-
Verfahren zur elektroerosiven Bearbeitung von stromleitenden Werkstoffen
und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf
Verfahren zur elektroerosiven Bearbeitung von stromleitenden Werkstoffen durchStrom-und
Spannungsmipulse sowie auf Einrichtungen zur Durchfährung dieses Verfahrens* Die
elektroerosive Metallbearbeitung mit Strom- und Spannungsimpulsen ist ansich bekannt
(siehe beispielsweise das Buch von A.L. Livsva_G "Die elektroerosive Metallbearbeitungll,
Verlag Maggiz, 1957). Bei diesem Bearbeitungsverfahren bewirken Strom- und
Spannungsimpulse ein Verdampfe.ne Abschmelzen und Abtragen des Metalls sowie zum
Teil ein Entfernen von Erosionsproduktionaus dem Arbeitsspalte Bekannt sind auch
Strom- und Spannungsimpulsgeneratoren mit hohem Wirkungsgrad zur Durchführung dieses
Verfahrens. Sie' bestehen grundsätzlich aus zwei zu einer Einheit zusammengekoppelten
Impulsgeneratoren$ von denen einer einen
Funkendurchbruch-zwischen
Werkstüak und Werkzeug bei der erforderlichen Breite des Arbeitsspaltes ermöglicht,
und der andere Strom- und Spannungsimpulse zum Verdampfen, Abschmel#zen und Abtragen
des Tillerkstückmetalls aus dem Krater sowie zur teilweisen Entfernung von Eräsionsprodukten
aus dem Arbeitsspalt liefert* Nachteile der bekannten Verfahr-n liegen darin, daß
die Werkzeugelektrode bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit und Bearbeitungsgüte sehr
schnell verschleißt und daß die Brosionsprodukte aus dem Arbbitsspalt nicht ganz
entfernt werden; das letztere ist insbesondere bei der Bearbeitung von tiefen Hohlräumen
der Fall.
-
Mit der Erfindung sollen diese Nachteile beseitigt vierden. Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahr--n sowie eine Einrichtung zur elektroerosiven
Bearbeitung von C>
stromleitenden Ifferkstoffen anzuc, geben, bei denen neben
den Durchschlag der Funkenstrecke bei vorgegebener Breite des Arbeitsspaltes, dem
Verdampfen, Abschmelzen und Abtragen des Metalls aus dem Krater und dem teilweisen
Entfernen von Erosionsprodukten a us dem Arbeitsspalt durch jeden Strom-und Spannungsimpuls
auch ein Schutz der Werk-zeugelektrode vor Erosion, eine regelmäßige wirksame Entfernung
von grosionsprodukten aus dem Arbeitsspalt sowie (bei Bedarf) die
Übertragung
des Metalls von einer Elektrode auf die andere
und eine Änderung
der Bearbeitungsgüte ermÖglicht werden. Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren dadurch gelöstg daß zur elektroerosiven Bearbeitung von stromleitenden
Werkstoffen zumindest drei Strom- und.Spannungsimpulse mit verschiedenen Kennwerten
der Funkenstrecke periodisch wiederkehrend zugeführt werden, von denen der erste
Impuls die Funkenstrecke durchschlägt, der zweite das Werkstückmetall verdampft,
abschmilzt und aus dem Krater austrägt sowie die Erosionsprodukteteilweise aus dem
Arbeitespalt entfernt und der dritte Impuls einen Schutzüberzug auf d - er
Oberfläche der WerkzeugelektAde bildet. Weiterhin konn es vorteilhaft sein,
einen zusätzlichen Strom- und Spannungsimpuls zur endgültigen Entfernung von Erosionsprodukten
aus den Arbeltsspalt anzulegen.
-
Als Strom- und Spannungsixpuls zum Verdampfen, Erschmelzen
und Anstragen des-Metalls und als Strom- und Spannungsimpuls zum Bilden des Schutzüberzuges
auf der Oberfläche der Werkzeugelektrode wird vorzugsweise ein aus lückenlos aufeinanderfolgenden
abwechselnd auftretenden Impulsen mit unterschiedlIcher Amplitude bestehender mehrfacher
Impuls verwendet* Bei einer vorteilhaften Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens , bei der ein Steuersender einen 17 .:.lünd- und einen Starkstromimpulsgenerator
gleichzeitig triggert,
die zur Funkenstrecke parallel geschaltet
sindg wobei der Starkstromimpulsgenerator in Form von zumindest zwei parallel geschalteten
Schalterstufen ausgebildet ist, enthält der Steuersender erfindungsgemäß zumindest
drei Impulse verschiedener Dauer und Phasenlage erzeugende Niederleistungs-Rechteckimpulsgeneratoren,
die jeweils an den Zündgenerator und an zumindest eine der Schalterstufen angeschlossen
sind.
-
Als Niederspannung-Rechteckimpulsgeneratoren werden vorteilhaft einphasige
monostabile Multivibratoren mit Impulsformern verwendet, die an einen Sperrschwinger
angeschlossen und von diesem getriggert sind* Zwischen monostabilem Alultivibrator
und Sperrschwinger ist vorteilhaft ein Umschalter angeordnet* - ------ ------
Zumindest
einer der monostabilen Multivibratoren istvorzugsweise =mittelbar an den
Sperrschwinger angeschlossen, während die übrißen Multivibratoren über eine Differenzierkapazität
zu einer Reihenschaltung miteinander verbunden und am erstgenannten Multivibrator
angeschlossen sind, Zwischen dem Niederleistungs-Rechteckimpulsgenerator und dem
Eingang der Schalterstufe wird vorteilhaft eine Koinzidenzschaltung eingebaut.
Die
Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen näher erläuterü"ls zeigt Fig. la den Spannungsverlauf von Impulsen bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren; Fig. lb den Stromverlauf von Impulsen bei einem
erfindungsgemäßen Verfahren; Fig. 2 eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungs-0
- gemäßen Verfahrens im Blockschaltbild; Fig. 3 die elektrische Schaltung
des Steuersenders; Fig. 4a den Spannungsverlauf der Ausgangsimpulse des Sperrschwingers;
Fig. 4b den Spannungsverlauf der Ausgangsimpuise eines der monos t ab Fig. 4cl dg
e den Spannii-ngsverlauf der AusgangsimpulsEi deiL-übrigen monostabilen Multivibratoren;-Fig.
4f den Leerlaufspannungsverlauf der Funkenstrecke-, Fig. 4g den Funkenstreckenstromverlauf-,
Fig- 5 die elektrische Schaltung von erfindungsgemäßen Schalterstufenf 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 Blektrodensystem, das in einem besonderen
Arbeitsmedium angeordnet ist« Die Kennwerte der Strom- und Spannungsimpulse werden
entsprechend den Funkt-ionen gewählti die diese Impulse bei der Bearbeitung zu erfüllen
haben.
-
So werden beispielsweise für die Initierung des Entladungsweges auf
das erwähnte WerksLäck-Werkzeug-Blektrodensystem Spannungsbnpulse gegeben, deren
Höhe zum Durchschla..en der Funkenstrecke bei vorgegebener Breite des Arbeitsspaltes
ausreicht. Im Nachfolgenden werden diese Impulse "Zündimpulsell genannte* Den Zündimpulsen
folgen normalerweise periodische Starkstromimpulse, die ein örtliches Abschmelzen..
Verdampfen von bestimmten Metallmengen sowie den Austrag dieser Metallmengen aus
dem Krater und zum Teil auch die Entfernung von Brosionsprodukten aus dem Arbeitespalt
bewirken. Diese Strom- und Spanniingsimpulse werden hier als «Reizimpulsell bezeichnet,*
Autdas Werkzeug-WerkstLick-System werden erfindungegemäß weiter in regelmäßiger
Folge Stromimpulse gegeben, die die Bildung eines Schutzüberzuges auf der
Oberfläche der Werkzeugelektrode
bewirkeng der diese vorZerstörung
schützt* Sie werden im weiteren mit "Schutzimpulsell bezeichnet. Die Bildung des
Schutzüberzuges wird durch eine zwangsweise Verschiebung des Entladungsweges gegenüber
der Werkzeugelektrode begünstigt, der nach dem Funkendurchbruch entsteht. Diese
Verschiebung wird durch Stromimpulse mit sich zeitlich ändernder Form erreichte
Zur endgültigen Nntfernung von Erosionsprodukten aus dem Blektrodenzwischenraum
werden Strom- und Spannun simpulse erzeugt, die starke Druckwellen erzeugen und
die Erosions.-produkte wegtreiben. Diese Impulse werden nachstehend "Evakuierungsimpulsell
genannt.
-
Je nach der Bearbeitungsart können weiter Spannungs- und Stromimpulse
verwendet werden, die beispielsweise eine Änderung der erzielbaren Oberflächengüte,
eine Übertragung des Werksto.£fs u.dergl. ermöglichen* Somit ist im allgemeinen
das Blektrodensystem Werkstück-Werkzeug der Wirkung von n (n - 19 29
3 ...) Arten der Strom-und Spannungsj-mpulse ausgesetzt, von denen jeder
durch bestimmte Dauer" AmplItude und Spannungs- und Stromverlauf sowie durch seine
Häufigkeit gekennzeichnet ist, die entsprechend der ihm zugeordneten Aufgabe gewählt
werden.
-
Im vorliegenden Fall, in dem nur die Aufgaben der Einhaltung
der
erforderlichen Breite des Elektrodenzwischenraums, der Verdampfungg des Abschmelzens
und des Austragens des Metalls, der teilweisen Entfernung von Erosionsprodukten
aus dem Arbeitsspalt, der Bildung eines Schutzüberzuges auf der Oberfläche der Werkzeugelektrode
und der regelmäßigen endgültigen Entfernung der Erosionsprodukte aus dem Elektrodenzwischen.r-aum
erfüllt werden solleng werden nur 4 Arten von Strom- und Spannungsimpulsen verwendet,
und zwar Zündimpulse 1 (Fig. lal lb)9 Heizimpulse 29 SchutzimPulse*3 und
Evakuierungaimpulse 4. Die ersten drei Impulsarten sind zu einem mehrfachen Impuls.
vereinigt, der einen entsprechenden veränderlichen Strom-und Spannungsverlauf aufweist»
Ein solcher mehrfacher Impuls setzt sich aus dem Zähdspan4ungsimpuls 1 an
der Vorderflanke und einer Mehrzahl von lückenlos aufeinanderfolgenden und abwechselnd
auftretenden Heizimpulsen 2 mit relativ hoher Amplitude und Schutzimpulsen
3 mit relativ niedriger Amplitude zusammen. Die SchutzJhpulse 3 treten
in den Pausen zwischen den Reizimpulsen 2 auf, Sie verschieben den Entladungsweg
auf der Blektrodenidoberfläche. Die beschriebenen mehrfachen Stromimpulse werden
in Se rien (Folgen) durch die Funkenstricke geschickt. In den Pausen zwischen diesen
Impulsfolgen füßt man Strom- und Spannungsimpulse 4 zur endgültigen Entfernung der
Brosionsprodukte ein.
Die Kennwerte der einzelnen Impulsarten
verhalten sich zueinander wie folgt ti (t' + t') = 2 ... 40
t" = (093 ...20) t' t >
p",4 til T 2 ... 1000 (t 1 +t
2) U 1 (1...100) U 3
UZ (le5 ... 15) U 3
11-
(5 ... 50) 12 1 2- (2...20) 1 3
1 3 - (1 ... 100) 4'
Darin ist: t i die Dauer des mehrfachen Impulsesq t p die Dauer der Pause zwischen
den mehrfachen Impulsen, t' die Dauer des Heizimpulses2 mit dem Strom
J 2t t" die Dauer des Schutzimpulse 3 mit dem Strom J 3
T der
Abstand zwischen den Folgen aus mehrfachen Impulseng il die Stromamplitude der Evakuierungsimpulse
49-1 2 die Stromamplitude der Wärmeimpulse 29 1 3 die Stromamplitude
der Schutzimpulse 31
14 die Stromamplitude der Zündimpulse 1,
U, die
Spannungamplitude der Evakuierungsimpulse 4, U2 die Spanniingsamplitude der
Zündimpulse 1, U die Spannungsamplitude der Heizimpulse 2 und der SchutzimPulse
3-
Eine Einrichtung zur Durchführung-des erfindungsi,-1,emäßen
Verfahrens zur elektroerosiven Metallbearbeitung durch Strom-und Spannungsimpulse
besteht grun4sätzlich aus einem Steuersender 5 (Fig. 2) einer Gruppe von
Paketschaltern 6, mehreren identischen Schalterstufen 7,8, '7", '71119 einer Trenndiode
8, einem Zündimpulsgenerator 9 und einer Einheit 10
zur Beseitigung
von Kurzschlüssen an der Funkenstrecke. Die Schalterstufen 7 und der Generator
9 werden von Gleichspannungsquellen 11 und 111 gespeist.
-
Der Steuersender 5 ist aus- Fig, 3 ersichtlich. Br enthält
einen Sperrschwinger 12, an dessen Ausgängen Niederleistungs-RechteckimpullBgeneratoren
in Form von monostabilen Multivibratoren 141, 14119 14111 mit Impulsformern über
Umschalter 131, 13"9 13"' angeschlossen sind.
-
Die in Fig, 5 dargestellte Gruppe von Schalterstufen besitzt
am Eingang eine Dioden-Koinzidenzschaltung 15, an der Leistungsvorverstärker
16 angeschlossen werden, die mit der Basit von Tranaistroren 17-der Schaltärstufen
Über dIe Transformatoren 25 verbunden sind* Der Zündimpülsgenerator
9 hat ebenfalls am Eingang eine Diodenkoinzidenzschaltung, Vorverstärker
und parallel liegende Schalterstufen (in der Zeichnung nicht dargestellt),
Die
beschriebene Binrichtung arbeitet wie folgt: C3 C3 Ber Sperrschwinger 12
erzeugt Impulse, die diemonostabilen Multivibratoren 14 triggern.
-
Die Folgefrequenz der Triggerimpulse ist durch Verstellung des Widerstandes
18 im lChtladestromkreis einer taktgeben,-den Kapaäität 19 stufenlos
einsteilbar. Die Impulsdauer der monostabilen Multivibratoren 14 wird durch die
Kapazität der Kondensatoren 201, 2011t 201" und die Widerstände 211, 2111 und 21111
bestimmt.
-
Die Speisespannung des Sperrschwingers 12 wird durch eine Zenerd-iode
22 konstant gehalten.
-
Die von den Impulsformern ankommenden Rechteckimpulse gelangen über
Faketschalter 6 auf die- Eingänge der Leistungsvorverstärker 16 der
Schalterstufen und Die vom Generator 5 ankommenden Impulse können aber nur
dann die Schalterstufen 7 auslösen, Nenn die Funkenstrecke nichC kurzgeschlo'ssen
ist. Tritt an der Funkenstrecke ein Kurzschluß auf, der über 0,0:49tanhält, greift
die Binheit 10
zur Beseiti-ung der Kurzschlüsse ein und sperrt unabhäxgis
von den Signalen des Steuersenders 5 über die Diodenkoinzidenzschaltung
15 alle Schalterstufen 7 und den Zündgenerator 9 ab.
Die
Versorgung der Funkenstrecke mit Impulsen wird wieder aufgenommen, sobald der Kurzschluß
beseitigt ist.
-
.Die Schalttransistoren 17 werden in zwei Betriebszuständen
betrieben, je nachZdem ob die Funkenstrecke kurzgeschlossen ist oder nicht.
Bei normaler Impulsentladunß 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 Kennwerte der EinganGsstromkreise werden aber so gewählt, daß die Schalttransistoren
17 (Fig- 5).beim Kurzschluß der Funkenstrecke zwischen Punkten
A' (Sperrgebiet) und BI (aktives Gebiet) ausgesteuert werden (Fig. 6a, Kennlinie
AOBI), bis die Einheit 10 eingreift. Daher liegt der Kurzschlußstrom 1
5 etwas über dem normalen Strom I., der bei Betrieb mit erosiver Belastun5
auftritt* Diese Tatsache bestimmt den Verlauf der äußeren Belastungskennlinie der
Einrichtung die in Fig. 6b dargestellt ist* Die zuverlässige Funktion der
Schalttransistoren 17 (Fig-5) bei hohen Schaltfrequenzen ist nur dann-gesichert,
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 Öffnungszeit, ist umgekehrt proportional zur Amplitude des Basisöffnungsstromimpulses
und verhältnisgleich zur Flankendauer des Basisstromso Die Zeit des Übergangs des
Transistors aus dem Sättigungszustand in den Sperrzustand, d*h. seine Ausschaltzeitt
die hauptsächlich durch die' Diffusionsgeschwindigkeit der Minoritätsträger aus
dem Basisgebiet bedingt istt ist wesentlich. Zur Verringerung dieser Zeit ist ein
Spannungsimpuls erforderlich, der gegenüber dem Ummitter (beim pnp-Transistor) positiv
ist und eine steile Flanke hat. Dieser Impuls wird der Basiszone über einen kleinen
Widerstand zugeführt.
-
Aus diesen Gründen erfolgt die Umschaltung der Schalttransistoren
17 über Hochfrequenz-Transistoren 24 der Leistungsvorverstärker
16, die als Schaltverstärker betrieben werden und über Sättigungs-Impulswandler
259 die als positive Rückkopplung während des Schaltvorganges wirken* Der
Übergang des Transistors 24 in den Sperrzustand wird beispielsweise von einem Stromimpuls
mit steiler Flanke im Basisstromkreis des Transistors 17 begleitet. Dieser
Impuls beringt den Transistor 17 in den Sättigungszustand. Wie aus der Schaltung
ersichtlichg ist das Fimmitterpotential des
Transistors 24 positiv
gegenüber dem Emmitterpotential des Transistors 17. Daner tritt beim Übergang
des Transistors 24 in den Sättigungszustand ein gegenüber dem Emmitter des Transistors
17 positives,Spannungsgefälle aufg das an der Basis des letzteren über einen
kleinen Widerstand (in der Größenordnung von 1 Ohm) ) "Emitter-Kollektor"
des geöffneten Transistors 24 wirksam wird* Hierbei ist der Strom des Transistors
17 im geschlossenen Zustand etwa seinem Kollektorsperrstrom gleich.
-
Die positive Rückkopplunn erzeugt während des Schaltvorgan-CD ges
zusätzliche Impulse an der Basis des Transistors 171, die zur weiteren Herabsetzung
der Schaltzeit beitragen.
-
Wie aus der Schaltung des Steuersenders (Fig- 3) leicht zu
ersehen, sind die monostabilen MulLvibratoren 141, 14111 14118 bei der in der Zeichnung
dargestellten Stellung der Unschalter 131, 13", 13"' über Differenzierkapazitäten
2819 2819,9 28111 an den Sperrschwinger 12 angeschlossen und werden durch die von
diesem erzeugten Impulse nacheinander ausgelöst. Bei Umstellung der Schalter lYs
13gli 1311) können die monostabilen Multivibratoren 14 so angeschlossen werdeng
daß ein Teil davon parallel,und die anderen nacheinander ausgelöst werden. Die Schalterstufen
7 können über Paketschalter 6 in beliebiger Kombination an die Ausgänge
des Steuersenders 5
angeschlossen werden.
Dieser Aufbau der
Schaltung ermöglicht esq einen beliebigen Stromverlauf der durch die Funkenstrecke
geschickten Impulse einzustellen.
-
Der Leerlaufspannungsverlauf und der Verlauf des die Funkenstrecke
durchfließenden Stromest wie sie in Fig. 4S1 4f darg-estellt sindl können beispielsweise
erreicht werden, wenn drei monostabile Multivibratoren (Ausgänge I, II, III) vom
Sperrschwinger (Fig, 5, 4a) und der vierte Multivibrator vom Ausgang des
dritten (Fig. 4b9 ol d9 e) getriggert werden und der Zündimpulsgenerator
9 an den Eingang I (]#ig. 4b)9 die Schalterstufe 71 an den Ausgang
II.(Fig. 4c)-9 die Schalterstufe 711-an den Ausgang III'(Fig. 4d) und die Ubrigen
Schalterstufen an den Ausgang IV (Fig. 4e) angeschlossen werden. Durch Änderung-der
Impulsdauer der monostabilen Multivi. bratoren 141 der Folgefrequenz der Sperrschwingerinipulse
und durüh Umstellung der Schalter lY9 13"1-13119 läßt sich ein beliebiger Stromverlauf
einstellen.
-
Das Verfahren und die Einrichtung zur elektroerosiven Meta llbearbeitung
ermöglichen eine Steigerung der Arbeitsproduktivität und eine beträchtliche Herabsetzung
des Verschleißes der Werkzeugelektroden sowohl bei Schrupp- als auch bei Schlichtarbeiten,
so daß viele Erzeugnisse mit einer einzigen Werkzeugelektrode bearbeitet und ihre
Herstellungskosten herabgesetzt werden können.