DE19540352A1 - Elektrode zum funkenerosiven Senken sowie elektrische Schaltung zur Bearbeitungskontrolle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von Elektroden zum funkenerosiven Senken und auf eine elektr. Schaltung zur Ansteuerung derselben. Die Erfindung ermöglicht eine Reduzie­ rung der Oberflächenrauhigkeit bei schneller Bearbeitung groß­ er Werkstückoberflächen mittels Elektroerosion. Beim funken­ erosiven Senken wird der Effekt ausgenutzt, daß zwischen ei­ ner formbildenden Elektrode und einem zu bearbeitenden Werk­ stück ein Spannungspotential vorhanden ist, welches zu Funken­ überschlägen führt, welche zum Materialabtrag beim zu bearbei­ tenden Werkstück führen. Derartige Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Bei den üblicherweise angewandten Prinzipien besteht die Elek­ trode aus einem einzigen Teil, welches in einer gewünschten Form meist aus Kupfer oder auch aus Graphit gefertigt ist, zu­ mindest jedoch aus homogenem, elektrisch leitenden Material. Bedingt durch die von der Elektrodenfläche und der Werkstück­ fläche gebildeten elektrischen Kapazität ergeben sich jedoch Probleme beim Bearbeiten, vor allem größerer Flächen bei ge­ wünschter geringer Oberflächenrauhigkeit, hervorgerufen durch plötzliche, ungewollte Entladungen dieser Kapazität. Diese re­ sultieren in einer Aufrauhung der Werkstückoberfläche. Die Er­ zielung feinster Oberflächenrauhigkeit (von weniger als ein µm) ist daher auf Werkstückflächen von wenigen Quadratzentimetern beschränkt.

Das Patent EP-0171668 beschreibt ein Verfahren, bei dem die Elektrode zur Oberflächenglättungsbearbeitung aus Silizium oder anderem Material gebildet wird, welches dieselbe Charak­ teristik wie Silizium hat, eine Grundlage von Metall oder eine Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt, bedeckt mit einer Schicht bestehend aus einer Mischung aus Metall und einer nicht organischen Komponente mit hohem Widerstand. Die äußere Schicht kann durch Adhesion, thermisches Spritzen oder Sinter­ techniken hergestellt werden. Diese Vorgehensweise weist den entscheidenden Nachteil auf, daß die Herstellung einer derart beschichteten Elektrode aufwendiger und teurer ist als die von konventionellen Elektroden, der Elektrodenverschleiß beträgt das 4 bis 5 fache desjenigen einer Kupferelektrode, und die Elektroden zerbrechen leicht während der Bearbeitung. Ferner wird für die Schruppbearbeitung eine konventionelle Elektrode zusätzlich benötigt.

Eine andere, beispielsweise aus ISEM95 oder EDM Technology Transfer Vol 2 (Seite 20 und 30) bekannte Lösungsmöglichkeit für das zugrunde liegende Problem liegt darin, durch eine ge­ eignete Aufbereitung der Elektrolytlösung eine Veränderung von dessen Eigenschaften hervorzurufen. Der Elektrolytlösung wer­ den kleine halbleitende Partikel beigemischt, beispielsweise Siliziumpuder, sowie ggf. eine Suspension chemischer Additive. Die Elektrode selbst bleibt unverändert. Dieses Gemisch von Teilchen und Elektrolytlösung wird für die Oberflächenfeinst­ bearbeitung verwendet. Diese Vorgehensweise erfordert einen erheblichen Aufwand durch den Austausch der Elektrolytlösung während des Bearbeitungsvorgangs sowie der ständigen Kontrolle des Mischungsverhältnisses und ist daher für viele industri­ elle Einsatzzwecke nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrodenan­ ordnung und zugehörige elektrische Ansteuerung zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher Anwendbarkeit eine schnelle funkenerosive Bearbeitung von großen Werkstückober­ flächen unter Erzielung geringer Oberflächenrauhigkeiten ver­ bessert.

Hinsichtlich des Verfahrens (der Elektrodenanordnung) wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Elektrode aus mehreren Seg­ menten aufgebaut ist, welche mittels einer dünnen Folie von­ einander elektrisch isoliert sind. Eine entsprechende elektri­ sche Schaltvorrichtung gewährleistet eine Ansteuerung der Seg­ mente, wo eine Entladung stattfinden soll.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Da erfindungsgemäß die Fläche eines einzelnen Segments wesentlich kleiner ist als diejenige einer einzelnen integralen Elektrode wird auch die von dieser Fläche und dem Werkstück gebildete Kapazität entsprechend dem Flä­ chenverhältnis verringert. Weiterhin ist es erfindungsgemäß von Vorteil, daß die Trennung der Segmente an Stellen erfol­ gen kann, welche bei der Herstellung der Elektrodenform ver­ fahrenstechnische Vorteile bilden und sich somit deren Her­ stellungsprozeß vereinfacht. Für alle Bearbeitungsvorgänge kann mit gleichartig aufgebauten Elektroden und derselben Dielektrikumsflüssigkeit gearbeitet werden. Ein zeitraubender Austausch der Dielektrikumsflüssigkeit oder die Fabrikation einer spezialbeschichteten Elektrode ausschließlich für den Einsatz in der Schlichtbearbeitung entfällt. Eine manuelle Nachbearbeitung der Werkstückoberfläche ist nicht notwendig. Durch die gezielte Ansteuerung der verschiedenen Segmente wird auch ein sicherer Prozeßablauf sowie schnelle Bearbei­ tungsdauer erreicht.

Die Riefenbildung auf der Werkzeugoberfläche an der der Folie gegenüberliegenden Stellen wird naturgemäß auf die Größen­ ordnung der Foliendicke limitiert. Wegen der geringen Dicke der Folie (50 µm), was etwa der Größe des Arbeitsspaltes ent­ spricht, übersteigt während des Schruppvorgangs die Riefenhöhe den Wert der Folienbreite nicht. Die Eigenschaften des Folien­ materials sind so gewählt, daß der Bearbeitungsverschleiß der Elektrode demjenigen des Folienverschleißes entspricht. Es kommt daher zu keinem Über- oder Untermaß der Folie ge­ genüber der Elektrodenoberfläche. Geeignet ist hierfür ein elektrischer Isolationsstoff, welcher hohe Temperaturbestän­ digkeit aufweist (Schmelzpunkt, mechanische Stabilität, nicht brennbar, usw.) und mechanisch flexibel ist, um sich beliebi­ gen Segmentformen anzupassen, beispielsweise eine Folie aus Polyimide wie Kapton (DuPont). Bei der Schlichtbearbeitung werden mittels Planetärbewegung, mit Auslenkungen um mehr als das 10-fache der Foliendicke, die geringen Riefen an der Werk­ stückoberfläche vollends eliminiert.

Hinsichtlich der elektrischen Ansteuerung der einzelnen Seg­ mente der Elektrode können mit Hilfe einer Kontrolleinrichtung Segmente ausgewählt werden und eine gewählte Sequenz von Pul­ sen angelegt werden. Die Sequenz und die Auswahl der Segmente können dabei verändert werden, um das Bearbeitungsmuster zu ändern, um etwa unterschiedliche Segmentgrößen zu berücksich­ tigen. So können die Segmente beispielsweise nacheinander in einer festgelegten oder zufälligen Reihenfolge angesprochen werden. Es ist aber auch möglich, entsprechend den Arbeitsbe­ dingungen der hervorgehenden Pulse, ein bestimmtes Segment auszuwählen. Gegenüber einer Elektroerosionsmaschine entspre­ chend dem Stand der Technik sind keine zusätzlichen Strom­ quellen oder Schaltungen zur Überwachung der Pulseigenschaf­ ten notwendig, da auch beim Verfahren der Erfindung zu einem gegebenen Zeitpunkt höchstens ein einzelnes Segment mit Ar­ beitsstrom versorgt wird.

In einer weiteren Verfahrensvariante ist es vorgesehen, meh­ rere Segmente gleichzeitig mit Pulsen zu versorgen. Da während der Schlichtbearbeitung stets geringe Arbeitströme verwendet werden, sind hierzu keine zusätzlichen Stromquellen notwendig, sondern können die Vorhandenen (meist 4 Stromquellen) entspre­ chend auf die Segmente verteilt werden. Eine zusätzliche Pulskontrolle für jedes weitere gleichzeitig angesteuerte Elektrodensegment ist jedoch notwendig. Ist die Zahl der Seg­ mente größer als diejenige der vorhanden Pulskanäle, ist auch eine Kombination mit vorherigem Verfahren der Auswahl der Seg­ mente möglich. (Auf eine Kontrolle des Vorschubs der Elektrode kann weitgehend verzichtet werden, da der Werkstückabtrag bei der Schlichtbearbeitung vernachlässigbar ist.)

Die erfindungsgemäße Elektrodensegmentierung ergibt somit die Möglichkeit, Werkstückoberflächen mit geringsten Oberflächen­ rauhigkeiten herzustellen, ohne daß verfahrensbedingt die bearbeitbare Fläche begrenzt ist. Die Größe eines einzelnen Segments limitiert die entsprechende Kapazität zwischen Electrode und Werkstück und somit die Oberflächengüte; die Anzahl der Segmente die Größe der bearbeitbaren Werkstückoberflä­ che. Durch die gezielte Ansteuerung der einzelnen Segmente wird ein sicherer Prozeßablauf sowie eine schnellere Bearbei­ tungsdauer erreicht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer funkenerosiven An­ ordnung mit segmentierter Elektrode,

Fig. 2 eine schematische, perspektive Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Stromversorgung und des zugehörigen Steuer- und Regelkreises.

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Strom- und Regel­ kreises für die Ausgestaltungsvariante mit gleichzei­ tiger Stromversorgung mehrerer Segmente.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der erfindungsge­ mäßen Funkenerosionsanordnung gezeichnet. Diese umfaßt ein Werkstück 2 aus einem leitenden Material, in welches mit Hilfe einer Elektrode 1 eine Form eingebracht wird. Zur Erzielung geringer Oberflächenrauhigkeiten ist die Elektrode normaler­ weise aus Kupfer gefertigt. Entsprechend dem Stand der Tech­ nik, ist die gesamte Anordnung in üblicher Weise zumindest im Funkenerosionsbereich in einem Dielektrikum angeordnet. Die Elektrode ist in mehrere Segmente 1 aufgegliedert, welche durch eine Folie 3 elektrisch voneinander isoliert sind. Eine Stromquelle 6 liefert die zur Funkenentladungen notwendigen elektrischen Pulse, welche zwischen den verschiedenen Segmen­ ten der Elektrode und dem Werkstück in dem mit einem Dielek­ trikum gefüllten Arbeitsspalt 4 stattfinden.

Die Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Werk­ stücks 2, in welches mittels einer geformten Elektrode 1 die entsprechende Negativform eingebracht ist. Die Segmentierung der Elektrode in Längsrichtung erfolgt entsprechend verfah­ renstechnischen Vorteilen bei der Herstellung der Elektroden­ form. Das Elektrodensegment im rechten Bildbereich ist zur Er­ zielung etwa gleich großer Segmentflächen in Querrichtung nochmals unterteilt. Insgesamt ist die Elektrode hier in vier etwa gleich große, durch Folien 3 gegeneinander isolierte Segmente unterteilt, die Kapazität eines Segments beträgt also etwa 1/4 derjenigen der Gesamtelektrode.

Die Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau des elektrischen Re­ gelkreises. Die Stromquelle 6 kann mit einem Segment der Elek­ trode 1 mit Hilfe von einem der Schalter 8 und über einen seriellen Widerstand 5 verbunden werden, eine zugehörige Steuerung 9 wählt dabei das anzusteuerende Segment aus und kontrolliert die Pulsparameter. Dabei werden die mittels der Meßeinheit 7 ermittelten Pulseigenschaften berücksichtigt.

Die Meßeinheit 7 kann insofern erweitert sein, daß die aus vorhergehenden Pulsen ermittelten Eigenschaften abgespeichert werden und die Steuerung 9 durch daraus erfolgten Berechnungen die Folge und Auswahl des Segmentes bestimmt. Beispielsweise ist es möglich, daß benachbarte Segmente nacheinander in festgelegter Anzahl und Reihenfolge Stromimpulse erhalten. Ebenso kann beispielsweise auf Grund der an einem Segment ge­ messenen Eigenschaften eines Pulses, wie zu kurze oder zu lange Zündverzögerungszeit, auf ein anderes Segment umgeschal­ tet werden.

In Fig. 4 ist eine schematische Darstellung des Strom- und Re­ gelkreises für die Ausgestaltungsvariante mit gleichzeitiger Stromversorgung von mehreren Segmenten gezeigt. Dabei ist die ursprüngliche Stromquelle in mehrere unabhängige Einzelquellen 6 aufgetrennt, bauartbedingt meist vier Quellen. Jede einzelne Quelle wird mit jeweils zugehöriger Steuerung 9 und Kontroll­ einheit 7 mit Segmenten der Elektrode verbunden. Dabei ist es, wie im vorherigen Anwendungsbeispiel erläutert, möglich, daß für jede einzelne Quelle mittels eines Schalters 8 und der Steuerung mehrere Segmente 1 angesteuert werden. Im rechten Bildbereich ist der Fall der Ansteuerung eines einzelnen Seg­ mentes durch eine Quelle dargestellt, während links mehrere Segmente mittels einem der Schalter 8 von einer Quelle wech­ selweise versorgt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmög­ lichkeiten hinsichtlich der Segmentierungsschnitte der Elek­ trode, der Anzahl der Segmente pro Stromquelle, sowie der An­ steuerungssequenz und -regelung der Segmentansteuerung.

Claims (7)

1. Elektrodenanordnung zum funkenerosiven Senken sowie einer elektrischen Schaltung zur Bearbeitungskontrolle, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode in mehrere Segmente (1) aufgeteilt ist, welche gegeneinander elektrisch isoliert sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Isolierung der Segmente mechanisch flexible Fo­ lien verwendet werden.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Folie kleiner als 200 (zwischen 7.5 und 100) µm beträgt.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Folie nicht schmelzend ist und einen sehr hohen Einsatztemperaturbereich besitzt, so daß sich die mechani­ schen und elektrischen Isolationseigenschaften auch bei ho­ hen Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius erhalten bleiben, jedoch ein dem Elektrodenmaterial entsprechender Verschleiß der Folie erfolgt, beispielsweise eine Folie aus Polyimid wie Kapton (DuPont).

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Steuerungsmittel zur Steuerung des Entladestromes von jedem einzelnen Segment die Folge, Dauer und Stärke des Entladestromes für jedes Segment getrennt gesteuert bzw. ge­ regelt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge des Entladestromes für ein Segment, d. h. die Auswahl des Segments, durch die Eigenschaften vorangehender Entla­ depulse mitbestimmt wird.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ei­ ne Orbitalbewegung der Elektrode in der Ebene der Werk­ stückoberfläche zur Eliminierung von Riefen an der Werk­ stückoberfläche durchgeführt wird.