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Diese Erfindung betrifft Verbesserungen bei bzw. bezüglich
der elektrochemischen Bearbeitung und bezieht sich
insbesondere in erster Linie auf ein verbessertes Verfahren der
Anwendung eines elektrochemischen Bearbeitungsgangs zur Formung
einer Kante eines elektrisch leitenden Bauteils, und zweitens
zum Durchführen eines Präzisionsräumens von Metall- und
Legierungskomponenten. Eine spezifische Ausführungsform der
Erfindung beinhaltet die Formung der Kante im Wege der
Herstellung eines Kantenradius.
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Die Grundlagen und allgemeinen Techniken der
elektrochemischen Bearbeitung sind gut bekannt und beispielsweise im US-
Patent Nr. 3 723 268 (auf die Production Engineering Research
Association of Great Britain überschrieben) beschrieben,
worauf Bezug genommen wird.
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Der der vorliegenden Erfindung nächstkommende Stand der
Technik dürfte im US-Patent 3 875 038 (auf General Electric
Company überschrieben) und in der japanischen Patentanmeldung
JP-A 57-132924 (Tokyo Shibaura Denki KK) zu finden sein.
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Die JP-A 57-132924 bezieht sich auf das Ermöglichen einer
Kantenabschrägung mit hoher Genauigkeit ohne Gratbildung und
ohne Schlupf durch Elektrolysieren lediglich des
kantenabgeschrägten Teils eines elektrisch leitenden Werkstücks.
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In der JP-A 57-132924 wird ein elektrisch leitendes Werkstück
wie beispielsweise die Ventilplatte eines gekapselten
Verdichters in die Öffnung einer Halterung eingesetzt. Zwischen
das Werkstück und die Innenwandfläche der Öffnung wird ein
elektrischer Isolator zwischengelegt. Dann läßt man einen
Strom zwischen einer ersten Elektrode und dem Werkstück
fließen, während eine Elektrode durch eine weitere Öffnung
und die kantenabzuschrägende Öffnung im Werkstück zugeführt
wird, eine zweite Elektrode wird als Anode geschaltet, und
die erste Elektrode wird als Kathode geschaltet. Die
Konvergenz des elektrischen Stroms wird durch die Ecke der
Halterung unterdrückt, so daß der Strom mittels des Isolators
auf den kantenabzuschrägenden Teil des Werkstücks
konzentriert wird. Dieser Teil des Werkstücks verhält sich als
Anode und wird von dem im Elektrolyt zwischen ihm und der
ersten Elektrode fließenden Strom aufgelöst. Dieser Teil wird
daher kantenabgeschrägt.
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Das US-Patent 3 875 038 betrifft eine verbesserte Elektrode
mit Betreibbarkeit in zwei Betriebsarten zum Einsatz bei der
elektrolytischen Herstellung kleiner Bohrungen. Die Elektrode
weist ein dielektrisches Elektrolytführungsteil mit einem
hohlen Inneren auf, das zur Aufnahme und zum Zuführen von
Elektrolyt zu einem leitfähigen Werkstück ausgebildet ist.
Innerhalb des hohlen Inneren befindet sich eine erste
Elektrode. Das Führungsteil trägt außerhalb seiner dielektrischen
Wand eine zweite Elektrode, die als Manschette geformt ist
und eine dem Werkstück zugewandet Werkzeugfläche aufweist.
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Im US-Patent 3 875 038 ist eine Vorrichtung beschrieben, die
für eine elektrolytische Bearbeitung unter Verwendung eines
solchen kathodischen Werkzeugs ausgebildet ist. Die
Vorrichtung weist Mittel zum Zuführen von elektrischem Strom zur
ersten Elektrode auf einem ersten Potential auf, das
ausreicht, um einen Zustand einer vom Führungsteil ausgehenden
beginnenden Glimmentladung zu erzeugen, und weist Mittel zum
Zuführen von elektrischem Strom zur zweiten Elektrode auf
einem zweiten Potential auf, das kleiner als das erste
Potential ist, um eine elektrolytische Bearbeitung im normalen
Elektrolysebereich unterhalb der Glimmentladung
herbeizuführen.
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Allgemein schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Formen einer Kante eines anodischen Werkstücks in einem
elektrochemischen Bearbeitungsvorgang durch Steuerung der
Intensität des elektrischen Felds im Elektrolyt im Bereich der
genannten Kante.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
elektrochemischen Bearbeiten eines aus elektrisch leitfähigem
Material bestehenden Werkstücks vorgesehen, um an einer Kante
des Werkstücks einen Radius zu erzeugen, wobei das Verfahren
umfaßt, (a) ein kathodisches Werkzeug mit einem zwischen zwei
Anodenabschnitten liegenden und davon durch eine Isolierung
getrennten Kathodenabschnitt bereitzuhalten, (b) das Werkzeug
angrenzend an das Werkstück, aber davon getrennt zu halten,
so daß der Kathodenabschnitt mittig über der mit dem Radius
zu versehenden Kante des Werkstücks positioniert ist und die
Anodenabschnitte beiderseits der Kante liegen, (c) Erzeugen
einer Elektrolytströmung zwischen dem Werkzeug und dem
Werkstück, (d) Anlegen einer kathodischen Spannung an den
Kathodenabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren
außerdem aufweist (e) das gleichzeitige Anlegen vorgewählter
anodischer Spannungen an das Werkstück und an die
Anodenabschnitte derart, daß die Null-Punkte des elektrischen Felds
zwischen dem kathodischen Werkzeug und dem Werkstück
beiderseits der mit dem Radius zu versehenden Kante liegen, und (f)
Verändern des elektrischen Felds zwischen dem Werkzeug und
dem Werkstück derart, daß die Null-Punkte des elektrischen
Felds mit Bezug zueinander und zu der Kante des Werkstücks
verlagert werden, um eine Gesamtenergieverteilung über der
Kante sicherzustellen und dadurch den gewünschten Radius zu
erzeugen.
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Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise unter Bezugnahme
auf die anliegenden schematischen, nicht maßstäblichen
Zeichnungen beschrieben, in welchen
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Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer
Schwalbenschwanznut in einer Rotorscheibe eines Gasturbinentriebwerks
zeigt; eine solche Nut dient zum Positionieren von
Verdichter- und Turbinenschaufeln des Triebwerks in der
Rotorscheibe;
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die Figuren 2, 3 und 4 ein linkes, mittleres und rechtes
Längsschnittsegment eines elektrochemischen
Bearbeitungswerkzeugs zum Herstellen der in Fig. 1 gezeigten Nut zeigen;
wobei die Begriffe links und rechts mit Bezug auf die
Zeichnungen gemeint sind;
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Fig. 5 eine in Richtung des Pfeiles V gesehene Stirnansicht
des Werkzeugs nach Fig. 2 zeigt;
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die Figuren 6 bis 9 Querschnitte des Werkzeugs nach Fig. 2
längs der Linien VI-VI, VII-VII, VIII-VIII bzw. IX-IX zeigen;
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Fig. 10 die Verwendung des Räumwerkzeugs nach den Fig. 2 bis
4 beim Herstellen eines Radius an einer Werkstückkante zeigt.
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Fig. 1 zeigt einen Teil einer Rotorscheibe 10 für ein
Gasturbinentriebwerk; dabei ist eine von einer Anzahl von
Schwalbenschwanznuten 12 dargestellt, die um den Scheibenumfang
angeordnet sind und von einer Stirnseite zur anderen
verlaufen. Die Rotorscheibe 10 kann beispielsweise aus einer
Nickelbasislegierung, einer Titanbasislegierung oder
Titanmetall-Kompositmaterial hergestellt sein. Die Rotorscheibe 10
ist nur ein Beispiel von vielen Bauteilen oder Werkstücken,
die für eine elektrochemische Bearbeitung bzw. für eine
Behandlung mittels elektrochemischer Räumtechniken in Frage
kommen, und stellt die Anode bei dem elektrochemischen
Bearbeitungs/Räumvorgang nach der vorliegenden Erfindung dar.
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Der bei der Ausführung der Erfindung vorgesehene Elektrolyt
kann beispielsweise im Fall von Titanbasislegierungen auf
Natriumchlorid, oder im Fall von Nickelbasislegierungen auf
Natriumnitrat basieren. In jedem Fall kann der Elektrolyt
Zusätze zur Verbesserung der Oberflächengüte des fertigen
Produkts enthalten. Andere Werkstoffe können andere
Elektrolyten erfordern.
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Die Figuren 2 und 5 bis 9 zeigen verschiedene Ansichten eines
elektrochemischen Räumwerkzeugs 14 (der Kathode bei dem
Vorgang) zum Herstellen der Nuten 12 in der anodischen
Rotorscheibe 10. Das Erosionswerkzeug 14 hat eine Keilform und
weist eine Anzahl von Abschnitten auf, wie nachfolgend
erläutert.
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Der anfängliche Abschnitt 16 bis zur Stelle a-a ist so
aus-gebildet, daß er zwei Funktionen erfüllt: nämlich schnelles
Eindringen des Werkzeugs 14 längs der gesamten Schnittlänge,
was durch einen flachen Angriffswinkel erreicht wird,
beispielsweise 5º, gefolgt von einem steileren Verlauf des
Angriffswinkels über den zweiten Abschnitt 18 zwischen der
Stelle a-a bis zur Stelle b-b, beispielsweise 10º, um
optimale Metallionisierungsvolumen im Hinblick auf
Werkzeugvorschubgeschwindigkeit und Angriffsflächen zu erreichen. Dieser
wird gefolgt von dem dritten Abschnitt 20 von b-b bis c-c mit
einem Angriffswinkel, der alle Flächen der zweidimensionalen
Form noch typischerweise mit einem Winkel von 10º umschließt.
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Vorschubgeschwindigkeit, Spannung und Elektrolytleitfähigkeit
werden so eingestellt, daß entlang der Schnittlängen ein
minimaler Bearbeitungsspalt mit entsprechenden
Elektrolytströmungsbegrenzungen und Maximierung der Ionisationsraten
für die Metallabtragung erreicht wird.
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Der vierte Abschnitt 22 des Werkzeugs von c-c bis d-d ist im
Vergleich mit den vorhergehenden Abschnitten verhältnismäßig
kurz und weist einen steileren Winkel auf, typischerweise
zwischen 15º bis 20º, um fortschreitend und über eine kurze
Strömungsweglänge eine wesentliche Verringerung der örtlichen
Bearbeitungsspaltbreite zu bewirken, wenn das letzte
Wandmaterial von dem Bauteil abgetragen wird, um die gewünschte
Form und Größe der Öffnung in dem Bauteil herzustellen.
Dieser vierte Abschnitt des Werkzeugs erzeugt die Präzision
der Fertigbearbeitung und die genaue Reproduktion der
abschließenden Geometrie des Werkzeugs. Die mittleren
Ionisierungsspannungsgradienten über der Anodenoberfläche der
Scheibe 10, wenn diese von diesem Endabschnitt des Werkzeugs
bearbeitet wird, liegen zwischen 600 und 1200
Volt/Zentimeter. Dies stellt sicher, daß die Unterschiede der
Ionisationsraten während der unterschiedlichen
Dissoziationsspannungen der wechselnden Materialphasen in der Legierung der
anodischen Scheibe 10 keinen Anlaß für ein wesentliches
Mikroausmaß von Schwankungen des elektrochemischen
Bearbeitungsspalts geben und führen zu einer glatten
Fertigoberfläche.
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Unmittelbar im Anschluß an die Stelle d-d, Fig. 3, befindet
sich ein kurzer paralleler Isolierabschnitt 24, der eine
geladene Anode 26 sandwichartig einbettet, welche die volle
zweidimensionale Form umschließt und dadurch Schutz gegen
eine "Streubearbeitung" des Bauteils von der Stelle d-d an
bietet. Das Problem der "Streubearbeitung" und Versuche zu
dessen Lösung sind im US-Patent 3 723 268 beschrieben. Dieser
Schutz stellt sicher, daß keine Verschlechterung der
Oberflächenqualität oder Genauigkeit auftreten kann. Die bei der
geladenen Anode verwendeten Spannungspegel liegen
typischerweise zwischen 2 bis 10 Volt oberhalb des anodischen
Potentials des Werkstücks, je nach Material, Spaltgeometrie
und gewünschtem Bearbeitungsendpunkt.
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Der Endabschnitt 28 des Werkzeugs, der in den Fig. 4 und 10
dargestellt ist, dient zur Herstellung eines Kantenradius an
der vorderen und hinteren Stirnfläche der hergestellten Form.
Er weist einen Kathodenabschnitt 30 auf, der zwischen
angrenzenden geladenen Anodenabschnitten 32 und von diesen durch
eine Isolation 34 isoliert sandwichartig eingebettet ist. In
Fig. 10 ist die elektrische Felddichte zwischen dem
Endabschnitt 28 des Werkzeugs und einer Kante 36 des Werkstücks 10
dargestellt. In dem elektrischen Feld nahe der Kante 36 sind
"Null"-Stellen 38, 40 vorhanden, an welchen das Werkstück 10
entweder anodisch gegenüber der Werkzeugoberfläche ist oder
kathodisch geschützt ist. Das Herstellen des Radius wird nach
einer der drei folgenden Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung bewirkt.
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Bei der ersten Ausführungsform ist der Kathodenabschnitt 30
durch die Maschinensteuerung auf eine Nennposition mittig
über der Kante 36 voreingestellt, wobei Elektrolyt zwischen
den Flächen hindurchströmt. Es werden Spannungen mit
voreingestellten Spitzenwerten gleichzeitig an das Werkstück 10 und
die geladenen Anodenabschnitte 32 angelegt. Die Spannungen an
anderen Anodenabschnitten 32 werden durch elektronische
Mittel (nicht dargestellt) so gesteuert, daß ihre Werte
zwischen gerade oberhalb der Spannung des Werkstücks 10 und
den voreingestellten Spitzenwerten zyklisch verändert werden,
wodurch sich die Nullpunkte 38, 40 rückwärts und vorwärts
über die mit dem Radius zu versehende Kante 36 bewegen. Die
Periode der zyklischen Bewegung ist so eingestellt, um
sicherzustellen, daß die Gesamtenergieverteilung über der
Kante 36 so verläuft, daß der gewünschte Radius erzeugt und
die notwendigen sanften Übergänge in die angrenzenden Flächen
hergestellt werden.
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Bei der zweiten Ausführungsform ist die Kathode 30 durch die
Maschinensteuerung auf eine Nennposition mittig über der
Kante 36 voreingestellt, die mit dem Radius zu versehen ist,
wobei Elektrolyt zwischen den Flächen hindurchströmt. Es
werden voreingestellte Spannungen gleichzeitig an das
Werkstück 10 und die geladenen Anodenabschnitte 32 angelegt. Die
Spannungen an den geladenen Anodenabschnitten 32 werden dann
fortschreitend in ihrem Wert bis auf einen Pegel verringert,
der gerade denjenigen des anodischen Werkstücks übersteigt.
Dies läßt die Nullpunkte 38, 40 sich auseinander bewegen, so
daß die Kante 36 mit dem Radius versehen und in gesteuertem
Maße in beherrschbare Flächen übergehen können.
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Bei diesen beiden ersten Ausführungsformen bewirken sich
verändernde Spannungswerte an den geladenen Anodenabschnitten 32
relativ zur Anodenspannung des Werkstücks 10 eine
Verschiebung der Polaritätsübergangspunkte auf der
Werkstückoberfläche, wodurch die Ionisation über dem Kantenprofil
gesteuert wird.
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Bei der dritten Ausführungsform wird die Kathode 30 durch die
Maschinensteuerung auf eine Nennposition mittig über der mit
dem Radius zu versehenden Kante 36 eingestellt, wobei
Elektrolyt zwischen den Flächen hindurchströmt. Es werden
voreingestellte anodische Spannungen gleichzeitig an das Werkstück
und die geladenen Anodenabschnitte 32 derart angelegt, daß
die Nullpunkte 38, 40 des elektrischen Felds an der
anodischen Werkstückoberfläche beiderseits und unmittelbar neben
der Kante 36 liegen, die mit dem Radius zu versehen ist. Die
Kathode 30 wird dann in einem vorgegebenen Zyklus schnell
vorwärts und rückwärts schrittweise verstellt, so daß die
Periode des Zyklus so eingestellt ist, um eine
Gesamtenergieverteilung über der Kante sicherzustellen, welche den
erforderlichen Radius und die notwendigen Übergänge in die
angrenzenden Flächen erzeugt. Eine axiale Werkzeugbewegung
vorwärts und rückwärts verschiebt die Polaritätsübergangspunkte
auf der Werkstückoberfläche und steuert dadurch die
Ionisation über dem Kantenprofil.
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Wenn der Radius fertiggestellt ist, wird das Werkzeug (durch
nicht dargestellte Mittel) vom Werkstück weg für den nächsten
Zyklus indexiert.
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Die Herstellung linearer Erosionswerkzeuge für die
elektrochemische Bearbeitung kann herkömmliche numerische
Steuertechniken mit Programmierung zum Erzeugen der gewünschten
Flächenwinkel an jedem Abschnitt des Werkzeugs benutzen. Die
einzelnen Werkzeugabschnitte sind an einem gemeinsamen Träger
positioniert und festgeklemmt, um so das zusammengesetzte
Werkzeug herzustellen. Kupferlegierungen hoher Leitfähigkeit
bilden dabei den Hauptwerkzeugskörper. Die nichtleitenden
isolierenden Teile sind typischerweise als
glasfaserverstärktes Kunststofflaminat ausgebildet und das Material der
geladenen Anode besteht aus einem geeigneten, gegen
Elektrokorrosion beständigen Legierungsmaterial, typischerweise einer
Platin-Rhodium-Legierung.
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Die Erfindung zeigt, daß die Prozeßmöglichkeiten der
elektrochemischen Bearbeitung so verbessert werden können, daß eine
Präzisionserosion erfordernde Bearbeitungsvorgänge auf
zweidimensionale Profile anwendbar sind. Des weiteren können eine
Oberflächengüte und ein Oberflächenrauhigkeitsstandard bei
Titanbasislegierungen Nickelbasislegierungen und
Titanmetallkompositwerkstoffen erreicht werden, die denen einer
äquivalenten schneidenden Metallbearbeitung entsprechen. Die
Erfindung beseitigt die Notwendigkeit zum Entgraten und
Abrunden von Kanten durch einen separaten Arbeitsgang, indem
sowohl die Bearbeitung wie auch die Kantenabrundung in einem
einzigen Prozeß zusammengefaßt werden, wodurch wesentliche
Kosteneinsparungen bewirkt werden. Die Erfindung ermöglicht
es weiter, daß Werkstücke in wesentlich geringerer Zeit als
bei gleichwertigen mechanischen Verfahren erodiert werden
können. Eine Zeitansparung von bis zu 75% oder mehr kann
erreicht werden.