DE2805638A1 - Elektrochemisches bearbeitungsverfahren - Google Patents

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.

Beispiel I;

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.

Beispiel II:

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 W_erte 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)

1. Pat entansp_rüche

   f 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. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß der Elektrolyt ein passivierender Elektrolyt ist.
3. 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. 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.

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   ORIGINAL INSPECTED
5. 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. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es für die Bearbeitung von Stählen verwendet wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Passivierungsmittel Natriumnitrat ist.
8. 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,

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