Verfahren und Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks mit mindestens einer E- lektrode. Die Erfindung betrifft weiterhin Verwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks mit mindestens einer Elektrode sind bekannt. So stellt zum Beispiel das sogenannte elektrochemische Senken ein Verfahren zum exakten und sehr präzisen Bearbeiten von Oberflächen dar. Beim elektrochemischen Senken wird in der Regel mit einer Elektrode die Oberfläche des Werkstückes bearbeitet, wobei durch elektrochemische Reaktion des Werkstückes mit dem sich zwischen dem Werkstück und der Elektrode befindlichen Elektrolyt ein Abtragen von Material am Werkstück erfolgt. Bei diesen so genannten ECM- oder PECM- Verfahren ist die Breite des Arbeitsspaltes zwischen der Elektrode und dem Werkstück von wesentlicher Bedeutung. Bei üblichen Vorgängen des e- lektrochemischen Senkens wird mit Abständen von der Elektrode zum Werkstück gearbeitet die im Bereich von 1 bis 2 mm liegen können. Zum Erzeugen feinerer Strukturen und Formen kann der Abstand auf Größen im Bereich von 10 bis 50 μm und darunter abgesenkt werden. Bei einem derartigen präzisen elektrochemischen Senken kann ein Austausch des Elektrolyten nur durch die Vibration der Elektrode und entsprechend hohen Elektrolytdrucken im Spalt zwischen Elektrode und Werkstück gewährleistet werden. Aufgrund limitierter physikalischer Randbedingungen ist eine beliebige Spaltreduktion jedoch nicht praktikabel. Einerseits besteht bei zu geringen Spaltbreiten die Gefahr eines Funkendurchschlags (Kurzschlusses) im Elektrolyten, andererseits wird der Elektrolytaustausch bei geringeren Spaltbreiten immer problematischer, wodurch auch die Abfuhr der abgetragenen Werkstückpartikel aus dem Spalt erschwert wird. Es ist zudem bekannt, dass ein relativ effizienter Elektrolytaustausch bei gepulsten e- lektrochemischen Senken (PECM) vorteilhafterweise zwischen zwei aufeinander folgenden Bearbeitungs-Strompulsen erfolgt.

Bekannte Vorrichtungen zur Durchführung von PECM-Verfahren weisen mechanische oder piezomechanische Mittel zur periodischen Oszillation der E- lektrode während des Absenkprozesses ein (z.B. DE 29 03 873 C2). In Verbindung mit einem Fließsystem zur Spaltspülung ergibt sich ein relativ effizienter Elektrolytaustausch im Spalt, wodurch wiederum ein entsprechender Partikelaustrag aus dem Spalt verbunden ist. Prozessbestimmende

Parameter sind dabei die Oszillationsfrequenz, die Pulsgestalt (z.B. Rechteck oder Sinus) und die Amplitude.

Nachteilig an den bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks ist jedoch, dass diese keinen sicheren, schnellen und nahezu vollständigen Elektrolytaustausch im Spalt zwischen Elektrode und Werkstück zwischen zwei aufeinander folgenden Bear- beitungs-Strompulsen gewährleisten, so dass die Gefahr von Kurzschlüssen aufgrund der nicht konstanten Leitfähigkeit und Partikelfreiheit des E- lektrolyten besteht.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks der eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei dem ein schneller und nahezu vollständiger Elektrolytaustausch in einem Bereich zwischen der Elektrode und einem zu bearbeitenden Werkstück gewährleistet ist.

Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks der eingangs genannten Art bereit zu stellen, die einen schnellen und nahezu vollständigen Elektrolytaustausch in einem Bereich zwischen der Elektrode und einem zu bearbeitenden Werkstück sowie hohe Abtragungsraten gewährleistet.

Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben werden wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 dargelegten Merkmalen, sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines elektrochemischen Senkverfahrens mit mindestens einer Elektrode wie im Voranstehenden beschrieben zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Verfahrensschritt a) ein Versetzen der Elektrode in eine oszillierende Bewegung und ein Absenken dieser in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche erfolgt. In einem weiteren Verfahrensschritt b) wird zum Abtrag von Material an der Werkstückoberfläche ein Bearbeitungs-Strompuls erzeugt und zwar bei einem jeweiligen Erreichen eines minimalen, vordefinierten Abstands δD _m i _n zwischen der Elektrode und der Werkstückoberfläche. Schließlich erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt c) der Austausch eines sich in dem zwischen der Elektrode und dem Werkstück gebildeten Spalt befindlichen Elektrolyten zwischen

zwei aufeinander folgenden Bearbeitungs-Strompulsen, wobei erfindungsgemäß der Elektrolytaustausch während eines Zeitraums eines maximalen Abstands δD _max zwischen der Elektrode und der Werkstückoberfläche erfolgt. Dabei kann die oszillierende Elektrodenbewegung aus sinusförmigen Pulsen bestehen und der Elektrolytaustausch im Bereich von ungefähr einer halben Amplitude erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass die oszillierende E- lektrodenbewegung aus Rechteckpulsen besteht und der Elektrolytaustausch im Bereich des Plateaus des Rechtecks erfolgt. Auch andere Pulsformen sind denkbar. Durch den Elektrolytaustausch während des Zeitraums des maximalen Abstands δD _max zwischen der Elektrode und der Werkstückoberfläche ist ein nahezu vollständiger Zwangsaustausch des Elektrolyten gewährleistet. Unter optimalen Bedingungen ist es sogar möglich, dass ein vollständiger Austausch des Elektrolyten erfolgt. Durch diese erzwungene und synchronisierte Spaltspülung bei gepulsten elektrochemischen Senken wird eine konstante Leitfähigkeit zwischen in der Elektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück in dem Elektrolyten gewährleistet. Zudem werden die von der Werkstückoberfläche abgetragenen Partikel sicher und schnell aus dem Spalt zwischen der Elektrode und der Werkstückoberfläche entfernt, wodurch sowohl die Bearbeitungsgeschwindigkeit als auch die Bearbeitungsqualität signifikant erhöht werden. Zudem reduziert sich die Anfälligkeit gegenüber Kurzschlüssen ebenfalls erheblich.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Elektrolytaustausch mittels eines Hochdruck-Elektrolytpulses. Durch das Einbringen neuen, unverbrauchten Elektrolyts in den Spalt mittels Hochdruck erfolgt ein nahezu vollständiger bzw. vollständiger Austausch zwischen verbrauchten und unverbrauchten Elektrolyt im Spalt zwischen der Elektrode und der Werkstückoberfläche, wodurch wiederum einerseits die Arbeitsgeschwindigkeit und die Oberflächengüte beim Senken erhöht werden und andererseits die Anfälligkeit gegenüber Kurzschlüssen deutlich reduziert wird. Die Einspritzzeit des neuen, unverbrauchten E- lektrolyten zum Elektrolytaustausch kann dabei 0,1 bis 0,001 sec betragen. üblicherweise beträgt die Menge an neuen Elektrolyten pro Elektrolytpuls 0,25 bis 10 cm ³ .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwei sich gegenüberliegende Elektroden verwendet, die auf das zu bearbeitende Werkstück abgesenkt werden, wobei sich das Werkstück zwischen den Elektroden befindet. Zu dem erzwungenen nahezu vollständigen bzw. vollständigen Elektrolytaustausch kann durch dieses Verfahren eine Kombination des Elektrolytdrucks erreicht werden, so dass eine elastische Verbiegung des zu bearbeitenden Werkstücks zuverlässig verhindert wird.

Die sich gegenüberliegenden Elektroden können dabei jeweils in einem vordefinierten Winkel auf das zu bearbeitende Werkstück abgesenkt werden, so dass Werkstücke mit unterschiedlicher Geometrie an Ober- und Unterseite gleichzeitig bearbeitet werden können. Die Neigungswinkel der Elektroden können dabei zwischen 5° und 75° relativ zu den Bearbeitungsoberflächen betragen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks weist mindestens eine Elektrode, einen Geber, insbesondere einen mechanischen oder piezomechanischen Geber zur Absenkung und periodischen Oszillation der Elektrode und ein Einspritzsystem für die Zufuhr eines Elektrolyten in einen Spalt, welcher durch den Abstand zwischen der Elektrode und einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche ausgebildet wird, auf. Erfindungsgemäß ist das Einspritzsystem mit dem Geber synchronisiert, derart, dass ein Elektrolytaustausch während eines Zeitraums eines maximalen Abstands δD _raax zwischen der Elektrode und der Werkstückoberfläche erfolgt. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gewährleistet, dass es während der elektrochemischen Bearbeitung des Werkstücks zu einem schnellen und nahezu vollständigen bzw. vollständigen Elektrolytaustausch in dem Bereich zwischen der Elektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück kommt. Durch die damit verbundene konstante Leitfähigkeit und dem zuverlässigen Abtrag der von der Werkstückoberfläche gelösten Partikel aus dem Spalt wird eine deutliche Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit und der O- berflächengüte beim Senken erzielt. Zudem verringert sich die Anfälligkeit gegenüber Kurzschlüssen im System signifikant.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst das Einspritzsystem mindestens eine Einspritzdüse, wobei die Einspritzdüse seitlich in Richtung Spalt angeordnet ist. Mit dieser Anordnung ist ein gezieltes Einbringen von neuem, unverbrauchten Elektrolyt in den Spalt zwischen der Elektrode und der Werkstückoberfläche gewährleistet. Es ist aber auch möglich, dass die Einspritzdüse in den Elektrodenkörper integriert ausgebildet ist. üblicherweise bringt das Einspritzsystem pro Elektrolytpuls 0,25 bis 10 cm ³ Menge an Elektrolyt in den Spalt ein. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung erzeugt das Einspritzsystem einen Hochdruck-Elektrolytpuls, was einen nahezu vollständigen bzw. vollständigen Elektrolytaustausch gewährleistet.

Verwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren oder die erfindungsgemäße Vorrichtung wie im Vorhergehenden beschrieben bei einem gepulsten e- lektrochemischen Senkverfahren mit Spaltbreiten zwischen der Elektrode

und dem zu bearbeitenden Werkstück, die kleiner als 500 μm sind. Größere Spaltbreiten sind natürlich auch denkbar.

Eine weitere Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung wie im Vorstehenden beschrieben ist die Herstellung von Triebwerksbauteilen aus Nickel- oder Titanbasislegierungen, insbesondere die Herstellung von Schaufelprofilen.

Eine weitere Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung wie im Vorstehenden beschrieben ist die Herstellung von Triebwerksbauteilen, insbesondere die Herstellung von integralen Rotorkonstruktionen. Dies betrifft insbesondere eine Rotorschaufel und eine Rotorscheibe bestehend aus einem Stück (BLISK) und integral mit einem tragenden Ring hergestellte Rotorschaufeln (BLING) .

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die folgende Beschreibung der Figur näher beschrieben.

Die Figur zeigt dabei den Zeitablauf t während der Bearbeitung eines Werkstücks durch das im Vorhergehenden beschriebene erfindungsgemäße Verfahren und die dabei auftretenden unterschiedlichen Spaltbreiten δD. Man erkennt, dass die Bearbeitungs-Strompulse während eines Zeitraums 't _p erfolgen. Dabei ist der Abstand zwischen der Elektrode und der Werkstückoberfläche am geringsten, so dass eine minimale Spaltbreite δD _mln auftritt. Zwischen zwei Bearbeitungs-Strompulsen ergibt sich ein Bearbeitungszeitraum t ₀ , in dem einerseits kein Bearbeitungs-Strompuls erfolgt und andererseits die Elektrode von der Werkstückoberfläche zurückgezogen wird. Im Bereich des Plateaus des dargestellten Rechtecks erfolgt dann in einem Bereich eines maximalen Abstands δD _max zwischen der Elektrode und der Werkstückoberfläche der Elektrolytaustausch.