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Gepulste elektrochemische Bearbeitung von Kupferelektroden ... · PDF fileGepulste elektrochemische Bearbeitung von Kupferelektroden und deren Einsatz zur funkenerosiven Strukturierung

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  • Gepulste elektrochemische Bearbeitung von

    Kupferelektroden und deren Einsatz zur

    funkenerosiven Strukturierung von Hartmetall

    Dissertation

    zur Erlangung des Grades des

    Doktors der Ingenieurwissenschaften

    der Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultäten

    der Universität des Saarlandes

    von

    Dipl.-Ing. Philipp Steuer

    Saarbrücken 2015

  • Tag des Kolloquiums: 06.06.2016

    Dekan: Prof. Dr.-Ing. Dirk Bähre

    Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dirk Bähre

    Prof. Dr. rer. nat. Helmut Seidel

    Vorsitzender: Prof. Dr. mont. Christian Motz

    Akad. Mitarbeiter: Dr.-Ing. Joachim Schmitt

  • Zusammenfassung

    Die Strukturierung von Hartmetall ist eine fertigungstechnische Herausforderung, der

    oft mit Funkenerosion begegnet wird. Ein potentielles Elektrodenmaterial für das in

    dieser Arbeit betrachtete funkenerosive Senken ist Elektrolytkupfer. Der auftretende

    Verschleiß und die damit einhergehende Ungenauigkeit bedingt den regelmäßigen

    Austausch der vorbearbeiteten Elektroden, was je nach Struktur zeit- und

    kostenintensiv ist. Die elektrochemische Bearbeitung arbeitet dagegen verschleißfrei

    nach dem Prinzip der anodischen Metallauflösung, sodass die Werkzeugelektrode

    nur einmalig zu fertigen ist. Eine Ausbildung passiver Schichten oder eine

    unterschiedliche Löslichkeit bei mehrphasigen Werkstoffen, wie beispielsweise

    Hartmetall, kann jedoch eine erfolgreiche Bearbeitung verhindern. In der Arbeit

    werden diese Eigenschaften konstruktiv zum Aufbau einer Prozesskette genutzt, die

    elektrochemisch strukturierte Elektroden im funkenerosiven Prozess zur

    Strukturierung von Hartmetall einsetzt. Dazu werden die Prozesse an industriellen

    Serienanlagen hinsichtlich des Einflusses der Bearbeitungsparameter untersucht.

    Zudem werden die Zusammenhänge zwischen den Prozessen untersucht, etwa

    Wärmeeinfluss bei der Funkenerosion, Einfluss der durch die elektrochemische

    Auflösung entstehenden Oberflächenrauheit und Abbildungsgüte der Prozesse. Mit

    der Prozesskombination ergeben sich Potentiale zur Weiterentwicklung von

    Werkzeugen mit verbesserten Eigenschaften und spezifischen Anwendungsfeldern.

  • Abstract

    From the point of view of production engineering the structuring of hard metal is a

    challenge which is usually handled by electrical discharge machining. A suitable

    electrode material for the die sinking used in this work is electrolytic copper. The

    electrode wear leads to geometry losses which necessitates the regular exchange of

    the electrodes. In contrast, electrochemical machining, using anodic metal

    dissolution, works wear-free, thus the tool electrode has to be manufactured only

    once. The formation of passive layers and the potentially different solubility of

    components when using multiphase materials like hard metal can inhibit a successful

    machining. These process characteristics are combined in this work to form a

    process chain which uses electrochemically structured copper electrodes in electrical

    discharge machining for structuring hard metal. For doing so, the processes are

    investigated towards the influence of the machining parameters using industrial-size

    machines. In addition, the connections between the processes, like the heat

    influence during electrical discharge machining, the influence of the tool roughness

    produced by the electrochemical machining and the reproducibility throughout the

    process chain are investigated. Using this process chain potentials for the

    improvement of tools for specific applications arise.

  • Vorwort

    Die Grundlagen für die vorliegende Arbeit entstanden während meiner Zeit als

    wissenschaftlicher Mitarbeiter am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungs-

    technik (ZeMA) von April 2012 bis August 2015 in Kooperation mit dem Lehrstuhl für

    Fertigungstechnik (LFT) der Universität des Saarlandes.

    Herrn Professor Dr.-Ing. Dirk Bähre, dem Inhaber des LFT, danke ich für die

    Möglichkeit zur Promotion und seine stete Unterstützung. Zudem bedanke ich mich,

    dass er mir die Präsentation und Diskussion meiner Ergebnisse auf internationalen

    Konferenzen ermöglicht hat. Bei Herrn Professor Dr. rer. nat. Helmut Seidel bedanke

    ich mich für die freundliche Übernahme des Zweitgutachtens und sein Interesse an

    dieser Arbeit.

    Ein ganz herzlicher Dank geht an meine Bürokollegen Herrn Dipl.-Ing. Andreas

    Rebschläger und Herrn Dipl.-Ing. M.Eng. Olivier Weber für die schöne und lehrreiche

    Zusammenarbeit am ZeMA. Ohne die fruchtbaren Diskussionen und wertvollen

    Hinweise wäre diese Arbeit wohl nie entstanden. Herrn Rebschläger danke ich

    nochmals gesondert für das Gegenlesen dieser Arbeit.

    Des Weiteren danke ich Herrn Bernd Schmitt und Herrn Stefan Wilhelm, die mir stets

    für eine informative Unterhaltung zur Verfügung standen, aber auch für ihre

    Hilfsbereitschaft bei der Probenpräparation und Durchführung von Messungen. Herrn

    Schmitt danke ich nochmals gesondert für das Gegenlesen dieser Arbeit. Ein Dank

    gebührt ebenfalls den Kollegen vom Lehrstuhl, von denen ich viel gelernt habe.

    Ein weiterer Dank geht an meine wissenschaftlichen Hilfskräfte sowie Bachelor- und

    Diplomarbeiter für die gewissenhafte Durchführung von Versuchen und Messungen.

    Frau Dipl.-Übers. Anne Weber danke ich für die redaktionelle Durchsicht der

    vorliegenden Arbeit, ihre Geduld und beständige Ermunterung.

    Nicht zuletzt bedanke ich mich für die finanzielle Unterstützung der Europäischen

    Union im Rahmen der EFRE-Förderung zu den Programmen „INTEGRATiF –

    ProQQuadrat“ sowie „Interreg IV-A – Initiative PRECISE“. Auch möchte ich den

    aktuellen Geschäftsführern des ZeMA, Herrn Professor Dr.-Ing. Rainer Müller und

    Herrn Jochen Flackus, meinen Dank für die Bereitstellung der Infrastruktur und des

    Arbeitsplatzes über die Projektlaufzeit hinaus aussprechen.

    Mein besonderer Dank gilt meinen Eltern, die mir mein Studium ermöglicht und mich

    während dieser Zeit stets unterstützt haben. Letztendlich haben sie den Grundstein

    zur Entstehung dieser Arbeit gelegt. Meine Mutter († 2014) wäre sehr stolz.

  • "Science is like sex: sometimes something useful comes out,

    but that is not the reason we are doing it.”

    Richard P. Feynman

  • Inhaltsverzeichnis

    Abbildungsverzeichnis ............................................................................................ III

    Tabellenverzeichnis ................................................................................................ VI

    1 Einleitung und Zielsetzung ................................................................................... 1

    1.1 Einleitung ........................................................................................................ 1

    1.2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit .................................................................. 2

    2 Grundlagen ............................................................................................................ 5

    2.1 Werkstoffe ....................................................................................................... 5

    2.1.1 Kupfer und Wolframkupfer ........................................................................ 5 2.1.2 Hartmetall ................................................................................................. 8 2.1.3 Stahl ....................................................................................................... 12

    2.2 Verfahren ...................................................................................................... 13

    2.2.1 Elektrochemische Bearbeitung (PECM) ................................................. 14 2.2.2 Funkenerosive Bearbeitung (EDM) ........................................................ 27

    3 Stand der Technik ............................................................................................... 39

    3.1 Elektrochemische Bearbeitung von Kupfer ................................................... 39

    3.2 Elektrochemische Bearbeitung von Hartmetall ............................................. 43

    3.3 Funkenerosive Bearbeitung von Hartmetall .................................................. 44

    4 Untersuchungen zu Werkstoffverhalten und Prozesseinflüssen .................... 47

    4.1 Gepulste elektrochemische Bearbeitung von Kupfer .................................... 47

    4.1.1 Versuchsaufbau und Versuchsplan ........................................................ 48 4.1.2 Kathodenbewegung während der Impulse und Einfluss der Phase ........ 52 4.1.3 Einfluss des Elektrolytdrucks .................................................................. 56 4.1.4 Vorschub und Stromdichte ..................................................................... 58 4.1.5 Spaltweite und Stromdichte .................................................................... 64 4.1.6 Spezifischer Materialabtrag und Stromdichte ......................................... 68 4.1.7 Oberfläche und S