DE1924815A1

DE1924815A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen von Material mit Hilfe von Funkenerosion

Info

Publication number: DE1924815A1
Application number: DE19691924815
Authority: DE
Inventors: Cornelis Van Osenbruggen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1968-06-15
Filing date: 1969-05-16
Publication date: 1970-01-02
Also published as: ES368319A1; CH508450A; FR2010983A1; US3610865A; BE734581A; NL6808468A; GB1206578A

Description

"Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen von Material mit

Hilfe von Funkenerosion"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entfernen von Material eines leitenden Werkstückes durch Funkenerosion mit Hilfe eines piezo-elektrischen Elements, das in bezug auf das Werkstück Schwingungen vollführt, wobei zwischen der Elektrode auf dem Element und dem Werkstück eine Funkenentladung stattfindet.

Ein derartiges Verfahren ist aus der niederländischen Patentanmeldung 6.511«öl6 bekannt.

Bei dem bekannten Verfahren wird eine federnde Elektrode in bezug auf eine Fläche des zu bearbeitenden Materials in Schwingung versetzt, wobei die Amplitude dieser Schwingung in bezug auf den Höchstwert des Spannungsunterschiedes zwischen der Elektrode und der Fläche derart gewählt ist, daß eine Funkenentladung zwischen der Elektrode und der Fläche stattfindet, wobei das Material nur durch den Erosionseffekt der Funkenentladung entfernt wird. Vorzugsweise ist-das"Glied, mit dessen Hilfe eine Schwingbewegung auf die Elektrode übertragen wird, ein piezo-elektrisches Element. Dieses Element wird durch einen besonderen Rechteckwellengenerator in Schwingung versetzt, während zwischen der Elektrode und den Werkstück ein Kippschwingungs-RC-Speisekreis angebracht ist. Wenn die Bearbeitung des Werkstückes genau definiert werden

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muß, ist Kontakt zwischen der Elektrode und dem Werkstück durchaus unerwünscht. Das' bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß sich dieser Kontakt nicht völlig vermeiden läßt; . weil der Mindestabstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück durch die Schiebebewegung des Werkstückträgers unter der Elektrode durch die Flachheit des Werkstückes selber, die Reproduzierbarkeit des piezoelektrischen Elementes und dessen Schwingungsmodus, durch die Spannungsgrenzen des Rechteokwellengenerators und durch die Beweglichkeit der Elektrode in bezug auf ihren Befestigungspunkt bestimmt wird. Zum Verhindern einer meehanischen Hämmerbearbeitung des Werkstückes und zum Schützen der Spitze der Elektrode ist die Elektrode federnd angeordnet. Aber dabei ist eine besondere Führung rings um die Elektrode erforderlich, damit ein seitliches Ausweichen verhindert wird. Ein anderer Nachteil des bekannten Verfahrens ist der, daß vorzugsweise die Kippschwingungszeit der Ladung und Entladung gleich der Schwingungszeit des piezoelektrischen Elementes sein muß,

. Die Erfindung bezweckt, die erwähnten Nachteile zu beseitigen und schafft insbesondere in den Fällen, wo eine sehr f große Genauigkeit der Bearbeitung erforderlich ist, eine J erhebliche Verbesserung.

Das Verfahren der eingangs erwähnten Art ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element eine Kippsohwingung vollführt, deren Schwixigungszeit durch den einer mindestens durch die Metallbeläge des piezoelektrischen Elementes gebildeten Kapazität zugeführten Strom und durch die Ladung bestimmt wird, die über den zwischen der Elektrode und dem Werkstück erzeugten Funken von dieser Kapazität abfließt.

Das Verfahren kann gemäß der Erfindung mit Hilfe einer Vorrichtung durchgeführt werden, die einen Träger für das Werk-

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stück, ein elektrisch angetriebenes schwingendes piezoelektrisches Element und eine Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand enthält, wobei zwischen einer Elektrode auf dem Element und dem Werkstück Funken erzeugt werden. Eine derartige Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit einem Metallbelag und die leitende Schicht mit dem anderen Metallbelag verbunden ist, während die den zugeführten Strom liefernde Sparaiungsquelle an die beiden Beläge angeschlossen ist.

Die Erfindung wird beispielsweise an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigern

Fig. 1 eine sohematische Ansicht einer Vorrichtung und

Fig. 2 eine besondere AusfUhrungsform eines Teiles der Vorrichtung nach der Erfindung.

In Fig. 1 hat das gu bearbeitende Werkstück die Form einer leitenden Schicht 11, die auf einem Isolierkörper angebracht sein kann.

Das Werkstück 11 ist in einem mit einer dielektrischen Flüssigkeit 15 gefüllten Trog 12 angeordnet. Der Trog 12 ist auf einen Arbeitstisoh 1 gesetzt_e

Das piezo-elektrisohe Element 6 wird mit Hilfe einer Zahnstange mit Zahnrad 5 in einer Stützsäule 2 auf eine bestimmte Höhe über der leitenden Schicht 11 eingestellt. Die Stützsäule ist auf dem Arbeitstisch 1 befestigt und kann mittels der Räder 3 und 4 in einer waagerechten Ebene verschoben werden. Das piezoelektrische Element 6_S das hier als Bi-Element ausgebildet ist (siehe Zeitschrift "Electronics" vom 19. Juli 1963, Seite 80, oder die USA-Patentschrift 2 540 187, Fig. 1 bis IQ)₉ wodurch ein freies Ende beim Anlegen einer veränderlichen Spannung zwischen den

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Belägen 7 und 8 in einer senkrechten Ebene eine grosse Bewegung vollführt, trägt in der Nähe des freien Endes einen Halter 9 für die Elektrode 10. Die veränderliche Spannung zwischen den Belägen wird durch einen Ladestrom erzeugt, der von einer Vorrichtung mit Ausgangsklemmen 21 und 22 herrührt, die eine Spannungsquelle 15 und einen Widerstand 14 enthält, der durch den eigenen Innenwiderstand der Spannungsquelle 15 und gegebenenfalls durch einen einstellbaren Widerstand gebildet ist, welche Spannung eine Bewegung des piezo-elektrischen Elementes mit der Elektrode 10 in Richtung auf die leitende Schicht 11 herbeiführt. Diese Schicht ist mit dem Belag 8 elektrisch verbunden, während die Elektrode 10 elektrisch mit dem Belag 7 verbunden ist. Wenn die Spannung zwischen den Belägen genügend gross ist, kann der Abstand zwischen der Elektrode 10 und der leitenden Schicht 11 genügend klein werden, um einen Funken zwischen diesen beiden zu erzeugen, wobei die durch die Beläge gebildete Kapazität sich über den Funken entlädt. Dadurch verschwindet die Spannung zwischen den Belägen zum grössten Teil und federt das Ende des piezo-elektrischen Elements 6 zurück. Der Ladestrom führt wieder eine Zunahme der Spannung über der Belagkapazität herbei, wodurch das freie Ende des Bi-Elementes mit der Elektrode 10 sich wieder in Richtung auf die leitende Schicht 11 bewegt, bis eine neue Entladung stattfindet. Auf diese Weise wird eine mechanische Kippschwingung erzeugt, wobei die Elektrode 10 nicht mit der leitenden Schicht 11 in Berührung kommt. Eine Elektrode mit sehr feiner Spitze kann dadurch nicht beschädigt werden und bei Verwendung einer richtigen Funkeneaergie können äußerst dünne Bahnen in Oberflächen angebracht werden.

Das Verfahren nach der Erfindung hat noch den zusätzlichen Vorteil, daß Unregelmäßigkeiten in der flachen Schiebebewegung des Werkstückes unter der Elektrode, die durch die

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Führungen der Stützsäule und durch die Unregelmäßigkeiten in der Flachheit des Werkstückes selber herbeigeführt werden, nicht die Gefahr einer Berührung·der Elektrode mit dem Werkstück mit sich bringen. Es ist sogar eine gewisse Profilierung des Werkstückes zulässig.

Die Funkenenergie und die Schwingungszeit werden zwar dadurch beeinflußt, aber sie können beide mittels einer Regeleinrichtung konstant gehalten werden, welche in der in Fig.2 gezeigten besonderen Ausfuhrungsform der Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens noch näher beschrieben wird.

Jeweils wenn die Durchschlagspannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück erreicht ist, kann sich die Elektrode der Oberfläche des Werkstückes nicht weiter nähern, weil die zunehmende Spannung, durch die endgültig die Elektrode zu der Oberfläche bewegt wurde, durch die Entladung im gebildeten Funken schnell auf die Löschspannung des Funkens abfällt. Die Energie, die dabei ausgelöst wird und für die Bearbeitung der leitenden Schicht sorgt, ist größtenteils von der aufgeladenen Kapazität und vom Unterschied zwischen den Quadraten der Lösch- und Zündspannung abhängig. Wenn die Kapazität der Elementbeläge zu gering ist, kann ein zusätzlicher Kondensator 18 zu den Belägen 7 und 8 parallel geschaltet werden. Dies kann in denjenigen Fällen günstig sein, in denen z.B. zum Erhalten einer tiefen Bahn eine höhere Funkenenergie angewandt werden muss.

Ferner kann der anfängliche Abstand zwischen der Elektrode und der Oberfläche des Werkstückes, also ohne Spannung am piezo-elektrischen Element, geregelt werden, damit eine niedrigere oder höhere Zündspannung und somit eine'Energieregelung pro Funke erhalten werden kann.

Die Frequenz, mit der der Funke auftritt, und die Geschwindigkeit, mit der sich die Elektrode gegenüber und längs der

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zu bearbeitenden Oberfläche bewegt, bedingen gleichfalls die Eindringtiefe und die Struktur des Randes der gezogenen Bahn. Wenn diese Eindringtiefe und diese Struktur gewisse Anforderungen erfüllen müssen, ist es erwünscht, dass die Wiederholungsfrequenz des Funkens regelbar ist.

In diesem Falle soll der Aufladestrom dadurch geregelt werden können, dass für den Spannungskreis 15* 14 eine regelbare Stromquelle gewählt wird, die also einen einstellbaren aber konstanten Strom liefert, oder dass entweder die Spannungsquelle 15 oder der Innenwiderstand 1Λ regelbar ausgebildet wird.

Für sehr genaue Bearbeitungen kann die Funkenenergie noch zu gross sein. Zur Verringerung dieser Energie müßte die Belagkapazität viel niedriger sein. Zu diesem Zweck weist der in Fig. 2 gezeigte Teil der Vorrichtung außerdem noch eine Induktivität l6 und einen Kondensator 17 auf, die z.B. einen Wert von 50 _UH bzw. 50 pF haben. Der Kondensator 17 ist mit dem Werkstück 11 und der Elektrode 10 verbunden und liefert die Energie für ieden Funken.

Zwischen dem Belag 8 und dem Werkstück 11 ist die Induktivität 16 eingeschaltet, durch die der Ladestrom der Belagkapazität zu dem Kondensator 17 fließt, so daß letzterer periodisch auf die Zündspannung des Funkens aufgeladen, wird. Die in der Belagkapazität gespeicherte Energie wird bei dieser Vorrichtung nicht in einem einzigen Funken, sondern in einer Reihe von Entladungsfunken in einer derart kurzen Zeit verbraucht, dass das piezo-elektrische Element . noch an"der Stelle bleibt. Wenn das Werkstück nicht flach ist, sondern eine bestimmte Profilierung besitzt, und wenn in dieses Werkstück Bahnen eingekratzt oder graviert werden sollen, die eine gewisse Genauigkeit oder Qualität haben sollen, kann der in Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung

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noch eine Regeleinrichtung zugeordnet werden, die nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass ihr Eingang an die Belagkapazität und ihr Ausgang an eine Einrichtung angeschlossen ist, die den mittleren Abstand des piezo-elektrlschen Elements vom Werkstück derart einstellt, dass die Funkenenergie unabhängig von der Profilierung des Werkstückes nahezu konstant gehalten wird.

Da die Regeleinrichtung mit ihrem Eingang an die Belagkapazität angeschlossen ist, kann die Spitzenspannung an dieser Kapazität durch Spitzendetektion mit einer Diode und durch einen Vergleich zwischen dieser Spitzenspannung und einer einstellbaren Bezugsspannung überwacht werden. Das Differenzsignal kann, gegebenenfalls nach Verstärkung, zur Steuerung eines Motors angewandt werden, der das Zahnrad 5 der Pig. I antreibt, wodurch das pieso-elektrische Element sich stets nahezu im gleichen mittleren Abstand vom Werkstück bef in- ' det und somit der Profilierung des Werkstückes, folgt.

Fig. 2 zeigt eine besondere Ausführungsform der Vorrichtung, mit der der mittlere Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück konstant gehalten wird. Dabei ist die ReggLeinrichtung 20 an die Klemmen 21 und 22 angeschlossen und ist das piezo-elektrlsche Element β nicht nur mit den Belägen 7 und 8, sondern auch mit einer Mittelelektrode 19 versehen, an die eine Ausgangskiesrane der Regeleinrichtung 20 angeschlossen ist, während die andere Ausgangsklemme elektrisch mit dem Belag verbunden ist. Die über die Klemmen 21 und 22 den Belägen 7 und 8 fcugeführte Spannung bewirkt, dass die Platte 6a des Elementes 6 abwechselnd in der Längsrichtung schrumpft und sich ausdehnt, während die Platte 6b in entgegengesetztem Sinne reagiert und sich also abwechselnd ausdehnt und schrumpft, wodurch sich die Elektrode 10 in bezug auf das Werkstück 11 bewegt. Die Ausgangsspannung V der Regeleinrichtung 20 ist ein Maß für die Abweichung der Spitsenspannung an den Klemmen 21 und 22 vom Bezugswert und bewirkt eine mehr oder

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weniger grosse Änderung der Länge der Platte 6fo, wodurch der mittlere Abstand der Elektrode 10 vom Merkstück 11 unabhängig von der Unflaehheit oder der Profilierung des Werkstückes konstant bleibt.

Die Vorteil« eines mit einer Vorrichtung naoh der Erfindung, durchgeführten Verfahrens zeigen sich insbesondere bei der Herstellung eines Lichtrasters. Dieses Liehtraster besteht aus einem lichtdurchlässigen Träger .für eine dünne^ für Licht undurchlässige elektrisch leitende Schicht. Teile dieser Schicht müssen entfernt werden, so daß Lieht durch» gelassen wird. Die zu diesem Zweck in der Schicht zu ziehen» den Bahnen können eine Breite von weniger als 10 μ haben-, während ihr gegenseitiger Abstand auch diesen Wert haben kann. Mit der beschriebenen Vorrichtung lassen sich auf einfache Weise eine gute nicht-faserige Randstruktur und die erforderlichen Breiten und Abstände erzielen«

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Claims

Patentansprüche ·

1.' Verfahren zum Entfernen von Material eines leitenden Werkstückes mittels Funkenerosion mit Hilfe eines pieao-elektrischen Elements* das in bezug auf das Werkstück Schwingungen vollführt, wobei Funken zwischen einer Elektrode auf dem Element und dem Werkstück erzeugt werden₅ dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (6) eine mechanische Kippschwingung voll- . führt, deren Sohwingungsaeife durch den einer mindestens ] durch die Metallbeläge (7*8) des piezo«elektrischen EIe- ) ments gebildeten Kapazität zugeführten Strom und durch ! die Ladung bestimmt wird, die von dieser Kapazität über ' den zwischen der Elektrode (lO) und dem Werkstück (11) erzeugten Funken abfließt» " 1

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 j mit einem Träger für das Werkstück* einem elektrisch angetriebenen schwingenden piezo«elektrisehen Element, wobei zwischen einer Elektrode auf dem Element und dem Werkstück Funken erzeugt werden^ und einer Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (lO) mit einem Metallbelag (7) und das ' Werkstüok (ll) mit dem anderen Metallbelag (8) verbunden = ist, während die den zugeführten Strom liefernde Spannungs- \ quelle (15) an die beiden Beläge angeschlossen ist«,

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichn&, daß ein Kondensator (7) zwischen der Elektrode (lO) und dem Werkstück (ll) angebracht ist, während sich in dem den Kondensator und die Elektrode enthaltenden Stromkreis eine Induktivität (16) befindet.

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K. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder J5* dadureh gekennzeichnet^ daß eine Regeleinrichtung (20) mit ihrem Eingang an die Belagkapazität und mit ihrem Ausgang an ein© Vorrichtung angeschlossen ist, mit der der mittlere Abstand des piezoelektrischen Elements (6) von dem Werkstück (11) derart regelbar ist, dass «lie Funkenenergie unabhängig von der Profilierung des Werkstückes nahezu konstant bleibt*

j 5· Vorrichtung nach Anspruch H-, bei der das piezoelektrische Element aus zwei unter Zwischenfügung einer Mittelelektrode aufeinander befestigten, aus piezo-elektrissSieia Material bestehenden Platten aufgebaut ist, die .mit den erwähnten Belägen versehen sind, wobei die Wechselspannung an. den Belägen bewirkt, dass sich eine Platte abwechselnd in der

ι Längsrichtung ausdehnt und schrumpft und die andere Platte schrumpft und sich ausdehnt, dadurch ,gekennzeichnet, daß

j die erwähnte Regeleinrichtung (20) an die erwähnte Vor«

} richtung eine Ausganga^anKiung liefert^ welche Vorrichtung durch die Kapazität der Mittelelektrode (19) und eines

[ der Beläge (7) gebildet ist.

6. Produkt, wie Lichtraster, das durch das Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt ist.

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-A u s a u'g

■Funkenerosion nit einem selbstsolmingenden System, bei dem.-die Elekferoöe auf sinaii piezo«elektrischen Element befestigt ist, das la bezug auf das VJgrksfeüok eine Kippschwingung vollführt. Beiss Aufladen der B©lagkapazität bewegt sich die SiektroöG in Richtung auf öas Merks tuck j beim Entladen dieser Kapazität über den gebildeten Funken bewegt diese Elektrode sieh wieder vom Werkstück ab„ Die Elektrode und das Werkstück berühren ®i©h nieht* Energieregelung pro Funke 1st möglich. Mit grosser Qeiiauigkelt körnen Bahnen in leitenden Schichten aagebraonfe werden (weniger als 10 μ).

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