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Verfahren zur elektroerosiven Bearbeitung von stromleitenden Werkstoffen und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektroerosiven Bearbeitung von stromleitenden Werkstoffen, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die elektroerosive Metallbearbeitung mit Strom-Spannungsimpulsen ist an sich bekannt (s. beispielsweise das Buch von A. L. Liwschitz"Die elektroerosive Metallbearbeitung", Verlag" Maschgis ", 1957). Bei diesem Bearbeitungsverfahren bewirken die Strom-Spannungsimpulse ein Verdampfen, Erschmelzen und ein Abtragen des Metalles, sowie ein teilweises Entfernen von Erosionsprodukten aus dem Arbeitsspalt.
Bekannt sind auch Strom-Spannungsimpulserzeuger zur Durchführung dieses Verfahrens. Sie bestehen grundsätzlich aus zwei zu einer Einheit zusammengekoppelten Impulsgeneratoren, von denen einer Impulse liefert, die das Durchschlagen der Funkenstrecke zwischen Werkstück und Werkzeug bei erforderlicher Weite des Arbeitsspaltes ermöglichen und der andere Strom-Spannungsimpulse liefert, die den das Durchschlagen der Funkenstrecke bewirkenden Impulsen folgen und ein Verdampfen, ein Erschmelzen und ein Austragen des Werkstückmetalles aus dem Krater sowie ein teilweises Entfernen von Erosionsprodukten aus dem Arbeitsspalt bewirken. Da die von dem zweiten Generator gelieferten Impulse in ihrer Gesamtheit die genannten Wirkungen hervorrufen, war eine Steuerung der Einzeleffekte bisher nicht möglich.
Der Nachteil bekannter Verfahren liegt grundsätzlich darin, dass die Werkzeugelektrode bei hohen Produktivitäten und Bearbeitungsgüten seht starkem Verschleiss unterworfen ist und die Erosionsprodukte aus dem Arbeitsspalt nicht ganz entfernt werden ; das letztere insbesondere bei Bearbeitung von tiefen Hohlräumen.
Ziel der Erfindung ist die Beseitigung dieser Nachteile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur elektroerosiven Bearbeitung von stromleitenden Werkstoffen zu schaffen, bei denen neben dem Durchschlag der Funkenstrecke bei vorgegebener Weite des Arbeitsspaltes, Verdampfen, Erschmelzen und Austragen des Metalles aus dem Krater und dem teilweisen Evakuieren von Erosionsprodukten aus dem Arbeitsspalt durch jeden Strom-Spannungsimpuls auch der Schutz der Werkzeugelektrode gegen Erosion, das regelmässige endgültige Entfernen von Erosionsprodukten aus dem Arbeitsspalt sowie (bei Bedarf) die Übertragung des Metalles von einer Elektrode auf die andere und die Änderung der Bearbeitungsgüte ermöglicht sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Bearbeitung durch zumindest drei
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Werkstückmetall verdampft, geschmolzen, aus dem Krater befördert und die Erosionsprodukte teilweise aus dem Spalt zwischen den Elektroden entfernt werden, und mit dem dritten Impuls (3) ein Schutz- überzug auf der Oberfläche der Werkzeugelektrode erzeugt wird, und dazu die Spannungsamplitude des ersten Impulses (1) gegenüber der Spannungsamplitude des zweiten Impulses (2) 1, 5 bis 15 mal grösser, die Leerlaufspannungsamplituden des zweiten (2) und dritten Impulses (3) gleich gross, die Stromampli- tude des zweiten Impulses (2) 2 bis 20 mal grösser als diejenige des dritten Impulses (3) und die Strom- amplitude des dritten Impulses (3) 1 bis 100 mal grösser als diejenige des ersten Impulses (1)
gewählt werden. Erfindungsgemäss ist es weiter vorteilhaft, dass zum endgültigen Entfernen von Erosionsproduk- ten aus dem Arbeitsspalt die Bearbeitungmit einem zusätzlichen Strom-Spannungsimpuls vorgenommen wird, wobei diesem zusätzlichen Impuls gegenüber dem Impuls mit dem das Metall verdampft, ge- schmolzen und aus dem Krater befördert wird, eine 5 bis 50 mal grössere Stromamplitude und eine 1 bis 100 mal grössere Spannungsamplitude erteilt wird.
Vorteilhafterweise erfolgt die Bearbeitung mit einer aus lückenlos aufeinanderfolgenden, abwech- selnd auftretenden Einzelimpulsen verschiedener Amplitude bestehende Impulsfolge zum Durchschlagen der Funkenstrecke, Verdampfen, Erschmelzen und Abtragen des Metalles und zur Bildung eines Schutz- überzuges auf der Oberfläche der Werkzeugelektrode und die Anzahl der zur Bildung des Schutzüberzu- ges auf der Werkzeugelektrode bestimmten Impulse wird mit 2 bis 40 gewählt.
Zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der ein
Steuersender einen Zünd-und Starkstromimpulsgenerator gleichzeitig auslöst, die an der Funkenstrecke parallel liegen, wobei der Starkstromimpulsgenerator in Form von zumindest zwei parallellie- genden Schaltstufen ausgebildet ist.
Erfindungsgemäss enthält der Steuersender zumindest drei die Impulse verschiedener Dauer und
Phasenlage erzeugende Niederspannungs-Rechteckimpulsgeneratoren, von denen jeder am Zündgenerator und zumindest an einer der Schalterstufen angeschlossen ist.
Als Niederspannungs-Rechteckimpulsgeneratoren können erfindungsgemäss einphasige monostabile Multivibratoren mit Impulsformern dienen. Sie werden an einem Sperrschwinger angeschlossen und von diesem ausgelöst.
Zwischen einem monostabilen Multivibrator und dem Sperrschwinger kann erfindungsgemäss ein Umschalter eingebaut werden.
Zumindest einer der monostabilen Multivibratoren kann erfindungsgemäss am Sperrschwinger unmittelbar angeschlossen werden. Die übrigen Multivibratoren werden dabei über Differenzierkapazitäten zu einer Reihenschaltung miteinander verbunden und am oben genannten Multivibrator angeschlossen.
Zwischen dem Niederleistungs-Rechteckimpulsgenerator und der Schalterstufe kann erfindungsgemäss eine Koinzidenzschaltung eingebaut werden.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. la den Spannungsverlauf von Impulsen bei dem erfindungsgemässen Verfahren, Fig. lb den Stromverlauf von Impulsen bei dem erfindungsgemässen Verfahren, Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 3 eine elektrische Schaltung des Steuersenders, Fig. 4a den Spannungsverlauf von Ausgangsimpulsen des Sperrschwingers, Fig. 4b den Spannungsverlauf von Ausgangsimpulsen eines der monostabilen Multivibratoren, Fig. 4c, d, e den Spannungsverlauf von Ausgangsimpulsen der übrigen monostabilen Multivibratoren, Fig. 4f denLeerlaufspannungsverlauf der Funkenstrecke, Fig. 4g den Funkenstreckenstromverlauf, Fig.
5 eine elektrische Schaltung von Schaltstufen nach der Erfindung. Fig. 6a die Betriebskennlinien der Ausgangstransistoren der Schalterstufen, Fig. 6b die äussere Belastungskennlinie des Generators.
Die elektroerosive Metallbearbeitung ist das Ergebnis der Einwirkung von regelmässig auftretenden Impulsströmen und -spannungen auf ein durch Werkstück und Werkzeug gebildetes Elektrodensystem, das in einem besonderen Arbeitsmedium angeordnet ist. Die Daten der Strom-Spannungsimpulse werden in Übereinstimmung mit Aufgaben gewählt, die diese Impulse zu erfüllen haben.
So werden beispielsweise für die Initierung des Entladungsweges auf das erwähnte Werkstück-Werkzeug-Elektrodensystem Spannungsimpulse gegeben, deren Höhe zum Durchschlagen der Funkenstrecke bei vorgegebener Weite des Arbeitsspaltes ausreicht. Im nachfolgenden werden diese Impulse Zünd- impulse genannt.
Den Zündimpulsen folgen normalerweise periodische Starkstromimpulse, die eine örtliche Erschmelzung, Verdampfung von bestimmten Metallabschnitten sowie deren Austrag aus dem Krater und zum Teil auch die Entfernung von Erosionsprodukten aus dem Arbeitsspalt bewirken. Diese StromSpannungsimpulse werden hier als Wärmeimpulse bezeichnet.
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Auf das Werkzeug-Werkstück-System können in regelmässiger Folge Stromimpulse aufgebracht werden, die die Bildung eines Schutzüberzuges auf der Oberfläche der Werkzeugelektrode bewirken, der die letztere vor Zerstörung schützt. Die Bildung des Schutzüberzuges wird durch zwangsweise Verschiebung des Entladungsweges gegenüber der Werkzeugelektrode begünstigt, der nach dem Durchschlag der Funkenstrecke entsteht. Diese Verschiebung wird durch Schutzimpulse erreicht.
Der Schutzüberzug besteht aus Produkten der thermochemischen Zersetzung des flüssigen Arbeitsmediums und aus Elektrodenmaterial. Die ersten beiden Impulse bilden keinen Schutzüberzug, da der erste Impulse nur zum Durchschlagen der Funkenstrecke dient und nur von kurzer Dauer ist und der zweite Impuls, der eine relativ grosse Stromamplitude aufweist, sowohl das Werkzeug als auch das Werkstück angreift.
Die Schutzimpulse sind mehrfach kleiner als die Wärmeimpulse und treten in den Pausen zwischen den Wärmeimpulsen auf. Die schroffen Änderungen der Stromstärke ohne Stromunterbrechung führen dazu, dass die Entladung nicht unterbrochen, sondern während der Dauer des Schutzimpulses verdrängt wird.
Die Entladungen, welche durch die in Wärme impulse hervorgerufen sind. bewirken eine intensive thermochemische Zersetzung der Arbeitsmittel, welche sich bei dem angegebenen Verhältnis der Impulskennwerte an der Oberfläche des Werkzeuges ablagern und einen Schutzüberzug bilden.
Die Aufgabe der endgültigen Entfernung von Erosionsprodukten aus dem Elektrodenzwischenraum wird von den Stromspannungsimpulsen erfüllt, die starke Druckwellen erzeugen und die Erosionsprodukte wegtreiben. Diese Impulse werden nachstehend Evakuierungsimpulse genannt.
Je nach der Bearbeitungsart können weiter Spannungs- und Stromimpulse verwendet werden, die beispielsweise die Änderung der erzielbaren Oberflächengüte, die Übertragung des Werkstoffes u. ä. ermöglichen.
Somit wird im allgemeinen Fall das Elektrodensystem Werkstück-Werkzeug der Wirkung von n (n = 1, 2, 3....) Arten den Strom-Spannungsimpulsen ausgesetzt, von denen jeder durch bestimmte Dauer, Amplitude und Spannungs- und Stromverlauf sowie durch seine Häufigkeit gekennzeichnet ist, die in Übereinstimmung mit der ihm zugeordneten Aufgabe gewählt sind.
Im Sonderfall, der nun nachstehend eingehender behandelt werden soll, wo nur die Aufgaben wie Einhaltung der erforderlichen Weite des Elektrodenzwischenraumes, der Verdampfung, Erschmelzung und Austragung des Metalls, der teilweisen Entfernung von Erosionsprodukten aus dem Arbeitsspalt, der
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tigen Entfernung der Erosionsprodukte aus dem Elektrodenzwischenraum erfüllt werden sollen, werden nur 4 Arten von Strom-Spannungsimpulsen verwendet, u. zw. Zündimpulse-'l- (Fig. la, lb), Wärmeimpulse --2--, Schutzimpulse --3-- und Evakuierungsimpulse --4--.
Die ersten drei Impulsarten sind zu einem mehrfachen Impuls vereinigt, der einen entsprechenden Strom- und Spannungsverlauf aufweist. Ein solcher mehrfacher Impuls setzt sich aus demZündspan- nungsimpuls --1-- an der Vorderflanke und einer Mehrzahl von lückenlos aufeinanderfolgenden und abwechselnd auftretenden Wärmeimpulsen --2- mit relativ hoher Amplitude und Schutzstromimpulsen - mit relativ niedriger Amplitude zusammen. Die Schutzimpulse -3-- treten somit in den Pausen zwischen den Wärmeimpulsen --2-- auf. Sie verschieben den Entladungsweg auf den Elektrodenoberflächen. Die beschriebenen mehrfachen Stromimpulse werden in Serien (Folgen) über die Funkenstrekke geschickt.
In den Pausen zwischen diesen Impulsfolgen werden Strom-Spannungsimpulse zur endgültigen Entfernung der Erosionsprodukte an die Funkenstrecke gelegt.
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Darin bezeichnen ti die Dauer des mehrfachen Impulses, tp die Pause zwischen den mehrfachen Impulsen, t'die Dauer des Wärmeimpulses -2--, t" die Dauer des Schutzimpulses --3--, T der Abstand zwischen den Folgen aus mehrfachen Impulsen, Il die Stromamplitude der Evakuierungsimpulse --4--, I2 die Stromamplitude der Wärmeimpulse --2--, Ig die Stromamplitude der Schutzimpulse --3--, I4 die Stromamplitude der Zündimpulse U1 die Spannungsamplitude der Evakuierungsimpulse --4-,
U2 die Spannungsamplitude der Zündimpulse-l-, U, die Spannungsamplitude der Wärmeimpulse""Z-und der Schutzimpulse --3-.
Die Einrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens der elektroerosiven Metallbearbeitung durch Strom-Spannungsimpulse besteht grundsätzlich aus einem Steuersender-5- (Fig. 2), einer Gruppe von Paketschaltern, mehreren identischen Schalterstufen --7',7",7"' usw., einer Trenndiode --8--, einem Zündimpulsgenerator-9-und einer Einheit --10-- zur Beseitigung von Kurzschlüssen an der Funkenstrecke. Die Schalterstufen --7-- und der Generator --9-- sind von den Gleichspannungsquellen --11 und 11'-gespeist.
Einzelheiten des Steuersenders --5-- sind aus Fig. 3 ersichtlich. Er enthält einen Sperrschwinger
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sen sind.
Die in Fig. 5 ausführlich dargestellte Gruppe von Schaltstufen besitzt am Eingang eine Koinzidenz- schaltung-15-, an der Leistungsvorverstärker --16-- angeschlossen sind, die mit den Basen von Transistoren --17-- der Schaltstufen über Transformatoren-25-verbunden sind.
Der Zündgenerator --9-- (Fig.2) hat ebenfalls am Eingang eine Diodenkoinzidenzschaltung. Vor- verstärker und parallelliegende Schaltstufen (in den Zeichnungen nicht gezeigt).
Die beschriebene Einrichtung hat folgende Wirkungsweise.
DerSperrschwinger--12--erzeugtImpulse, diediemonostabildenMultivibratoren--14--steuern.
Die Folgefrequenz der Auslöseimpulse ist durch Verstellung eines Widerstandes -18-- im Entla-
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bilen Multivibratoren --14-- wird durch die Kapazität von Kondensatoren --20',20",20'''-- und Widerständen--21'. 21''and21"'--bestimmt.
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halten.
Die von den Impulsformern ankommenden Rechteckimpulse gelangen über Paketschalter --6-- auf die Eingänge der Leistungsvorverstärker --16--.
Die vom Generator --5-- ankommenden Impulse können aber nur dann die Schalterstufen-7-auslösen, wenn die Funkenstrecke nicht kurzgeschlossen ist. Tritt an der Funkenstrecke ein Kurzschluss
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Die Beschickung der Funkenstrecke mit Impulsen wird erst wieder aufgenommen, sobald der Kurzschluss beseitigt ist.
Die Schalttransistoren-17-werden in zwei Betriebszuständen betrieben, je nachdem ob die Funkenstrecke kurzgeschlossen ist oder nicht. Bei normaler Impulsentladung durch die Funkenstrecke dienen als Belastung der Transistoren --17-- strombegrenzende Widerstände --23-- (Fig. 5) und der äquivalente Widerstand der Funkenstrecke. Dabei werden die Transistoren zwischen Punkten A (Sperrgebiet) und B (Sättigungsgebiet) ausgesteuert (Fig. 6a, Kennlinie AB). Die Daten der Eingangsstromkreise werden aber so gewählt, dass die Schalttransistoren --17-- beim Kurzschluss der Funkenstrecke zwischen Punkten A' (Sperrgebiet) und B' (aktives Gebiet) ausgesteuert werden (Fig. 6a, die Kennlinie A'B'), bis die
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Diese Tatsache bestimmt den Verlauf der äusseren Belastungskennlinie der Einrichtung, die aus Fig. 6b ersichtlich ist.
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Die zuverlässige Funktion der Schalttransistoren-17- (Fig. 5) bei hohen Schaltfrequenzen ist nur dann möglich, wenn ihre Schaltzeiten hinreichend klein sind. Wird diese Bedingung nicht eingehalten, so können Überhitzung und Ausfall die Folge sein.
Die Zeit des Überganges der Transistoren-17-aus dem Sperrzustand in den Sättigungszustand, d. h. die Einschaltzeit, ist umgekehrt proportional der Amplitude der Basisöffnungsstromimpulses und verhältnisgleich der Flankendauer des Basisstromes.
Die Zeit des Überganges des Transistors aus dem Sättigungszustand in den Sperrzustand, d. h. seine Ausschaltzeit, ist bestimmend und wird hauptsächlich durch die Diffusionsgeschwindigkeit der Minoritätsträger im Basisgebiet bedingt. Zur Verringerung dieser Zeit ist ein Spannungsimpuls erforderlich, der positiv gegenüber dem Emitter (beim pnp-Transistor) ist und eine steile Flanke hat. Dieser Impuls wird der Basiszone über einen kleinen Widerstand zugeführt.
Aus diesen Gründen erfolgt die Umschaltung von Schalttransistoren --17- über Hochfrequenz-
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Der Übergang des Transistors --24-- in den Sperrzustand wird beispielsweise mit einem Stromimpuls mit steiler Flanke im Basisstromkreis des Transistors --17-- begleitet. Dieser Impuls bringt den Transistor --17- in den Sättigungszustand. Wie aus der Schaltung ersichtlich ist, ist das Emitterpotential des Transistors --24-- positiv gegenüber dem Emitterpotential des Transistors-17-. Daher tritt beim Übergang des Transistors --24- in den Sättigungszustand ein gegenüber dem Emitter des Tran- sistors-17-positives Spannungsgefälle auf, das an der Basis des letzteren über einen kleinen Widerstand (in der Grössenordnung von 1 Ohm) "Emitter-Kollektor" des geöffneten Transistors --24- wirksam wird.
Hiebei ist der Strom des Transistors --17- im geschlossenen Zustand etwa seinem Kollektorsperrstrom gleich.
Die positive Rückkoppelung erzeugt während des Schaltvorganges zusätzliche Impulse an der Basis des Transistors --17-, die zur weiteren Herabsetzung der Schaltzeit beitragen.
Wie aus der Schaltung des Steuersenders (Fig. 3) leicht verständlich ist, sind die monostabilen Mul- tivibratoren --14', 1411, 14"'-- bei der in den Zeichnungen dargestellten Stellung der Umschalter--13', 13", 13'''-- über Differenzierkampazitäten --28',28'',28'''-- am Sperrschwinger --12-- angeschlossen und werden durch die von diesem erzeugten Impulse nacheinander angestossen. Bei Umstellung der
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nen über Paketschalter --6-- in beliebiger Kombination an die Ausgänge des Steuersenders --5- ange- schlossen werden.
Ein solcher Aufbau der Schaltung ermöglicht es, einen beliebigen Stromverlauf der durch die Funkenstrecke geschickten Impulse einzustellen.
Der Leerlaufspannungsverlauf und der Verlauf des die Funkenstrecke durchfliessenden Stromes, wie sie in Fig. 4g, 4f dargestellt sind, können beispielsweise erreicht werden, wenn drei monostabile Multi-
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5, 4a)Schalterstufe --7'- am Ausgang II (Fig. 4c), die Schalterstufe --7"-- am Ausgang III (Fig. 4d) und die übrigen Schalterstufen am Ausgang IV (Fig. 4e) angeschlossen werden.
Durch Änderung der Impulsdauer der monostabilen Multivibratoren-14-, der Folgefrequenz der Sperrschwingerimpulse und durch Umstellung der Schalter-13', 13", 13"'-lässt sich ein beliebig anderer Stromverlauf einstellen.
Das beschriebene Verfahren und die Einrichtung zur elektroerosiven Metallbearbeitung ermöglichen eine Steigerung der Arbeitsproduktivität und eine beträchtliche Herabsetzung der Verschleisses von Werk- zeugelektroden sowohl bei Schrupp- als auch bei Schlichtarbeiten, so dass viele Erzeugnisse nun mit einer einzigen Werkzeugelektrode bearbeitet und ihre Herstellungskosten herabgesetzt werden können.
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