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Andreas Schubert (Hrsg.)
Ingo Schaarschmidt
Beitrag zur modellbasierten Prozessanalyse des elektrochemischen Präzisionsabtragens von rotationssymmetrischen Außengeometrien
Scripts Precision and Microproduction Engineering, Band 17
206 Seiten, A5, Paperback
ISBN: 9783957351951
Verlag Wissenschaftliche Scripten
Abstract
Das Grundprinzip des gepulsten elektrochemischen Abtragens (PECM) mit oszillierender Kathode basiert auf der anodischen Auflösung des metallischen Werkstück-Werkstoffs unter Einwirkung eines externen Stroms. Dies ermöglicht es gratfreie Bauteile, unabhängig der mechanischen Materialeigenschaften ohne Einbringen thermisch oder mechanisch induzierter Spannungen herzustellen. Eine Verfahrensvariante stellt die Formgebung über den umlaufenden inneren Arbeitsabstand beim gepulsten elektrochemischen Abtragen (PECM) mit oszillierender Kathode dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erfolgreich eine multiphysikalische und mehrskalige Simulationsmethode entwickelt, um sowohl die Feldgrößen im Arbeitsspalt während einer Kathodenoszillation als auch die Formgebung über eine lange Prozesszeit zu berechnen. Auf Basis der Simulationsergebnisse konnte zudem eine geeignete Spülstrategie für die im weiteren Verlauf durchgeführten Experimente festgelegt werden. Unter Anwendung multipler Regressionsmodelle konnte das PECM mit oszillierender Kathode weiterführend charakterisiert und signifikante Einflüsse auf relevante Bearbeitungsergebnisse wie dem Seitenarbeitsabstand identifiziert werden.
Abstract
The principle of pulsed electrochemical machining (PECM) with an oscillating cathode is based on the anodic dissolution of the metallic workpiece material under the influence of an external current. This makes it possible to produce burr-free components, regardless of the mechanical material properties, without thermally or mechanically induced stresses. One process variant is geometry formation via the inner lateral working gap during pulsed electrochemical machining (PECM) with an oscillating cathode. As a main part of this work, a multi-physics and multi-scale simulation method was successfully developed to calculate both the field variables within the working gap during a cathode oscillation and the geometry formation over a long process time. Based on the simulation results, a suitable electrolyte flushing strategy could also be determined for the experiments carried out in the further course. Using multiple linear regression models, the PECM with oscillating cathode was further characterized and significant influences on relevant processing results such as the lateral working gap were identified.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Wissenschaft und Technik
2.1 Elektrochemisches Abtragen – Grundlagen
2.1.1 Physikalisches Grundprinzip – Elektrochemische Zelle
2.1.2 Analytische Beschreibung des ECM mit planparallelen Elektroden
2.1.3 Anodische Metallauflösung
2.2 Elektrochemisches Abtragen – Einordnung in die Fertigungstechnik
2.2.1 Elektrochemische Senkbearbeitung und Arbeitsabstand
2.2.2 Verfahrensvariante PECM und PECM mit oszillierender Kathode
2.3 Simulation des elektrochemischen Abtragens .
2.3.1 Analytische Beschreibung des ECM
2.3.2 Numerische Beschreibung des ECM
2.4 Simulation der gepulsten elektrochemischen Metallbearbeitung
2.5 Zusammenfassung des Stands der Wissenschaft und Technik
3 Forschungsbedarf, Zielstellung und Vorgehensweise
3.1 Identifikation des Forschungsbedarfs
3.2 Zielstellungen und Vorgehensweise
4 Experimentelle Realisierung
4.1 Verwendete Anlagentechnik
4.2 Verwendete Messtechnik
4.3 Vorrichtung zur Formgebung über den umlaufenden inneren Arbeitsspalt
4.4 Werkzeugkathoden zur elektrochemischen Bearbeitung über den umlaufenden inneren Arbeitsspalt .
4.5 Werkstückanoden zur elektrochemischen Bearbeitung über den umlaufenden inneren Arbeitsspalt
4.6 Methodik zur Bestimmung des resultierenden Seitenarbeitsabstands
5 Materialcharakterisierung
5.1 Bestimmung der materialspezifischen Abtragcharakteristik
5.2 Bestimmung der Oberflächenrauheit und Beurteilung des Erscheinungsbilds
6 Simulation des gepulsten elektrochemischen Abtragens mit oszillierender Kathode
6.1 Modellerstellung
6.1.1 Multiskaliger Modellierungsansatz
6.1.2 Modellierung der anlagenspezifischen Prozesssteuerung – stromgeregelter Einzelpuls
6.1.3 Definition der Modellgeometrie, Gebiets- und Randbedingungen
6.1.4 Vernetzung der Geometrie
6.1.5 Einfluss der simulierten Prozesszeitdauer des Materialabtrags
6.2 Simulationsbasierte Prozesscharakterisierung
6.2.1 Einfluss der Strömungsrichtung auf die Stromdichteverteilung auf der Anodenoberfläche
6.2.2 Einfluss der Pulsparameter auf die Stromdichteverteilung auf der Anodenoberfläche
6.2.3 Transiente Betrachtung der Spülstrategien
6.2.4 Bewertung der Prozesssimulation des PECM mit oszillierender Kathode
7 Validierung der multiphysikalischen Modelle und Ableitung der Gültigkeitsgrenzen
7.1 Gegenüberstellung der resultierenden Strom- und Spannungsverläufe
7.2 Gegenüberstellung resultierender Seitenarbeitsabstände und Prozessströme
7.2.1 Variation der Senkgeschwindigkeit
7.2.2 Variation der Bearbeitungsspannung
7.2.3 Variation der Höhe der abtragwirksamen Kathodeninnenfläche
7.2.4 Variation der Puls- und Oszillationsfrequenz
7.2.5 Variation der Pulsdauer
8 Zusammenfassung der Modellierung und Simulationsergebnisse
8.1 Bewertung der multiphysikalischen Modelle
8.2 Ansätze zur Weiterentwicklung der Simulationsmodelle
9 Charakterisierung des Formgebungsprozesses
9.1 Vorgehensweise und Methoden
9.2 Parametereinflüsse auf den formgebenden Seitenarbeitsabstand
9.2.1 Modellentwicklung zur Beschreibung des Seitenarbeitsabstands
9.2.2 Einfluss der isolierten Bearbeitungsparameter auf den Seitenarbeitsabstand
9.2.3 Bewertung der Wechselwirkungen auf den Seitenarbeitsabstand
9.2.4 Bestimmung der Effektstärke der Bearbeitungsparameter auf den Seitenarbeitsabstand
9.3 Parametereinflüsse auf den Prozessstrom
9.3.1 Modellentwicklung zur Beschreibung des Prozessstroms
9.3.2 Einfluss der isolierten Bearbeitungsparameter auf den Prozessstrom
9.3.3 Einfluss der Wechselwirkungen auf den Prozessstrom
9.3.4 Bestimmung der Effektstärke der Bearbeitungsparameter auf den Prozessstrom
9.4 Parametereinflüsse auf die Oberflächenrauheit
10 Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick
10.1 Übertragung der Simulationsmethode auf weitere Anwendungsfälle
10.2 Bewertung der Prozesscharakterisierung und Ableitung von Hinweisen zur Prozessauslegung
Literaturverzeichnis
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