Vorichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit elektrischem Strom
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit elektrischem Strom.
Es sind Vorrichtungen zur Bearbeitung von Werkstücken mit elektrischem Strom bekannt. Jedoch haben diese bekannten Vorrichtungen den Nachteil, dass sie Elektroden aufweisen, die während der Bearbeitung der Werkstücke verbraucht werden. Demzufolge wird die Genauigkeit der Bearbeitung unvermeidbar beeinträchtigt, wenn die Elektroden durch wiederholte Arbeit der Vorrichtung abgenutzt werden. Um den Verbrauch der Elektrode so gering wie möglich zu halten, wurde vorgeschlagen, Stromimpulse anzuwenden, die eine lange Dauer, beispielsweise 100 M5 (Mikrosekunden) bis zu mehreren Tausendstelsekunden haben, wenn die Bearbeitung mittels elektrischen Entladungen vorgenommen wird.
Mit solchen pulsierenden Strömen kann der Elektrodenverbrauch auf 10 bis 1% gegenüber den herkömmlichen Verfahren vermindert werden, wobei jedoch die Oberflächenrauhigkeit des fertigen Werkstücks auf etwa 10 juHrelax begrenzt ist und die Abnutzung der Kanten an der Elektrode nicht vermieden werden kann. Es ist äusserst schwierig, den Elektrodenverbrauch völlig auszuschliessen.
In Anbetracht dieses unvermeidbaren Elektrodenverbrauchs ist es üblich, zwei Arten von Elektroden anzuwenden, und zwar Elektroden für die Vorbearbeitung und Elektroden zum Schlichten. Die Verwendung dieser beiden Elektrodenarten macht es erforderlich, die Elektroden während der Bearbeitung eines Werkstücks oder von Werkstücken auszuwechseln, womit ein zusätzlicher Zeit- und Arbeitsaufwand verbunden ist. Die Herstellung oder Lagerung der beiden Elektrodenarten führt ausserdem zu einer Erhöhung der Bearbeitungskosten. Zusätzlich kann das Auswechseln der Elektroden eine Veränderung der Relativstellung zwischen Elektrode und Werkstück zur Folge haben, worunter die Genauigkeit der Arbeit leiden kann.
Anderseits unterscheidet sich das elektrolytische Verfahren vom Entladeverfahren dadurch, dass die Elektroden beim ersteren nicht verbraucht werden, so dass die Elektrode beim elektrolytischen Verfahren nicht ausgewechselt oder gedreht werden muss. Beim elektrolytischen Verfahren sind jedoch Mittel erforderlich, die eine ausreichende Elektrolytmenge unter vergleichsweise hohem Druck, beispielsweise eine wässrige Lösung von Natriumchlorid oder Natriumnitrid, an die Bearbeitungsstelle heranbringen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung für die oben genannte Bearbeitung zu schaffen, welche die Schwierigkeiten, die bei den herkömmlichen Vorrichtungen auftreten, überwindet.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mit elektrischem Strom ist gekennzeichnet durch eine Elektrode; einen Elektrodenhalter, der die Elektrode bewegbar hält; einen Elektrodenantrieb, mit dem die Elektrode gegenüber dem Elektrodenhalter bewegt wird; einen weiteren Antrieb, mit dem der Elektrodenhalter gegenüber einem Werkstück bewegt wird; und Mittel zur Lieferung elektrischen Stromes, welcher durch einen die Elektrode und das Werkstück enthaltenden Stromkreis fliesst.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Elektrode, die bei einer Bearbeitungsvorrichtung angewandt werden kann,
Fig. 2 ein Vertikalschnitt durch die Elektrode gemäss Fig. 1,
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Elektrodenhalters, der bei der Vorrichtung verwendet werden kann,
Fig. 4 ein Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3,
Fig. 5 eine schematische Darstellung, welche die Art, in der ein Werkstück mit einer Vorrichtung bearbeitet wird, veranschaulicht,
Fig. 6 ein Schnitt nach der Linie VI-VI in Fig. 5,
Fig. 7 eine Seitenansicht einer Elektrode, die Bestandteil einer weiteren Vorrichtung ist,
Fig. 8 ein Schnitt nach der Linie VIII-VIII in Fig. 7,
Fig.
9 eine Seitenansicht eines Führungselementes für eine lineare Elektrode, das bei einem Ausführungsbeispiel angewandt werden kann,
Fig. 10 eine Seitenansicht einer elektrolytischen Elektrode und eines Elektrodenhalters bei einem weiteren Ausführungsbeispiel und
Fig. 11 ein Schnitt nach der Linie XI-XI in Fig. 10 in vergrössertem Massstab.
Gleiche Teile sind in den Zeichnungen und in der Beschreibung mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Fig. 1 bis 6 und insbesondere Fig. 1 und 2 zeigen eine ringförmige Elektrode 1, die genau kreisförmig ist und einen runden oder rechteckigen Querschnitt aufweist. Der einfache Aufbau gestattet es, die ringförmige Elektrode 1 in Massenfertigungsverfahren herzustellen, wobei ihr äusserer Durchmesser a, ihre radiale Dicke b und ihre axiale Dicke c sehr präzise Abmessungen erhalten. Für die Herstellung der ringförmigen Elektrode 1 können verschiedene übliche Elektrodenmaterialien, wie Stahl, Kupfer, Messing, Aluminium, Silber Wolfram, Graphit und andere elektrisch leitfähige Stoffe, einschliesslich elektrisch leitenden Kunstharzen, verwendet werden.
Ein wichtiges Merkmal der ringförmigen Elektrode 1 besteht darin, dass, wenn sie während der Bearbeitung eines Werkstücks 2 teilweise verbraucht oder rauh geworden ist, ein unverbrauchter Teil von ihr leicht anstelle des verbrauchten oder aufgerauhten Teiles in den Bearbeitungsbereich am Werkstück 2 gebracht werden kann, indem die ringförmige Elektrode lediglich gemäss dem Pfeil AB in Fig. 3 ein Stück weit um ihre Achse gedreht wird.
Die einfache Ausführung der ringförmigen Elektrode gestattet es auch, in der Vorrichtung im Gegensatz zu den bekannten Elektroden, bei denen zur Befestigung Schrauben, die mit entsprechenden Mitteln eines Elektrodenhalters in Eingriff gebracht werden, erforderlich sind, die Elektrode schnell und einfach auszuwechseln. Die ringförmige Elektrode 1 ist zum automatischen Anbringen und Abnehmen besonders geeignet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel steht eine Rolle 8 mit dem obersten Punkt der inneren Um fangsfläche der ringförmigen Elektrode 1 in Eingriff.
Der oberste Punkt der Rolle 8 dient als fester Bezugspunkt, so dass zwischen der Elektrode 1 und dem Werkstück 2 unabhängig von der Winkelstellung der Elektrode 1 gegenüber der Rolle 8 ein konstanter Abstand aufrechterhalten werden kann. Dadurch wird eine hohe Genauigkeit des Verfahrens gewährleistet. Wenn beispielsweise eine ringförmige Elektrode 1 mit rechteckigem Querschnitt verwendet wird, kann eine sehr genaue Nut leicht hergestellt werden.
Fig. 3 und 4 zeigen eine mit elektrischen Entladungen arbeitende Vorrichtung. Ein Elektrodenhalter weist einen Zylinder 4 auf, in dem ein hydraulisch betätigter Kolben 5 untergebracht ist. Der Kolben 5 weist zwei sich nach unten erstreckende Kolbenstangen St und 5s auf, an deren unterem Ende - jeweils eine seitliche Welle 6 derart befestigt ist, dass sie sich, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, in Richtung der Y-Achse erstreckt. Zwei nachgiebige Rollen 7, die aus einem geeigneten Metall, Gummi oder synthetischen Harz bestehen, sind jeweils auf den Wellen 6 gelagert. Eine dritte Rolle 8 ist unter der die Mittelpunkte der Rollen 7 verbindenden Linie angeordnet. Der Mittelpunkt der Rolle 8 liegt auf einer Seitenhalbierenden, die zu der die Mittelpunkte der beiden Rollen 7 verbindenden Linie vertikal verläuft.
Eine ringförmige Elektrode 1 des vorstehend beschriebenen Aufbaus wird drehbar zwischen den beiden Rollen 7 und der dritten Rolle 8 gehalten, wobei eine der Rollen 7 über zwei Zwischenrollen 10, 11 und von einem Motor 9 angetrieben wird, damit die ringförmige Elektrode 1 in den mittels des Pfeiles AB in Fig. 3 veranschaulichten beiden Richtungen um ihre Achse angetrieben wird.
Um bei der vorstehenden Bearbeitungsvorrichtung die ringförmige Elektrode 1 auszuwechseln, wird ein Hochdruckmedium mittels eines hydraulischen Steuermittels (nicht dargestellt) durch einen Kanal 12 in eine unterhalb des Kolbens 5 liegende untere Zylinderkammer 41 geleitet. Dadurch bewegt sich der Kolben 5 nach oben, was mittels des Pfeiles CD in Fig. 4 veranschaulicht ist. Der Elektrodenhalter 3 weist zwei Führungsschlitze 14 auf, um die vertikale Auf- und Abbewegung des Kolbens 5 durch Angreifen an die Rollen 7, welche über die Kolbenstangen 51 und 58 am Kolben befestigt sind, zu führen. Dadurch erhöht sich der Abstand zwischen den Rollen 7 und der dritten Rolle 8, damit die ringförmige Elektrode 1 mittels eines nicht dargestellten geeigneten Hilfswerkzeuges abgenommen werden kann.
Nachdem eine neue ringförmige Elektrode 1 auf die dritte Rolle 8 gelegt wurde, kann über einen weiteren Kanal 13 Hochdruckmedium in eine obere Zylinderkammer 4; geleitet werden, damit der Kolben 5 gesenkt und die neue ringförmige Elektrode 1 sicher und drehbar zwischen den Rollen 7 und der dritten Rolle 8 gehalten wird.
Dann wird der Elektrodenhalter 3 mittels eines nicht dargestellten geeigneten Antriebsmittels vertikal bewegt, damit die ringförmige Elektrode ordnungsge- mäss an das Werkstück 2 herangebracht wird, um das letztere zu bearbeiten. Wenn das Werkstück 2 bearbeitet wird und dabei die Elektrode 1 so verbraucht wird, dass keine genaue Bearbeitung mehr möglich ist, kann eine neue Oberflächenpartie der ringförmigen Elektrode 1 in Bearbeitungsstellung am Werkstück 2 gebracht werden, indem die Elektrode mittels des Motors 9 über die beiden Zwischenrollen 10, 11 und eine der Rollen 7 angetrieben wird.
Fig. 5 und 6 zeigen eine als Fräsmaschine arbeitende Vorrichtung. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, dreht sich ein Elektrodenhalter 3, der dem in Fig. 3 und 4 dargestellten ähnelt, um seine Z-Achse, um eine Oberflächenpartie eines Werkstücks 2 genau zu bearbeiten.
Im Vergleich zu einem herkömmlichen Stirnfräser ist die dargestellte Fräsmaschine leistungsfähiger, weil sie entlang einer Nut fräst. Ausserdem erzeugt die dargestellte Fräsmaschine weniger geschnittenes Material als eine herkömmliche Stirnfräsmaschine.
Wenn die ringförmige Elektrode 1 bei der Vorrichtung gemäss Fig. 6 zusammen mit dem Elektrodenhalter 3 vertikal entlang der Y-Achse bewegt wird, kann am Werkstück 2 eine gekrümmte Oberfläche hergestellt werden. Wenn der Elektrodenhalter 3 zusätzlich mittels einer Profil- oder Digitalsteuereinrichtung (nicht dargestellt) in drei Richtungen, d. h. über die X-, die Y- und die Z-Achse bewegt wird, ergibt sich eine vollautomatische Fräsmaschine, die eine dreidimensionale Bearbeitung mittels elektrischer Entladungen ausführen kann. Bei der Bearbeitung unter Drehen der ringförmigen Elektrode 1 treten die Entladungen über die ganze Oberfläche des im Bearbeitungsbereich liegenden Elektrodenabschnittes auf, wodurch auch die innere Seite der ringförmigen Elektrode, welche als Bezugsseite wirkt, abgenützt wird.
Demgemäss kann in einigen Fällen ein Austausch der Elektrode durch eine unverbrauchte Elektrode erforderlich sein, um eine genaue Schlichtarbeit durchzuführen.
Fig. 7 bis 9 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel.
Anstelle der ringförmigen Elektrode 1 des oben be schrieben en Ausführungsbeispieles wird eine lineare Elektrode ii derart über ein Führungselement 31 geführt, dass deren Aussenseite einem Werkstück 2 zugekehrt ist. Ein unverbrauchter Teil der Elektrode 11 kann dem Führungselement 3r leicht zugeführt werden, wenn der im Einsatz stehende Abschnitt durch die Bearbeitung des Werkstücks 2 verbraucht worden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Profil des Führungselementes entsprechend der gewünschten Form des fertigen Werkstücks 2 beispielsweise bogenförmig oder rechteckig gestaltet sein. Auf Grund der Bewegung des Führungselementes 31 des Elektrodenhalters 3 bewegt sich bei der Bearbeitung auch die lineare Elektrode 13 gegenüber dem Werkstück 2.
Der Querschnitt der linearen Elektrode 11 kann rechteckig, dreieckig oder ellipsenförmig sein, und die Elektrode kann aus dem gleichen Material wie oben im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 beschrieben bestehen. Mit einer derartigen linearen Elektrode lt kann eine sehr genaue Bearbeitung des Werkstücks 2 vorgenommen werden, weil immer eine ungebrauchte Oberfläche der Elektrode mit dem Werkstück 2 in Arbeitskontakt gebracht werden kann, indem die Elektrode 11 auf die vorstehend beschriebene Weise automatisch zu ihrem Führungselement 31 geführt wird.
Der oberste Punkt S an der Rolle 8, welche das Führungselement 3t für die Elektrode zusammen mit zwei zusammenwirkenden Rollen 7 hält, kann als Bezugspunkt dienen, um den Abstand T zwischen dem Punkt S und der Arbeitsfläche des Werkstücks 2 festzulegen. Wenn dieser Abstand T genau eingestellt ist, kann das Werkstück 2 präzis bearbeitet werden.
Wenn eine lineare Elektrode 1i mit rechteckigem Querschnitt verwendet wird, kann am Werkstück 2 eine genaue Nut geformt werden. Entsprechend kann eine genaue V-Nut geformt werden, wenn eine lineare Elektrode 1i mit dreieckigem Querschnitt verwendet wird.
In Fig. 7 wirkt das Führungselement 31 des Elektrodenhalters 3 während des Bearbeitungsvorganges ausserdem als Teil des Stromkreises, da es zur Weiterleitung des elektrischen Stromes an die Elektrode 1r dient. Das Führungselement 3r für die lineare Elektrode lt kann kreisförmig, U-förmig oder ellipsenförmig sein, was vom jeweiligen Verwendungszweck abhängt. Wenn ein kreisförmiges Führungselement 3z, wie in Fig. 7 gezeigt, verwendet wird, kann sich dieses, indem es zwischen den beiden Rollen 7 und der Rolle 8 gehalten wird, um seine Achse 0 drehen, wobei, wie im Falle des ersten Ausführungsbeispieles, eine der Rollen 7 von einem Motor 9 über Zwischenrollen 10 und 11 angetrieben wird.
Die lineare Elektrode 11 wird von einer Spule 18 abgezogen und über eine Führungsrolle 15, das Führungselement 3i und eine weitere Führungsrolle 16 zu einer Aufnahmespule 17 geführt. Die beiden Rollen 7 können ähnlich wie beim früher beschriebenen Ausführungsbeispiel mit Hilfe hydraulischer Mittel (nicht dargestellt) vertikal auf und ab bewegt werden. Der Mechanismus zum Antreiben unrunder Führungselemente 31 für die lineare Elektrode 11 ist für Fachleute offensichtlich, und Einzelheiten eines derartigen Mechanismus brauchen hier nicht behandelt zu werden.
Bei der Bearbeitungsvorrichtung gemäss Fig. 7 kann das Führungselement 31 für die Elektrode (das auch als Elektrodenabschnitt wirken kann) mittels einer hydraulischen Steuereinrichtung (nicht dargestellt) leicht ausgewechselt werden. Die Rollen 7 werden in Rich- tung des Pfeiles C angehoben, indem ein die Rollen tragender Kolben 5 durch Zufuhr von Hochdruckmedium zur unteren Seite (Kammer 4; in Fig. 4) des Kolbens 5 durch einen Kanal (12 in Fig. 4) bewegt wird. Nachdem die Rollen 7 entlang den Führungsschlitzen 14 angehoben wurden, um den Abstand zwischen den Rollen 7 und der dritten Rolle 8 zu erhöhen, kann das Führungselement 31 entfernt und ein neues Führungselement 31 mittels eines geeigneten Werkzeuges auf die Rolle gelegt werden.
Das neue Führungselement 3l für die lineare Elektrode kann am Elektrodenhalter 3 befestigt werden, indem die Rollen 7 zusammen mit dem Kolben 5 durch Zufuhr von Hochdruckmedium zur oberen Seite (Kammer 42 in Fig. 4) durch einen Kanal (13 in Fig. 4) gesenkt werden. Dann wird die lineare Elektrode 11 über die Führungsrollen 15 und 16 gelegt und auf der unteren Umfangsfläche des Führungselementes 31 aufgelegt. Eine geeignete automatische Zuführeinrichtung (nicht dargestellt) kann verwendet werden, um die lineare Elektrode 11 auf ihr Führungselement 31 aufzubringen. Die Elektrode 11 am Führungselement 31 kann in eine geeignete Arbeitsstellung gegenüber dem Werkstück 2 gebracht werden, indem der Elektrodenhalter 3 mittels eines Antriebsmechanismus (nicht dargestellt) bewegt wird.
Wenn das Führungselement 3r von dem Motor 9 über die Zwischenrollen 10, 11 und die Rolle 7 in Drehung versetzt wird, folgt die lineare Elektrode 11 der Bewegung des Führungselementes 31 auf Grund der zwischen beiden bestehenden Reibung, so dass stets ungebrauchte Abschnitte der Elektrode 11 in die Arbeitsstellung gegenüber dem Werkstück 2 gebracht wird. Um auf die Elektrode 11 eine geeignete mechanische Vorspannung auszuüben, ist es möglich, die Spulen 17, 18 in Fig. 7 in passender Weise anzutreiben bzw. zu bremsen.
Wenn sich bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Elektrodenhalter 3 vertikal auf und ab bewegt, während elektrischer Strom durch das Führungselement 31 fliesst, kann am Werkstück 2 eine Nut gebildet werden. Wenn der Elektrodenhalter gemäss Fig. 7 in der Blattebene in Richtung der X-Achse angetrieben wird, wird am Werkstück 2 eine gekrümmte Fläche gebildet. Wenn eine geeignete Profil- oder Digitalsteuereinrichtung (nicht dargestellt) verwendet wird, um den Elektrodenhalter 3 in drei Richtungen bzw. über die X-, die Y- und die Z-Achse zu bewegen, während der linearen Elektrode 11 über das Führungselement 31 elektrischer Strom zugeführt wird, kann eine vollautomatische dreidimensionale Bearbeitungsvorrichtung erzielt werden.
Bei dreidimensionaler Bearbeitung treten die elektrischen Entladungen nicht nur an der äusseren oder unteren Fläche der linearen Elektrode 11, sondern auch an ihrer inneren oder oberen Fläche auf. Auf Grund des bei einem derartigen Entladungsvorgang vorliegenden erhöhten Elektrodenverbrauches ist es vorzuziehen, kontinuierlich verbrauchte Teile der linearen Elektrode
11 an den Arbeitsbereich des Führungselementes 31 zu fördern. Es ist einer der wichtigen Vorteile der Vorrichtung, dass eine derartige kontinuierliche Förderung der ungebrauchten linearen Elektrode lt ohne weiteres vor genommen werden kann, indem lediglich das Führungs element 31 für die Elektrode rotiert wird.
Um eine hohe Genauigkeit der Bearbeitung zu gewährleisten, kann die Stellung des Führungselementes 31 gegenüber dem Werkstück 2 durch Einstellen der Lage des Bezugspunktes an der obersten Stelle der Rolle 8 genau gesteuert werden. Das Führungselement kann nach wiederholten Bearbeitungsvorgängen gegebenenfalls ausgewechselt werden. Für Fachleute ist ausserdem offensichtlich, dass eine höhere Genauigkeit der Entladungsbearbeitung erreicht werden kann, wenn ein Bezugspunkt festgelegt wird, der nicht an der obersten Stelle der Rolle 8, sondern an irgendeiner andern geeigneten Stelle des Elektrodenhalters 3 liegt.
Wenn beispielsweise die Achse O des Führungselementes 31 als Bezugspunkt verwendet wird, kann die Gefahr von Dimensionsfehlern auf Grund des Verbrauchs der inneren Umfangsfläche des Führungselementes 3t, die mit dem obersten Punkt der Rolle 8 in Berührung steht, völlig ausgeschlossen werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 bis 7 werden drei Rollen 7, 7 und 8 verwendet, um die ringförmige Elektrode 1 oder das Führungselement 31 für die Elektrode drehbar aufzunehmen. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf eine solche Anordnung.
Hier sollte jedoch beachtet werden, dass beim Transportieren der linearen Elektrode 11 ohne Drehen des Führungselementes 31 genau darauf geachtet werden muss, dass auf die lineare Elektrode 11 keine zu hohe mechanische Spannung ausgeübt wird, da sie sonst rei ssen könnte.
Fig. 9 zeigt ein Beispiel eines unrunden Führungselementes 31 für die lineare Elektrode 11.
Die Fig. 10 und 11 zeigen eine elektrolytische Bearbeitungsvorrichtung. Eine ringförmige Elektrode 12 besteht aus dem gleichen Material wie beim Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 1 und 2. Der Querschnitt der ringförmigen Elektrode 12 kann jede geeignete Form, beispielsweise Kreisform oder Rechteckform, haben. Am oberen Ende der ringförmigen Elektrode 12 ist eine Einspanneinrichtung 19 befestigt, die in geeigneter Weise, beispielsweise mittels eines konischen Schaftes oder eines Gewindeschaftes, an einem Elektrodenhalter 3 befestigt werden kann. Das untere Ende der ringförmigen Elektrode 12 ist einem Werkstück 2 zugekehrt. In der ringförmigen Elektrode 12 ist ein Kanal 20 eingeformt, dessen eines Ende geschlossen ist, während sein anderes Ende am äusseren Ende eines Flansches 191 der Einspanneinrichtung 19 mündet.
Die ringförmige Elektrode 12 weist mehrere Öffnungen 22 auf, über die der Kanal 20 mit der Aussenseite in Verbindung steht. Das offene Ende des Kanals 20 am Flansch 191 ist an einem Ausgang 21 eines nicht dargestellten Elektrolyttanks angeschlossen, und der vom Elektrolyttank an den Kanal 20 abgegebene Elektrolyt fliesst durch die Öffnungen an der Umfangsoberfläche der ringförmigen Elektrode 12 ab. Mit anderen Worten: bei der elektrolytischen Bearbeitung mit der ringförmigen Elektrode 12 fliesst während des Arbeitsvorganges aus dieser kontinuierlich Elektroflüssigkeit ab. Beim vorliegenden Bearbeitungsvorgang ist es wichtig, dass der Druck des Elektrolyten im Arbeitsspalt überall gleich hoch ist.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 10 wird die Elektrode 12 von zwei diametral gegenüberliegenden Punkten des Flansches 191 der Einspanneinrichtung 19 der Elektrode mit dem Elektrolyten gespeist, damit der gewünschte Druckausgleich erzielt werden kann.
Unter Bezugnahme auf Fig. 11 ist zu sagen, dass es in bestimmten Fällen wünschenswert ist, den Elektrolyten nur in ausgewählten Richtungen austreten zu lassen. Zu diesem Zweck sind in der ringförmigen Elektrode 1; mehrere Kanalabschnitte 201, 202, 203, und 204 vorgesehen, wobei mehrere in verschiedenen Richtungen laufende Öffnungen 221, 22.., 22s und 224 derart angeordnet sind, dass der Elektrolyt aus jedem der Kanalabschnitte in eine gewählte Richtung ausgestossen wird.
Mittels geeigneter Pumpen (nicht dargestellt) und Ventile (nicht dargestellt) kann, was für Fachleute offensichtlich ist, die Richtung des Elektrolytausstosses leicht gesteuert werden. Während beispielsweise im Laufe der elektrolytischen Bearbeitung die ringförmige Elektrode 12 rechtwinklig zur Ebene der Fig. 11 bewegt wird, kann der Elektrolyt nur dem Kanalabschnitt 201 zugeführt werden, so dass der Elektrolyt nur durch die Öffnungen 221 ausgestossen wird.
Vorzugsweise ist die ringförmige Elektrode 12 automatisch austauschbar am Elektrodenhalter 3 gelagert, indem die Einspanneinrichtung 19 derart ausgebildet wird, dass sie sich für automatisches Anbringen und Abnehmen eignet. Mit einer solchen automatischen Austauschanordnung kann die elektrolytische Bearbeitungsvorrichtung Werkstücke verschiedener Form unter verschiedenen Bedingungen bearbeiten. Eine geeigne automatische Steuereinrichtung (nicht dargestellt) und Hilfsmittel (nicht dargestellt) können vorgesehen werden, um eine solche automatische elektrolytische Bearbeitungsvorrichtung vollständig auszunutzen. Wenn die ringförmige Elektrode 12 an der elektrolytischen Bearbeitungsvorrichtung automatisch ausgetauscht werden kann, sollte die Einspanneinrichtung 19 auch am Ausgang 21 des Elektrolyttanks automatisch angeschlossen bzw. von ihm automatisch getrennt werden können.
Um eine hohe Genauigkeit der elektrolytischen Bearbeitung zu gewährleisten, sollte die ringförmige Elektrode 12 in bezug auf die vertikale Achse Z' der Einspanneinrichtung 19 vorzugsweise unverrückbar festgelegt sein. Demgemäss ist ein Abschnitt der Einspanneinrichtung 19 vorzugsweise unrund, beispielsweise ellipsenförmig oder vieleckig gestaltet. Wenn das Drehen der ringförmigen Elektrode 12 um die vertikale oder Z-Achse erforderlich ist, um beispielsweise die Elektrolytmenge bei bestimmten speziellen Bearbeitungen äusserst gering zu halten, kann der Elektrodenhalter 3 zusammen mit der Elektrode 12 für sich um die Z' Achse rotieren. Die Drehung des Elektrodenhalters 3 um die Z'-Achse kann mit Hilfe geeigneter Mittel, wie Synchronmotoren oder Impulsmotoren, hergestellt werden.
Wie oben beschrieben ist, ermöglicht die Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken zu schaffen, durch elektrische Entladungen oder Elektrolyse. Bei der elektrolytischen Bearbeitung kann der für die Bearbeitung erforderliche Elektrolyt über die Elektrode zugeführt werden, um eine zuverlässige Elektrolytzufuhr zu gewährleisten. Die dargestellten Bearbeitungsvorrichtungen können leicht für vollautomatische dreidimensionale Bearbeitung eingerichtet werden.
Vorstehend ist die Erfindung bis zu einem gewissen Grade ausführlich beschrieben. Es ist jedoch klar, dass die Beschreibung nur Beispiele darlegt und dass verschiedene Änderungen an Konstruktionsdetails und der Kombination und Anordnung von Teilen vorgenommen werden können, ohne dass der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird.
Device for processing workpieces with electrical current
The invention relates to a device for processing workpieces with electrical current.
Devices for machining workpieces with electric current are known. However, these known devices have the disadvantage that they have electrodes which are consumed during the machining of the workpieces. As a result, the machining accuracy is inevitably deteriorated when the electrodes are worn out by repeated operation of the device. In order to keep the consumption of the electrode as low as possible, it has been proposed to use current pulses which have a long duration, for example 100 M5 (microseconds) up to several thousandths of a second, if the machining is carried out by means of electrical discharges.
With such pulsating currents, the electrode consumption can be reduced to 10 to 1% compared to conventional methods, but the surface roughness of the finished workpiece is limited to about 10 μm and the wear of the edges on the electrode cannot be avoided. It is extremely difficult to completely eliminate electrode consumption.
In view of this unavoidable electrode consumption, it is common to employ two types of electrodes, electrodes for pre-machining and electrodes for finishing. The use of these two types of electrodes makes it necessary to change the electrodes while machining a workpiece or workpieces, which is associated with additional expenditure of time and labor. The manufacture or storage of the two types of electrodes also leads to an increase in processing costs. In addition, changing the electrodes can result in a change in the relative position between the electrode and the workpiece, which can affect the accuracy of the work.
On the other hand, the electrolytic process differs from the discharging process in that the electrodes are not consumed in the former, so that the electrode does not have to be replaced or rotated in the electrolytic process. In the electrolytic process, however, means are required which bring a sufficient amount of electrolyte under comparatively high pressure, for example an aqueous solution of sodium chloride or sodium nitride, to the processing point.
The object of the invention is to provide an improved device for the above-mentioned machining which overcomes the difficulties encountered with the conventional devices.
The device according to the invention for machining workpieces with electric current is characterized by an electrode; an electrode holder that movably holds the electrode; an electrode drive with which the electrode is moved relative to the electrode holder; another drive with which the electrode holder is moved relative to a workpiece; and means for supplying electrical power which flows through an electrical circuit including the electrode and the workpiece.
Preferred embodiments of the subject matter of the invention are described below with reference to the drawing. It shows:
Fig. 1 is a side view of an electrode that can be applied to a machining device,
FIG. 2 shows a vertical section through the electrode according to FIG. 1,
Fig. 3 is a side view of an electrode holder that can be used with the device,
Fig. 4 is a section along the line IV-IV in Fig. 3,
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the manner in which a workpiece is machined with a device;
6 shows a section along the line VI-VI in FIG. 5,
7 shows a side view of an electrode which is part of a further device,
8 shows a section along the line VIII-VIII in FIG. 7,
Fig.
9 is a side view of a guide element for a linear electrode that can be used in an embodiment;
10 is a side view of an electrolytic electrode and an electrode holder in a further embodiment and FIG
11 shows a section along the line XI-XI in FIG. 10 on an enlarged scale.
The same parts are denoted by the same reference symbols in the drawings and in the description.
Figures 1 to 6 and in particular Figures 1 and 2 show an annular electrode 1 which is precisely circular and has a round or rectangular cross-section. The simple structure allows the ring-shaped electrode 1 to be mass-produced, its outer diameter a, its radial thickness b and its axial thickness c being given very precise dimensions. Various conventional electrode materials, such as steel, copper, brass, aluminum, silver, tungsten, graphite and other electrically conductive substances, including electrically conductive synthetic resins, can be used for the production of the ring-shaped electrode 1.
An important feature of the ring-shaped electrode 1 is that if it is partially consumed or roughed during the machining of a workpiece 2, an unused part of it can easily be brought into the machining area on the workpiece 2 in place of the used or roughened part by the annular electrode is merely rotated a little about its axis according to the arrow AB in FIG. 3.
The simple design of the ring-shaped electrode also allows the electrode to be replaced quickly and easily in the device, in contrast to the known electrodes, in which screws which are brought into engagement with corresponding means of an electrode holder are required for fastening. The ring-shaped electrode 1 is particularly suitable for automatic attachment and removal. In the illustrated embodiment, a roller 8 is engaged with the uppermost point of the inner circumferential surface of the annular electrode 1.
The uppermost point of the roller 8 serves as a fixed reference point, so that a constant distance can be maintained between the electrode 1 and the workpiece 2 regardless of the angular position of the electrode 1 with respect to the roller 8. This ensures a high level of accuracy of the method. For example, if an annular electrode 1 having a rectangular cross section is used, a very precise groove can be easily made.
FIGS. 3 and 4 show a device using electrical discharges. An electrode holder has a cylinder 4 in which a hydraulically operated piston 5 is accommodated. The piston 5 has two downwardly extending piston rods St and 5s, at the lower end of which a lateral shaft 6 is attached in such a way that it extends in the direction of the Y-axis, as can be seen from FIG. 3. Two resilient rollers 7 made of a suitable metal, rubber or synthetic resin are supported on the shafts 6, respectively. A third roller 8 is arranged below the line connecting the centers of the rollers 7. The center of the roller 8 lies on a bisector which runs vertically to the line connecting the center points of the two rollers 7.
An annular electrode 1 of the structure described above is rotatably held between the two rollers 7 and the third roller 8, one of the rollers 7 being driven via two intermediate rollers 10, 11 and by a motor 9, so that the annular electrode 1 in the by means of the Arrow AB in Fig. 3 illustrated is driven in both directions about its axis.
In order to replace the ring-shaped electrode 1 in the above machining device, a high-pressure medium is passed by means of a hydraulic control means (not shown) through a channel 12 into a lower cylinder chamber 41 located below the piston 5. As a result, the piston 5 moves upwards, which is illustrated by the arrow CD in FIG. 4. The electrode holder 3 has two guide slots 14 in order to guide the vertical up and down movement of the piston 5 by engaging the rollers 7 which are fastened to the piston via the piston rods 51 and 58. This increases the distance between the rollers 7 and the third roller 8, so that the annular electrode 1 can be removed by means of a suitable auxiliary tool, not shown.
After a new ring-shaped electrode 1 has been placed on the third roller 8, high pressure medium can be passed into an upper cylinder chamber 4; so that the piston 5 is lowered and the new annular electrode 1 is held securely and rotatably between the rollers 7 and the third roller 8.
Then the electrode holder 3 is moved vertically by means of a suitable drive means (not shown) so that the ring-shaped electrode is properly brought up to the workpiece 2 in order to machine the latter. If the workpiece 2 is being machined and the electrode 1 is so used up that precise machining is no longer possible, a new surface section of the annular electrode 1 can be brought into the machining position on the workpiece 2 by moving the electrode over the two intermediate rollers by means of the motor 9 10, 11 and one of the rollers 7 is driven.
5 and 6 show a device operating as a milling machine. As can be seen from FIG. 6, an electrode holder 3, which is similar to that shown in FIGS. 3 and 4, rotates about its Z-axis in order to machine a surface portion of a workpiece 2 precisely.
Compared to a conventional face milling cutter, the milling machine shown is more powerful because it mills along a groove. In addition, the milling machine shown produces less cut material than a conventional face milling machine.
If the ring-shaped electrode 1 in the device according to FIG. 6 is moved vertically along the Y-axis together with the electrode holder 3, a curved surface can be produced on the workpiece 2. If the electrode holder 3 is additionally moved in three directions by means of a profile or digital control device (not shown), i. H. Moving via the X, Y and Z axes results in a fully automatic milling machine that can perform three-dimensional machining using electrical discharges. During machining while rotating the ring-shaped electrode 1, the discharges occur over the entire surface of the electrode section located in the machining area, whereby the inner side of the ring-shaped electrode, which acts as a reference side, is also worn.
Accordingly, in some cases, it may be necessary to replace the electrode with an unused one in order to carry out accurate finishing work.
7 to 9 show a further embodiment.
Instead of the ring-shaped electrode 1 of the exemplary embodiment described above, a linear electrode II is guided over a guide element 31 in such a way that its outside faces a workpiece 2. An unused part of the electrode 11 can easily be fed to the guide element 3r when the portion in use has been consumed by machining the workpiece 2. In this embodiment, the profile of the guide element can be designed, for example, arcuate or rectangular, in accordance with the desired shape of the finished workpiece 2. Due to the movement of the guide element 31 of the electrode holder 3, the linear electrode 13 also moves with respect to the workpiece 2 during machining.
The cross section of the linear electrode 11 can be rectangular, triangular or elliptical, and the electrode can be made of the same material as described above in connection with FIGS. 1 and 2. With a linear electrode of this kind, the workpiece 2 can be machined very precisely because an unused surface of the electrode can always be brought into working contact with the workpiece 2 by automatically guiding the electrode 11 to its guide element 31 in the manner described above .
The uppermost point S on the roller 8, which holds the guide element 3t for the electrode together with two interacting rollers 7, can serve as a reference point to determine the distance T between the point S and the working surface of the workpiece 2. If this distance T is set precisely, the workpiece 2 can be machined precisely.
When a linear electrode 1i having a rectangular cross section is used, an accurate groove can be formed on the workpiece 2. Accordingly, a precise V-groove can be formed when a linear electrode 1i having a triangular cross section is used.
In FIG. 7, the guide element 31 of the electrode holder 3 also acts as part of the circuit during the machining process, since it serves to pass the electrical current on to the electrode 1r. The guide element 3r for the linear electrode lt can be circular, U-shaped or elliptical, which depends on the intended use. If a circular guide element 3z, as shown in FIG. 7, is used, this, by being held between the two rollers 7 and the roller 8, can rotate about its axis 0, whereby, as in the case of the first embodiment, a of the rollers 7 is driven by a motor 9 via intermediate rollers 10 and 11.
The linear electrode 11 is withdrawn from a reel 18 and guided to a take-up reel 17 via a guide roller 15, the guide element 3i and a further guide roller 16. The two rollers 7 can be moved vertically up and down with the aid of hydraulic means (not shown), similar to the embodiment described earlier. The mechanism for driving non-circular guide members 31 for the linear electrode 11 will be apparent to those skilled in the art, and details of such a mechanism need not be discussed here.
In the machining device according to FIG. 7, the guide element 31 for the electrode (which can also act as an electrode section) can easily be exchanged by means of a hydraulic control device (not shown). The rollers 7 are raised in the direction of the arrow C by moving a piston 5 carrying the rollers to the lower side (chamber 4; in FIG. 4) of the piston 5 through a channel (12 in FIG. 4) by supplying high pressure medium becomes. After the rollers 7 have been raised along the guide slots 14 in order to increase the distance between the rollers 7 and the third roller 8, the guide element 31 can be removed and a new guide element 31 can be placed on the roller using a suitable tool.
The new guide element 3l for the linear electrode can be attached to the electrode holder 3 by lowering the rollers 7 together with the piston 5 by supplying high pressure medium to the upper side (chamber 42 in FIG. 4) through a channel (13 in FIG. 4) will. Then, the linear electrode 11 is placed over the guide rollers 15 and 16 and placed on the lower peripheral surface of the guide member 31. Appropriate automatic feeder (not shown) can be used to apply the linear electrode 11 to its guide member 31. The electrode 11 on the guide element 31 can be brought into a suitable working position with respect to the workpiece 2 by moving the electrode holder 3 by means of a drive mechanism (not shown).
When the guide element 3r is set in rotation by the motor 9 via the intermediate rollers 10, 11 and the roller 7, the linear electrode 11 follows the movement of the guide element 31 due to the friction between the two, so that unused sections of the electrode 11 are always in the working position relative to the workpiece 2 is brought. In order to exert a suitable mechanical prestress on the electrode 11, it is possible to drive or brake the coils 17, 18 in FIG. 7 in a suitable manner.
In the embodiment described above, if the electrode holder 3 moves vertically up and down while electric current flows through the guide member 31, a groove can be formed on the workpiece 2. When the electrode holder according to FIG. 7 is driven in the plane of the sheet in the direction of the X-axis, a curved surface is formed on the workpiece 2. If a suitable profile or digital control device (not shown) is used to move the electrode holder 3 in three directions or via the X, Y and Z axes, while the linear electrode 11 is supplied with electrical current via the guide element 31 is fed, a fully automatic three-dimensional machining device can be achieved.
In three-dimensional machining, the electric discharges occur not only on the outer or lower surface of the linear electrode 11 but also on its inner or upper surface. Because of the increased electrode consumption involved in such a discharge process, it is preferable to use continuously consumed parts of the linear electrode
11 to promote the work area of the guide element 31. It is one of the important advantages of the device that such a continuous conveyance of the unused linear electrode can easily be done by merely rotating the guide element 31 for the electrode.
In order to ensure high machining accuracy, the position of the guide element 31 in relation to the workpiece 2 can be precisely controlled by setting the position of the reference point at the top of the roller 8. The guide element can be replaced if necessary after repeated machining operations. It is also obvious to a person skilled in the art that a higher accuracy of the discharge machining can be achieved if a reference point is established which does not lie at the uppermost point of the roller 8, but at some other suitable point on the electrode holder 3.
If, for example, the axis O of the guide element 31 is used as a reference point, the risk of dimensional errors due to the consumption of the inner peripheral surface of the guide element 3t, which is in contact with the uppermost point of the roller 8, can be completely eliminated.
In the embodiment according to FIGS. 5 to 7, three rollers 7, 7 and 8 are used to rotatably accommodate the annular electrode 1 or the guide element 31 for the electrode. However, the invention is not limited to such an arrangement.
It should be noted here, however, that when the linear electrode 11 is transported without rotating the guide element 31, care must be taken that the linear electrode 11 is not subjected to excessive mechanical stress, since it could otherwise tear.
FIG. 9 shows an example of a non-circular guide element 31 for the linear electrode 11.
Figs. 10 and 11 show an electrolytic machining apparatus. An annular electrode 12 consists of the same material as in the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2. The cross section of the annular electrode 12 can have any suitable shape, for example circular or rectangular. A clamping device 19 is fastened to the upper end of the annular electrode 12 and can be fastened to an electrode holder 3 in a suitable manner, for example by means of a conical shaft or a threaded shaft. The lower end of the ring-shaped electrode 12 faces a workpiece 2. A channel 20 is formed in the annular electrode 12, one end of which is closed, while its other end opens out at the outer end of a flange 191 of the clamping device 19.
The ring-shaped electrode 12 has a plurality of openings 22 via which the channel 20 is connected to the outside. The open end of the channel 20 on the flange 191 is connected to an outlet 21 of an electrolyte tank (not shown), and the electrolyte discharged from the electrolyte tank to the channel 20 flows out through the openings on the peripheral surface of the annular electrode 12. In other words: during the electrolytic processing with the ring-shaped electrode 12, electrical fluid flows continuously from the latter during the working process. In the present machining process, it is important that the pressure of the electrolyte in the working gap is the same everywhere.
In the embodiment according to FIG. 10, the electrode 12 is fed with the electrolyte from two diametrically opposite points on the flange 191 of the clamping device 19 of the electrode, so that the desired pressure equalization can be achieved.
With reference to FIG. 11, it should be stated that in certain cases it is desirable to only allow the electrolyte to leak in selected directions. For this purpose, in the annular electrode 1; a plurality of channel sections 201, 202, 203, and 204 are provided, with a plurality of openings 221, 22 .., 22s and 224 running in different directions being arranged in such a way that the electrolyte is expelled from each of the channel sections in a selected direction.
By means of suitable pumps (not shown) and valves (not shown), which is obvious to those skilled in the art, the direction of the electrolyte discharge can easily be controlled. For example, while the ring-shaped electrode 12 is moved at right angles to the plane of FIG. 11 in the course of the electrolytic processing, the electrolyte can only be supplied to the channel section 201, so that the electrolyte is only expelled through the openings 221.
The ring-shaped electrode 12 is preferably mounted on the electrode holder 3 such that it can be exchanged automatically, in that the clamping device 19 is designed in such a way that it is suitable for automatic attachment and removal. With such an automatic exchange arrangement, the electrolytic machining apparatus can machine workpieces of various shapes under various conditions. Appropriate automatic control means (not shown) and tools (not shown) can be provided to take full advantage of such automatic electrolytic processing apparatus. If the ring-shaped electrode 12 on the electrolytic processing device can be automatically exchanged, the clamping device 19 should also be able to be automatically connected to or automatically disconnected from the outlet 21 of the electrolyte tank.
In order to ensure high accuracy of the electrolytic machining, the ring-shaped electrode 12 should preferably be fixed immovably with respect to the vertical axis Z 'of the clamping device 19. Accordingly, a section of the clamping device 19 is preferably non-circular, for example elliptical or polygonal. If it is necessary to rotate the ring-shaped electrode 12 about the vertical or Z-axis, for example to keep the amount of electrolyte extremely low during certain special processing operations, the electrode holder 3 can rotate together with the electrode 12 by itself about the Z 'axis. The rotation of the electrode holder 3 about the Z 'axis can be produced with the aid of suitable means, such as synchronous motors or pulse motors.
As described above, the invention makes it possible to provide an improved apparatus for processing workpieces by electrical discharge or electrolysis. In electrolytic machining, the electrolyte required for machining can be fed via the electrode in order to ensure a reliable electrolyte feed. The machining devices shown can easily be set up for fully automatic three-dimensional machining.
The foregoing has described in some degree the invention in detail. It is clear, however, that the description is only examples and that various changes in construction details and the combination and arrangement of parts can be made without departing from the basic concept of the invention.