DE1465002B1 - Verfahren zur Elektroimpulsniederfrequenzbearbeitung von Metallen und Generator zur Durchfuehrung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

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Diese Erfindung betrifft die elektroerosive Bearbei- Bearbeitung. Bekanntlich ist eine Bearbeitung von

tung von Metallen mittels niederfrequenter Elektro- Fonnflächen nach Maß mittels Wechselstrom prak-

impulse — im folgenden Elektroimpulsnieder- tisch nicht möglich, denn ein periodischer Wechsel

frequenzbearbeitung — genannt. Hierzu wurden bis- der Polarität führt unter gewöhnlichen Verhältnissen

her Impulse verschiedener Frequenzen mit einem 5 zum schnellen Verschleiß des Elektrodenwerkzeuges,

Tastverhältnis von 0,66 bis 0,2 verwendet. das bei der Elektroimpulsbearbeitung die Anode dar-

Bekanntlich beträgt die maximale Geschwindigkeit stellt. Um diese Erscheinung zu bekämpfen, verwen-

der Abtragung von Stahl bei Elektroimpulsbearbei- det man ziemlich komplizierte Generatoren, die ein-

tung von Formflächen, d. h. bei Kopier-Räum- polige Impulse erzeugen. Die oben geschilderte

Arbeitsgängen 5000 bis 6000 mm^s/min. Bei Bearbei- io Tatsache — schroffe Verschleißherabsetzung oder

tung von Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt im sogar Vergrößerung der Abmessungen von Elek-

Bereich von 0,45 bis 0,47% und von einigen hitze- troden aus graphithaltigem Werkstoff bei Impulsen

beständigen Stählen 9000 bis 10 000 mm³/min. von längerer Zeitdauer — gestattet ohne merkbare

Beharrliche Bemühungen, diese Grenze der Ab- Verschleißerhöhung der Elektrodenwerkzeuge die

tragsgeschwmdigkeit zu überschreiten, sind bis jetzt 15 Bearbeitung mittels Stromimpulsen wechselnder

ergebnislos geblieben. Polarität, als deren Quelle beispielsweise ein Spitzen-

In dieser Richtung durchgeführte Untersuchungen transformator mit genügend deutlich ausgeprägter

erwiesen, daß allein durch Erhöhung der Stromstärke Pause zwischen den Halbwellen der Spannung dienen

bei konstanter Frequenz eine wesentliche Steigerung kann. Dabei kann während der Entladung mit der

der Leistung nicht zu erreichen ist. So beträgt bei ao einen Polarität die Selbstwiederherstellung über-

einer Frequenz von 400 Impulsen pro Sekunde für wiegen, die dann den Verschleiß während der nach-

Stahl mit C 0,45 bis 0,47% der höchstzulässige folgenden Entladung bei der anderen Polarität kom-

Strom etwa 500 A und die höchste Abtragsgeschwin- pensiert.

digkeit etwa 7000 mnWmin. Bei höheren Frequenzen Es ist bereits bekannt, bei der elektroerosiven

liegt sie niedriger. as Bearbeitung von Metallen den Verschleiß der

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugelektrode dadurch zu verringern, daß nach

wesentliche Erhöhung der Abtragsgeschwindigkeit, jeder Entladung kurzzeitig die Polarität von Werk-

des Wirkungsgrades und der Standzeit der Werkzeug- zeug und Werkstück vertauscht wird. Damit soll die

elektrode bei Elektroimpulsniederfrequenzbearbei- zerstörende Wirkung, welche die vom positiv gepol-

tung von Metallen zu gewährleisten. 30 ten Werkstück abgetragenen, vom elektrischen Feld

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch ge- beschleunigten positiv geladenen Teilchen beim

löst, daß Impulse mit einer Energie im Bereich von Aufprall auf der negativen Werkzeugelektrode aus-

50 bis 1000 Joule und einer Impulsdauer von 5 bis üben, verringert werden. Von einem Ausgleich des

20 Millisekunden bei einem Verhältnis der Impuls- Werkzeugverschleißes durch den aus dem Werkstück

dauer zur Periodendauer in der Nähe von 1 apgewen- 35 reduzierten Kohlenstoff ist dort nicht die Rede,

det werden, also durch gleichzeitige wesentliche Er- Als Folge der Möglichkeit einer sprungartigen

höhung der Impulsenergie und -dauer. Leistungserhöhung lassen sich auch verhältnismäßig

Die Anwendung solcher Impulsparameter für große Einzelteile mit Elektroimpulsen wirtschaftlich Bearbeitung von Formflächen nach Maß wurde bearbeiten, wobei eine geringe Oberflächengüte bei bisher als vollständig unmöglich betrachtet, erstens 40 Bearbeitung mittels Impulsen hoher Energien kein wegen der Unmöglichkeit einer einigermaßen genauen Hindernis bildet. Denn nach einer stufenweisen Her-Nachformung der Elektrodenform bei einer Impuls- absetzung der Bearbeitungsenergie am Schluß der dauer länger als 2 bis 3 Millisekunden und zweitens Operation liegt die Rauhtiefe der Oberfläche bei infolge der Unstabilität des Arbeitsverfahrens bei hoher Gleichmäßigkeit in den Grenzen von 0,2 bis Erhöhung der Impulsenergie bis auf Hunderte von 45 0,5 mm, und die Nachbehandlung dieser Fläche wird Joule. im Vergleich zum Zeilenfräsen, das für Formhohl-

Eine gleichzeitige Erhöhung der Energie und Zeit- räume großer Abmessungen üblich ist, wesentlich

dauer der Impulse (welche, getrennt genommen, erleichtert.

nach Überschreitung einer gewissen Grenze eine Her- Bis heute wurden als Unipolar-Impulsgeneratoren

absetzung der Geschwindigkeit zur Folge hatten) 50 hauptsächlich elektrische Maschinen verwendet,

steigert die Abtragsgeschwindigkeit vollkommen In den bekannten statischen Anlagen wurden zur

unerwartet bis zu Zehntausenden von Kubikzenti- Elektroimpulsbearbeitung von Metallen elektronische

metern pro Minute und ergibt eine wesentliche Er- Impulsgeneratoren mit einer Frequenz von 50 bis

höhung des Wirkungsgrades des Prozesses. 300 Impulsen pro Sekunde und einem Tastverhältnis

Bekanntlich findet bei Verwendung von Impulsen 55 von 0,2 bis 1,0 verwendet. Diese sind aber unsicher erhöhter Zeitdauer zur Elektroimpulsniederfrequenz- im Betrieb, haben eine begrenzte Lebensdauer, bearbeitung von Metallen eine schnelle Reduzierung neigen zur Rückzündung und anderen Störungen,
von Kohlenstoff aus dem in Bearbeitung befindlichen Bei Funkenerosionsmaschinen sind jedoch auch Werkstoff statt. Dies hat eine Erhöhung der Stand- Impulswandler mit nichtlinearen, bis in die Sättigung zeit der Werkzeugelektrode zur Folge, die so wese.nt- 60 ausgesteuerten Induktivitäten in Form von Drosseln lieh sein kann, daß beispielsweise bei Elektroden aus oder Transformatoren bekannt, die mit Wechselgraphithaltigem Werkstoff der Verschleiß durch die strom gespeist werden und Impulse wechselnder oder Selbstwiederherstellung ausgeglichen wird. gleicher Polarität abgeben.

Es ist auch möglich, die Wiederherstellung über- Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verwiegend zu machen, so daß sich an Stelle eines Ver- 65 fahrens werden derartige Generatoren mit gesättigten schleißes der Elektrode ihre Abmessungen ver- Magnetkreisen vorgeschlagen, und zwar in verschiegrößern. denen Ausführungen, nämlich: Generatoren auf der

Dieser Umstand ermöglicht eine neue Art der Basis eines Spitzentransformators und Generatoren

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auf der Basis eines magnetischen Verstärkers mit Fig. 8 und 9 dargestellten Generatoren erzeugen

Selbstsättigung. Solche Generatoren sind geeignet zur Impulse von einer Frequenz 6/ und bestehen aus

Speisung von Anlagen für Elektroimpulsbearbeitung einem Dreiphasen-Spitzentransformator und einem

von Metallen mit Impulsen von verhältnismäßig Dreiphasen-Doppelweggleichrichter, niedriger Frequenz (50 bis 300 Impulse pro Sekunde) 5 Die Impulsleistung wird für das vorgeschlagene

und praktisch unbegrenzter Leistung, wodurch eine Verfahren zur Elektroimpulsniederfrequenzbearbei-

Erhöhung der Abtragsleistung und eine Verminde- tung von Metallen mittels einer stufenweise erfolgen-

rung des Verschleißes der Werkzeuge erreicht wird. den Umschaltung von in den Laststromkreis geschal-

Infolge des Wegfalls von elektronischen Geräten teten Widerständen (nicht dargestellt) und durch wird in solchen Generatoren eine Vereinfachung und io Änderung der Generatorspeisespannung eingestellt,

eine Erhöhung der Sicherheit und der Arbeitsdauer Das Tastverhältnis wird durch Änderung des Luft-

der gesamten Anlage erzielt. Spalts mittels des magnetischen Nebenschlusses 5

Nachstehend werden Ausführungsarten solcher eingestellt.

Impulsgeneratoren unter Bezugnahme auf Zeichnun- Sämtliche vorher erläuterten Ausführungsarten von gen erläutert, von denen die Fig. 1 bis 9 Ausfüh- 15 Generatoren auf der Basis eines Spitzentransfor-

rungen von Generatoren auf der Basis von Spitzen- mators können zur Elektroimpulsbearbeitung von

transformatoren darstellen. Metallen bei einer beliebigen Frequenz, angefangen

F i g. 1 stellt das Grundschaltbild eines einpoligen von der industriellen Netzfrequenz, verwendet werden.

Impulsgenerators dar, bestehend aus einem Ein- Dreiphasengeneratoren mit erhöhter Frequenz sind phasenspitzentransformator und einem Einweggleich- ao für eine Fertigbearbeitung der Flächen zu benutzen,

richten Es ist zweckmäßig, die vorher beschriebenen

Die Primärwicklung 1 des Spitzentransformators Generatoren bei Mehrfachpositionsanlagen insbeson-

befindet sich auf dem ungesättigten Teil 2 und die dere in automatisch betriebenen Werksabteilungen zu

Sekundärwicklung 4 auf dem gesättigten Teil 3 des verwenden.

Kerns, der mit dem magnetischen Nebenschluß 5 35 Generatoren auf der Basis von Magnetverstärkern versehen ist. Der magnetische Widerstand kann durch sind in F i g. 10 bis 14 dargestellt. Änderung des Luftspalts zwischen dem magnetischen Wie in Fig. 10 dargestellt, sind an das Wechsel-Nebenschluß und dem Hauptmagnetleiter des Kerns stromnetz in Serienschaltung die Arbeitswicklungen 9 geregelt werden. An die Sekundärwicklung 4 ist über eines Magnetverstärkers geschaltet, der aus zwei Gleichrichter 6 und Widerstand 7 der Erosionsspalt 8 30 Kernen 10 besteht, sowie ein Halbleiterventilgleichangeschlossen. richter 11 und eine Belastung 12, bestehend aus dem

Der Primärwicklung 1 des Spitzentransformators Erosionsspalt und, in einigen Fällen, aus einem

wird eine sinusförmige Spannung zugeführt. Die Zusatzwiderstand (im Schaltbild nicht angeführt),

sekundäre »Spitzenfonn«-Spannung wird von dessen Auf den Kernen 10 befinden sich die in einen Gleich-

Sekundärwicklung abgegriffen, durch Gleichrichter 6 35 Stromkreis geschalteten Steuerwicklungen 13. Durch

in eine Folge von einpoligen Impulen umgewandelt Änderung der Stromstärke in den Steuerwicklungen

und über den Widerstand 7 dem Erosionsspalt 8 zu- 13 wird das Tastverhältnis der Impulse im Belastungs-

geführt. Die Frequenz dieser dem Erosionsspalt Stromkreis geändert. Gleichzeitig ändert sich auch die

erteilten Impulse ist gleich der Frequenz / des Netz- mittlere Stromstärke im Belastungsstromkreis.

Wechselstroms. 40 Gemäß Schaltbild in Fig. 11 ist an das Wechsel-

F ig. 2 zeigt das Schaltbild eines einpoligen Impuls- stromnetz in Serienschaltung mit der Belastung 12 generators, bestehend aus einem Einphasenspitzen- und den Arbeitswicklungen 9 des Magnetverstärkers transformator und einem Doppelweggleichrichter, ein Gleichrichter geschaltet, der aus einer Brückender an den Erosionsspalt 8 Impulse mit einer schaltung von vier Ventilen 11 besteht. Dabei werden Frequenz 2/ abgibt. Impulse gleicher Frequenz wer- 45 im Vergleich zur Schaltung nach Fig. 10 die Impulsden vom Generator erzeugt, der in F i g. 3 dargestellt frequenz, die mittlere Stromstärke und das Tastverist und aus einem Einphasenspitzentransformator hältnis verdoppelt.

und Doppelweggleichrichter in Brückenschaltung Im Schaltbild F i g. 12 ist ein Transformator 14

besteht. Der in verwendet, dessen Sekundärwicklung eine Mittel-

Fig. 4 dargestellte Generator, bestehend aus einer 50 punktanzapfung besitzt. In Serienschaltung mit der

Gruppe von drei primärseitig dreieckgeschalteten Transformatorsekundärwicklung befinden sich die

Einphasen-Spitzentransformatoren und einem Drei- Arbeitswicklungen 9 des Magnetverstärkers und die

phasen-Einweggleichrichter, erzeugt Impulse mit nicht steuerbaren Ventile 11 des Gleichrichters. Die

einer Frequenz 3/. Belastung 12 ist zwischen die Mittelpunkte der

F i g. 5 stellt das Schaltbild eines Generators dar, 55 Sekundärwicklung des Transformators und der

bestehend aus drei primärseitig sterngeschalteten Arbeitswicklungen des Magnetverstärkers geschaltet.

Einphasen-Spitzentransformatoren und einem Drei- Gemäß den Schaltbildern Fig. 11 und 12 werden

phasen-Doppelweggleichrichter, der Impulse mit die Arbeitswicklungen des Magnetverstärkers vom

einer Frequenz 6/ liefert. Impulse von gleicher Fre- Arbeitsstrom wechselweise durchflossen bei einer

quenz werden von dem in Fig. 6 dargestellten 60 Impulsfrequenz2/.

Generator erzeugt, der aus drei primärseitig dreieck- Der gleichpolige Impulsgenerator gemäß F i g. 13

geschalteten Einphasen-Spitzentransformatoren und besteht aus drei Einphasen-Einweggeneratoren, die

einem Dreiphasengleichrichter in Brückenschaltung nach Schaltbild Fig. 10 ausgeführt und deren

besteht. Arbeitswicklungen zum Dreiphasensystem stern-

Fig. 7 stellt das Schaltbild eines Generators dar, 65 geschaltet sind und eine gemeinsame Belastung 12

der Impulse von einer Frequenz 3/ erzeugt und aus speisen. Die Impulsfrequenz nach dieser Schaltung

einem Dreiphasen-Spitzentransformator sowie einem beträgt 3/, und das Tastverhältnis ist größer als bei

Dreiphasen-Einweggleichrichter besteht. Die in Einphasenschaltungen.

Der gleichpolige Inmpulsgenerator gemäß Schaltung F i g. 14 besteht aus drei Doppelweggeneratoren, die mit der Gleichrichterbrücke aus sechs ungesteuerten Ventilen 11 zu einem Dreiphasensystem geschaltet sind und auf eine gemeinsame Belastung 12 arbeiten. Die Impulsfrequenz dieses Generators beträgt 6/.

Bei sämtlichen Doppelweggeneratoren (Fig. 11, und 14) sind zusätzliche kurzgeschlossene Wicklungen 15 vorgesehen, welche zur Beseitigung der geraden harmonischen Komponenten der Ausgangsspannung des Generators dienen.

Wie bei den auf der Basis von Spitzentransformatoren ausgeführten Generatoren sind Schaltungen mit Doppelweggleichrichtern dort zu bevorzugen, wo eine glattbearbeitete Oberfläche erforderlich ist.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektroerosiven Bearbeitung von Metallen mittels einpoliger niederfrequenter ao Impulse, dadurch gekennzeichnet, daß Impulse mit einer Energie im Bereich von 50 bis 1000 Joule und einer Impulsdauer von 5 bis 20 Millisekunden bei einem Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer in der Nähe von 1 angewendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Abnutzungsund Erneuerungsvorgänge an der Werkzeug-Elektrodenoberfläche die Bearbeitung mittels periodischer Impulse abwechselnd ungleicher Polarität, Dauer und Energie erfolgt.

3. Impulsgenerator zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Pulsformer in an sich bekannter Weise gesättigte Magnetkreise mit Einweg- oder Doppelweggleichrichtern aus ungesteuerten Halbleiterdioden dienen.

4. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator aus drei primärseitig sterngeschalteten und von je einer Drehstromphase gespeisten, gesättigten Einphasentransformatoren sowie aus einem Dreiphasen-Einweg- oder-Doppelweggleichrichter mit ungesteuerten Halbleiterdioden besteht.

5. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator aus einem Dreiphasentransformator und einem Dreiphasen-Einweg- oder -Doppelweggleichrichter mit ungesteuerten Halbleiterdioden besteht.

6. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Pulsformer ein Eintaktmagnetverstärker mit Selbstsättigung verwendet wird, der aus zwei Kernen aufgebaut ist, auf denen sich die von einer Gleichstromquelle gespeisten Steuerwicklungen und die an einen Einweg- oder Doppelweggleichrichter mit unge- λ steuerten Halbleiterdioden geschalteten Arbeits- " wicklungen befinden.

7. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsformer aus drei Eintaktmagnetverstärkern mit Selbstsättigung besteht, von denen jeder aus zwei Kernen mit Arbeitswicklungen und Steuerwicklungen aufgebaut ist, wobei die Steuerwicklungen mit Gleichstrom gespeist werden, und die über drei sterngeschaltete, ungesteuerte Halbleiterdioden von einem Drehstromnetz mit Nullpunkt gespeisten Arbeitswicklungen an eine gemeinsame Belastung angeschlossen sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen