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2 1 Begriffsbestimmung Der Begriff ECM steht für Elektro-Chemische-Metallbearbeitung und er beschreibt das anodische Auflösen des metallischen Werkstoffs durch elektrolytische Reaktionen. Der ECM-Prozess gehört bei den Fertigungsverfahren nach DIN 8580 in die Hauptgruppe Trennen. Umformen Trennen Fügen Abtragen TEM Thermisches Entgraten ECM Elektro Chemisches Metallbearbeiten AFM Druckfließläppen Dabei gibt es eine ganze Reihe von ECM-Fertigungsverfahren, die in der VDI Richtlinie 3401 Blatt 1-3 aufgeführt sind: Elektrochemisches Formentgraten Das EC-Entgraten mit Formelektroden ist ein definierter Vorgang, bei dem es zu keinem ungewollten Flächenabtrag kommt. Es wird vorwiegend in der Serienfertigung bei der Verrundung komplizierter und/ oder schwer zugänglicher Werkstückkanten eingesetzt. Elektrochemisches Badentgraten Im Unterschied zu anderen Entgratverfahren werden nicht nur einzelne Kanten, sondern die gesamte Werkstückoberfläche bearbeitet (undefinierter Vorgang). Elektrochemisches Ätzen Bei diesem Verfahren wird die Gratbeseitigung durch Einwirken einer elektrolytischen Ätzlösung ohne äußere Stromquelle auf ein Metall erreicht. Literatur Elektrochemisches Formabtragen VDI Düsseldorf, VDI 3401 Blatt 1-3 Entgrat-Technik expert Verlag, Renningen ISBN Alfred P. Thilow und 6 Mitautoren Handbuch Entgrattechnik Carl Hanser Verlag München, ISBN Hans-Michael Beier Links ECM-Anlagen: DORNER GmbH KENNAMETAL SITEC GmbH Nachbehandlung: Silberhorn GmbH

3 2 Das Verfahren Prinzipiell funktioniert die ECM-Bearbeitung nach den physikalischen Regeln der Elektrolyse. An zwei metallischen Elektroden der Anode (Werkstück) und der Kathode (Werkzeug), welche sich in einer wässrigen Elektrolytlösung befinden, wird eine Gleichspannung angelegt. Diese bewirkt eine chemische Zersetzung des Werkstückes (Anode) an zuvor exakt definierten Stellen. Das Abtragsvolumen wird durch die Höhe und die Wirkzeit des Arbeitsstromes aber auch durch gezielte Spülung mit Elektrolyt und entsprechender Ausführung des Werkzeuges (Kathode) beeinflusst. Anode = Werkstück JW Gleichstrom U Kathode = Werkzeug H2 + anodische Metallauflösung H2 Na+ NO3 Fe2+ H+ OH+ FE(NO3)2 NO3 H+ FE(OH)2 2e+ Funktionsschema des ECM-Prozesses beim Einsatz von NaNO 3 als Elektrolyt Wässrige Elektrolytlösung z. B. NaNo3 Na+ NO3 OH+ H+ NO3 Schlamm = Fe(OH)2 Beim EC-Entgraten sind der Anfangswirkspalt, die Bearbeitungszeit, die Elektrolytparameter und die Arbeitsspannung die maßgeblichen Verfahrensparameter. Arbeitsspannung Liegt beim elektrochemischen Formentgraten im Bereich von 10 bis 35 V. Eine Verdoppelung der Arbeitsspannung von 12 V auf 24 V führt zur Verkürzung der Wirkzeit auf die Hälfte. Als Stromquellen kommen Gleichstromgeneratoren zum Einsatz. Stromstärke Als Richtwert für die überschlägige Bestimmung können 0,5 A pro mm Kantenlänge angenommen werden. Die so errechnete Stromstärke bestimmt die für die Anlage benötigte Generatorleistung. Stromdichte Die Abtragsleistung ist proportional der Stromdichte. Mit einer Zunahme der Stromdichte verkürzt sich die Wirkzeit bzw. steigt die Abtragsleistung. Der praxisnahe Wert liegt bei elektrolytischem Formentgraten bei 50 A/ cm 2. Mit Hilfe verschiedener Abtragsverfahren können unterschiedliche Bearbeitungen realisiert werden: EC-Formentgraten Das EC-Entgraten mit Formkathoden (Werkzeugelektrode) wird vorwiegend in der Serienfertigung sowie bei der Verrundung komplizierter und/ oder schwer zugänglicher Werkstückkanten eingesetzt. EC-Konturbearbeiten Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, flache Nuten oder Vertiefungen beliebiger Kontur in Werkstückflächen einzubringen. Die Tiefe und die Breite der Kontur stehen dabei in einem Verhältnis von 1:2. EC-Kennzeichnen Durch EC-Kennzeichnen können metallische Werkstücke mit einer dauerhaften Kennzeichnung versehen werden. Häufig wird das Kennzeichnen zusammen mit EC-Entgraten durchgeführt. Es gibt zwei unterschiedliche Kathodentypen: Kathoden zum ringförmigen Entgraten Die aktive Kathodenfläche hat die Form eines Ringes und erzeugt deshalb einen ringförmigen Abtrag. Diese Kathoden sind relativ einfach und günstig herzustellen. Kathoden zum partiellen Entgraten Die aktive Kathodenfläche hat die selbe Größe und die Form des zu erzeugenden Abtrages. Dieser Kathodentyp ist relativ aufwändig herzustellen und wird dann verwendet, wenn eine genau definierte Entgratkontur mit z. B. Schutz von Dichtkanten erzeugt werden soll.

4 3 Der Prozessablauf Nachfolgend ist der ECM-Prozessablauf in einfacher Form dargestellt. Dabei bildet die zu entgratende Werkstückkontur (Pluspol) mit der im Abstand zwischen 0,4 und 0,7 mm befindlichen Kathode (Minuspol) den sogenannten Wirk- oder Arbeitsspalt. Durch diesen fließt der Elektrolyt mit einer möglichst gleichmäßigen (laminaren) Strömung. Werkstück einlegen Bediener startet den Prozess Oberteil fährt herunter Kontakt zwischen Anode und Werkstück + Elektrolyt fließt durch Vorrichtung und Werkstück Der Stromkreis ist geschlossen

5 3 Der Prozessablauf Werkstück Werkstück Der geladene Elektrolyt löst den Grat auf Der Grat ist entfernt, die Kante verrundet + Prozess stoppt Elektrolytfluss stoppt Oberteil fährt hoch Entnahme des fertigen Werkstückes

6 4 Die Vorrichtung Das Herzstück der ECM-Bearbeitung ist die Vorrichtung. Sie besteht in der Regel aus zwei Baugruppen. Im Unterteil mit der Grundplatte befinden sich die Stromanschlüsse und Verbindungen für die Kathoden (Minuspol), die Werkstückaufnahmen sowie der Elektrolytanschluss und dessen Verteilung. Im pneumatisch betätigten Oberteil befinden sich die gefederten Werkstückkontaktierungen (Anode), sowie falls erforderlich weitere Kathoden, die aus konstruktiven Gründen nicht im Unterteil eingebaut werden konnten sowie der Spritzschutz. Die ECM-Vorrichtung hat folgende Aufgaben zu erfüllen: Aufnahme und Fixierung des Werkstückes Intelligente Zuführung und Verteilung des Elektrolyten sowie Erzielung einer laminaren Strömung. Stromanschlüsse für die Kathoden (Minuspol) und die Anoden (Pluspol) zur Werkstückkontaktierung. Gute Isoliereigenschaften mittels beschichteter Kathoden und Kunststoffabdeckungen Geringe Wärmedehnung und Wasseraufnahme Korrosions- und verschleißfest Der gezielte Metallabtrag erfolgt bei der ECM-Bearbeitung ohne direkten Kontakt zwischen Werkstück (Anode) und Werkzeug (Kathode) und es ist somit ein Arbeitsspalt vorhanden. Dieser Arbeitsspalt wird durch den Elektrolyt (salzhaltige Wasserlösung) durchspült, damit wird der benötigte Stromkreislauf geschlossen. Die Grundplatte mit Vorrichtungsnestern ist in der Maschinenwanne befestigt und auswechselbar. Das Oberteil ist an der vertikalen Anstelleinheit montiert. Zur exakten Positionierung des Ober- und Unterteiles wird ein Säulenführungsgestell verwendet. Verschleiß und Lebensdauer der ECM-Vorrichtung hängen in hohem Maße von deren Konstruktionskonzept und den dabei eingesetzten Werkstoffen ab. Typische Werkstoffe der einzelnen Bauelemente sind heutzutage: Grund- und Oberplatte aus GFK Werkstückaufnahmen aus POM, TK PEEK Kathodenkerne: kleine Durchmesser aus Wolframdraht, größere Durchmesser aus Messing oder nichtrostendem Stahl Kathodenisolierung: komplexe Formen werden mit Epoxydharz beschichtet, rotationssymmetrische Formen mit TK PEEK-Abdeckungen Anodenkontaktierung aus Edelstahl oder Platin (hochverschleißfest) Oberplatte Spritzschutz + Stromanschluss Kontakt am Werkstück (Pluspol) Werkstück Werkstückaufnahme Grundplatte Elektrolytanschluss Kathode (gelb) mit Isolierung (grau) Stromanschluss Werkzeugelektrode (Minuspol)

7 5 Die ECM-Anlage Die ECM-Anlage besteht aus dem Arbeitsraum zur Aufnahme der Vorrichtung, dem Elektrolyttank, dem Schaltschrank mit Steuer- und Leistungsteil sowie einer Kammerfilterpresse. Die Anlagen sind als Portalversion komplett aus nichtrostendem Stahl hergestellt. Die Vorrichtungsanschlüsse (Elektrolyt, Strom und Befestigung an Grund- und Oberplatte) sind so angeordnet, dass ein Vorrichtungswechsel nur kurze Zeit in Anspruch nimmt.

8 5 Die ECM-Anlage Stromquelle (Generator) Als Stromquelle dienen thyristorgeregelte und wassergekühlte Gleichstromgeneratoren. Entsprechend der Aufgabenstellung sind Generatoren von 200 bis 4000 A verfügbar. Als Richtwert für die überschlägige Bestimmung können 0,5 A pro mm Werkstück Kantenlänge angenommen werden. Die so errechnete Stromstärke bestimmt die benötigte Generatorleistung. Die Standard-Bearbeitungsart ist Konstantstrom, hier wird der Strom auf einem voreingestellten Wert über die Bearbeitungszeit konstant gehalten. Das Ergebnis ist ein relativ hoher Abtrag mit Rz-Werten von 4. Bei Bedarf an gut polierten und glatten Oberflächen eignet sich ein Entgratstrom, der pulsierend ein- und ausgeschaltet wird. Die erzielbaren Oberflächenqualitäten liegen hier bei Rz-Werten von 4. Die Bearbeitungsart Pulsstrom gehört bei Anlagen von Kennametal zur Serienausstattung. Konstantstrom für Rz max = 3,449 Elektolytreinigung Beim ECM-Prozess wird ein Abtrag (Metallhydroxid) erzeugt, der in den Elektrolytkreislauf gelangt und von dort über Kammerfilterpressen wieder entfernt werden muss. Der Elektrolyt wird über anlagenseitige Einrichtungen wie Pumpen, Kühlung, Heizung, ph-regelung (Zudosierung von Salpetersäure) geregelt und auf seinem Sollwert gehalten. Im Allgemeinen versucht man, einen neutralen ph-wert von 6,8 zu fahren. Der Temperaturbereich von Elektrolytlösungen reicht beim elektrolytischen Formentgraten von 20 C bis 35 C. Bei Elektrolyttemperaturen über 40 C tritt eine relativ starke Passivierung in Form eines dunkelgrauen, zum Teil ungleichmäßigen Belages ein. Zur Aufrechterhaltung eines einwandfreien und anodischen Abtragens ist die Beseitigung der Passivschicht durch eine entsprechende Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten erforderlich. Die Strömungsgeschwindigkeiten (Elektrolytdruck) liegen im Bereich von 2 bis 15 m/ sec und Drücken im Bereich 0,5 bis 6 bar. Pulsstrom für Rz max = 1,849

9 6 Die Nachbehandlung Die Werkstücke müssen späne- und weitestgehend ölfrei bearbeitet werden. Lose Späne oder Gratfetzen verschmutzen die Vorrichtung oder verstopfen den Elektrolytfluss. Im Extremfall führen sie auch zu häufigen Kurzschlüssen und reduzieren somit die Ausbringung. Zur Nachbehandlung werden die mit Elektrolyt benetzten Werkstücke (Korrosionsgefahr) zunächst in klarem Wasser gespült (neutralisiert) und danach in einem oder mehreren hintereinander angebrachten Becken (mit Hubeinrichtung) konserviert. Je nach Anwendungsfall (Werkstoff, Optik der Oberfläche) kommen unterschiedliche Medien in den Becken zur Anwendung. Bei Bedarf verwendet man auch die Ultraschallreinigung. Sehr bewährt hat sich dabei ein Reinigungsstand, in dem die Werkstücke direkt nach der ECM-Bearbeitung mit ca. 9 bar gereinigt werden. Die beim ECM-Prozess erzeugten Abtragsprodukte (Metallhydroxide) erweisen sich im Allgemeinen als sehr stark haftend und müssen speziell bei starkem Abtrag mit mechanischen oder chemischen Mitteln entfernt werden.

10 7 Begriffe und Definitionen Anodisches Abtragen Das Auflösen metallischer Werkstoffe in einer Elektrolytlösung durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Durch Ladungsaustauschvorgänge geht der Anodenwerkstoff in Form von Ionen in Lösung und verbindet sich in einer Sekundärreaktion mit den Hydroxid-Ionen des Wassers zu einer in der neutralen Elektrolytlösung unlösbaren Verbindung, dem Metallhydroxid, das als Schlamm ausfällt. Anode Elektrode, die Elektronen aufnimmt und an der eine Oxidationsreaktion stattfindet. Bei der ECM-Bearbeitung bildet das positiv gepolte Werkstück die Anode. Arbeitsspalt (s in mm) Abstand zwischen Kathode und Werkstück. Beträgt i. A. zwischen 0,4 und 0,7 mm. Arbeitsspannung (U in V) Elektrische Spannung zwischen Kathode und Werkstück. Liegt im Bereich zwischen 10 und 60 V. Zu beachten ist, dass mit einer Erhöhung der Arbeitsspannung eine Zunahme der teilweise unerwünschten Nebenabtragswirkung an benachbarten Flächen einhergeht! Arbeitsstrom (I in A) Elektrischer Strom, der während der Bearbeitung zwischen Kathode und Werkstück anliegt. Bearbeitungszeit (sec.) Liegt beim elektrolytischen Formentgraten im Bereich zwischen 5 und 30 sec. Elektrolyt Üblicherweise flüssiger Stoff, der beim Anlegen einer Spannung unter dem Einfluss des dabei entstehenden elektrischen Feldes den elektrischen Strom leitet (Leiter zweiten Grades). Die Leitfähigkeit von Elektrolyten ist geringer als die von Metallen. In der Praxis kommen überwiegend 2 Elektrolyte zum Einsatz: Natriumnitrat NaNO 3 und Natriumchlorid NaCL (Kochsalz). Elektrolyt basisch (ph) Elektrolytlösung mit ph-wert > 7 Elektrolyt sauer (ph) Elektrolytlösung mit ph-wert < 7 Elektrolytdruck (P in bar) Förderdruck des Elektrolyten. Zur Aufrechterhaltung eines einwandfreien und anodischen Abtragens ist die Beseitigung der Passivschicht durch eine entsprechende Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten erforderlich. Die Strömungsgeschwindigkeiten liegen im Bereich von 2 bis 15m/ sec. und Drücken im Bereich 0,5 bis 6 bar. Elektrolyttemperatur (T in C) Für eine vertretbare Passivierung, ausreichende Abtragsleistung und im Hinblick auf den Aufwand für die Elektrolytkühlung wird eine Temperatur von etwa C empfohlen. Hydroxid Gewissermaßen die»späne«, die bei der ECM-Bearbeitung entstehen. Kathode Elektrode, die Elektronen abgibt und an der eine Reduktionsreaktion stattfindet. Bei der ECM-Bearbeitung bilden die negativ gepolten Werkzeugelektroden die Kathoden. Leitfähigkeit, spez. (s in S/ m) Die Fähigkeit des Elektrolyten, elektrischen Strom zu leiten. Sie hängt maßgeblich von der Salzkonzentration und der Temperatur der Lösung ab. Passivierung Bei einigen Elektrolyt-/ Werkstückstoff-Kombinationen tritt an bestimmten Stellen durch das Entstehen von nichtmetallischen Schutzschichten eine Abtragshemmung (Passivierung) auf. Dies führt zu lokaler Begrenzung des Abtrages und kann damit aber auch zur Erhöhung der Abbildegenauigkeit ausgenützt werden. Passivschicht Bei Elektrolyttemperaturen über 40 C tritt eine relativ starke Passivierung in Form eines dunkelgrauen, zum Teil ungleichmäßigen Belages ein. Diese Passivschicht ist ein Reaktionsprodukt des Werkstoffes mit dem Elektrolyten der Zusammensetzung Fe 3 O 4 (Magnetit) mit einer Dicke 1µm. Dieser Belag haftet fest und lässt sich teilweise nur mechanisch entfernen. Er ist elektrisch leitend und beeinflusst weder die Aufbringung noch das Haften galvanischer Schichten. Beim Härten verschwindet der Belag. Wirkfläche (A in mm 2 ) Der nichtisolierte Bereich der Kathoden, der den Kontakt zum Elektrolyten herstellt. Die Wirkflächen sind im Interesse der zu erreichenden Stromdichte, einer möglichst guten Stromausbeute und eines relativ geringen Nebenabtrages so klein wie möglich zu halten.

11 8 Unser Service Das ECM-Team ist Ihr Spezialist für die ECM-Lohnentgratung mit Hilfe neuester, modernster Verfahren. Darüber hinaus liefern wir Ihnen auch ECM-Vorrichtungen und Ersatzteile für Ihre eigene ECM-Bearbeitung. Außerdem beraten wir Sie beim Kauf einer neuen oder gebrauchten ECM-Einrichtung. Wir freuen uns auf Ihre Anfrage! ECM-Team GmbH Entgrattechnik Grüntenstraße Buxheim Telefon Fax DEFINIERT ENTGRATEN

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