ECM-Bearbeitung, elektrochemische Bearbeitung, Schleifen

Some of the valuable NON-CONVENTIONAL MANUFACTURING processes AGS-TECH Inc offers are ELECTROCHEMICAL MACHINING (ECM), SHAPED-TUBE ELECTROLYTIC MACHINING (STEM) , GEPULSTE ELEKTROCHEMISCHE BEARBEITUNG (PECM), ELEKTROCHEMISCHES SCHLEIFEN (ECG), HYBRIDBEARBEITUNGSVERFAHREN.

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ELECTROCHEMICAL MACHINING (ECM) ist eine unkonventionelle Fertigungstechnik, bei der Metall durch einen elektrochemischen Prozess entfernt wird. ECM ist typischerweise eine Massenproduktionstechnik, die zur Bearbeitung extrem harter Materialien und Materialien verwendet wird, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren schwer zu bearbeiten sind. Elektrochemische Bearbeitungssysteme, die wir für die Produktion verwenden, sind numerisch gesteuerte Bearbeitungszentren mit hohen Produktionsraten, Flexibilität und perfekter Kontrolle der Maßtoleranzen. Die elektrochemische Bearbeitung ist in der Lage, kleine und ungewöhnlich geformte Winkel, komplizierte Konturen oder Hohlräume in harte und exotische Metalle wie Titanaluminide, Inconel, Waspaloy und Legierungen mit hohem Nickel-, Kobalt- und Rheniumgehalt zu schneiden. Es können sowohl Außen- als auch Innengeometrien bearbeitet werden. Modifikationen des elektrochemischen Bearbeitungsprozesses werden für Operationen wie Drehen, Plandrehen, Schlitzen, Trepanieren und Profilieren verwendet, bei denen die Elektrode zum Schneidwerkzeug wird. Die Metallabtragungsrate ist nur eine Funktion der Ionenaustauschrate und wird nicht durch die Festigkeit, Härte oder Zähigkeit des Werkstücks beeinflusst. Leider ist das Verfahren der elektrochemischen Bearbeitung (ECM) auf elektrisch leitfähige Materialien beschränkt. Ein weiterer wichtiger Punkt, um den Einsatz der ECM-Technik in Betracht zu ziehen, ist der Vergleich der mechanischen Eigenschaften der hergestellten Teile mit denen, die durch andere Bearbeitungsverfahren hergestellt wurden.

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ECM entfernt Material, anstatt es hinzuzufügen, und wird daher manchmal als „umgekehrtes Galvanisieren“ bezeichnet. Es ähnelt in gewisser Weise der Elektroerosionsbearbeitung (EDM), indem ein hoher Strom zwischen einer Elektrode und dem Teil durch einen elektrolytischen Materialentfernungsprozess mit einer negativ geladenen Elektrode (Kathode), einer leitfähigen Flüssigkeit (Elektrolyt) und a. geleitet wird leitfähiges Werkstück (Anode). Der Elektrolyt fungiert als Stromträger und ist eine hochleitfähige anorganische Salzlösung wie Natriumchlorid, gemischt und in Wasser oder Natriumnitrat gelöst. Der Vorteil von ECM ist, dass es keinen Werkzeugverschleiß gibt. Das ECM-Schneidwerkzeug wird entlang der gewünschten Bahn nahe am Werkstück geführt, ohne das Werkstück zu berühren. Im Gegensatz zum EDM entstehen jedoch keine Funken. Mit ECM sind hohe Abtragsraten und Hochglanzoberflächen möglich, ohne dass thermische oder mechanische Spannungen auf das Teil übertragen werden. ECM verursacht keine thermischen Schäden am Teil und da keine Werkzeugkräfte wirken, gibt es keine Verformung des Teils und keinen Werkzeugverschleiß, wie dies bei typischen Bearbeitungsvorgängen der Fall wäre. Bei der elektrochemischen Bearbeitung entsteht ein Hohlraum, der das weibliche Gegenbild des Werkzeugs darstellt.

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Beim ECM-Prozess wird ein Kathodenwerkzeug in ein Anodenwerkstück bewegt. Das geformte Werkzeug besteht im Allgemeinen aus Kupfer, Messing, Bronze oder Edelstahl. Der unter Druck stehende Elektrolyt wird mit hoher Geschwindigkeit bei einer eingestellten Temperatur durch die Kanäle im Werkzeug zu dem zu schneidenden Bereich gepumpt. Die Vorschubgeschwindigkeit entspricht der „Verflüssigungsgeschwindigkeit“ des Materials, und die Elektrolytbewegung im Werkzeug-Werkstück-Spalt wäscht Metallionen von der Werkstückanode weg, bevor sie die Möglichkeit haben, sich auf das Kathodenwerkzeug zu plattieren. Der Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück variiert zwischen 80 und 800 Mikrometern und die Gleichstromversorgung im Bereich von 5 – 25 V hält Stromdichten zwischen 1,5 – 8 A/mm2 aktiver bearbeiteter Oberfläche aufrecht. Wenn Elektronen den Spalt überqueren, wird Material aus dem Werkstück aufgelöst, während das Werkzeug die gewünschte Form im Werkstück bildet. Die Elektrolytflüssigkeit trägt das dabei gebildete Metallhydroxid ab. Handelsübliche elektrochemische Maschinen mit Stromstärken zwischen 5 A und 40.000 A sind erhältlich. Die Materialabtragungsrate bei der elektrochemischen Bearbeitung kann ausgedrückt werden als:

 

MRR = C x I x n

 

Hier MRR=mm3/min, I=Strom in Ampere, n=Stromausbeute, C=a Materialkonstante in mm3/A-min. Die Konstante C hängt von der Wertigkeit für reine Materialien ab. Je höher die Wertigkeit, desto niedriger ist ihr Wert. Bei den meisten Metallen liegt er zwischen 1 und 2.

 

Wenn Ao die elektrochemisch bearbeitete gleichförmige Querschnittsfläche in mm2 bezeichnet, kann die Vorschubgeschwindigkeit f in mm/min ausgedrückt werden als:

 

F = MRR / Ao

 

Vorschubgeschwindigkeit f ist die Geschwindigkeit, mit der die Elektrode in das Werkstück eindringt.

 

In der Vergangenheit gab es Probleme mit schlechter Maßhaltigkeit und umweltbelastenden Abfällen aus elektrochemischen Bearbeitungsvorgängen. Diese sind weitgehend überwunden.

 

Einige der Anwendungen der elektrochemischen Bearbeitung von hochfesten Materialien sind:

 

- Senkerodieren. Senkerodieren ist spanendes Schmieden – Gesenke.

 

- Bohren von Turbinenschaufeln, Düsentriebwerksteilen und Düsen eines Strahltriebwerks.

 

- Bohren mehrerer kleiner Löcher. Der elektrochemische Bearbeitungsprozess hinterlässt eine gratfreie Oberfläche.

 

- Dampfturbinenschaufeln können in engen Grenzen bearbeitet werden.

 

- Zum Entgraten von Oberflächen. Beim Entgraten entfernt ECM Metallvorsprünge, die von den Bearbeitungsprozessen zurückgeblieben sind, und stumpft so scharfe Kanten ab. Der elektrochemische Bearbeitungsprozess ist schnell und oft bequemer als die herkömmlichen Methoden des Entgratens von Hand oder nicht-traditionelle Bearbeitungsverfahren.

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Die elektrolytische Bearbeitung von geformten Rohren (STEM) ist eine Version des elektrochemischen Bearbeitungsprozesses, den wir zum Bohren tiefer Löcher mit kleinem Durchmesser verwenden. Als Werkzeug wird ein Titanrohr verwendet, das mit einem elektrisch isolierenden Harz beschichtet ist, um einen Materialabtrag von anderen Bereichen wie den Seitenflächen von Loch und Rohr zu verhindern. Wir können Lochgrößen von 0,5 mm mit einem Tiefen-zu-Durchmesser-Verhältnis von 300:1 bohren

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PULSED ELECTROCHEMICAL MACHINING (PECM): Wir verwenden sehr hohe gepulste Stromdichten in der Größenordnung von 100 A/cm2. Durch die Verwendung von gepulsten Strömen eliminieren wir die Notwendigkeit hoher Elektrolytdurchflussraten, die Einschränkungen für das ECM-Verfahren bei der Form- und Gesenkherstellung darstellen. Die gepulste elektrochemische Bearbeitung verbessert die Ermüdungslebensdauer und eliminiert die Umformschicht, die durch die Technik der elektrischen Entladungsbearbeitung (EDM) auf Form- und Formoberflächen zurückbleibt.

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In ELECTROCHEMICAL GINDING (ECG)  kombinieren wir das konventionelle Schleifen mit der elektrochemischen Bearbeitung. Die Schleifscheibe ist eine rotierende Kathode mit Schleifpartikeln aus Diamant oder Aluminiumoxid, die metallgebunden sind. Die Stromdichten liegen zwischen 1 und 3 A/mm2. Ähnlich wie bei ECM fließt ein Elektrolyt wie Natriumnitrat und die Metallentfernung beim elektrochemischen Schleifen wird von der elektrolytischen Wirkung dominiert. Weniger als 5 % des Metallabtrags erfolgt durch Schleifwirkung der Scheibe. Die ECG-Technik eignet sich gut für Hartmetalle und hochfeste Legierungen, aber nicht so sehr für das Senkerodieren oder den Formenbau, da der Schleifer möglicherweise nicht ohne weiteres in tiefe Hohlräume gelangt. Die Materialabtragsrate beim elektrochemischen Schleifen kann ausgedrückt werden als:

 

MRR = GI / dF

 

Hier ist MRR in mm3/min, G die Masse in Gramm, I der Strom in Ampere, d die Dichte in g/mm3 und F die Faraday-Konstante (96.485 Coulomb/Mol). Die Eindringgeschwindigkeit der Schleifscheibe in das Werkstück kann ausgedrückt werden als:

 

Vs = (G / d F) x (E / g Kp) x K

 

Hier ist Vs in mm3/min, E die Zellenspannung in Volt, g der Abstand zwischen Rad und Werkstück in mm, Kp der Verlustkoeffizient und K die Elektrolytleitfähigkeit. Der Vorteil des elektrochemischen Schleifverfahrens gegenüber dem herkömmlichen Schleifen ist ein geringerer Scheibenverschleiß, da weniger als 5 % des Metallabtrags durch Schleifwirkung der Scheibe erfolgt.

 

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Es gibt Ähnlichkeiten zwischen EDM und ECM:

 

1. Werkzeug und Werkstück sind durch einen sehr kleinen Spalt berührungslos voneinander getrennt.

 

2. Sowohl Werkzeug als auch Material müssen elektrische Leiter sein.

 

3. Beide Techniken erfordern einen hohen Kapitaleinsatz. Es kommen moderne CNC-Maschinen zum Einsatz

 

4. Beide Methoden verbrauchen viel Strom.

 

5. Eine leitfähige Flüssigkeit wird als Medium zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück für ECM und eine dielektrische Flüssigkeit für EDM verwendet.

 

6. Das Werkzeug wird dem Werkstück kontinuierlich zugeführt, um einen konstanten Abstand zwischen ihnen aufrechtzuerhalten (EDM kann einen intermittierenden oder zyklischen, typischerweise teilweisen Werkzeugrückzug umfassen).

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HYBRID-BEARBEITUNGSPROZESSE: Wir nutzen häufig die Vorteile von Hybrid-Bearbeitungsprozessen, bei denen zwei oder mehr unterschiedliche Prozesse wie ECM, EDM usw. in Kombination verwendet werden. Dies gibt uns die Möglichkeit, die Mängel eines Verfahrens durch das andere zu überwinden und von den Vorteilen jedes Verfahrens zu profitieren.