DE1120618B

DE1120618B - Verfahren zur Elektroerosion mit elektrisch leitenden Teilchen im Arbeitsspalt

Info

Publication number: DE1120618B
Application number: DEA32962A
Authority: DE
Inventors: Jean Pfau
Original assignee: Ateliers des Charmilles SA
Current assignee: Ateliers des Charmilles SA
Priority date: 1958-10-01
Filing date: 1959-10-01
Publication date: 1961-12-28
Also published as: CH346953A; GB905719A; FR1236462A; US3061708A

Description

Es gibt verschiedene Verfahren zur Elektroerosion, welche darauf beruhen, daß zwischen einem Bearbeitungsstück und einer ruhenden oder sich bewegenden Elektrode, welche die Form hat, die man dem Bearbeitungsstück geben will, aufeinanderfolgende elektrische Entladungen übergehen. Sind diese Funken, so werden sie im allgemeinen durch einen Impulsgenerator erzeugt, der eine relativ hohe Spanung, meist mehr als 100 Volt, liefert und der plötzliche Entladungen verursacht, indem ein Funke eine dielektrische Flüssigkeit durchschlägt, welche das Bearbeitungsstück von der Elektrode trennt. Selbstverständlich muß die zwischen der Elektrode und dem Bearbeitungsstück angelegte Spannung größer als die Überschlagsspannung zwischen diesen Teilen sein, welche ihrerseits offensichtlich größer ist als die Lichtbogenspannung. Jeder Funke reißt ein wenig von dem Metall des Bearbeitungsstückes ab, aber er reißt auch von der Elektrode etwas fort, wobei deren Abnutzung zwischen 20 und 100 °/o der Materialmenge liegen kann, die von dem Bearbeitungsstück weggenommen wird, wenn Elektrode und Bearbeitungsstück aus dem gleichen Material bestehen.

Ein anderes bekanntes Verfahren der Elektroerosion besteht darin, daß zwischen einer sich bewegenden Arbeitselektrode und einem Bearbeitungsteil eine Spannung in der Größenordung von 40 Volt angelegt wird. Die Arbeitselektrode besteht dabei z. B. aus einer in Rotation befindlichen Scheibe. Bei diesem Verfahren, welches anodenmechanisches Verfahren genannt wird, bringt man zwischen die Scheibe und das Bearbeitungsstück beispielsweise eine wäßrige Lösung von Natronsilikat ein, wobei die Elektrolyse entsprechend dem Stromdurchfluß einen festen und isolierenden Niederschlag auf dem Bearbeitungsstück hervorruft. Es entstehen dann durch die Schicht hindurch Bogenentladungen kurzer Dauer, wobei diese Entladungen Metall von dem Bearbeitungsstück abreißen, indem sie die Schicht örtlich zerstören, wobei sich diese aber augenblicklich durch Elektrolyse neu bildet.

Ein weiteres bekanntes Verfahren wird als elektrolytisches Verfahren bezeichnet. Es besteht gleichfalls darin, daß zwischen einer Elektrode, die im allgemeinen aus einer rotierenden Scheibe besteht, und einem Bearbeitungsstück ein Strom fließt, wobei sich eine wäßrige Salzlösung zwischen dem Bearbeitungsstück und der Elektrode befindet. Die angelegte elektrische Spannung ist von der Größenordnung 5 bis 40 Volt. Der Stromfluß ruft eine anodische Auflösung elektrochemischer Natur an dem Bearbeitungsstück hervor, während die wäßrige Lösung, welche die

mit elektrisch leitenden Teilchen

im Arbeitsspalt

Anmelder:
Ateliers des Charmilles S. A., Genf (Schweiz)

Vertreter: Dr.-Ing. F. Mayer, Patentanwalt,
Berlin-Dahlem, Hüttenweg 15

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 1. Oktober 1958

Jean Pfau, Genf (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

Arbeitsflüssigkeit darstellt, einer elektrolytischen Zersetzung unterliegt. Dieses Verfahren ergibt gute Resultate, wenn der Abstand zwischen Bearbeitungsstück und Elektrode von der Größenordnung einiger Mikron ist. Um einen so kleinen Abstand zu erhalten, ist es aber notwendig, als Elektrode eine leitende Schleifscheibe zu verwenden, die gleichzeitig dazu dient, die Salze und Oxyde, die sich auf dem Werkstück während der Bearbeitung bilden, abzufeilen. Es ist schwierig, elektrolytische Auflösungserscheinungen auf großen Abstand zu vermeiden, welche bisher die Präzision der Bearbeitung begrenzt haben.

Bei einem ähnlichen Verfahren werden zwischen das Elektrodenstück und das Bearbeitungsstück isolierende, in Form einer kolloidalen Suspension vorliegende Teilchen eingeführt, die auch gleichzeitig als abstandhaltende Lehre für die Spaltbreite dienen können. Diese Teilchen, die z. B. aus Dextrin, Diamantsplittern usw. bestehen können, sind in eine im allgemeinen wenig leitende Flüssigkeit aufgenommen. Eine Stromquelle, deren Spannung gewöhnlich zwischen 25 und 80 Volt liegt, erzeugt zwischen dem Bearbeitungsstück und der Elektrodenscheibe einen Strom. Es bildet sich dann auf dem Bearbeitungsstück eine Isolierschicht wie nach dem zuvor genannten Verfahren. Beide Verfahren ermöglichen es, die Bearbeitungsgeschwindigkeit relativ hoch zu halten, nämlich in der Größenordnung von mehreren hundert Kubikmillimeter pro Minute. Ihr Nachteil ist indessen, daß sie keine Präzisionsbearbeitung ermöglichen.

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Endlich ist auch schon vorbeschrieben, in einen flüssigen oder gasförmigen Elektrolyten bzw. Dielektrikum leitende Teilchen, z. B. aus Metall, suspendiert in den Bearbeitungsspalt einzubringen, um dort die Arbeitsspannung zu verringern. Jedoch erfolgt dabei keine leitende Brückenbildung, sondern die Anzahl der Teilchen ist so gewählt, daß eine Verzerrung des Feldes im Spalt eintritt unter gleichzeitiger Erhöhung des örtlichen Spannungsgradienten.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der Nachteile der bekannten Verfahren und die Schaffung eines neuartigen Erosionsverfahrens, bei dem keine elektrischen Raumentladungen auftreten und eine beträchtliche Herabsetzung der Elektrodenabnutzung erreicht wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Elektroerosion, bei dem ein elektrischer Strom fließt zwischen einem Werkstück und einer Elektrode, die sich relativ zueinander bewegen und zwischen denen sich ein Medium mit feinverteilten elektrisch leitenden Teilchen befindet. Dieses neue Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen in einer solchen Konzentration vorhanden sind, daß sie den Stromfluß über den Bearbeitungsspalt unter wiederholter Brückenbildung und anschließender Kontaktunterbrechung und damit die elektroerosive Abtragung am Werkstück durch Transportleitung bewirken, wobei dar mittlere Wert der an den Bearbeitungsspalt angelegten Spannung unterhalb desjenigen liegt, der zur Erzeugung einer stetigen Raumentladung zwischen Elektrode und Bearbeitungsstück nötig wäre. Dadurch wird erreicht, daß fortlaufend Teilchen miteinander und mit den beiden Elektroden derart in Kontakt treten, daß zwischen diesen leitende Brücken entstehen. Diese werden zwar immer wieder zerstört, dafür bilden sich aber stets neue. Jedesmal wenn sich eine Brücke gebildet hat, fließt über diese ein Strom zwischen den Elektroden, der mit einem Metalltransport verbunden ist. Eine Bogenentladung tritt dabei nicht auf.

Ein derartiges Verfahren weist zahlreiche Vorteile gegenüber den verschiedenen bekannten Verfahren auf, denn es erlaubt, bei guten Stabilitätsverhältnissen mit einem großen Spalt zu arbeiten. Der Abstand kann z. B. 5 bis 25 Mikron betragen. Hieraus resultiert, daß es nicht mehr notwendig ist. Schleifscheiben zu verwenden, die schwierig als Elektrode zu profilieren sind. Außerdem kann man den Abstand stand zwischen der Elektrode und dem Bearbeitungsstück variieren, indem man die Größe der Teilchen und deren Konzentration im Spalt verändert. Des weiteren wird die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht; sie wächst im wesentlichen proportional zur Bearbeitungsfläche. Da andererseits die Erosion streng auf den Teil des Bearbeitungsstückes begrenzt ist, welcher dem Elektrodenwerkzeug gegenüberliegt, ist das neue Bearbeitungsverfahren äußerst präzise; es ist insbesondere zur Planierung und Formung geeignet. Bei dieser besteht das Elektrodenstück aus einer Scheibe, deren Arbeitsfläche die Umfangsfläche der Scheibe ist und eine Form entsprechend derjenigen aufweist, die man auf dem Bearbeitungsstück erhalten will.

Ein bevorzugtes Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß die Teilchen, deren Größe zwischen 0,2 und 20 Mikron liegt, entweder in bekannter Weise in einem flüssigen oder gasförmigen Dielektrikum bzw. Elektrolyten suspendiert oder ohne Dielektrikum oder Elektrolyten in den Arbeitsspalt eingebracht werden, daß in an sich bekannter Weise der Bearbeitungsspalt kleiner ist als 0,1 mm, wobei an den Bearbeitungsspalt eine Spannung von im Mittel kleiner als 12VoIt angelegt wird und die infolge Selbstinduktion auftretenden augenblicklichen Spannungsspitzen auf einen Wert unterhalb 40 Volt begrenzt werden.

Es ist auch möglich, daß die leitenden Teilchen in

ίο einem pastenartigen Material in den Bearbeitungsspalt eingebracht werden.

Die Flüssigkeit kann erfindungsgemäß wenigstens zum Teil aus einem Fettalkohol, insbesondere aus einer Mischung von Glycerin und Wasser bestehen.

Zweckmäßig ist es auch, ihr ein Netzmittel zuzusetzen.

Die leitenden Teilchen können beispielsweise aus Kohlenstoff oder Metalloxyd oder Metallsalzen oder in bekannter Weise aus Metall bestehen.

Die Zeichnung stellt in Fig. 1 beispielhaft eine bekannte Maschine dar, welche die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung gestattet.

Fig. 2 zeigt im vergrößerten Maßstab leitende Teilchen, wie sie erfindungsgemäß zwischen einem Werkstück und einer Elektrode angeordnet werden.

Die Maschine nach Fig. 1 weist eine Grundplatte 1 auf, auf welcher einerseits ein Motor 2 unter Zwischenschaltung eines Isolierstückes 3 und andererseits eine Platte 4 befestigt ist, die mittels eines Handrades 5 verstellt werden kann. Diese Platte trägt ein zu bearbeitendes Werkstück 6, welches in bekannter Art durch ein Klemmelement 7, eine Unterlage 8 und einen Bolzen 9 gehalten wird.

Der Motor 2 weist eine auf seiner Welle befestigte Elektrode in Form einer Scheibe 10 auf, welche vor dem Werkstück 6 rotiert. Das andere Ende der Welle des Motors 2 treibt eine Pumpe 11 an, welche durch ein Rohr 12 eine in einem Behälter 13 befindliche Flüssigkeit ansaugt und sie unter Druck durch eine Leitung 14 bis zu einer Düse 15 führt, welche so gerichtet ist, daß der Flüssigkeitsstrahl zwischen die Elektrode und das Bearbeitungsstück 6 strömt. Die Flüssigkeit wird, nachdem sie das Bearbeitungsstück und die Elektrode bespült hat, in einer Rille 16 der Grandplatte 1 aufgefangen und kann durch ein Rohr 17 in das Reservoir 13 zurückzufließen.

Eine elektrische Energiequelle, deren negative und positive Pole mit α und b bezeichnet sind, ermöglicht einen Stromfluß zwischen der Elektrode und dem Bearbeitungsstück. Der Pol α ist unter Zwischenschaltung eines Schleifkontaktes 18 mit der Elektrode 10, der Pol b hingegen direkt mit der Platte 4 verbunden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bringt man zwischen die Elektrode und das Bearbeitungsstück eine Flüssigkeit ein, in der leitende Teilchen suspendiert sind. Diese Teilchen können z. B. Kohlenstoff, ein metallisches Pulver, insbesondere aus Aluminium, Kupfer oder Eisen, oder ein leitendes Metalloxyd, wie z. B. Silberoxyd, oder auch ein Metallsalz sein. Die Flüssigkeit, welche als Träger für diese leitenden Teilchen dient, kann beispielsweise aus Öl, einer wäßrigen Salzlösung oder auch aus einem Fettalkohol, wie Glycerin oder Äthylenglycol, bestehen, der rein oder mit Wasser vermischt sein kann. Die Flüssigkeit kann in bekannter Weise isolierend oder leitend sein, denn ihre Aufgabe besteht vor allem darin, in bekannter Weise die festen Teilchen derart zu tragen, daß das neue Verfahren bei

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vorhandenen Maschinen angewendet werden kann. Einschalten eines Kondensators großer Kapazität

Selbstverständlich bewirkt die Flüssigkeit gleichzeitig zwischen Bearbeitungsstück und Elektrode erreicht

die Kühlung des Werkstückes und der Elektrode werden kann. Beispielsweise kann man einen Konden-

während der Bearbeitung. sator von 20 000 MF verwenden, welcher eine augen-

Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab für einen be- 5 blicklich auftretende Spannung auf einen Wert von

stimmten Augenblick die erfindungsgemäße Brücken- maximal 40 Volt begrenzt, wenn man einen Strom

bildung der leitenden Teilchen 19 zwischen der Elek- von etwa 60 A verwendet. Auf diese Art und Weise

trode 10 und dem Bearbeitungsstück 6, die in rela- kann sich keine Bogenentladung aufrechterhalten,

tiver Bewegung zueinander sind. Das Vorhandensein einer Flüssigkeit ist nicht un-

Einige dieser Teilchen 19 sind miteinander in Kon- io bedingt erforderlich; man kann sehr gut darauf vertakt und bilden so Brücken für die elektrische Ver- ziehten. Insbesondere kann man die leitenden Teilbindung zwischen der Elektrode und dem Bearbei- chen unmittelbar auf die Oberfläche des Bearbeitungstungsstück. Die Teilchen, die in der Zeichnung diese Stückes oder vorzugsweise der Elektrode aufbringen. Verbindungen bilden, sind durch dickere Striche an- In diesem Fall lassen sich die leitenden Teilchen, gedeutet. Während der Relativbewegung der Elek- 15 wenn die Elektrode aus einer rotierenden Scheibe trode und des Bearbeitungsstückes zueinander werden besteht, dadurch auf ihre Oberfläche auftragen, daß diese Verbindungen fortlaufend zerstört, während ein Stab aus Teilchen, die z. B. in einem pastenartigen andere neu gebildet werden. Jedesmal, wenn eine Trägermittel agglomeriert sind, gegen die Scheibe Verbindung hergestellt ist, fließt ein verhältnismäßig reibt. Man könnte auch ein Pulver aus Metall oder hoher elektrischer Strom zwischen dem Bearbeitungs- 20 Oxyd oder auch aus Kohlenstoff zwischen die Elekstück und dem äußersten Teilchen der Verbindung, trode und das Bearbeitungsstück eintragen. Auch ließe welches mit diesem in Kontakt ist. Es entsteht nun sich das Pulver in bekannter Weise etwa mittels eines ein Transport von Metall aus der Anode, welche Luftstromes verteilen und dirigieren. In den beiden durch das Bearbeitungsstück gebildet wird, zur Ka- letztgenannten Fällen wird man zweckmäßig eine unthode, welche aus dem betrachteten leitenden Teil- 25 abhängige Kühlmittelvorrichtung vorsehen,
chen besteht, wobei dieser Metalltransport ohne jeg- Es ist selbstverständlich, daß man alle Arten von liehe Bogenentladung verläuft und als solcher in dem leitenden Teilchen benutzen kann und daß man vorBereich der Technik, in dem die Abnutzung von nehmlich auch Mischungen verschiedener Arten der Kontakten in Unterbrechern, Relais usw. eine Rolle weiter oben erwähnten Teilchen verwenden kann, spielt, unter dem Namen »Transportleitung« be- 30 Ebenso kann auch als Flüssigkeit eine Mischung verkannt ist. schiedener Komponenten benutzt werden. In allen

Der Zwischenraum zwischen dem Bearbeitungs- Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Flüssigkeit relativ stück und der Elektrode ist im allgemeinen nicht dickflüssig ist, um eine stabile Suspension der leitengrößer als 0,1 mm. Die Größe der Teilchen 19 kann den Teilchen zu erhalten.

vorteilhaft zwischen 0,2 und 20 Mikron liegen, wo- 35 Man erhält gute Resultate, wenn die Flüssigkeit ein bei selbstverständlich dieser Wert kleiner als der Ab- Netzmittel enthält, weil hierdurch ihre Verteilung stand zwischen dem Bearbeitungsstück und der Elek- zwischen der Elektrode und dem Bearbeitungsstück trode sein muß. Unter Zugrundelegung der relativen erleichtert wird und die Suspension stabilisiert ist, inGröße der Teilchen und des Abstandes zwischen dem dem die Teilchen daran gehindert werden, sich zu Bearbeitungsstück und der Elektrode erhält man eine 40 agglomerieren,
große Zahl schwacher, in der Zeiteinheit aufeinander- Beispiel
folgender Kontakte, wobei mehrere solche Kontakte

gleichzeitig vorhanden sein können. Durch jeden Als Flüssigkeit zum Arbeiten auf einer Maschine Kontakt entsteht ein feiner Metalltransport, und in- nach Art der in Fig. 1 dargestellten wird eine Mifolge der kleinen Metallmenge, die jedesmal trans- 45 schung benutzt, die in Gewichtsteilen aus 60% GIyportiert wird, erhält man eine große Güte der be- cerin, 30 °/o Wasser und 10% Graphitkohlenstoff arbeiteten Oberfläche. Dabei ist aber die Menge des besteht, wobei die Körnung 5 Mikron nicht übersteigt, in der Zeiteinheit abgetragenen Materials wegen der Mit dieser Flüssigkeit erreicht man es leicht, 30 mm³ sehr großen Frequenz der elektrischen Kontakte, die pro Minute von einem Werkstück aus Wolframkarbid sich zwischen dem Bearbeitungsstück und der Elek- 50 mit Kobalt bei einem Strom von 6OA und einer trode über die durch die Teilchen 19 erzeugten Spannung von 8 Volt abzunehmen (Bearbeitungs-Brücken bilden, vergrößert. Als Beispiel sei ange- fläche 0.5 cm²). Die Elektrode besteht dabei aus geben, daß man für eine Bearbeitungsfläche von einer Kupferscheibe, deren Umfangsgeschwindigkeit 20 mm² mit einem Kathodenstrahl-Oszillographen 22 m/sec und deren Abnutzung 0,5 Volumprozent von breitem Frequenzband eine Anzahl von Kontakt- 55 der Materialmenge beträgt, die von dem Bearbeiunterbrechungen festgestellt hat, die sich auf etwa tungsstück entfernt wird.
5 Millionen pro Sekunde beläuft. Zum Vergleich sei erwähnt, daß bei einer Bearbei-

Die Spannung der Stromquelle liegt unterhalb der- tung durch Elektroerosion unter Erzielung gleicher

jenigen, die zur Erzeugung einer kontinuierlichen Oberflächengüte die Bearbeitungsgeschwindigkeit im

Bogenentladung zwischen der Elektrode und dem 60 Maximum 1 mm³ pro Minute beträgt, während die

Bearbeitungsstück nötig wäre, mithin unterhalb von Abnutzung der Elektrode mehr als dreißigmal größer

12 Volt, so daß jegliche Gefahr einer Bogenentladung ist. Außerdem ist die bei obigem Beispiel benutzte

ausgeschlossen ist. Indessen können sich kurzzeitig Flüssigkeit nicht entzündbar. Außerdem ist sie nicht

erhöhte Spannungen zwischen dem Bearbeitungsstück ätzend, wie etwa die Salzlösungen, die bei den be-

und der Elektrode infolge Selbstinduktion im Speise- 65 kannten elektrolytischen Verfahren benutzt werden,

kreis auf Grund plötzlicher Stromunterbrechung Im übrigen erzielt man eine sehr feine Bearbeitung;

bilden; es besteht ein Interesse daran, diese Span- die größten Unebenheiten, die auftreten, sind kleiner

nungsüberhöhungen zu begrenzen, was leicht durch als 5 Mikron, und der Mittelwert der Unebenheiten ist

kleiner als 1 Mikron. Während der Bearbeitung beobachtet man Funkengarben, die weitgehend denjenigen ähneln, die beim Schleifen eines Eisenstückes mittels einer Schleifscheibe auftreten.

Man kann natürlich viele Abwandlungen an den bekannten Maschinen für die Zwecke des erfindungsgemäßen Verfahrens vornehmen. Insbesondere kann die Elektrode aus einem Metallstück bestehen, welches gegebenenfalls Schleifpartikeln enthält. Auch lassen sich Elektroden verwenden, die sich merklich von einer rotierenden Scheibe unterscheiden. So kann z. B. die Elektrode aus einer Röhre oder auch aus einem leitenden und sich bewegenden Band bestehen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Elektroerosion, bei dem ein elektrischer Strom fließt zwischen einem Werkstück und einer Elektrode, die sich relativ zueinander bewegen und zwischen denen sich ein Medium mit feinverteilten elektrisch leitenden Teilchen befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen (19) in einer solchen Konzentration vorhanden sind, daß sie den Stromfluß über den Bearbeitungsspalt unter wiederholter Brückenbildung und anschließender Kontaktunterbrechung und damit die elektroerosive Abtragung am Werkstück (6) durch Transportleitung bewirken, wobei der mittlere Wert der an den Bearbeitungsspalt angelegten Spannung unterhalb desjenigen liegt, der zur Erzeugung einer stetigen Raumentladung zwischen Elektrode und Bearbeitungsstück nötig wäre.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen (19), deren Größe zwischen 0,2 und 20 Mikron liegt, entweder in bekannter Weise in einem flüssigen oder gas-

förmigen Dielektrikum bzw. Elektrolyten suspendiert oder ohne Dielektrikum oder Elektrolyten in den Arbeitsspalt eingebracht werden, daß in an sich bekannter Weise der Bearbeitungsspalt kleiner ist als 0,1mm, wobei an den Bearbeitungsspalt eine Spannung von im Mittel kleiner als 12 Volt angelegt wird und die infolge Selbstinduktion auftretenden augenblicklichen Spannungsspitzen auf einen Wert unterhalb 40 Volt begrenzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Teilchen (19) in einem pastenartigen Material in den Bearbeitungsspalt eingebracht werden.

4. Flüssigkeit zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens zum Teil aus einem Fettalkohol besteht.

5. Flüssigkeit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Mischung von Glycerin und Wasser besteht.

6. Flüssigkeit zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Netzmittel enthält.

7. Leitende Teilchen, die in den Flüssigkeiten gemäß Anspruch 4 bis 6 und zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 enthalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Kohlenstoff oder Metalloxyd oder Metallsalzen oder in bekannter Weise aus Metall bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 948 802;
Broschüre »Schriftenreihe des Verlages Technik«, SVT 175, S. 80/81;

Zeitschrift »American Machinist«, März, 3, S. 136.

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