Elektrochemisches Abtragen Wirtschaftliche Bearbeitung mehrkristalliner Legierungen

Im Puls- oder Flash-Betrieb können Werkstücke aus mehrkristallinen Legierungen elektrochemisch bearbeitet werden. Besonders für kleine und mittelgroße Werkstückserien hat sich das elektrochemische Abtragen mit Puls- oder Stoßstromtechnik als wirtschaftlich herausgestellt: zum Beispiel beim Entgraten, Senken und Polieren. Die Kombination verschiedener Verfahrensvarianten ist dabei möglich.

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SITEC Industrietechnologie GmbH

Das Herstellen von Außen- und Innenkonturen durch elektrochemisches Abtragen bei Werkstücken aus schwerbearbeitbaren mehrkristallinen Werkstoffen ist zunehmend Gegenstand der Untersuchung der Sitec Industrietechnologie GmbH, Chemnitz.

So wurde zusammen mit dem Tochterunternehmen Sitec Automation, die am gleichen Standort ansässig ist, ein Maschinen- und Generatorkonzept entwickelt, das diese relativ großflächigen Werkstücke nicht nur in großen, sondern auch kleinen und mittelgroßen Stückzahlen wirtschaftlich bearbeitet. Wesentliche Fortschritte lieferten dabei die Online-Überwachung des tatsächlichen Arbeitsspalts und eine neue Generatortechnik.

Das entwickelte Generatorkonzept umfasst unterschiedliche Abtragvarianten: das Abtragen mit Gleichstrom und Gleichspannung, mit variablen Pulsspitzenspannungen und -strömen sowie mit der sogenannten Stoßstromtechnik (Flash-Technologie). Damit lassen sich überdurchschnittlich hohe Stromdichten über dem Nennwert des Generatorstroms auch mit einer relativ kleinen Generatorleistung erreichen.

Dieses Generatorkonzept ermöglicht die Kombination unterschiedlicher elektrochemischer Bearbeitungsverfahren in einem Prozess. So kann die Werkstückbearbeitung die Schritte Entgraten, Senken (Auskesseln), Beschriften und Polieren umfassen.

Elektrochemisches Abtragen jetzt mit Kombination unterschiedlicher Verfahren

Möglich ist diese Flexibilität aufgrund der Nutzung unterschiedlicher Parametersätze mit Kennwerten wie Stromdichte, Pulsfrequenz und Puls-Pausen-Verhältnis. Bei großen Elektrodenabständen oder großflächiger Bearbeitung von Werkstücken aus schwerbearbeitbaren mehrkristallinen Werkstoffen wird mittels Energiespeicher-Management eine Stoßstromentladung über die Elektroden realisiert, um hohe Stromdichten zu erreichen.

Die Basis des ECM-Generators bildet eine Drehstromversorgung mit einer höheren Ausgangsfrequenz als 50 Hz. Dadurch lässt sich entweder die Baugröße des Transformators verkleinern und eine Verbesserung der Gleichstromparameter erreichen oder ein lückender Stromfluss – wie von Thyristordrehstromversorgungen bekannt – verhindern. Diese Versorgung kommt vor allem bei Bearbeitungsströmen von mehreren hundert Ampere zur Anwendung.

Selbst dann, wenn Puls- oder Flash-Betrieb aufgrund des niedrigeren mittleren Bearbeitungsstroms eine längere Bearbeitungszeit zur Folge haben, ist diese Lösung effizient – vor allem bei kleinen und mittelgroßen Werkstückserien. Eine Nachrüstung für den Flash-Betrieb ist bei vorhandener Anlagentechnik vielfach möglich.

Software simuliert Verlauf der Prozessparameter beim elektrochemischen Abtragen

Mit Hilfe einer Software kann der Verlauf der elektrischen Prozessparameter simuliert werden (Bild 1). So ermöglicht der Quasi-Pulsbetrieb des Generators, dass der Elektrolyt im Bearbeitungsspalt thermisch gering belastet wird und sich die Oberflächengüte und Abbildgenauigkeit erhöhen.

Weiterer Bestandteil des neuen Maschinenkonzepts ist die Abstandsregelung der Elektrode im Prozess in Abhängigkeit des tatsächlichen Arbeitsspalts. Die im Bild 2 (siehe Bildergalerie) dargestellte Abhängigkeit des Bearbeitungsstroms von der tatsächlichen Größe des Arbeitsspalts werden als Grundlage für die Steuer- und Regelstrategie genutzt.

Bekannt ist, dass bei kleinem Arbeitsspalt sich die Abbildungsgenauigkeit und Abtragsgeschwindigkeit erhöhen. Eine Prozessoptimierung unter dem Gesichtspunkt „kleiner Arbeitsspalt“ bei normal dimensionierter Anlagentechnik lässt somit hohe qualitative als auch wirtschaftliche Effekte erwarten.

Arbeitsspalt wird für das elektrochemische Abtragen optimal eingestellt

Die gewählte Strategie basiert darauf, dass die Verringerung des Arbeitsspalts den elektrischen Strom so lange erhöht, bis die Elektrolytverarmung einen plötzlichen Abbruch dieser Abhängigkeit bewirkt.

Dieser Zeitpunkt wird genutzt, um durch Nachregelung der Elektrode wieder zu einer Vergrößerung des Arbeitsspalts und damit zur Fortsetzung des Abtragsprozesses zu gelangen. Die Regelstrategie basiert somit auf der Minimierung des Arbeitsspalts, dem Abbruch des Stromanstiegs, der Abstandskorrektur und der oszillierenden Elektrodenbewegung (überlagert).

Prinzipiell ist diese Strategie auch zum Entgraten und zur Innenformgebung mit nicht werkstückspezifischen Elektroden geeignet. Durch entsprechende Bewegungen der Elektrode ist ein Nachführen in Abhängigkeit der Ausbildung des optimalen Arbeitsspalts möglich.

Elektrochemisches Abtragen ohne kostenintensive Formelektroden

Auf die Verwendung kostenintensiver Formelektroden kann damit häufig verzichtet werden. Beim Auskesseln lässt sich bei einem gleichbleibenden Spalt während des gesamten Prozesses die Bearbeitungszeit verkürzen und die Energieeffizienz erhöhen.

Komplettiert wird das Maschinenkonzept durch prozessbegleitende Erfassung von Kantenverrundungen und Kantenbrüchen bei sich durchdringenden Bohrungen. Auch eine prozessbegleitende Erfassung von Formgenauigkeit und Oberflächendefekten bei der Innenformgebung ist möglich.

Darüber hinaus gehört die Herstellung von Gravuren und Gesenken zum Gesamtkonzept des Sondermaschinenbauers Sitec Industrietechnologie im Geschäftsfeld ECM-Anlagen – mit der ECM-Basisanlage EWS (Bild 3), die sich je nach Anwendung modular erweitern lässt. So gehören heute manuell beschickte Einzel- und verkettete Anlagen mit Vor- und Nachbehandlungssystemen, einschließlich Werkstückhandling (Handlingportale oder Roboter) und peripherer Geräte genauso zum Sitec-Sortiment wie Anlagen mit mehreren Bearbeitungsräumen und kundenspezifische Sonderausführungen (Bild 4).

Dipl.-Ing. Jens Lämmel ist Fachbereichsleiter im Geschäftsfeld ECM-Anlagen bei der Sitec Industrietechnologie GmbH in Chemnitz. Prof. Dr. Bernd Hommel arbeitet als Projektleiter im gleichen Unternehmen. Dipl.-Ing. Matthias Scharrnbeck ist Projektingenieur bei der Sitec Automation GmbH am gleichen Standort.

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