenden Strömen gemäß der Erfindung genauso gut verwendet werden können, erscheint
es jedoch vorteilhafter zu sein, die Konzentration des passivie-
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renden Elektrolyten, ζ·Β. ein alkalisches Nitrat, vorzugsweise
Natriumnitrat, auf wesentlich kleinere Werte, vorzugsweise in der Größenordnung von 30 bis 50g pro Liter, zu verringern. Derartige
Konzentrationen tragen zu einer genaueren Reproduktion des Katodenprofils bei. Sie alleine erlauben bereits eine Verbesserung
der Reproduktionstreue gemäß"der Erfindung und eine Verkleinerung des Abstandes zwischen der Katode und dem zu bearbeitenden Werkstück,
selbst wenn mit einem kontinuierlichen Gleichstrom gearbeitet wird. Wenn diese Konzentrationen aber in Verbindung mit
einem pulsierenden Strom verwendet werden, machen sich diese positiven Auswirkungen viel stärker bemerkbar. Darüber hinaus wird
zusätzlich eine bemerkenswerte Verbesserung der Qualität des Oberflächenzustandes
des erhaltenen Werkstückes erzielt.
In Verbindung mit den pulsierenden Strömen und der schwachen Konzentration
des Elektrolyten wird vorteilhafterweise die elektrische Spannung verhältnismäßig niedrig gewählt, z.B. in der GrSssenordnung
von 5 bis 10 Volt, vorzugsweise 6 bis 8 Volt. Die Vorschubgeschwindigkeit
des Werkzeugs wird ebenfalls niedrig gewählt, vorzugsweise in der Größenordnung von 0,1 bis 1 mm pro Hinute.
Diese Spannungswerte betreffen die positiven Perioden. Während den als stromlos betrachteten Intervallen liegt die Spannung unterhalb
von 2 Volt. Ferner ist es zweckmäßig, die elektrochemische Bearbeitung bei verhältnismäßig hohen Temperaturen durchzuführen,
beispielsweise in der Größenordnung von 30 bis 400C.
Auf diese Weise ermöglicht das elektrochemische Bearbeitungsverfahren
gemäß der Erfindung die Bearbeitung von Werkstücken unterschiedlicher
Formen, die winzige Details aufweisen können, mit einer erhöhten Präzision, ohne daß es notwendig wäre, das Profil
des Elektrodenwerkzeugs zu korrigieren. Man kann beispielsweise eine Bearbeitungsgenauigkeit in der Größenordnung von 0,03 mm für
die mit einem Elektrodenwerkzeug mit einem Rotationsprofil erhaltenen
Werkstücke erzielen, während nach dem Stand der Technik
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eine Genauigkeit von etwa 0,15 rau nicht zu überbieten ist. Die
Bearbeitungsgenauigkeit beim erfindungsgemäßen Verfahren wird sowohl im Falle von Rotationsformen als auch im Falle prismatischer
Formen ganz wesentlich verbessert. Darüber hinaus wird die progressive Zunahme des Abstandes zwischen der Elektrode und
dem Werkstück praktisch unterdrückt, auch bei der Bearbeitung von Werkstücken mit einem Rotationsprofil. Wird das erfindungsgemäße
Verfahren angewendet, so kann das Elektrodenwerkzeug eine genaue Kopie der zu bearbeitenden Form sein, und seine Abmessungen
lassen sich von denen des Werkstückes ableiten, wenn man berücksichtigt, daß der Bearbeitungsabstand auf einem konstanten
Wert gehalten wird. Durch die Anwendung pulsierender Ströme kann in einem einzigen elektrochemischen Bearbeitungsvorgang mit dem
gleichen Werkzeug ein Oberflächenzustand von sehr guter Qualität erhalten werden, der vergleichbar mit demjenigen ist, der bei
anderen, mehrere aufeinanderfolgende Bearbeitungen erfordernden Feinbearbeitungsverfahren, wie dem Elektro-Erosionsverfahren,
erreichbar ist.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden, anhand der beiliegenden Zeichnung
erfolgenden Beschreibung zweier Durchführungsbeispiele· Figuren 1 und 2 der Zeichnung zeigen jeweils das elektrochemische Bearbeitungsverfahren
gemäß der Erfindung, einmal mit einem halbkugelförmigen Werkzeug und das andere Mal mit einem zylindrischen
Werkzeug. In den Figuren ist der Abstand zwischen Elektrode-Werkstück stark übertrieben dargestellt.
Das zu bearbeitende Werkstück besteht aus Matrizenstahl vom Typ 4-2 NDC 19. Es wird mit Hilfe eines Werkzeugs bearbeitet, das eine
Halbkugelform mit einem Durchmesser von 40 mm aufweist.
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Gemäß Figur 1 hängen die Abstände e zwischen den Profilen des Werkstücks 1, das entlang seiner Symmetrieebene geschnitten ist,
und dem Werkzeug 2 von dem Winkel cc zwischen der Werkzeugachse
und der Geraden ab, die durch den Mittelpunkt der Kugel und den auf den zu bearbeitenden Werkstück betrachteten Punkt läuft.
Als Elektrolyt wird eine wässrige Lösung aus Natriumnitrat verwendet,
wobei die Bearbeitung bei einer Temperatur von 32 bis 33 °C durchgeführt wird.
In einem ersten Versuch, der nach dem Stand der Technik mit einem vergleichbaren Titer durchgeführt wird, wird mit einem kontinuierlichen
Gleichstrom bei einer Spannung von 15 Volt und mit einer Werkzeugvorschubgeschwindkgkeit von 1,0 mm pro Minute sowie mit
einer Elektrolytkonzentration von 160g pro Liter KaNO, gearbeitet.
Zum Schluß der Bearbeitung ist der Abstand etwa von 0,8 für oc*
50° auf 1,15 für <£* 80° angestiegen.
Wenn die Konzentration des Elektrolyten auf 55g pro Liter, die
Spannung auf 6 Volt und die Vorschubgeschwindigkeit auf 0,3 mm
pro Minute erniedrigt werden, erhält man einen Abstand e, der im wesentlichen konstant bleibt. Er beträgt weniger als 0,2 mm unter
jedem Winkel °G.
In anderen Versuchen wird mit einem pulsierenden, sinusförmigen, im Einweggleichrichterverfahren gleichgerichteten Strom mit einer
Frequenz von 50 Hz gearbeitet, wobei die durchschnittliche Spannung 15»3 Volt beträgt. Bei einer Elektrolytkonzentration von
16Og pro Liter und einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,5 nun pro
Minute wird der Abstand e auf 0,3 mm für cC « 500 herabgesetzt.
Bei °£ ■ 80° beträgt der Abstand nur noch 0,6 mm.
Wenn man den gleichen pulsierenden Strom verwendet, jedoch
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die Elektrolytkonzentration auf 55g pro Liter herabsetzt, erhält
man bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,1 mm pro Minute einen konstanten Abstand von 0,4- mm.
Darüberhinaus wird der Zustand der Oberfläche durch die Verwendung
des pulsierenden Stroms anstelle des kontinuierlichen Gleichstroms verbessert, und zwar sowohl was die Unebenheiten anbelangt,
als auch was das äußere Erscheinen anbelangt. Die Unebenheiten liegen in der Größenordnung von 2n Ra (gegenüber von 1(V<
Ra im lalle kontinuierlichen Stroms, oder gar 15v,Ra bei schwachen Elektrolytkonzentrationen),
und die Oberfläche liegt frei und ist klar. Was die Beschreibung der Einheit für die Unebenheit anbelangt:
siehe norme experimentale AFNOR E 05-015 juillet 1969, page
14, rugosite du 3eme ordre: RA.
Die Bearbeitungsbedingungen prismatischer Formen werden studiert, indem man ein nicht seitlich geschütztes Werkzeug mit einem Durchmesser
von 30 mm verwendet, das in Figur 2 mit dem Bezugszeichen
3 versehen ist. Die Wand des bearbeiteten zylindrischen Hohlraums im Werkstück 4- unterliegt einer statischen Bearbeitung, die dazu
neigt, den seitlichen Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück zu vergrößern, während das Werkzeug in die Metallmasse hinunterfährt.
Wie im Beispiel I ist das in verschiedenen Versuchen erhaltene Werkstück entlang seiner Symmetrieebene geschnitten worden und
sein Profil wird dann aufgerichtet und dem des zylindrischen Elektrodenwerkzeugs
überlagert. Der in der Figur 2 dargestellte Abstand e zwischen den beiden Profilen wird darin in Abhängigkeit
von der Höhe h über dem Boden des Hohlraums gemessen.
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- ίο -
Es werden verschiedene Versuche unter den zum Beispiel 1 analogen
Bedingungen durchgeführt·
Bei einer Elektrolytkonzentration von 160g pro Liter variiert der Abstand von 1, 2 mm bei h » 4 mm bis 2,0 mm bei h » 18 mm,
wenn die Bearbeitung bei einem kontinuierlichen Gleichstrom unter einer Spannung von 15 Volt und bei einer Vorschubgeschwindigkeit
von 1,2 mm pro Minute durchgeführt wird. Wenn man mit einem pulsierenden sinusförmigen Strom (im Einweggleichrichterverfahren
gleichgerichtet) mit einer Frequenz von 50 Hz und bei einer Spannung-von 15,3 Volt (Durchschnittsspannung) sowie bei
einer Vorschubgeschwindigkeit von o,7 mm pro Minute arbeitet, wird der Abstand beträchtlich verringert und ändert sich nur mehr
wenig von 0,3 mm bei h = 4 mm bis 0,7 mm bei h = 18 mm. Der Oberflächenzustand
wird beträchtlich verbessert.
Bei einer Elektrolytkonzentration von 55g pro Liter führt eine
Bearbeitung bei einem kontinuierlichen Strom (8 Volt, Vorschubgeschwindigkeit o,3 mm pro Minute) zu geringen Werten von e, die
zwischen 0,3 mm bei h «= 4 mm und 0,4-5 mm bei h = 18 mm variieren;
der Oberflächenzustand des bearbeiteten Werkstücks ist bescheiden bzw. von mittelmäßiger Qualität. Eine Bearbeitung mit einem
pulsierenden Gleichstrom (Vorschubgeschwindigkeit 0,2 mm pro Mi»
nute) setzt die Werte von e noch herab, die nunmehr zwischen 0,25
mm bei h « 4 mm und 0,4 mm bei h » 18 mm liegen, wobei der
flächenzustand ausgezeichnet ist.
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Claims (8)
- Pat entansp_rüchef 1Λ Elektrochemisches Bearbeitungsverfahren, dadurch gekennzeich-V /net, daß durch einen Elektrolyten zwischen zwei Elektroden,von denen die Katode von einem Werkzeug und die Anode von einem gemäß dem Profil der Katode zu bearbeitenden Werkstück gebildet wird, ein pulsierender Strom fließt, der ausschließlich positive Perioden aufweist, die durch stromlose Intervalle getrennt sind.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß der Elektrolyt ein passivierender Elektrolyt ist.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt von einer passivierenden Elektrolytlösung aus der Gattung der alkalischen Nitrate mit einer Konzentration in der Größenordnung von 30 bis 50g pro Liter gebildet wird.
- 4-, Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs in Bezug auf das Werkstück in der Größenordnung von 0,1 bis 1 mm pro Minute liegt.809835/0580ORIGINAL INSPECTED
- 5· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des pulsierenden Stroms zwischen 5 und 500 Hz liegt, vorzugsweise zwischen 5 und 100 Hz, und daß die Stromform die eines im Einweggleichrichterverfahren gleichgerichteten sinusförmigen Stromes oder rechteckförmig ist.
- 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es für die Bearbeitung von Stählen verwendet wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Passivierungsmittel Natriumnitrat ist.
- 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannung für den Strom zwischen 5 und 10 Volt, vorzugsweise zwischen 6 und 8 Volt, liegt,809835/0580
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