DE1615242C - Verfahren zur elektroerosiven Bearbeitung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

1 2

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des elektroerosiven Bearbeitung, bei dem der Funken- Verfahrens nach der Erfindung, bei der ein Steuerstrecke abwechselnd Strom- und Spannungsimpulse sender einen Zünd- und einen Starkstromimpulsmit verschiedenen Daten zur Funkeneinleitung bzw. generator gleichzeitig triggert, die zur Funkenstrecke zum Materialabtrag periodisch zugeführt werden, 5 parallel liegen, wobei der Starkstromimpulsgenerator und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des in Form von zumindest zwei parallelliegenden Schalter-Verfahrens, stufen ausgebildet ist, enthält der Steuersender vorteil-Die elektroerosive Metallbearbeitung mit Strom- haft zumindest drei Strom- und Spannungsimpulse und Spannungsimpulsen ist an sich bekannt (s. bei- verschiedener einstellbarer Dauer und Phasenlage spielsweise das Buch A. L. L i ν ä i c, »Die elektro- io erzeugende Niederleistungs-Rechteckimpulsgeneratoerosive Metallbearbeitung«, Verlag Maägiz, 1957). ren, von denen einer an den Zündgenerator und jeder Bei diesem Bearbeitungsverfahren bewirken Strom- zumindest an eine der Schaltstufen angeschlossen ist. und Spannungsimpulse ein Verdampfen, Abschmelzen Als Niederleistungs-Rechteckimpulsgeneratoren wer- und Abtragen des Metalls sowie zum Teil ein Entfernen den vorzugsweise einphasige monostabile Multivon Erosionsproduktion aus dem Arbeitsspalt. 15 vibratoren mit Impulsformern verwendet, die von

Bekannt sind auch Strom- und Spannungsimpuls- einem Sperrschwinger getriggert werden,

generatoren mit hohem Wirkungsgrad zur Durch- Es ist vorteilhaft, daß an der Vorrichtung zumindest

führung dieses Verfahrens. Sie bestehen häufig im ein monostabilder Multivibrator mit seinem Eingang

Prinzip aus zwei zu einer Einheit zusammengekoppel- an den Sperrschwinger unmittelbar angeschlossen ist

ten Impulsgeneratoren, von denen einer einen Funken- 20 und daß die Eingänge der übrigen monostabilen

durchbruch zwischen Werkstück und Werkzeug bei Multivibratoren mittels je eines Umschalters ebenfalls

der erforderlichen Breite des Arbeitsspaltes ermöglicht, an den Sperrschwinger oder über je eine Differenzier-

und der andere Strom- und Spannungsimpulse zum kapazität zu einer Reihenschaltung jeweils an den

Verdampfen, Abschmelzen und Abtragen des Werk- Ausgang des vorhergehenden monostabilen Multi-

stückmetalls aus dem Krater sowie zur teilweisen 25 vibrators angeschlossen sind.

Entfernung von Erosionsprodukten aus dem Arbeits- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nach-

spalt liefert. stehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher

Es ist bekannt, bei der elektroerosiven Bearbeitung erläutert. Es zeigt

der Funkenstrecke die elektrische Energie in Form Fig. la den Spannungsverlauf von Impulsen bei

solcher Impulse zuzuführen, daß Funkenentladungen 3° einem erfindungsgemäßen Verfahren,

mit Lichtbogenentladungen abwechseln, wobei die F i g. 1 b den Stromverlauf von Impulsen bei

Lichtbogen das Material vorwärmen und die Funken einem erfindungsgemäßen Verfahren,

es abtragen, zusätzlich Pilotfunken zur Zündeinleitung F i g. 2 eine Einrichtung zur Durchführung des

zu verwenden, und den Funkenstrecken periodisch erfindungsgemäßen Verfahrens im Blockschaltbild,

Impulsfolgen, zuzuführen, die von impulsfreien Zwi- 35 F i g. 3 die elektrische Schaltung des Steuersenders,

schenräumen getrennt sind. Fig. 4a den Spannungsverlauf der Ausgangs-

Bei den bekannten Verfahren erweist es sich als impulse des Sperrschwingers,

nachteilig, daß die Werkzeugelektrode bei hoher F i g. 4 b den Spannungsverlauf der Ausgangsim-Arbeitsgeschwindigkeit und Bearbeitungsgüte sehr pulse eines der monostabilen Multivibratoren,
schnell verschleißt und daß die Erosionsprodukte aus 40 F i g. 4 c, 4 d, 4 e den Spannungsverlauf der dem Arbeitsspalt nicht ganz entfernt werden; das Ausgangsimpulse der übrigen monostabilen Multiletztere ist insbesondere bei der Bearbeitung von vibratoren,
tiefen Hohlräumen der Fall. F i g. 4 f den Leerlaufspannungsverlauf der Funken-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver- strecke,

fahren sowie eine Einrichtung zur elektroerosiven 45 F i g. 4 g den Funkenstreckenstromveriauf,

Bearbeitung von stromleitenden Werkstoffen anzu- F i g. 5 die elektrische Schaltung von erfindungs-

geben, bei denen neben dem Durchschlag der Funken- gemäßen Schalterstufen,

strecke bei vorgegebenener Breite des Arbeitsspaltes, F i g. 6 a die Betriebskennlinien der Ausgangs-

dem Verdampfen, Abschmelzen und Abtragen des transistoren der Schalterstufen,

Metalls aus dem Krater und dem teilweisen Entfernen 50 F i g. 6 b die äußere Belastungskennlinie des Gene-

von Erosionsprodukten aus dem Arbeitsspalt durch rators.

jeden Strom- und Spannungsimpuls auch ein Schutz Die elektroerosive Metallbearbeitung ist das Ergeb-

der Werkzeugelektrode vor Erosion, eine regelmäßige nis der Einwirkung von regelmäßig auftretenden

wirksame Entfernung von Erosionsprodukten aus dem Impulsströmen und -spannungen auf ein durch

Arbeitsspalt sowie (bei Bedarf) die Übertragung des 55 Werkstück und Werkzeug gebildetes Elektrodensystem,

Metalls von einer Elektrode auf die andere und eine das in einem besonderen Arbeitsmedium angeordnet

Änderung der Bearbeitungsgüte ermöglicht werden. ist. Die Kennwerte der Strom- und Spannungs-

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen impulse werden entsprechend den Funktionen gewählt,

Verfahren dadurch gelöst, daß zur elektroerosiven die diese Impulse bei der Bearbeitung zu erfüllen

Bearbeitung eine Folge von Mehrfach-Impulsen, die 60 haben.

aus lückenlos aufeinanderfolgenden, abwechselnd So werden beispielsweise für die Ionisierung des auftretenden Einzel-Strom- und Spannungsimpulsen Entladungsweges auf das erwähnte Werkstück-Werkverschiedener Amplituden des Verhältnisses 2 bis 20 zeug-Elektrodensystem Spannungsimpulse gegeben, bestehen und durch Impulspausen getrennt sind, ver- deren Höhe zum Durchschlagen der Funkenstrecke wendet wird und daß die Folge dieser Mehrfach- 65 bei vorgegebener Breite des Arbeitsspaltes ausreicht. Impulse periodisch von einem Strom- und Spannungs- Im nachfolgenden werden diese Impulse »Zündimpuls wesentlich höherer Amplitude und Dauer impulse« genannt,
als die Einzelimpulse unterbrochen wird. Den Zündimpulsen folgen normalerweise peri-

3 4

odische Starkstromimpulse, die ein örtliches Abschmel- Die Kennwerte der einzelnen Impulsarten verhalten

zen, Verdampfen von bestimmten Metallmengen sowie sich zueinander wie folgt

den Austrag dieser Metallmengen aus dem Krater und , = (2 40) (t' 4- t")

zum Teil auch die Entfernung von Erosionsprodukten Ji, _ mi" 20) t'

aus dem Arbeitsspalt bewirken. Diese Strom- und 5 t ~> t"' "'

Spannungsimpulse werden hier als »Heizimpulse« τ ^= 1 1000 (t + t)

bezeichnet. U = (1 100) U

Auf das Werkzeug-Werkstück-System werden erfin- t/= (1 5°' 15) U

dungsgemäß weiter in regelmäßiger Folge Stromimpulse j² __ /r 59") / ³

gegeben, die die Bildung eines Schutzüberzuges auf 10 / = O 20) /

der Oberfläche der Werkzeugelektrode bewirken, der ? _ q jqO) /

diese vor Zerstörung schützt. Sie werden im weiteren ³ ''' ⁴

mit »Schutzimpulse« bezeichnet. Die Bildung des Darin ist

Schutzüberzuges wird durch eine zwangsweise Ver- , _{die Dauer des me}hrfachen Impulses,

Schiebung des Entladungsweges gegenüber der Werk- 15 _{die Dauer der Pause zwischen den} mehrfachen

zeugelektrode begünstigt, der nach dem Funken- ImDulsen

durchbruch entsteht. Diese Verschiebung wird durch ,, _{die Dau}'_{ef deg} Heizungsimpulses 2 mit dem

Stromimpulse mit sich zeitlich ändernder Form Strom J

erreicht. _ i" die Dauer des Schaltimpulses 3 mit dem Strom J₃,

Zur endgültigen Entfernung von Erosionsprodukten _{20 T die Periode der Eva}kuierungsimpulse 4,

aus dem Elektrodenzwischenraum werden Strom- j _{die Stromamplitude der} Evakuierungsimpulse 4,

und Spannungsimpulse erzeugt die starke Druckwellen , _{die Stromamplitude der} Wärmeimpulse 2,

erzeugen und die Erosionsprodukte wegtreiben. Diese j _{die Stromamplitude der} Schutzimpulse 3,

Impulse werden nachstehend »Evakuierungsimpulse« ^ _{die Stromamplitude der} Zündimpulse 1,

genannt. . ^as t/_T die Spannungsamplitude der Evakuierungsim-

Je nach der Bearbeitungsart können weiter Span- nulse 4

nungs- und Stromimpulse verwendet werden die _{υ die} Spannungsamplitude der Zündimpulse 1,

beispielsweise eine Änderung der emdbaren Ober- _{υ die} Spannungsamplitude der Heizimpulse 2 und

fiachengute, eine Übertragung des Werkstoffs u. dgl. _der Schutzimpulse 3.

ermöglichen. 30

Somit ist im allgemeinen das Elektrodensystem Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungs-

Werkstück-Werkzeug der Wirkung von η (η = 1, 2, gemäßen Verfahrens zur elektroerosiven Metall-

3 ...) Arten der Strom- und Spannungsimpulse aus- bearbeitung durch Strom- und Spannungsimpulse

gesetzt, von denen jeder durch bestimmte Dauer, besteht grundsätzlich aus einem Steuersender 5

Amplitude und Spannungs- und Stromverlauf sowie 35 (F i g. 2) einer Gruppe von Paketschaltern 6, meh-

durch seine Häufigkeit gekennzeichnet ist, die ent- reren identischen Schalterstufen 7', 7", 7'", einer

sprechend der ihm zugeordneten Aufgabe gewählt Trenndiode 8, einem Zündimpulsgenerator 9 und einer

werden. Einheit 10 zur Beseitigung von Kurzschlüssen an der

Im vorliegenden Fall, in dem nur die Aufgaben der Funkenstrecke. Die Schalterstufen 7 und der Genera-Einhaltung der erforderlichen Breite des Elektroden- 40 tor 9 werden von Gleichspannungsquellen 11 und 11' Zwischenraums, der Verdampfung, des Abschmelzens gespeist.

und des Austragens des Metalls, der teilweisen Ent- Der Steuersender 5 ist aus F i g. 3 ersichtlich. Er

fernung von Erosionsprodukten aus dem Arbeitsspalt, enthält einen Sperrschwinger 12, an dessen Ausgängen

der Bildung eines Schutzüberzuges auf der Oberfläche Niederleistungs-Rechteckimpulsgeneratoren in Form

der Werkzeugelektrode und der regelmäßigen endgül- 45 von monostabilen Multivibratoren 14', 14", 14'" mit

tigen Entfernung der Erosionsprodukte aus dem Impulsformern über Umschalter 13', 13", 13'" an-

Elektrodenzwischenraum erfüllt werden sollen, werden geschlossen sind.

nur vier Arten von Strom- und Spannungsimpulsen Die in F i g. 5 dargestellte Gruppe von Schalterverwendet, und zwar Zündimpulse 1(Fi g. 1 a, 1 b), stufen besitzt am Eingang eine Dioden-Koinzidenz-Heizimpulse 2, Schutzimpulse 3 und Evakuierungs- 50 schaltung 15, an der Leistungsvorverstärker 16 angeimpulse 4. schlossen werden, die mit der Basis von Transistoren 17

Die ersten drei Impulsarten sind zu einem mehr- der Schalterstufen über die Transformatoren 25 verfachen Impuls vereinigt, der einen entsprechenden bunden sind.

veränderlichen Strom- und Spannungsverlauf auf- Der Zündimpulsgenerator 9 hat ebenfalls am Einweist. Ein solcher mehrfacher Impuls setzt sich aus 55 gang eine Diodenkoinzidenzschaltung, Vorverstärker dem Zündspannungsimpuls 1 an der Vorderflanke und parallelliegende Schalterstufen (in der Zeichnung und einer Mehrzahl von lückenlos aufeinander- nicht dargestellt).

folgenden und abwechselnd auftretenden Heizim- Die beschriebene Einrichtung arbeitet wie folgt:

pulsen 2 mit relativ hoher Amplitude und Schutz- Der Sperrschwinger 12 erzeugt Impulse, die die mono-

impulsen 3 mit relativ niedriger Amplitude zusammen. 60 stabilen Multivibratoren 14 triggern.

Die Schutzimpulse 3 treten in den Pausen zwischen Die Folgefrequenz der Triggerimpulse ist durch

den Heizimpulsen 2 auf. Sie verschieben den Ent- Verstellung des Widerstandes 18 im Entladestromkreis

ladungsweg auf der Elektrodenoberfläche. Die be- einer taktgebenden Kapazität 19 stufenlos einstellbar,

schriebenen mehrfachen Stromimpulse werden in Die Impulsdauer der monostabilen Multivibratoren 14

Serien (Folgen) durch die Funkenstrecke geschickt. 65 wird durch die Kapazität der Kondensatoren 20', 20",

In den Pausen zwischen diesen Impulsfolgen fügt man 20'" und die Widerstände 21', 21" und 21'" bestimmt.

Strom- und Spannungsimpulse 4 zur endgültigen Die Speisespannung des Sperrschwingers 12 wird

Entfernung der Erosionsprodukte ein. durch eine Zenerdiode 22 konstant gehalten.

Die von den Impulsformern ankommenden Rechteckimpulse gelangen über Paketschalter 6 auf die Eingänge der Leistungsvorverstärker 16 der Schalterstufen 7, 7" und T".

Die vom Generator 5 ankommenden Impulse können aber nur dann die Schalterstufen 7 auslösen, wenn die Funkenstrecke nicht kurzgeschlossen ist. Tritt an der Funkenstrecke ein Kurzschluß auf, der über 0,01 Sekunde anhält, greift die Einheit 10 zur Beseitigung der Kurzschlüsse ein und sperrt unabhängig 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 nachdem, ob die Funkenstrecke kurzgeschlossen ist oder nicht. Bei normaler Impulsentladung durch die Funkenstrecke dienen als Belastung der Transistoren 17 strombegrenzende Widerstände 23 (F i g. 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 (F i g. 5) beim Kurzschluß der Funkenstrecke zwischen Punkten ,4' (Sperrgebiet) und B' (aktives Gebiet) ausgesteuert werden (F ig. 6 a, Kennlinie A'B'), bis die Einheit 10 eingreift. Daher liegt der Kurzschlußstrom /₅ etwas über dem normalen Strom I₆, der bei Betrieb mit erosiver Belastung auftritt.

Diese Tatsache bestimmt den Verlauf der äußeren Belastungskennlinie der Einrichtung, die in Fig. 6b dargestellt ist.

Die zuverlässige Funktion der Schalttransistoren 17 (F i g. 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 Basisstroms.

Die Zeit des Übergangs des Transistors aus dem Sättigungszustand in den Sperrzustand, d. h. seine Ausschaltzeit, die hauptsächlich durch die Diffusionsgeschwindigkeit der Minoritätsträger aus dem Basisgebiet bedingt ist, ist wesentlich. Zur Verringerung dieser Zeit ist ein Spannungsimpuls erforderlich, der gegenüber dem Emitter (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 Hochfrequenztransistoren 24 der Leistungsvorverstärker 16, die als Schaltverstärker betrieben werden, und über Sättigungs-Impulswandler 25, 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 bringt den Transistor 17 in den Sättigungszustand. Wie aus der Schaltung ersichtlich, ist das Emitterpotential des Transistors 24 positiv gegenüber dem Emitterpotential des Transistors

17. Daher tritt beim Übergang des Transistors 24 in den Sättigungszustand ein gegenüber dem Emitter des Transistors 17 positives Spannungsgefälle auf, das an der Basis des letzteren über einen kleinen Widerstand (in der Größenordnung von 1 Ohm), nämlich die Emitter-Kollektor-Strecke des geöffneten Transistors 24 wirksam wird. Hierbei ist der Strom des Transistors 17 im geschlossenen Zustand etwa seinem Kollektorsperrstrom gleich.

ίο Die positive Rückkopplung erzeugt während des Schaltvorganges zusätzliche Impulse an der Basis des Transistors 17, die zur weiteren Herabsetzung der Schaltzeit beitragen.

Wie aus der Schaltung des Steuersenders (F i g. 3) leicht zu ersehen, sind die monostabilen Multivibratoren 14', 14", 14'" bei der in der Zeichnung dargestellten Stellung der Umschalter 13', 13", 13'" über Differenzierkapazitäten 28', 28", 28'" in einer Reihenschaltung jeweils an dem Ausgang des vorhergehenden Multivibrators angeschlossen und werden durch die von dem Sperrschwinger 12 erzeugten Impulse nacheinander ausgelöst. Bei Umstellung der Schalter 13', 13", 13'" können die monostabilen Multivibratoren 14 so angeschlossen werden, 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 es, einen beliebigen Stromverlauf der durch die Funkenstrecke geschickten Impulse einzustellen.

Der Leerlaufspannungsverlauf und der Verlauf des die Funkenstrecke durchfließenden Stromes, wie sie in F i g. 4g, 4f dargestellt sind, können beispielsweise erreicht werden, wenn drei monostabile Multivibratoren (Ausgänge I, II, III) vom Sperrschwinger (F i g. 5, 4 a) und der vierte Multivibrator vom Ausgang des dritten (F ig. 4 b, 4 c, 4d, 4e) getriggert werden und der Zündimpulsgenerator 9 an den Eingang I (F i g. 4b), die Schalterstufe T an den Ausgang II (F i g. 4 c), die Schalterstufe 7" an den Ausgang III (F ig. 4d) und die übrigen Schalterstufen an den Ausgang IV (Fig. 4e) angeschlossen werden.

Durch Änderung der Impulsdauer der monostabilen Multivibratoren 14, der Folgefrequenz der Sperrschwingerimpulse und durch Umstellung der Schalter 13', 13", 13'" läßt sich ein beliebiger Stromverlauf einstellen.
Das Verfahren und die Einrichtung zur elektroerosiven Metallbearbeitung 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.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektroerosiven Bearbeitung, bei dem der Funkenstrecke abwechselnd Strom- und Spannungsimpulse mit verschiedenen Daten zur Funkeneinleitung bzw. zum Materialabtrag periodisch zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folge von Mehrfach-Impulsen, die aus lückenlos aufeinanderfolgenden, abwechselnd auftretenden Einzel-Strom- und Spannungsimpulsen verschiedener Ampli-

tuden des Verhältnisses 2 bis 20 bestehen und durch Impulspausen getrennt sind, verwendet wird und daß die Folge dieser Mehrfach-Impulse periodisch fön einem Strom- und Spannungsimpuls wesentlich höherer Amplitude und Dauer als die Einzelimpulse unterbrochen wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der ein Steuersender einen Zünd- und einen Starkstromimpulsgenerator gleichzeitig triggert, die zur Funkenstrecke parallel liegen, wobei der Starkstromimpulsgenerator in Form von zumindest zwei parallelliegenden Schalterstufen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuersender (5) zumindest drei Strom- und Spannungsimpulse verschiedener einstellbarer Dauer und Phasenlage erzeugende Niederleistungs - Rechteckimpulsgeneratoren enthält, von denen einer an den Zündgenerator und jeder mindestens an eine der Schaltstufen angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Niederleistungs-Rechteckimpulsgeneratoren von einem Sperrschwinger (12) getriggerte einphasige monostabile Multivibratoren (14) mit Impulsformern verwendet werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein monostabiler Multivibrator (14) mit seinem Eingang an den Sperrschwinger (12) unmittelbar angeschlossen ist und daß die Eingänge der übrigen monostabilen Multivibratoren (14) mittels je eines Umschalters ebenfalls an den Sperrschwinger oder über je eine Differenzierkapazität (28) zu einer Reihenschaltung jeweils an den Ausgang des vorhergehenden monostabilen Multivibrators angeschlossen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Niederleistungs-Rechteckimpulsgenerator und dem Eingang der Schalterstufe (7) eine Koinzidenzschaltung 15 eingebaut ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 109 513/178