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Dokumentenidentifikation DE102005048078A1 12.04.2007
Titel Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Hentrich, Cornelius, Dr.-Ing., 71336 Waiblingen, DE;
Keck, Voker, Dipl.-Ing., 70327 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 07.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005048078
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse B23H 3/04(2006.01)A, F, I, 20051007, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks. Bei dem Verfahren wird ein Werkzeug als Werkzeugelektrode innerhalb eines Elektrolyts benachbart zu dem als Elektrode dienenden Werkstück positioniert und zwischen Werkzeugelektrode und Werkstückelektrode eine elektrische Spannung angelegt. Um die Oberflächenqualität komplexer Bauteile zu erhöhen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Werkstück eine Innenbohrung aufweist, in welche die Werkzeugelektrode zur Bearbeitung eingeführt wird, und sich das Elektrolyt in einem Spalt zwischen Werkstück und Werkzeug befindet. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 8.

Durch die fortschreitende Entwicklung moderner Verbrennungsmotoren werden immer höher belastbare Bauteile benötigt. Um eine ausreichende Gestaltfestigkeit dieser Bauteile zu erzielen, sind beispielsweise größere Wanddicken oder höherfeste Werkstoffe, verbunden mit einer belastungsgerechten Bauteilgestaltung, erforderlich. Da jedoch eine Erhöhung der Masse der Bauteile den Leichtbaubestrebungen entgegensteht und die Entwicklung neuer Werkstoffe teilweise erhebliche Kostensteigerungen verursacht, besteht das Ziel, durch eine gezielte Verbesserung der Oberflächeneigenschaften die Belastungsgrenze der Bauteile im Antriebsstrang zu erhöhen.

Aus der gattungsbildenden DE 101 19 649 A1 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Oberflächengüte eines Bauteils prinzipiell bekannt. Dort werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur elektrochemischen, materialabtragenden Werkstückbearbeitung vorgeschlagen. Dieses Verfahren verwendet eine Werkzeugelektrode, die im Abstand zu einem zu bearbeitenden Werkstück, welches auch als Elektrode fungiert, positionierbar ist. Zwischen Werkzeugelektrode und Werkstückelektrode wird eine elektrische Spannung angelegt. Das Verfahren wird in einem Arbeitsmedium, einem Elektrolyt, durchgeführt, und dient zur Materialabtragung am Werkstück durch den elektrischen Entladungsvorgang zwischen den beiden Elektroden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das gattungsgemäße Verfahren sowie die gattungsgemäße Vorrichtung derart anzupassen, dass mit ihrer Hilfe auch die Bearbeitung der Oberfläche von Bauteilen, welche in einem Verbrennungsmotor hohen Belastungen ausgesetzt sind, durchgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Danach wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem das Werkstück eine Innenbohrung aufweist, in welche die Werkzeugelektrode zur Bearbeitung eingeführt wird. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass sich das Elektrolyt in einem Spalt zwischen Werkstück und Werkzeug befindet.

Durch das elektrochemische Bearbeiten einer Innenbohrung eines Bauteils wird deren Oberfläche entscheidend verbessert. Oberflächenungänzen in Form von Riefen, Rissen oder Einschlüssen werden durch dieses Verfahren entfernt. Durch das Verfahren wird weiterhin die Belastbarkeit derjenigen Bauteile erhöht, welche durch Drehmomente, Biegemomente oder vor allem einen hohen Innendruck belastet sind.

Vorteilhafterweise ist die elektrische Spannung zwischen Werkstückelektrode und Werkzeugelektrode gepulst. Durch das Verwenden einer gepulsten Spannung können auch Innenoberflächen mit unterschiedlichen, bis hin zu komplexen Querschnittsformen bearbeitet werden (Anspruch 2).

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform rotieren das Werkstück und/oder das Werkzeug während der Bearbeitung. Die Rotation kann dabei dazu genutzt werden, das Elektrolyt innerhalb des Spaltes zu verteilen (Anspruch 3).

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens weisen die Innenbohrung des Werkstücks und das Werkzeug unterschiedliche Rotationsachsen auf. Durch die dadurch erzeugte exzentrische Bewegung von Werkstück und Werkzeug wird das Elektrolyt während der Bearbeitung innerhalb des Spaltes zwischen Werkstück und Werkzeug bewegt. Auf diese Weise wird das durch das Verfahren mit abgetragenem Material gesättigte Elektrolyt jeweils aus dem Bearbeitungsbereich verdrängt, und es kann frisches Elektrolyt in den Bearbeitungsbereich nachfließen (Anspruch 4).

Zweckmäßigerweise wird das Elektrolyt durch Bohrungen im Werkzeug in den Spalt geleitet. So kann eine größere Menge Elektrolyt in den Bearbeitungsbereich zugeführt werden (Anspruch 5).

In einer weiteren Ausgestaltung kann das Elektrolyt durch eine Bohrung in der Wandung des Werkstücks in den Spalt geleitet werden. Auf diese Weise können Bohrungen in der Werkstückwandung, die in bestimmten Anwendungsfällen bereits vorhanden sind, für die Zufuhr des Elektrolyts genutzt werden (Anspruch 6).

Vorteilhafterweise führt das Werkzeug während der Bearbeitung eine Vorschubbewegung in Richtung der Rotationsachse des Werkstücks durch. So kann die Menge des durch das Verfahren abgetragenen Materials des Werkstücks erhöht werden (Anspruch 8).

Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen. Bei dieser Vorrichtung weist das Werkstück eine zu bearbeitende Innenbohrung auf. Weiterhin besteht zwischen Werkzeug und Werkzeug ein Spalt, in welchem sich das Elektrolyt befindet (Anspruch 8).

Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Werkstück um eine Hohlwelle. Derartige Hohlwellen werden beispielsweise in Verbrennungsmotoren häufig eingesetzt, müssen einem hohen Innendruck standhalten, und sind daher für dieses Verfahren besonders geeignet (Anspruch 9).

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine Schemaskizze einer Ausführungsform des Verfahrens mit Querbohrungen im Werkstück,

2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens mit rotierendem Werkzeug und Werkstück,

3 eine Schemaskizze einer dritten Ausführungsform des Verfahrens mit rotierendem Werkstück und feststehendem Werkzeug sowie

4 eine Schemaskizze einer vierten Ausführungsform des Verfahrens mit feststehendem Werkzeug und Werkstück.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 33 sowie eines Verfahrens zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks 1. Bei dem Werkstück 1 handelt es sich hier um ein rotationssymmetrisches Bauteil, welches eine Innenbohrung 13 aufweist. Die Oberfläche 35 dieser Innenbohrung 13 soll mit Hilfe des Verfahrens bearbeitet werden. Ziel ist es dabei, die Qualität der Oberfläche 35 und damit die Gestaltfestigkeit des gesamten Werkstücks 1 zu erhöhen. Nach der Durchführung des Verfahrens soll das Werkstück 1 höheren Innendrücken, Drehmomenten oder Biegemomenten standhalten.

Typische Werkstücke 1, die mit einem solchen Verfahren bearbeitet werden können, sind beispielsweise Hohlwellen 31 in Form von hohlen Getriebe- oder Antriebswellen, oder die Rail eines Common-Rail-Systems, wie es in Verbrennungsmotoren eingesetzt wird.

Die Vorrichtung 33 zur Durchführung des Verfahrens umfasst im Einzelnen ein Werkzeug 3, welches als Werkzeugelektrode 5 ausgeführt ist, eine Spannungsquelle 29 sowie eine hier nicht dargestellte Vorschubeinrichtung zur Erzeugung eines Vorschubs für das Werkzeug 3.

Über die Spannungsquelle 29 wird nun eine Spannung zwischen Werkzeugelektrode 5 und dem als Werkstückelektrode 9 dienenden Werkstück 1 angelegt. Die Spannung ist in diesem Ausführungsbeispiel pulsierend, um eine höhere Oberflächengüte zu erzielen. Während der Bearbeitung der Oberfläche 35 wird das Werkzeug 3 in Vorschubrichtung 25 durch die Innenbohrung 13 des Werkstücks 1 bewegt. Dabei wird die Oberfläche 35 der Innenbohrung 13 bearbeitet. Innerhalb eines Spaltes 15 zwischen Werkstück 1 und Werkzeug 3 befindet sich ein Elektrolyt 7. Dieses Elektrolyt 7 wird hier beispielhaft über eine Zufuhr 39, welche von der Seite, aus der das Werkzeug 3 eingeführt wird, abgewandt angeordnet ist, in den Spalt 15 eingebracht. Nachdem der zu bearbeitende Bereich der Oberfläche 35 der Innenbohrung 13 einmal in Vorschubrichtung 25 von dem Werkzeug 3 überstrichen worden ist, kann in einem zusätzlichen Rückhub das Material der Oberfläche 35 noch einmal bearbeitet werden, was die zu ereichende Oberflächengüte deutlich erhöht.

Mit einer Vorrichtung, wie sie in 1 dargestellt ist, sind geringe Rautiefen bis zu 0,2 Mikrometer erzielbar. Dabei liegt der Durchmesser 11 der Innenbohrung 13 in diesem Ausführungsbeispiel im Bereich von 10 Millimetern. Wie in dieser Figur weiterhin gezeigt, ist es möglich, bei eventuell vorhandenen Querbohrungen 23 im Werkstück 1 diese gleichzeitig mit dem Verfahren zu entgraten, so dass eine spätere Nachbehandlung dieser Querbohrungen 23 entfällt. So kann ein zusätzlicher Arbeitsschritt eingespart werden.

2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine zweite Ausführungsform des Verfahrens sowie der Vorrichtung 33. Dabei ist in 2a ein Querschnitt durch Werkstück 1 und Werkzeug 3 und in 2b ein Längsschnitt durch Werkstück 1 und Werkzeug 3 gezeigt. Im Unterschied zu 1, wo sowohl Werkstück 1 als auch Werkzeug 3 keine Rotationsbewegung ausführen, sondern lediglich das Werkzeug 3 eine reine Vorschubbewegung erfährt, sind in diesem Ausführungsbeispiel sowohl das Werkstück 1 als auch das Werkzeug 3 rotierend dargestellt, wie durch die Pfeile angedeutet.

Werkstück 1 und Werkzeug 3 besitzen dabei unterschiedliche Rotationsachsen 17 beziehungsweise 19, rotieren also exzentrisch zueinander. Das hat den Effekt, dass der Spalt 15 über den Umfang der Innenbohrung 13 eine unterschiedliche Höhe besitzt. Durch die Rotation wird das sich im Spalt 15 befindende Elektrolyt 7 ständig aus dem engsten Bereich des Spaltes 15, im Folgenden als Bearbeitungszone 41 bezeichnet, verdrängt. So wird das gesättigte Elektrolyt 7 aus der Bearbeitungszone 41 weg gefördert und frisches Elektrolyt 7, welches noch viel abgelöstes Material aufnehmen kann, wird in diesen Bereich eingeleitet.

3 zeigt in einer weiteren schematischen Darstellung eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung 33 sowie des Verfahrens, wiederum mit einem Querschnitt in 3a und einem Längsschnitt in 3b.

Im Unterschied zur der Ausführungsform gemäß 2 ist hier nur das Werkstück 1 rotierend dargestellt mit einer Rotationsachse 17. Weiterhin ist die Zufuhr 39 des Elektrolyts 7 auf eine alternative Weise geregelt. Das Elektrolyt 7 wird an einer Seite in das in diesem Ausführungsbeispiel hohl mit einer Innenbohrung 27 ausgestaltete Werkzeug 3 eingeführt und tritt dann über Zuführbohrungen 21, welche in der Wandung des Werkzeugs 3 vorgesehen sind aus dem Werkzeug 3 aus und fließt in den Spalt 15. Auf diese Weise kann immer neues, noch ungesättigtes Elektrolyt 7 nachgeführt werden; das gesättigte Elektrolyt 7 wird dabei aus dem Spalt 15 herausgedrängt und kann abfließen, beispielsweise in die von der Zufuhr 39 abgewandte Richtung. Wie in 3a zu erkennen ist, wird das Elektrolyt 7 auf diese Weise immer kurz vor der Bearbeitungszone 41 in den schmaler werdenden Spalt 15 eingeführt.

In einer vierten Variante des Verfahrens sowie der Vorrichtung 33, die analog in 4a im Querschnitt und in 4b im Längsschnitt dargestellt ist, rotieren weder Werkzeug 3 noch Werkstück 1, sondern beide stehen still. Die Zufuhr des Elektrolyts 7 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über Querbohrungen 23 im Werkstück 1.

Auch im vierten Ausführungsbeispiel kann ein gleichzeitiges Entgraten der Querbohrungen 23 im Werkstück 1 vorgesehen werden. Eventuell ist jedoch trotzdem ein vorgeschaltetes mechanisches Entgraten notwendig.

In den 2 bis 4 ist aus Gründen der Vereinfachung die zur Durchführung des Verfahrens benötigte Spannungsquelle 29 nicht dargestellt.

Bei Bauteilen, die mit diesem Verfahren bearbeitet worden sind, kann die Kerbwirkung in der Oberfläche 35 erheblich reduziert werden. Die Oberflächenstruktur wird durch das Verfahren eingeebnet. Das Verfahren ist dabei besonders geeignet für schmale Innenbohrungen 13, das heißt für Innenbohrungen 13 mit relativ kleinen Durchmessern 11.

Das Verfahren sowie die Vorrichtung 33 sind nicht auf die vier vorgestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Vielmehr ist es mit dem Verfahren möglich, nicht nur, wie in den Ausführungsbeispielen gezeigt, symmetrische Innenbohrungen 13 zu bearbeiten, sondern es können Innenoberflächen mit unterschiedlichen Querschnittsformen bearbeitet werden. Denkbar sind dabei insbesondere Innenverzahnungen, elliptische Querschnitte oder Querschnitte in Form von Polygonen.

Weiterhin ist es nicht unbedingt erforderlich, dass über die Spannungsquelle 29 eine gepulste Spannung auf Werkstück 1 und Werkzeug 3 aufgebracht wird. Vielmehr kann es je nach Anwendungsfall genügen, durch Oszillation der Elektrode die Stromstärke zu pulsieren, oder einfach eine Gleichspannung vorzusehen. Dadurch sinkt allerdings die erreichbare Qualität der Oberfläche 25. Die Effektivität des Verfahrens ist dadurch unter Umständen auch verringert. Weiterhin vorteilhaft ist eine Kombination aus gepulster Spannung und Oszillation der Elektroden.


Anspruch[de]
Verfahren zum elektrochemischen Bearbeiten eines Werkstücks (1), bei dem ein Werkzeug (3) als Werkzeugelektrode (5) innerhalb eines Elektrolyts (7) benachbart zu dem als Elektrode (9) dienenden Werkstück (1) positioniert wird, und zwischen Werkzeugelektrode (5) und Werkstückelektrode (9) eine elektrische Spannung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) eine Innenbohrung (13) aufweist, in welche die Werkzeugelektrode (5) zur Bearbeitung eingeführt wird, und sich das Elektrolyt (7) in einem Spalt (15) zwischen Werkstück und Werkzeug befindet. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung gepulst ist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitung das Werkstück (1) und/oder das Werkzeug (3) rotiert. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenbohrung (13) des Werkstücks (1) und das Werkzeug (3) unterschiedliche Rotationsachsen (17, 19) aufweisen, wodurch das Elektrolyt (7) während der Bearbeitung innerhalb des Spaltes (15) bewegt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolyt (7) durch Bohrungen (21, 27) im Werkzeug (3) in den Spalt (15) geleitet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolyt (7) durch wenigstens eine Bohrung (23) in der Wandung des Werkstücks (1) in den Spalt (15) geleitet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (3) während der Bearbeitung eine Vorschubbewegung (25) in Richtung der Rotationsachse (17) des Werkstücks (1) durchführt. Vorrichtung (27) zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks (1), mit einer Werkzeugelektrode (5), die benachbart zu dem als Elektrode (9) dienenden Werkstück (1) positionierbar ist, sowie Mitteln (29) zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Werkstückelektrode (9) und Werkzeugelektrode (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) eine zu bearbeitende Innenbohrung (13) aufweist und zwischen Werkzeug (3) und Werkstück (1) ein Spalt (15) besteht. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Werkstück (1) um eine Hohlwelle (31) handelt.






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