DE19849577C2 - Verfahren und Vorrichtung zum dreidimensionalen Bearbeiten eines Werkstücks mittels elektroerosiver oder elektrochemischer Bearbeitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für das dreidimensionale elektroerosive (EDM) oder elektrochemische (ECM) Bearbeiten gekrümmter Flächen in einem Werkstück mittels einer im allgemeinen von der Form der gekrümmten Fläche unab­ hängigen Elektrode gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 14.

Aus dem Stand der Technik sind Elektroerosionsvorrichtungen be­ kannt, bei denen eine schlanke Elektrode eine gekrümmte Fläche in einem Werkstück "fräst", wobei die Form der Elektrode unab­ hängig von der gekrümmten Fläche ist. Hierzu wird das Werkstück auf einem Arbeitstisch eingespannt, der ggf. in X-, Y- und Z- Richtung bewegbar ist. Eine stabförmige Elektrode wird von ei­ ner Elektrodenhalterung in X-, Y- und Z-Richtung über das Werk­ stück geführt. Für die Herstellung der gekrümmten Fläche wird die Elektrode in Richtung des Werkstückes geführt, Erosionsim­ pulse in Form von Spannungspulsen an die Elektrode gelegt und der Bearbeitungsspalt zwischen Elektrode und Werkstück gespült. Die Elektrode wird nach Art einer Fräsmaschine über die Werk­ stückoberfläche geführt und trägt dabei schichtweise die ein­ zelnen zu erodierenden Abschnitte des Werkstückes ab, in denen die gekrümmte Fläche ausgebildet werden soll. Dieses Verfahren läßt einen hohen Verschleiß zu, der kompensiert wird.

Aus der US 4,504,721 ist eine solche Elektroerosionsvorrichtung bekannt, die mit einer Hohlelektrode arbeitet, durch welche die Spülflüssigkeit bei der Bearbeitung in den Bearbeitungsspalt gedrückt wird.

Aus der Zusammenfassung der japanischen Druckschrift JP-10-128 624 ist eine weitere solche Elektroerosionsvorrichtung bekannt, bei welcher die Elektrode zum Erodieren einer gekrümmten Fläche während der Vorschubbewegung in ihrem Neigungswinkel nachge­ führt wird. Die Elektrode wird dabei so geführt, daß sie stets senkrecht zu der tangentialen Richtung der Vorschubrichtung steht.

Grundsätzlich ist beim Erosionsprozeß ein Elektrodenverschleiß unvermeidlich, wodurch sich die Form der Elektrode im Laufe der Bearbeitung verändert. Wird die Elektrode bei der Bearbeitung auch noch in Rotation versetzt, so ergibt sich beispielsweise das in der rechten unteren Figurenhälfte der Fig. 1a gezeigte Abnutzungsprofil der Elektrode.

Aus der EP 555 818 A1 ist beispielsweise eine solche Elektro­ erosionsvorrichtung bekannt, bei welcher die Elektrode in Rota­ tion versetzt wird. Weiterhin wird dort eine Abnutzung der Elektrode während der Bearbeitung berechnet und daraus die kor­ rigierte Vorschubrichtung abgeleitet, welche sich als eine Überlagerung der Vorschubrichtung in der X- und Y-Ebene und ei­ ner Nachführbewegung der Elektrode in Z-Richtung darstellt. Wie in dieser Druckschrift dargestellt, ändert sich das Abnutzungs­ profil abhängig von mehreren Parametern. Damit ändert sich aber auch die Angriffsfläche der Elektrode abhängig von dem Abnut­ zungszustand. So liegt bei einer vorgegebenen Generatoreinstel­ lung ein bestimmter Verschleiß (Abnutzungsrate) und ein ent­ sprechendes Abnutzungsprofil vor.

Damit die Bearbeitungsgenauigkeit eingehalten wird, muß dieser Verschleiß möglichst konstant gehalten werden. Daher können bei aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten in Richtung immer glatterer Oberflächen (bis hin zum Feinschlichten) nur noch im­ mer dünner werdende Schichten abgetragen werden.

So ist es beispielsweise ebenfalls bekannt, den Elektrodenver­ schleiß zu messen und anschließend anhand der Meßwerte durch Nachschieben der Elektrode zu kompensieren. Aus der DE 30 36 462 A1 ist beispielsweise eine solche Elektroerosionsvorrich­ tung bekannt, bei welcher die Elektrode zusätzlich zu ihrer Be­ wegung in X-, Y- und Z-Richtung beim "Ausfräsen" der konkaven Fläche noch in Vibration versetzt wird. Die Vibrationen werden anschließend von einer Detektionseinrichtung erfaßt, wodurch die Abnutzung der Elektrode bestimmt werden kann.

Bei diesen Vorrichtungen ist der minimale Radius, der erodiert werden kann, abhängig von der Breite des Bearbeitungsspaltes und dem Radius der Elektrode. Aus diesem Grund werden gewöhn­ lich nur Elektroden mit einem kleinen Durchmesser, also dünne zylindrische Elektroden mit kleiner Angriffsfläche eingesetzt. Damit bei der kleinen Angriffsfläche trotzdem noch eine zufrie­ denstellende Abtragsrate erzielt werden kann, wird die Elektro­ de zur Unterstützung der Spülung in Rotation versetzt. Mit die­ ser Maßnahme kann die maximal zulässige Stromdichte und somit auch die Abtragsrate erhöht werden.

Dünne Elektroden haben jedoch den Nachteil, daß sie nicht genü­ gend steif sind und sich unter der Wirkung der Spül- und Erosi­ onskräfte verbiegen, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit ver­ schlechtert wird. Außerdem kann es im Falle einer Kollision der dünnen Elektrode mit dem Werkstück, etc. zu einer plastischen Verformung der Elektrode kommen.

Insgesamt bestehen bei den bekannten Vorrichtungen also folgen­ de Nachteile: Das Elektrodenprofil bzw. die Elektrodengeometrie ändert sich während der Bearbeitung, insbesondere tritt ein seitlicher Elektrodenverschleiß auf. Außerdem sind die Elektro­ den nicht genügend verbiegungssteif. Daher ist die bei den be­ kannten Vorrichtung erzielbare Bearbeitungsgenauigkeit stark eingeschränkt.

Aus der DE 33 36 034 C2 ist eine Funkenerosionsvorrichtung be­ kannt, bei der eine stabförmige Elektrode mit kreisrundem oder eckigem Querschnitt entlang einer vorprogrammierten Vorschub­ bahn bewegt wird. Die Vorschubbahnen verlaufen dabei schicht­ weise in parallelen Ebenen. Bei einem fehlerhaften Betriebszu­ stand wird die Elektrode entlang einer zuvor für jeden Bearbei­ tungspunkt bestimmten Rückzugsbahn von der Bearbeitungsfläche wegbewegt. Durch die im voraus berechneten Rückzugsbahnen erge­ ben sich keine unnötigen Zeitverzögerungen bei der Rückzugsbe­ wegung.

Aus der DE 32 03 605 A1 ist ferner noch eine Funkenerosionsvor­ richtung mit einer drehbaren Elektrode bekannt. Die Elektrode weist parallel zu ihrer Längsachse verlaufend mehrere unter­ schiedliche Bearbeitungsseiten (unterschiedliches Profil) auf, die je nach Drehstellung der Elektrode für die Bearbeitung des Werkstück herangezogen werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Elektrodenprofil während der Bearbeitung weitestgehend konstant zu halten.

Die Erfindung löst diese Aufgabe jeweils mit den Gegenständen der Ansprüche 1 und 14. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Er­ findung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nach Anspruch 1 wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren bei einem tangential zur Werkstückoberfläche erfolgenden Vorschub die Längsachse der Elektrode derart gegen die Normale auf die Werkstückoberfläche geneigt wird, daß sie an ihrem dem Werk­ stück abgewandten Ende entgegen der Vorschubrichtung ausgelenkt ist. Vorteilhaft ist hierdurch die Angriffsfläche der Elektrode gegenüber derjenigen aus dem Stand der Technik doppelt so groß. Bei gleicher Stromdichte kann dadurch auch vorteilhaft der Strom verdoppelt und damit die Abtragsrate mehr als verdoppelt werden. Dies ist beispielsweise besonders deutlich aus einem Vergleich der Fig. 1a und 1b ersichtlich. Bei der in Fig. 1a gezeigten Elektrode aus dem Stand der Technik liegt die An­ griffsfläche an der Elektrodenunterseite lediglich - in Vor­ schubrichtung der Elektrode gesehen - im vorderen Abschnitt. Aufgrund der Abnutzung der Elektrode am vorderen Abschnitt und der gleichzeitigen Rotation dieses Abschnittes nach hinten ist der rückwärtige Teil der Elektrodenunterseite nicht mehr an der Erosion beteiligt. Bei der Erfindung ist hingegen aufgrund der Neigung der Längsachse der Elektrode bezüglich der Normalen auf die Werkstückoberfläche die gesamte Elektrodenunterseite an der Erosion beteiligt.

Dadurch verbessern sich aber auch die Spülbedingungen entschei­ dend. Der maximale Druckabfall befindet sich nicht mehr wie bei der Elektrode aus dem Stand der Technik hinten in dem Abschnitt des breiteren nicht für die Erosion genutzten Bearbeitungsspal­ tes, sondern über den gesamten aktiven Bearbeitungsspalt gleichmäßig verteilt.

Ein entscheidender Vorteil ist auch, daß sich das Profil der Elektrode während ihrer Abnutzung nur noch unwesentlich ändert. Die Elektrode nutzt sich gleichmäßig an ihrer Unterseite ab, wodurch der Verschleiß durch entsprechendes Nachschieben der Elektrode einfach kompensiert werden kann. Das Profil wird da­ bei nicht verändert.

Somit kann auch der entscheidende Vorteil einer Elektroerosi­ onsvorrichtung gegenüber mechanischen Fräsvorrichtungen weiter­ hin genutzt werden, nämlich keine relative Bewegung zwischen Werkstück du Werkzeug in Form einer Rotation o. ä. zu benötigen. Insbesondere dieser Vorteil konnte bei den bekannten Elektro­ erosionsvorrichtungen nicht genügend genutzt werden, da auf­ grund des ungleichmäßigen Verschleißes der Elektrode diese grundsätzlich rotiert werden mußte. Bei der Erfindung ist eine solche Rotation nicht mehr erforderlich.

Hiermit eröffnet sich aber ein weiterer großer Vorteil der Er­ findung, nämlich insbesondere mit prismatischen Elektroden ar­ beiten zu können, die während der Bearbeitung nicht rotiert werden dürfen. Bei einer geeigneten Prismenform (mit eckigen Außenkanten) können gegenüber dem Stand der Technik somit vor­ teilhaft sehr viel kleinere Radien erodiert werden, beispiels­ weise sehr viel engere Ecken, etc..

Außerdem müssen für das Erodieren kleiner Radien vorteilhaft nicht mehr besonders dünne Elektroden benutzt werden. Bei der Verwendung prismatischer Elektroden können diese im Querschnitt groß belassen bleiben, wodurch eine größere Angriffsfläche und insgesamt eine größere Steifigkeit der Elektrode erzielt wird. Damit können wiederum die dreidimensionalen Oberflächen schnel­ ler und genauer abgetragen werden.

Unter dem Begriff "Vorschubrichtung der Elektrode" wird die Richtung verstanden, in welche die Elektrodenhalterung zum Nachfahren einer vorgegebenen Erodierstrecke bewegt wird. An­ stelle oder zusätzlich zu der Bewegung der Elektrodenhalterung kann auch der Werkzeugtisch mit aufgespanntem Werkzeug entspre­ chend bewegt werden.

Unter dem Begriff "Werkstückoberfläche" wird der sich lokal im Bereich der Elektrode befindliche, ggf. gekrümmte unbearbeitete Oberflächenabschnitt verstanden, der als nächstes bearbeitet werden soll.

Um eine gekrümmte Oberfläche nach dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren zu realisieren, ist mindestens eine weitere Achse zur Nei­ gung der Elektrode erforderlich.

Im allgemeinen ist die Form der Elektrode unabhängig von der Form der zu erodierenden gekrümmten Fläche. In manchen Fällen kann es jedoch vorteilhaft sein, die Elektrode entsprechend der Form eines besonders schwierig zu erodierenden Abschnittes der gekrümmten Fläche anzupassen. Das bedeutet, daß die Elektrode für kleinere Abschnitte der gekrümmten Fläche sehr wohl abhän­ gig von deren Form sein kann.

Bevorzugt wird der Auslenkwinkel abhängig von der Bearbeitungs­ qualität eingestellt (Anspruch 2), wobei der Auslenkwinkel be­ sonders bevorzugt beim letzen Feinbearbeitungsschritt gegen Null zurückgestellt wird (Anspruch 3). Vorteilhaft kann hiermit die Abtragsrate für die gröberen Bearbeitungsschritte durch entsprechendes stärkeres Auslenken bzw. Neigen der Elektrode erhöht werden, wobei für die feinen Bearbeitungsschritte dieser Auslenkwinkel zugunsten der Bearbeitungsgenauigkeit gesenkt wird.

Bevorzugt wird schichtweise in die Tiefe des Werkstückes Mate­ rial abgetragen (Anspruch 4).

Bevorzugt wird bei einer Prozeßentartung die Elektrode in Rich­ tung ihrer Längsachse von der Werkstückoberfläche abgehoben und anschließend tangential zur Werkstückoberfläche auf die Werk­ stückoberfläche wieder aufgesetzt (Anspruch 5). Mit dieser Maß­ nahme kann die Prozeßentartung besonders schnell unterbrochen, und die Erosion progressiv wieder aufgenommen werden.

Bevorzugt wird die Elektrode während der Bearbeitung in Zeitin­ tervallen oder dauernd rotiert (Anspruch 6). Dabei wird bevor­ zugt im Falle elektroerosiver Bearbeitung mit einer prismati­ schen Elektrode die Elektrode vor der Rotation von der Bearbei­ tungsfläche zurückgezogen (Anspruch 7). Damit wird vorteilhaft auch der letzte verbleibende ungleichmäßige Verschleiß der Elektrode kompensiert.

Zur vorteilhaften Erhöhung der Spülflüssigkeitsgeschwindigkeit wird die Elektrode bei der elektroerosiven oder elektrochemi­ schen Bearbeitung in Vibration versetzt (Anspruch 9).

Bevorzugt wird die Elektrode zentral gespült, wobei für die Spülung die Spülflüssigkeit durch die Elektrode eingesaugt und der Spüldruck gesteuert wird (Anspruch 10). Vorteilhaft kann mit dieser Kombination aus zentraler Spülung und Ansaugen der Spülflüssigkeit einerseits eine hohe Spülflüssigkeitsgeschwin­ digkeit und andererseits ein vorwiegend im Erosionsspalt vor­ liegender Druckabfall erzielt werden.

Bevorzugt wird im Falle elektroerosiver Bearbeitung die Dauer der Erosionsimpulse, insbesondere bei einer Druckspülung, etwas geringer als die Durchlaufzeit einer Entladung gewählt, welche am Elektrodenzentrum entstehen und sich am Elektrodenrand selb­ ständig löschen würde (Anspruch 11). Vorteilhaft können mit dieser Maßnahme die Erosionsimpulse möglichst lang gewählt wer­ den, bis fast hin zu einem Gleichstromerodieren.

Bevorzugt wird die Erosionsspannung hinsichtlich einer Änderung der Lichtbogenspannung und/oder der überlagerten Spannungswel­ ligkeit überwacht und bei Abweichung vom Sollwert wird der Ero­ sionsimpuls gelöscht (Anspruch 12). Vorteilhaft kann hiermit eine Beschädigung der Elektrode vermieden werden.

Bevorzugt ist die Elektrode mit einer seitlichen Isolations­ schicht beschichtet (Anspruch 17). Vorteilhaft wirkt diese Iso­ lationsschicht, die bevorzugt besonders dünn ausgebildet wird, einer Beschädigung der Elektrode an ihrer Seitenwand entgegen. Eine derartige Elektrode kann auch unabhängig von der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden, beispielsweise in bekannten Elektroerosionsvorrichtungen, um dort den seitlichen Verschleiß der Elektroden zu vermindern.

Nachfolgend werden weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit bezug auf die bei­ gefügte Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1a eine rotierende Elektrode beim Abtragen einer Schicht von einem Werkstück zu Beginn (linke Figurenhälfte) und im Verlaufe der Bearbeitung (rechte Figurenhälf­ te) gemäß einem bekannten Verfahren sowie das ent­ sprechende Abnutzungsprofil der Elektrode (untere Fi­ gurenhälfte);

Fig. 1b analog zu Fig. 1a eine entsprechende Elektrode beim Abtragen der Schicht gemäß dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren;

Fig. 2a eine Elektrode beim Erodieren einer Ecke in Schnit­ tansicht und Aufsicht gemäß einem bekannten Verfah­ ren;

Fig. 2b eine Elektrode mit quadratischem Querschnitt beim Erodieren derselben Ecke gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 3a und 3b jeweils in der linken Figurenhälfte in Aufsicht und in der rechten Figurenhälfte das Erodieren eines schmalen Grabens gemäß dem bekannten bzw. dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren;

Fig. 4 die Rückzugsbewegung der Elektrode im Falle einer Prozeßentartung und die anschließende Wiederaufsetz­ bewegung der Elektrode zum Fortfahren der Bearbeitung

Fig. 5 das Messen des Elektrodenverschleißes mittels einer Meßkugel;

Fig. 6 eine spezielle Elektrodenhalterung mit eingebautem piezoelektrischen Translator, um die Elektrode in Vi­ bration zu versetzen;

Fig. 7 eine speziell für das Ansaugen der Spülflüssigkeit durch die Elektrode ausgebildete Elektrodenhalterung;

Fig. 8 eine Elektrode mit einer seitlichen Isolations­ schicht.

Nachfolgend werden für eine leichtere Lesbarkeit der Beschrei­ bung Begriffe, wie "oben", "unten" etc. verwendet, die jedoch nicht einschränkend zu verstehen sind. Ferner wird ein Hauptachsensystem einer Elektroerosionsvorrichtung so gewählt, daß die X- und Y-Hauptachsen bei einer auf dem Boden aufge­ stellten Vorrichtung jeweils horizontal verlaufen und die Z- Hauptachse entsprechend vertikal. Dies ist jedoch nicht ein­ schränkend zu verstehen. Für beliebige anders ausgerichtete Ko­ ordinatensysteme kann eine Transformation in das hier verwende­ tet Koordinatensystem durchgeführt werden, damit die in den ge­ samten Unterlagen verwendeten Definitionen der Vorschubrichtung und der Elektrodenführung weiterhin gelten.

In Fig. 1a ist eine Elektrode 1 beim schichtweisen Bearbeiten eines Werkstückes 2 zu Beginn und im Verlaufe der Bearbeitung gemäß einem bekannten Verfahren gezeigt. In der linken Figuren­ hälfte ist die Elektrode 1 auf das Werkstück 2 aufgesetzt. Im weiteren Verlauf der Bearbeitung soll die Schichtdicke d abtra­ gen. Hierzu wird die Elektrode 1 entlang der Vorschubrichtung V bewegt. In der rechten Figurenhälfte ist die Bearbeitung be­ reits fortgeschritten, wodurch die Elektrode 1 eine Abnutzung erfahren hat. Das Abnutzungsprofil ist unterhalb der rechten Figurenhälfte vergrößert dargestellt. Die schwarzen Bereiche bedeuten dabei abgetragene Abschnitte der Elektrode 1. Das sym­ metrische Abnutzungsprofil stammt von einer Rotation der Elek­ trode 1.

In Fig. 1b ist die entsprechende Elektrode 1 beim Abtragen der Schichtdicke d von dem Werkstück 2 zu Beginn und im Verlaufe der Bearbeitung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt.

Nachfolgend wird anhand eines Beispiels eine häufig auftretende Werkstückbearbeitung erläutert. Hierzu werden folgende Defini­ tionen eingeführt: Unter der XY-Hauptebene wird die Ebene ver­ standen, welche durch die X- und die Y-Hauptachse der Werkzeug­ maschine aufgespannt wird. Üblicherweise werden die Hauptachsen auf einer Elektroerosionsvorrichtung so definiert, daß sich die horizontale Werkstückebene, d. h. die horizontale Werkstückau­ ßenfläche eines auf der Vorrichtung aufgespannten Werkstückes parallel zur XY-Hauptebene erstreckt. Der Vorschub der Elektro­ denhalterung beim dreidimensionalen Erodieren innerhalb dieses Werkstück erfolgt beim schichtweisen Abtragen dann ebenfalls parallel zu dieser Hauptebene.

Die Elektrode wird zum Kompensieren ihres Verschleißes wie auch zum Erodieren in die Tiefe (in eine Ausnehmung oder entlang de­ ren vertikale Innenwand) oder entlang einer vertikalen Außen­ fläche des Werkstückes entlang der Z-Achse bewegt. Werden bei­ spielsweise Rampen, also schiefe Ebenen auf einer Werkstück­ oberfläche erodiert, so erfolgt der Vorschub nicht mehr parallel zur XY-Hauptebene, sondern zusätzlich noch entlang der Z- Hauptachse. Wird beispielsweise eine Seitenwand eines tieferen Grabens in dem Werkstück erodiert, so verläuft im allgemeinen die Vorschubrichtung parallel zur z-Hauptachse. Die Vor­ schubrichtung verläuft in beiden Fig. 1a und b in Richtung der X-Hauptachse, also parallel zur XY-Hauptebene.

Bei dem bekannten Verfahren ist die Längsachse der Elektrode 1 senkrecht zu der Vorschubrichtung V ausgerichtet, während beim erfindungsgemäßen Verfahren die Längsachse der Elektrode 1 be­ reits unter einem größeren Winkel als 90° zur Vorschubrichtung V auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt und bei der weiteren Bearbeitung entsprechend geneigt über die Werkstückoberfläche bewegt wird. Unterhalb der rechten Figurenhälfte der Fig. 1b ist das Abnutzungsprofil der Elektrode 1 beim erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt. Wie daraus ersichtlich ist, findet ein gleichmäßiger Abtrag der Elektrode 1 über deren gesamte Unter­ seite statt.

Das erfindungsgemäße Neigen der Längsachse der Elektrode 1 ge­ genüber der Normalen auf die Werkstückoberfläche, wenn die Vor­ schubrichtung V tangential zur Werkstückoberfläche liegt, um­ faßt damit auch das Neigen der Längsachse der Elektrode 1 ge­ genüber der Normalen auf die Werkstückoberfläche, wenn die Vor­ schubrichtung parallel zur XY-Hauptebene oder parallel zur Z- Hauptachse liegt.

In Fig. 2a ist die Elektrode 1 beim Erodieren einer Ecke mit dem Radius r in Schnittansicht und Aufsicht gemäß einem bekann­ ten Verfahren gezeigt. Die Elektrode 1 steht wiederum senkrecht zur Vorschubrichtung V.

In Fig. 2b ist analog zu Fig. 2a eine Elektrode 1' mit einem quadratischem Querschnitt beim Erodieren derselben Ecke gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt. Bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren muß die Elektrode 1' nicht für eine Beibehal­ tung einer gleichmäßigen Abnutzung oder für eine Erhöhung der Spülung rotiert werden, so daß eine Kante der quadratischen Elektrode 1' die Ecke erodieren kann. Für einen unmittelbaren Größenvergleich ist in der linken Figurenhälfte der Fig. 2b der Querschnitt der analog im bekannten Verfahren eingesetzten ro­ tierenden Elektrode 1 gezeigt. Der Querschnitt der quadrati­ schen Elektrode kann viel größer gewählt werden, obwohl dersel­ be Eckenradius geschnitten wird, wodurch sowohl die Steifigkeit als auch die Angriffsfläche größer und damit die Bearbeitungs­ genauigkeit und -geschwindigkeit erhöht werden.

Die Bearbeitung einer größeren Ausnehmung in dem Werkstück 2 kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise fol­ gendermaßen erfolgen: Die Elektrode 1 wird geneigt zur Normalen auf die Werkstückoberfläche von einer Kante der Ausnehmung bis zur gegenüberliegenden Kante bewegt, während mehrere solcher Bahnen so parallel nebeneinander gelegt werden, daß die durch die Abtragung frei gewordene Fläche möglichst keine Riffen auf­ weist. An den Kanten wird die Elektrode 1 jeweils in die Senk­ rechte geschwenkt, so daß an der Kante keine Rampe zur Seiten­ wand übrigbleibt. Bis zur benachbarten parallelen Bahn kann die Elektrode 1 entlang der Seitenkante der Ausnehmung aufrecht, d. h. senkrecht zur Vorschubrichtung V bewegt werden, damit die Seitenwand möglichst senkrecht ausgebildet wird. Wird anschlie­ ßend die benachbarte Bahn in entgegengesetzter Vorschubrichtung V erodiert, wird die Elektrode 1 wiederum entsprechend geneigt, so daß die Elektrodenunterseite vollständig gegen die zu ero­ dierende Schicht anliegt.

Die optimalen Elektrodenbewegungen, beispielsweise um eine Ecke zu erodieren, sind vorprogrammiert.

Sollte ein tiefes Loch parallel zur Z-Hauptachse in das Werk­ stück 2 erodiert werden, so wird die Elektrode 1 bei entspre­ chendem Größenverhältnis von Loch- zu Elektrodendurchmesser ebenfalls gegenüber der Z-Hauptachse geneigt geführt, damit dieselbe vorteilhafte vollständige Ausnutzung der Elektrodenun­ terseite für das Erodieren ausgenutzt wird. Erlaubt das Größen­ verhältnis ab einer bestimmten Tiefe keine solche Neigung der Elektrode 1 gegenüber der Z-Hauptachse mehr, so wird die Elek­ trode 1 wieder parallel zur Z-Hauptachse geschwenkt.

Die entsprechende Elektroerosionsvorrichtung muß für eine sol­ che Bewegungsfreiheit der Elektrodenhalterung wenigstens fünf Freiheitsgrade aufweisen: drei für die Bewegung in X-, Y- und Z-Richtung, eine zum Schwenken der Elektrode 1 und eine zum Ro­ tieren der Elektrodenhalterung, damit die Schwenkebene beliebig gedreht werden kann.

In den Fig. 3a und 3b ist in Aufsicht (linke Figurenhälfte) und Querschnittsansicht (rechte Figurenhälfte) jeweils das Ero­ dieren eines schmalen Grabens 3 gemäß dem bekannten und dem er­ findungsgemäßen Verfahren gezeigt. Bei dem bekannten Verfahren wird der Graben 3 der Breite b mit einer zylindrischen Elektro­ de 1 erodiert, so daß die erzielbaren Eckenradien r des Grabens 3 aufgrund der Elektrodengeometrie kleiner oder gleich der hal­ ben Grabenbreite sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bei gleicher sonstiger Bearbeitungsqualität aufgrund des Weg­ falls des Rotationserfordernis mit einer rechteckförmigen Elek­ trode 1' gearbeitet werden. Die hierbei erzielbaren Eckenradien hängen nur noch von der Kantenschärfe der rechteckförmigen Elektrode 1' ab und können daher sehr viel kleiner, d. h. ecki­ ger sein.

Die Führung des Erosionsprozesses erfolgt wie bei dem bekannten Senkerodieren. Bei einer Prozeßentartung wird die Elektrode 1 in einer geeigneten Richtung entlang ihrer Längsachse von der Bearbeitungsoberfläche abgehoben, damit die Erosionsseite der Elektrode 1 über ihren gesamten Querschnitt möglichst schnell von der Bearbeitungsfläche entfernt wird. In anderen Worten sollen alle Abschnitte der Erosionsseite möglichst schnell von ihrem nächstgelegenen Bearbeitungsabschnitt entfernt werden. Dieser Vorgang ist in Fig. 4 durch den Pfeil A angedeutet. Der Ort der Elektrode 1 nach dem Rückzug ist gestrichelt darge­ stellt. Diese Richtung wird aus dem Erosionsprofil der Elektro­ de 1 automatisch abgeleitet und adaptiv verändert, um die Ero­ sionsunterbrechungen zu minimalisieren.

Für die Wiederaufnahme der Erosion wird die Elektrode 1 tangen­ tial auf die Bearbeitungsfläche aufgesetzt, was in Fig. 4 durch den Pfeil B dargestellt ist. Anschließend wird die Elektrode 1 bei der Bearbeitung wieder in Vorschubrichtung V bewegt und gleichzeitig entsprechend geneigt, bis sie die mit durchgezoge­ nen Linien dargestellte Position wieder erreicht hat. Bei der Wiederaufnahme der Bearbeitung kann die Impulsfrequenz progres­ siv gesteigert werden.

Gegebenenfalls kann die Elektrode 1 in vorgegebenen Zeitinter­ vallen rotiert werden, um die unvermeidlichen restlichen Unre­ gelmäßigkeiten in ihrer Abnutzung zu kompensieren. Für zylin­ drische Elektroden 1, d. h. mit rundem Querschnitt, kann die Ro­ tation dabei während der Bearbeitung durchgeführt werden, wäh­ rend für alle anderen Elektrodenformen, insbesondere für Elek­ troden mit prismatischem Querschnitt, die Elektrode 1' vor der Rotation erst von der Bearbeitungsfläche zurückgezogen werden muß. Im allgemeinen kann aber für jede Elektrodenart, ein­ schließlich zylindrischer Elektroden 1, 1' die Rotation mit der Rückzugsbewegung kombiniert werden. Die Amplitude und die Rich­ tung der Rückzugsbewegung kann dabei aus der zu erodierenden Geometrie abgeleitet werden.

Grundsätzlich tritt auch beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Verschleiß der Elektrode 1 auf, wie in Fig. 1b gezeigt. Dieser wird durch ein entsprechendes Nachschieben der Elektrode 1 ent­ lang ihrer Längsachse automatisch kompensiert, indem die Nach­ schubrate aus dem Produkt von Erosionsstrom und Erosionszeit abgeleitet wird. Der Proportionalitätsfaktor ist für jede Elek­ trodenart abhängig von Material, Form und Querschnitt als Tech­ nologieparameter gespeichert.

Die berechnete Verschleißrate kann in Intervallen durch Messung der Elektrode 1 an einer Meßkugel 4 (einem Meßtaster oder einem sonstigen Meßmittel an der Vorrichtung) während der Gesamtbear­ beitung überprüft werden, wodurch eine höhere Bearbeitungsge­ nauigkeit erzielt werden kann. Dies ist in Fig. 5 schematisch anhand der Elektrode 1 und der Meßkugel 4 dargestellt. Wie aus dieser Figur ersichtlich wird, mißt die Meßkugel 4 nicht nur die Länge der Elektrode 1, sondern auch deren seitliches Abnut­ zungsprofil.

In Fig. 6 ist gezeigt, wie die durch den Erosionsspalt fließen­ de Stromdichte erhöht werden kann. Hierzu ist in eine Elektro­ denhalterung 5, 5' ein piezoelektrischer Translator 6, 6' ein­ gebaut, welcher die Elektrode 1, 1" über einen Halterabschnitt 7 in Vibration versetzen kann. Durch die Vibration der Elektro­ de 1, 1" kann die Spülmenge und damit auch die Stromdichte er­ höht werden. Die Elektrodenvibration ist insbesondere für Elek­ troden 1, 1" mit kleinem Querschnitt und damit kleiner An­ griffsfläche geeignet, da bei diesen Elektroden 1, 1" die hy­ drodynamischen Kräfte klein bleiben. Bei solchen Elektroden 1, 1" muß auch die Elektrodenhalterung 5, 5' (Pinole) nicht beson­ ders steif ausgebildet sein, da eine Verbiegung aufgrund hydro­ dynamischer Kräfte gering ist.

Anstelle des piezoelektrischen Translators 6, 6' können auch andere geeignete Mittel verwendet werden. Erstere sind jedoch aufgrund ihrer hohen erzielbaren Vibrationsfrequenz besonders geeignet, die vorteilhaft noch oberhalb der Eigenfrequenz der Elektroerosionsvorrichtung liegen kann. In Fig. 6 ist in der linken Figurenhälfte eine entsprechende Elektrodenhalterung 5' für eine Hohlelektrode 1" mit Spülkanal 8 gezeigt, wobei der piezoelektrische Translator 6' ebenfalls eine Innenbohrung 9 aufweist, durch welche die Spülflüssigkeit strömen kann. In der rechten Figurenhälfte von Fig. 6 ist hingegen eine Elektroden­ halterung 5 für eine massive Elektrode 1 ohne Spülkanal ge­ zeigt, bei welcher der piezoelektrische Translator 6 keine In­ nenbohrung aufweist.

Wie bereits erwähnt können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Elektroden 1" mit einer zentralen Spülung und Spüldruck­ steuerung eingesetzt werden. Vorteilhaft kann hierbei die Stromdichte weiter erhöht werden, was zu einer überproportiona­ len Erhöhung der Abtragsrate führt. In Kombination mit dem er­ findungsgemäßen Verfahren ist die Wirkung der zentralen Spülung optimal, da der Druckabfall vorwiegend im Erosionsspalt statt­ findet. Dies ist am einfachsten aus einem Vergleich der rechten Figurenhälften der Fig. 1a und 1b ersichtlich. Bei der be­ kannten Elektrodenführung ist durch die symmetrische Abnutzung der rotierenden Elektrode 1 der Erosionspalt links am größten. Dort fließt dementsprechend auch die größte Spülflüssigkeits­ menge aus und führt dort zu dem größten Druckabfall. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Erosionsspalt über die ge­ samte Elektrodenunterseite gleich groß, so daß der Druckabfall über die gesamte Unterseite weitgehend konstant ist.

Die Elektroerosionsvorrichtung kann derart ausgebildet sein, daß sie im Bearbeitungsspalt eine Spülflüssigkeitsgeschwindig­ keit von mehreren Metern pro Sekunde erzeugt. Mit dieser Maß­ nahme kann die Abtragsrate gegenüber herkömmlichen Senkerosi­ onsvorrichtungen um den Faktor 20 gesteigert werden. Für das Erzeugen dieser hohen Spülflüssigkeitsgeschwindigkeit kann ent­ weder ein künstlicher Außendruck (z. B. durch einen geeigneten Druckbehälter) aufgebaut werden oder die Spülflüssigkeit durch den Spülkanal einer (ggf. kurzen und einfach gestalteten) Hohl­ elektrode mit Spülkanal abgesaugt werden. Bei beiden Maßnahmen läuft der kontrollierte Lichtbogen vom Elektrodenrand in Rich­ tung Spülkanal innerhalb der Elektrode und wird im Spülkanal sicher gelöscht (DE 27 33 430 C2). Der Lichtbogen wird nämlich von der Spülflüssigkeit mitgerissen und damit in die Länge ge­ zogen. Bei ausreichender Länge des Lichtbogens löscht sich die­ ser von selbst.

Mit der ersten Maßnahme können so hohe Spülflüssigkeitsge­ schwindigkeiten erzielt werden, daß sogar mit Gleichstrom ero­ diert werden kann. Allerdings behindert das Vorsehen eines ge­ eigneten Druckbehälters das dreidimensionale Erodieren. Mit der letzteren Maßnahme tritt dieser Nachteil nicht auf, wobei trotz alledem brauchbare Geschwindigkeiten erreichbar sind.

Die Elektrodenhalterung 5 kann entsprechend konstruktiv ausge­ bildet sein, daß ein Druckabfall an der Verbindungsstelle zwi­ schen Elektrode 1" und Elektrodenhalterung 5 klein gehalten wird. In Fig. 7 ist schematisch angedeutet, wie eine solche Elektrodenhalterung 5' ausgebildet sein könnte. Die Oberseite des Kragens 11 ist konisch sich nach oben öffnend ausgebildet, damit sich oberhalb eines Kragens 11 keine Erosionspartikel an­ stauen. Der in Fig. 7 eingezeichnete Pfeil C gibt die Strö­ mungsrichtung der Spülflüssigkeit an.

Grundsätzlich hat die Spülung von der Mitte der Elektrodenun­ terseite in Richtung Elektrodenrand den Vorteil, die Bewegungs­ freiheit zu wahren. Dabei kann der Spüldruck immer derart er­ höht werden, daß die erforderliche Dielektrikumsgeschwindigkeit im Erosionsspalt erzielt wird. Es ist jedoch nicht immer mög­ lich, den Gleichstrom-Lichtbogen am äußeren Elektrodenrand si­ cher zu löschen. Dies führt dazu, daß die Elektrode 1" an ihrem Rand beschädigt, bzw. übermäßig abgenutzt wird. Um diesem Um­ stand entgegenzuwirken, wird die Dauer der Erosionspulse derart gesteuert, daß sie möglichst lang, jedoch immer kürzer als die Durchlaufzeit einer Entladung ist, die am Elektrodenzentrum entstehen und sich am Elektrodenrand selbständig löschen würde.

Es kann ebenfalls zusätzlich oder alternativ eine Änderung der Lichtbogenspannung verfolgt werden, und der Erosionsimpuls bei Abweichung vom Sollwert gelöscht werden. Diese Abweichung vom Sollwert kann durch Auswertung der Spannung verfolgt werden, beispielsweise anhand des Amplitudenverlaufes und/oder anhand der Amplitude und Frequenz der überlagerten Spannungswellig­ keit.

Für einen geringen Elektrodenverschleiß können vorteilhaft Gra­ phit-Elektroden eingesetzt werden. Außerdem kann die Elektrode 1" mit einer seitlichen Isolationsschicht 12 beschichtet wer­ den, die während kurzer Zeiten hohe Temperaturen aushalten kann. Bei der Bearbeitung wird diese Isolationsschicht 12 im Zuge der Abnutzung der Elektrode 1" ebenfalls durch thermische und mechanische Wirkung abgetragen. Hierzu ist die Isolations­ schicht besonders dünn ausgebildet. In Fig. 8 ist eine solche Elektrode 1" mit einer seitlichen Isolationsschicht 12 gezeigt.

Die Steuerung der Elektroerosionsvorrichtung kann derart ausge­ legt sein, daß die Abmessungen, die Form und/oder die Informa­ tion über die Vorschubrichtung der Elektrode 1 direkt von einem CAD-System entnommen und von einer geeigneten Software zur Steuerung der Werkzeugmaschine verwendet wird. Hierdurch kann die Bearbeitungszeit reduziert werden. Die Abmessungen der Elektrode 1 bzw. der grundsätzlich auf einer bestimmten Elek­ troerosionsvorrichtung verwendbaren Elektroden (beispielsweise in einem Elektrodenmagazin enthaltene Elektroden, die automa­ tisch von der Werkzeugmaschine je nach Bedürfnis ausgewechselt werden) werden ebenso wie die erforderlichen Technologieparame­ ter abgespeichert. Zu diesen Technologieparametern gehört auch die optimale Elektrodenneigung bzw. Neigungsänderung, um ele­ mentaren Formen, wie innere und äußere Ecken zu bearbeiten.

Alternativ oder zusätzlich kann die Vorschubbewegung der Elek­ trode 1 auch während der Bearbeitung sozusagen online vorbe­ rechnet werden. Die gesamte Steuerung kann so ausgelegt sein, daß sie zur Zeit in der Elektroerosionsvorrichtung nicht ver­ fügbare Elektrodenformen und/oder -abmessungen empfiehlt, wel­ che zu einer Verkürzung der Bearbeitungszeit o. ä. führen könn­ ten. Stehen diese Formen und/oder Abmessungen grundsätzlich nicht zur Verfügung, so kann die Steuerung die Bearbeitung au­ tomatisch mit den verfügbaren Elektroden 1 durchführen.

Claims (17)

1. Verfahren für das elektroerosive oder elektrochemische Be­ arbeiten gekrümmter Flächen in einem Werkstück (2) mittels einer, im allgemeinen von der Form der gekrümmten Fläche unabhängigen Elektrode (1; 1'; 1"), bei welchem:

• - die Elektrode (1; 1'; 1") für das Bearbeiten der ge­ krümmten Fläche entlang einer Vorschubrichtung (V) über die Werkstückoberfläche geführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - bei einem tangential zur Werkstückoberfläche erfol­ genden Vorschub die Längsachse der Elektrode (1; 1'; 1") derart gegen die Normale auf die Werkstückober­ fläche geneigt wird, daß sie an ihrem dem Werkstück abgewandten Ende entgegen der Vorschubrichtung ausge­ lenkt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel abhängig von der Bearbeitungsqualität ein­ gestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel beim letzen Feinbearbeitungsschritt gegen Null zurückgestellt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß schichtweise in die Tiefe des Werk­ stückes (2) Material abgetragen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Prozeßentartung die Elektro­ de (1; 1'; 1") in Richtung ihrer Längsachse von der Werk­ stückoberfläche abgehoben wird und anschließend im wesent­ lichen tangential zur Werkstückoberfläche auf die Werk­ stückoberfläche wieder aufgesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1; 1'; 1") während der Bearbeitung in Zeitintervallen oder dauernd rotiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle elektroerosiver Bearbeitung mit einer prismatischen Elektrode (1') die Elektrode (1') vor der Rotation von der Bearbeitungsfläche zurückgezogen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle elektroerosiver Bearbeitung der Verschleiß der Elektrode (1; 1'; 1") durch Bewegen der Elektrode (1; 1'; 1") in Richtung ihrer Längsausrichtung kompensiert wird, wobei die Geschwindigkeit dieser Bewe­ gung aus einer Berechnung und/oder einer Messung des Elek­ trodenverschleißes abgeleitet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1; 1'; 1") bei elektro­ erosiver oder elektrochemischer Bearbeitung in Vibration versetzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle elektroerosiver Bearbeitung die Elektrode (1; 1'; 1") zentral gespült wird, wobei für die Spülung die Spülflüssigkeit durch die Elektrode (1; 1'; 1") eingesaugt wird, und der Spüldruck gesteuert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dauer der Erosionsimpulse etwas ge­ ringer als die Durchlaufzeit einer Entladung gewählt wird, welche am Elektrodenzentrum entstehen und sich am Elektro­ denrand selbständig löschen würde.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erosionsspannung hinsichtlich ei­ ner Änderung der Lichtbogenspannung und/oder der überla­ gerten Spannungswelligkeit überwacht wird und bei Abwei­ chung vom Sollwert der Erosionsimpuls gelöscht wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen, die Form und/oder die Information über die Bewegung der Elektrode (1; 1'; 1") von einem CAD-System entnommen und für die Steuerung der Werkzeugmaschine verwendet wird.

14. Vorrichtung für die elektroerosive oder elektrochemische Bearbeitung einer gekrümmten Fläche in einem Werkstück (2) mittels einer, im allgemeinen von der Form der gekrümmten Fläche unabhängigen Elektrode (1; 1'; 1"), mit:

• - Mitteln zum Führen der Elektrode (1, 1'; 1") entlang einer Vorschubrichtung (V) über die Werkstückoberflä­ che,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner auf­ weist:

• - Mittel zum Neigen der Längsachse der Elektrode (1; 1'; 1") bei einer tangential zur Werkstückoberfläche verlaufenden Vorschubrichtung (V) derart gegen die Normale auf die Werkstückoberfläche, daß die Längs­ achse an ihrem dem Werkstück abgewandten Ende entge­ gen der Vorschubrichtung ausgelenkt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Neigen der Längsachse der Elektrode (1; 1'; 1") und die Mittel zum Führen der Elektrode (1; 1'; 1") wenigstens fünf Bewegungsfreiheitsgrade für die Bewegung der Elektrode (1; 1'; 1") aufweisen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Elektrode (1; 1'; 1") von einer Elektroden­ halterung (5; 5') mit einem piezoelektrischem Translator (6) gehalten wird, welcher die Elektrode (1; 1'; 1") in Vibration versetzen kann.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1; 1'; 1") mit einer seitlichen Isolationsschicht (12) beschichtet ist.