DE19541539A1 - Verfahren zum elektrodynamischen Zerkleinern und Abtragen von festen Stoffen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, zum Beispiel mittels Funkenerosionsmaschinen und mechanischen Abtragewerkzeugen sehr harte und durch zerspanende Prozesse schwer zu verarbeitende Materialien zu bearbeiten. Die Materialbearbeitung, beispielsweise das Bohren von Hartmetallen wird vorgenommen, indem mittels einer elektrischen Kondensatorentladevorrichtung Funkenentladungen zwischen der Bohrelektrode, dem eigentlichen Werkzeug und dem Werkstück durchgeführt werden. Die Folgefrequenz der Funkenentladungen wird dabei möglichst hoch gewählt (Solotych, B. N.: STV-Schriften, Bd. 175). Diese Methode der Elektroerosionsbearbeitung von Werkstoffen hat infolge ihres hohen technologischen Potentials breiten Eingang in die industriellen Werkzeugtechnologien gefunden.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß es nur zur Bearbeitung von metallisch gut leitfähigen Stoffen eingesetzt werden kann.

Auf der Grundlage der elektroerosiven Materialbearbeitung wurden eine Vielzahl verschiedener technologischer Modifikationen zum Bohren von mineralischen Stoffen entwickelt. Hierzu sind zum Beispiel das Elektrolichtbogen-, das Elektroverwitterungs- und das Elektrohochfrequenzbohren zu zählen (Neue Bergbautechnik, 2. Jg., Heft 1, Januar 1972). Allen diesen Methoden eigen ist, daß das Bohrwerkzeug als Quellstromelektrode fungiert und das zu bohrende mehr oder weniger gut elektrisch leitfähige Material den Gegenpol bildet oder aber der Bohrer so aufgebaut ist, daß der Stromfluß am Bohrerkopf zwischen verschiedenen, im Bohrer integrierter Elektroden über das am Schnittbereich anliegende zu zerkleinernde Material erfolgt. Der Blitzüberschlag beziehungsweise der Stromfluß erfolgt zwischen den Elektroden auf dem Weg des geringsten elektrischen Widerstandes. Dieser Weg ist nicht immer, aber oftmals annähernd identisch mit dem geometrisch kürzesten Weg von Elektrode zu Elektrode. Der Stromfluß läßt sich nicht gezielt, beispielsweise von den Elektroden weg, in zu bearbeitende Materialbereiche verlegen, was für diese Verfahren von Nachteil ist.

Bei einem weiteren Verfahren zum elektrodynamischen Bearbeiten und Zerkleinern von festen Stoffen werden die Materialien direkt in den Blitzschlag­ beziehungsweise Stromschlagentladebereich zwischen die Elektroden einer elektrischen Hochspannungs- und Hochstromentladeeinrichtung gebracht (Bd. 10 der Serie "Technisch-Physikalische Monographien"; Frügel, F.; Impulstechnik - Erzeugung und Anwendung von Kondensatorentladungen, Leipzig 1960, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Porting K. G.). Nach dieser Methodik sind Anlagen zur Elektrodynamischen Zerkleinerung und Fragmentierung von mineralischen Materialien und Verbundwerkstoffen bekannt (Elektrodynamische Fragmentierung von Feststoffen; Universität Tomsk, RF, GUS sowie Verfahren und Anlage zur elektrodynamischen Fragmentierung von Feststoffen; Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Technik und Umwelt, Mai 1995). Bei diesen Verfahren ist nachteilig, daß die zu zerkleinernden Materialien zwischen die Elektroden in den Bereich des zu erwartenden Blitzschlag- und Stromflußkanal einzubringen sind.

Würde die elektrische Entladung über die Elektroden, die beispielsweise in bestimmtem Abstand zueinander gegen eine mineralische Wand gedrückt werden, ausgelöst werden, so wird der Weg des Entladungsflusses entsprechend des Weges des geringsten elektrischen Widerstands zwischen den Elektroden nicht unbedingt im Inneren des Wandmaterials verlaufen; beispielsweise über die Oberfläche als Grenzphase zwischen Medium, anliegendem Wasser oder Luft und der Elektrodenauflagepunkte.

Zur Erzielung eines effektiven Materialabtragsprozesses, beispielsweise von oder an Wänden, an die die Elektroden bestenfalls nebeneinander- und nicht gegenüberliegend an das Material anbringbar sind und wobei die Mehrzahl aller Entladungen durch das zu bearbeitende Material verlaufen sollen, ist es zweckmäßig, den Entladungsfluß gezielt in das Innere des Wandmaterials verlegen oder lenken zu können. Der freie Stromfluß des Entladeprozesses findet dann unter der Oberfläche des Materials statt, auch wenn das nicht der örtlich kürzeste Weg zwischen den Elektroden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der Basis eines elektrischen Stoßstromgenerators ein Verfahren zu entwickeln, mit dem eine gezielte Verdrängung oder Verlegung des elektrischen Stromentladeweges aus dem Bereich des örtlich kürzesten Weges zwischen den Entladeelektroden realisiert werden kann.

Die Lösung der gestellten Aufgabe wird darin gesehen, daß mit Hilfe elektromagnetischer Felder das Zünd-, Durchschlags-, Überschlags- und Stromflußverhalten der elektrischen Entladung beeinflußt wird. Folglich wird auf den örtlichen Verlauf des zu erwartenden und realen Überschlagsweges mit Hilfe statischer oder dynamischer elektrischer, magnetischer oder elektromagnetischer Felder Einfluß genommen, was beispielsweise eine gezielte Verlegung des Entladekanals in das Materialinnere ermöglicht. Das Verfahren wird vorzugsweise zur Bearbeitung und zum Abtragen von mineralischen und oxidischen Materialien sowie von Verbundwerkstoffen einschließlich metallischer Anteile eingesetzt.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, Materialabtrag beispielsweise an Wänden vorzunehmen ohne daß die Entladeelektroden in das Materialinnere einzubringen sind oder das zu bearbeitende Material in den Entladeweg zwischen die Elektroden zu positionieren ist. Die Elektroden werden in einem bestimmten Abstand zueinander gegen die Oberfläche des Materials gebracht. Die Einrichtung beziehungsweise der Feldgenerator zur Beeinflussung beziehungsweise Ablenkung des elektrischen Durchschlagprozesses befindet sich so im Bereich zwischen den Entladeelektroden, daß einerseits eine feldgeführte Einflußnahme auf den Wegeverlauf des elektrischen Überschlags erfolgen kann und andererseits der freie Entladevorgang die Ablenkeinrichtung nicht galvanisch in seinen Entladeweg einbeziehen kann.

Eine Ablenkung des elektrischen Überschlags ist mit einem elektrostatisch, beispielsweise negativ aufgeladenen Streufeldkondensator oder einer magnetostatischen Feldanordnung durchführbar. Ebenfalls ist eine Beeinflussung des Wegeverlaufs über ein elektromagnetisches Feld definierter Frequenz realisierbar.

Vorzugsweise wird die Ablenkung der Entladestromflußbann magnetisch, das heißt, über die Kraftwirkung eines Magnetfeldes auf bewegte elektrische Ladungen, also durch Nutzung der Lorentzkraft realisiert.

Bei der Verwendung von Elektromagneten als Ablenkeinrichtung bieten sich beispielsweise zwei Realisierungsvarianten an:

• 1. Das zur Ablenkung erforderliche Magnetfeld wird fremderregt generiert und
• 2. die Feldspule der Ablenkeinrichtung ist schaltungstechnisch Teil des elektrischen Entladestromkreises, so daß der Entladestrom mit erfolgender Entladung die Feldspule durchfließt und damit sein eigenes Ablenkfeld erregt.

Die Wahl der letztgenannten schaltungstechnischen Methode bedeutet aber Abstriche an der Flankensteilheit der zeitlichen Spannungs- und Stromänderung sowie der Spitzenstromstärke des Entladeprozesses. Dies ist ursächlich auf die zusätzliche komplexe Widerstandsbelastung des Entladestromkreises durch die galvanisch in den Stromkreis zwischengeschaltete Induktivität zurückzuführen.

Werden die Entladeelektroden gegen eine zu bearbeitende Wand angesetzt, ist es erforderlich, den Entladestrom in die Tiefe des Wandmaterials abzudrängen. Zu diesem Zweck ist der zur Ablenkung vorgesehene Magnet so angeordnet, daß die Wirkung seines Magnetfeldes auf den im Bereich zwischen den Elektroden zu erwartenden Spannungsüber- und Stromdurchschlag eine Herausdrängung aus dem Magnetfeldbereich und somit Verlegung in die Materialtiefe verursacht. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit und zur Steigerung der Stromschlagverwitterungs­ beziehungsweise -zerstörungswirkung wird das zu bearbeitende Material, wie auch bei allen anderen elektrodynamischen Abtragsverfahren, mit Fluiden definierter elektrischer Eigenschaften, beispielsweise Wasser oder wäßrigen Lösungen behandelt.

An einem Ausführungsbeispiel, welches schematisch eine frei einsetzbare elektrodynamisch arbeitende Abtrageeinrichtung zeigt, soll die Erfindung näher beschrieben werden. Die Fig. 1 zeigt ein Schema einer Anordnung. Ein Hochspannungs- und -Strom-Impulsgenerator (1), beispielsweise ein Marx- Generator, liefert periodische Entladungen mit möglichst hoher, aber steuerbarer Impulsfolgefrequenz an eine Elektrodenanordnung (2). Zwischen den Elektroden, auf dem Weg des geringsten elektrischen Widerstands, liegt erwartungsgemäß der Stromentladeweg (3), wenn keine Ablenkung erfolgt. Je nach der Art und Größe der Einflußnahme auf den örtlichen Verlauf des Entladeprozesses wird der Überschlag auf einer neuen Flußbann erfolgen (4). Im Bereich zwischen den Entladeelektroden ist die magnetische Ablenkeinrichtung (5) angeordnet. Die Ablenkeinrichtung ist so angebracht, daß deren Magnetfeldflußrichtung den Bereich des zu erwartenden Spannungs- und Stromüberschlags möglichst rechtwinklig schneidet. Das Ablenkfeld dringt in das Wandmaterial (6) ein. Die Tangentialebene im Schnittpunkt von magnetischer Flußrichtung und Überschlagskanal liegt parallel zur gemittelten Wandoberfläche beziehungsweise parallel zur Verbindungslinie zwischen den Elektroden-Wand- Berührungspunkten. Die integrale Bewegungsrichtung der Ladungsträger im elektrischen Überschlag verläuft damit annähernd rechtwinklig zur magnetischen Flußrichtung, was entsprechend der Lorentz′schen Kraftbeziehung auf im Magnetfeld bewegte elektrische Ladungsträger eine senkrecht zu dieser Schnittebene bewirkte Abdrängung der Ladungen hervorruft. Die Feldpolarität des Ablenkmagneten ist so ausgerichtet, daß die bewegten Ladungsträger des Überschlags vorrangig in Richtung der Tiefe des Materials abgedrängt werden. Zur gezielten Beeinflussung des örtlichen Verlaufs der Stromentladungsbann ist die Ablenkeinrichtung räumlich frei orientierbar angeordnet. Zusätzlich können inhomogene, unsymmetrische und geometrisch definiert geformte Ablenkfelder erzeugt werde.

Die Ablenkung des Funkenüberschlags bedeutet eine Verlängerung des Ladungsausgleichsweges zwischen den Elektroden. Der Elektrodenabstand zueinander ist so gewählt, daß eine stabile Entwicklung eines Funkenüberschlagskanals unter der Wirkung des Ablenkfeldes stattfindet.

Eine selbständige Zündung der elektrischen Überschlagsentladung wird mit anliegenden elektrischen Spannungen von oberhalb 1.000 Volt, vorzugsweise bei 10.000 Volt bis einige 100.000 Volt realisiert. Liegt eine niedrigere Spannung über die Entladungsstrecke an, ist eine Zündung des Entladeprozesses durch gezielte Hochfrequenzeinstrahlung auf den zu erwartenden Bereich des Überschlagskanals realisierbar. Aber auch bei höheren anliegenden Spannungen erfolgt durch Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung eine Sensibilisierung und Zündung des elektrischen Über- und Durchschlagsprozesses. Die Stromdichten im Entladungskanal liegen vorrangig im Größenordnungsbereich von 10⁵ A/cm² bis 10⁷ A/cm². Die elektrische Stoßstromentladekapazität des in die Entladeschaltung eingebundenen Kondensators ist in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung von 0 µF bis in den mF-Bereich variierbar. Vorzugsweise wird im µF-Bereich gearbeitet. Die Amplitudenwerte der Entladestromstärken I liegen entsprechend der Beziehung I = U(C/L)^1/2 im Bereich von einigen 100.000 Ampere. In dieser Gleichung sind U die anliegende Spannung, C die Kapazität und L die Induktivität des Entladeschaltkreises.

Bezugszeichenliste

In Fig. 1 bedeuten:

1 Stoßstromgenerator
2 Entladeelektroden (hier im Beispiel zwei Elektroden)
3 Verlauf des wahrscheinlichsten Überschlags- und Entladeweges auf dem Weg des geringsten elektrischen Widerstandes und ohne Wirkung eines Ablenkfeldes
4 Beeinflußter Wegeverlauf
5 Feldgenerator, Ablenkeinrichtung
6 Wandmaterial.

Claims (10)

1. Verfahren zum elektrodynamischen Zerkleinern und Abtragen von festen Stoffen auf der Basis eines elektrischen Impuls- beziehungsweise Stoßstromgenerators unter Verwendung von Entladeelektroden, die gegen das zu bearbeitende oder zu zerkleinernde Material gebracht werden und zwischen deren mit dem Material in Kontakt gebrachten Enden Stromentladungen über das Material ausgelöst werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf die örtliche Lage und den örtlichen Verlauf des Spannungsüberschlags- und Stromflußkanals beziehungsweise -weges gezielt Einfluß genommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einflußnahme auf den örtlichen Verlauf der elektrischen Energieentladung durch das Wirken eines Feldgenerators, der als Ablenkeinrichtung fungiert, realisiert wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkfeld ein elektrostatisches Feld ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkfeld ein magnetostatisches Feld ist.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkfeld ein elektromagnetisches Feld veränderlicher Frequenz ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität des Ablenkfeldes veränderbar ist.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkfeld inhomogen und geometrisch definiert geformt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung, also der Feldgenerator, im Bereich der Entladeelektroden örtlich frei orientierbar und verschiebbar positioniert und verwendet wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladeprozeß zwischen den Entladeelektroden durch Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung gezündet wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch den elektrischen Entladevorgang eine Selbsterregung des Ablenkfeldes erfolgt.