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Elektroerosionsverfahren und Impulsgenerator zur Materialabtragung bei Metallen mittels einer Folge einpoliger Bogenimpulse von niederfrequenter Impulsfolgefrequenz
Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektroerosionsverfahren und einen Impulsgenerator zur Materialabtragung bei Metallen mittels einer Folge einpoliger Bogenimpulse von niederfrequenter Impulsfol- gefrequenz.
Bekanntlich beträgt bei Elektroimpulsbearbeitung von Formfläche, d. h. bei Kopier-Räum -Arbeits - gängen die maximale Materialabnahme bei Stahl 5000-6000 mmS/min und bei einigen hitzebeständi- gen Stählen 9000-10000 mm'/min.
Beharrliche Bemühungen, diese Grenzen für die Materialabnahme zu überschreiten, was an und für sich grundsätzlich durch Abänderung der Kenngrössen der Impulsentladungen erreicht werden könnte, sind bis jetzt ergebnislos geblieben.
Von den Erfindern durchgeführte Untersuchungen, welche den Zweck hatten, die Möglichkeit einer Steigerung der Elektroimpulsbearbeitungsleistung zu erkunden, erwiesen, dass bei konstanter Frequenz allein durch Erhöhung der Stromstärke, eine wesentliche Steigerung der Leistung nicht zu erreichen ist.
So beträgt z. B. für Stahl bestimmter Zusammensetzung bei einer Frequenz von 400 Impulsen/sec der höchstzulässige Strom etwa 500 A und die Grenze der Materialabtragung etwa 7000 mm'/min, wogegen bei höheren Frequenzen diese Grenze niedriger liegt.
Es wurde festgestellt, dass bei sonst gleichen Verhältnissen die in der Arbeitszone nutzbar aufgewendete Energie (d. h. der Wirkungsgrad des Arbeitsprozesses), sowie die erreichbare Abtraggeschwin- digkeit, d. i. die pro Zeiteinheit abgetragene Menge, mit einer Herabsetzung der Impulsfolgefrequenz und einer entsprechenden Steigerung der Impulsenergie anwachsen und eine maximaleAbtraggeschwin- digkeit mit einem Generator erreichbar ist, welcher bei einer Folgefrequenz von 50 bis 300 Hz Impulse mit einer Energie von einigen hundert Wattsekunden erzeugt.
Die Erfindung ist auf das Ziel gerichtet, die Abtraggeschwindigkeit bei Elektroimpulsniederfre- quenzbearbeitung von Metallen wesentlich zu steigern, den spezifischen Energieaufwand herabzusetzen und eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Arbeitsprozesses zu gewährleisten. Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, die Standfestigkeit der Elektrodenwerkzeuge zu erhöhen und die Möglichkeit zu schaffen, in manchen Fällen eine praktisch verschleissfrei Arbeit der Werkzeuge bei Hochleistung zu erzielen.
Dieses Ziel lässt sich mit einem Elektroerosionsverfahren der eingangs erwähnten Art erreichen, bei welchem erfindungsgemäss die Energie der Einzelimpulse der Folge auf einem Wert von mehreren hundert Wattsekunden, gleichzeitig die Impulsdauer r in Abhängigkeit von der Energie der Einzelimpulse
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auf einem nahe dem Wert l liegenden Wert gehalten und dadurch die Abnutzung der Elektroden herabgesetzt und ein Wert der Abtragsgeschwindigkeit zwischen 7000 und mehreren zehntausend mm3/min. erreicht wird.
Die Anwendung solcher Impulsparameter bei Bearbeitung von Formflächen nach Mass, wurde bisher als vollkommen unmöglich betrachtet, u. zw. erstens wegen der Unmöglichkeit der Einhaltung einer einigermassen genauen Elektrodenform bei einer Impulsdauer von mehr als 2000 bis 2000 Mikrosekunden und zweitens infolge der Unstabilität des Arbeitsprozesses bei Erhöhung der Impulsenergie bis auf Hunderte von Wansekunden.
Eine gleichzeitige Erhöhung der Energie und der Dauer der Impulse (welche Parameter, getrennt genommen, nach Überschreitung einer gewissen Grenze, eine Herabsetzung der Geschwindigkeit zur Folge hatten) gestattet es überraschend, die Abtraggeschwindigkeit in nicht zu erwartendem Ausmass zu steigern und. dadurch ein vollkommen unvorhersehbares Ergebnis zu erreichen, nämlich eine Abtraggeschwindigkeit von Zehntausenden mm3/min.
Dabei wird die Leistungserhöhung nicht nur durch die Steigerung des Impulsarbeitsstromes bedingt, sondern auch, u. zw. in noch grösserem Masse, durch die Herabsetzung des spezifischen Leistungsaufwandes im Arbeitsvorgang, was eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades des Prozesses bedeutet.
Bekanntlich führt bei der Elektroimpulsniederfrequenzbearbeitung von Metallen die Verwendung von Impulsen erhöhter Zeitdauer zu einer schnellen Reduzierung von Kohlenstoff aus dem in Bearbeitung befindlichen Werkstoff. Dies hat eine Erhöhung der Standfestigkeit der Elektrodenwerkzeuge zur Folge, welche so wesentlich sein kann, dass beispielsweise bei Elektroden aus graphitiertem Werkstoff wegen der Selbstwiederherstellung ein Verschleiss überhaupt nicht auftritt.
Es ist möglich die Bilanz zwischen Zerstörung und Wiederherstellung der Elektrode nicht nur aufrechtzuerhalten, sondern auch die Wiederherstellung überwiegend zu machen. In diesem Falle findet kein Verschleiss der Elektrode statt, sondern deren Abmessungen vergrössern sich.
Der letztgenannte Umstand ermöglicht eine neue Art der Bearbeitung. Bekanntlich ist eine Bearbeitung von Formflächen nach Mass mittels Wechselstrom praktisch nicht möglich. Einer der Gründe ist der Polaritätseffekt, der sich darin auswirkt, dass eine der Elektroden, nämlich das Werkzeug, das bei einer Elektroimpulsbearbeitung die Anode darstellt, weniger zerstört wird, als die andere. Ein periodischer Wechsel der Polarität führt unter üblichen Verhältnissen zum schnellen Verschleiss des Elektrodenwerkzeuges und gerade zur Bekämpfung dieser Erscheinung war die Anwendung von verhältnismässig komplizierten Generatoren notwendig, welche streng einpolige Impulse erzeugen.
Es hat sich gezeigt, dass es möglich ist. der die Materialabtragung bewirkenden Impulsfolge eine Folge mit entgegengesetzt polarisierten Impulsen von kürzerer Impulsdauer zu überlagern und auf diese Weise die Abnutzung der Werkzeugelektrode zu steuern bzw. die letztere wieder. herzustellen. Es ist nur darauf zu achten, dass die überlagerte Impulsfolge, die im übrigen die gleiche Folgefrequenz aufweist, wie die Folge der Hauptimpulse, dieser gegenüber gehörig verschoben ist, so dass zwischen den Impulsen der beiden Folgen ein deutlich ausgeprägter Abstand geschaffen ist.
Von den Parametern der überlagerten Impulsfolge, nämlich der Dauer und der Energie der Einzelimpulse kann wenigstens einer periodisch oder zeitweilig geändert werden.
Die Anwendung dieser Massnahmen gestattet es, bei der Entladung mit der einen Polarität eine Selbstwiederherstellung des Werkzeuges zu erreichen, welche dessen Abnutzung bei der folgenden Entladung kompensiert.
Als Folge der Möglichkeit einer sprungartigen Leistungserhöhung werden verhältnismässig grosse Einzelteile in das Gebiet der rationellen Anwendung der Elektroimpulsbearbeitung einbezogen. Dies führt aber dazu, dass bei Bearbeitung mittels Impulsen hoher Energien eine geringe Oberflächenreinheit nicht mehr ein Hindernis für die Anwendung von Hochleistungsbedingungen bei Elektroimpulsbearbeitung bildet.
Nachdem dieHö ! 1e derUllebenheiten auf der Erosionsfläche nach einer stufenweise erfolgten Herabsetzung des Abnahmevorganges am Ende der Bearbeitung in den Grenzen von 0, 2 bis 0, 5 mm liegt, und eine hohe Gleichmässigkeit aufweist, wird die nachfolgende Nachbehandlung dieser Fläche wesentlich erleichtert.
Bis heute wurden als Unipolar-Impulsgeneratoren hauptsächlich'elektrische Maschinen verwendet.
In den bekannten statischen Anlagen wurden zur Elektroimpulsbearbeitung von Metallen Impulsgeneratoren mit Ionenstroniwandlern verwendet, die bei einer Frequenz von 50 bis 300 Impulsen pro Sekunde ein Impulsverhältllis von l, 00 bis 5, 0 liefern. Dieselben sind aber unsicher im Betrieb, haben
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eine begrenzte Lebensdauer und neigen zur Rückzündung und andern Störungen.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Impulsgeneratoren können viel einfacher aufgebaut sein. Solche Impulsgeneratoren sind nach einem Merkmal der Erfindung als an sich bekannte magnetisch gesättigte Spitzentransformatoren, mit einer in den die Arbeitselektrode enthal tenden Sekundärkreis verlegten Einweg- oder Vollweggleichrichterschaltung ausgebildet, wobei diese Spitzentransformatoren einen magnetischen Nebenschluss zur Änderung der Impulsfolgefrequenz aufweisen.
Die Generatoren können aber auch anders aufgebaut sein, nämlich im Einklang mit der Erfindung aus mindestens einem Magnetverstärker mit Selbstsättigung und zwei Kernen bestehen, auf denen je eine Arbeitswicklung und eine Steuerwicklung untergebracht, die beiden an eine Wechselstromquelle anschliessbaren Arbeitswicklungen in Serie und an einen Einweg- oder Vollweggleichrichter mit ungesteuerten Ventilen geschaltet und die Steuerwicklungen zum gemeinsamen Speisen von einer Gleichstromquelle ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Generatoren beider Typen sind imstande, Anlagen mit Impulsen von verhältnismässig niedriger Frequenz (50-300 Impulse pro Sekunde), bei praktisch unbegrenzter Leistung derselben, zu versorgen, wodurch eine Erhöhung der Leistung und eine Verminderung des Verschleisses der Werkzeuge erreichbar ist.
Wegen des Wegfalles von Ionen- bzw. Elektronengeräten lässt sich mit solchen Generatoren im Vergleich zu den bekannten statischen Anlagen eine Vereinfachung sowie eine Erhöhung der Sicherheit und der Lebensdauer der gesamten Anlage erzielen.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher beschrieben, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind. In diesen zeigen die Fig. 1-9 Schaltbilder von Impulsgeneratoren mit Spitzentransformatoren und die Fig. 10-14 im Schaltbild Generatoren mit Magnetverstär- kern.
In Fig. 1 ist das Grundschaltbild eines einpoligen Impulsgenerators dargestellt, der aus einem Einphasentransformator und einem Einweggleichrichter besteht.
Die Primärwicklung 1 dieses Impulstransformators befindet sich auf dem ungesättigten Teil 2 und die Sekundärwicklung 4 auf dem gesättigten Teil 3 des Transformatorkemes, welcher mit einem magnetischen Nebenschluss 5 versehen ist. Der magnetische Widerstand kann durch Änderung des Luftspaltes zwischen dem magnetischen Nebenschluss und dem Hauptmagnetleiter des Kernes geregeltwerden. Die Sekundärwicklung 3 ist über einen Gleichrichter 6 und einen Zusatzwiderstand 7 an den Erosionsspalt 8 gelegt.
Der Primärwicklung 1 des Transformators wird eine sinusförmige Spannung zugeführt. Die se- kundäre "Spitzenform"-Spannung wird von der Sekundärwicklung abgegriffen, und mittels des Gleichrichters 6 in eine Folge von einpoligen Impulsen umgewandelt, welche über den Zusatzwiderstand 7 an den Erosionsspalt 8 gelangen. Die Frequenz f dieser Impulsfolge ist der Frequenz des Wechselstromes im Speisenetz gleich.
Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines einpoligen Impulsgenerators, bestehend aus einem Einphasentransformator, und einem Vollweggleichrichter, von welchem an den Erosionsspalt 8 eine Impulsfolge mit der Frequenz 2f abgegeben wird. Eine Impulsfolge gleicher Frequenz wird von dem Generator nach Fig. 3 geliefert, der aus einem Einphasentransformator und einem in Brückenschaltung geschalteten Vollweggleichrichter besteht.
Der in Fig. 4 dargestellte Generator, besteht aus einer Gruppe von drei im Dreieck geschalteten Einphasentransformatoren der beschriebenen Bauart und einemDreiphaseneinweggleichrichter, und erzeugt eine Impulsfolge mit der Frequenz 3f.
Fig. 5 stellt das Schaltbild eines Generators dar, der wieder aus einer Gruppe von drei primärseitig im Stern geschalteten Einphasentransformatoren besteht, an welche ein Dreiphasenvollweggleichrichter angeschlossen ist, an dessen Ausgang eine Impulsfolge mit der Frequenz 6f erhalten wird. Impulse mit gleicher Folgefrequenz lassen sich auch mittels des in Fig. 6 dargestellten Generators erzeugen, welcher aus drei der erwähnten Einphasentransformatoren und einem Dreiphasenvollweggleichrichter in Brückenschaltung aufgebaut ist.
Die Fig. 7 gibt das Schaltbild eines Generators wieder, welcher eine Impulsfolge der Frequenz 3f erzeugt und aus einem Dreiphasenimpulstransformator sowie einem Dreiphaseneinweggleichrichter besteht.
Die in Fig. 8 und 9 im Schaltbild veranschaulichten Generatoren erzeugen Impulsfolgen mit der Frequenz 6f und bestehen je aus einem Dreiphasenimpulstransformator und einem Dreiphasenvollweggleichrichter.
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Die zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Elektroimpulsniederfrequenzbearbeitung von Metallen erforderliche Regelung der Impulsleistung geschieht mittels stufenweise erfolgender Umschaltung von in den Arbeitsstromkreis geschalteten Widerständen (nicht dargestellt) und durch Ände-
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den.
Die Verwendung von Einphasenimpulsgeneratoren empfiehlt sich für eine Bearbeitung mit grossen Stromstärken bei niedriger Frequenz und gewährleistet eine hohe Leistung der Anlage. Dreiphasengeneratoren mit erhöhter Frequenz erweisen sich bei der Fertigbearbeitung der Flächen als vorteilhaft.
Es ist zweckmässig die eben beschriebenen Generatoren bei Mehrfachpositionsanlagen, insbesondere bei automatisch betriebenen Werkabteilungen zu verwenden.
Generatoren nach Art von Magnetverstärkern (Fig. 10-14), können eine in weitem Masse universelle Anwendung finden.
Wie Fig 10 zeigt, sind zwei Wicklungen 9, der Verbraucher 12, nämlich der Erosionsspalt, und ein Gleichrichter z. B. ein Halbleitergleichrichter, in Serie geschaltet. Dem Erosionsspalt kann ein Zusatzwiderstand (nicht dargestellt) vorgeschaltet sein. Diese Kette ist an das speisende Wechselstromnetz gelegt. Jede der Wicklungen 9 ist je auf einem Eisenkern 10 untergebracht, der auch eine Steuerwicklung 13 trägt. Die beiden Steuerwicklungen sind in Reihe und an die Klemmen einer Gleichspannungsquelle geschaltet.
Durch Änderung der Stromstärke in den Steuerwicklungen 13 ist es möglich, im Belastungsstromkreis Stromimpulse mit einem Impulsverhältnis zu erhalten, welches in Abhängigkeit von Änderungen des Steuerstromes variiert, Gleichzeitig ändert sich auch die mittlere Stromstärke im Belastungsstromkreis, wobei eine Verringerung des Belastungsstromes einer Vergrösserung des Impulsverhältnisses entspricht, was eine Erhöhung der Bearbeitungsgüte der Oberflächen zur Folge hat.
Gemäss dem Schaltbild der Fig. 11 ist an das Wechselstromnetz in Serie mit der Belastung 12 und den Wicklungen 9 des Magnetverstärkers ein ; Gleichrichter eingeschaltet, welcher aus vier Ventilen 11 in Brückenschaltung besteht. Dabei werden im Vergleich zur Schaltung nach Fig. 10, die Impulsfrequenz und die mittlere Stromstärke verdoppelt.
Im Schaltbild nach Fig. 12 ist ein Transformator 14 verwendet, dessen Sekundärwicklung eine Mittelpunktanzapfung besitzt. In Serie mit der Transformatorsekundärwicklung liegen die Wicklungen 9 des Magnetverstärkers und die nicht steuerbaren Ventile 11 des Gleichrichters.
Die Belastung 12 ist zwischen den Mittelpunkten der Sekundärwicklung des Transformators und den Wicklungen des Magnetverstärkers geschaltet. Gemäss diesem Schaltbild sind, analog dem vorher erläuterten, die Wicklungen des Magnetverstärkers auf Belastung wechselweise nacheinander geschaltet und die Impulsfrequenz beträgt 2f, wenn f dieFrequenz des Wechselstromes im Speisenetz bedeutet.
Der einpolige Impulsgenerator nach Fig. 13 besteht aus drei Einphaseneinweggeneratoren, welche entsprechend Fig. 10 geschaltet und in Sternschaltung zu einem Dreiphasensystem zusammengeschlossen sind und eine gemeinsame Belastung 12 speisen. Die Impulsfolgefrequenz nach dieser Schaltung beträgt 3f und das Impulsverhältnis ist etwas geringer, als bei Einphasenschaltungen.
Der einpolige impulsgenerator nach der Schaltung der Fig. 14, besteht aus drei Generatoren, welche zu einem Dreiphasensystem mit einem Brückengleichrichter aus sechs ungesteuerten Ventilen 11, die auf eine gemeinsame Belastung 12 arbeiten, zusammengeschaltet sind. Die Impulsfolgefrequenz dieses Generators beträgt 6f.
Bei den mit Vollweggleichrichtung arbeitenden Generatoren nach den Fig. 11, 12 und 14 sind zusätzliche kurzgeschlossene Wicklungen 15 vorgesehen, welche zur Beseitigung der geraden harmonischen Komponenten der Ausgangsspannung des Generators dienen.
Analog wie bei den mit Impulstransformatoren ausgestatteten Generatoren, sind auch bei Generatoren nach Art von Magnetverstärkern Einphasen-und Dreiphasenschaltungen mit Einweggleichrichtern für die praktische Verwendung am zweckmässigsten, da sie es ermöglichen, Stromimpulse grösster Leistung bei höchstem Wert des Impulsverhältnisses zu verwenden, was der höchsten Leistung entspricht.
Schaltungen mit Vollweggleichrichtern sind dort zu bevorzugen, wo eine glattbearbeitete Oberflä-
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che erforderlich ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektroerosionsverfahren zur Materialabtragung bei Metallen mittels einer Folge einpoliger Bo -
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gie der Einzelimpulse der Folge auf einem Wcrt von mehreren hundert Wattsekunden, gleichzeitig die Impulsdauer r in Abhängigkeit von der Energie der Einzelimpulse auf einem zwischen 2000 und mehreren zehntausend Mikrosekunden liegenden Wert und durch Verminderung der Impulsfolgefrequenz das
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den Wert gehalten und dadurch die Abnutzung der Elektroden herabgesetzt und ein Wert der Abtragsgeschwindigkeit zwischen 7000 und mehreren zehntausend mm3/min erreicht wird.