DE2113827A1

DE2113827A1 - Verfahren und Vorrichtung zur elektroerosiven Bearbeitung

Info

Publication number: DE2113827A1
Application number: DE19712113827
Authority: DE
Inventors: Alfred Maillet
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-03-25
Filing date: 1971-03-23
Publication date: 1971-10-14
Also published as: CH537775A; ES389570A1; GB1331366A; FR2082732A5; US3777108A

Description

DIPL.-ING. R. LEMCKE _{oo n}- _ηΛ

Potentanwalt , Z'r?A\ (

Karlsruhe/Bad.n (10644)

GAEEL FOUGHi) LANGUBPIN, Soci6te anonyme, 55 rue de Amsterdam, Paris, Frankreich

"Verfahren und Vorrichtung zur elektroerosiven Bearbeitung

Lie Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektroerosiven Bearbeitung unter Verwendung einer an den Spalt zwischen Elektrode und Werkstück gelegten Impulsfolge gleicher Polarität und praktisch gleichbleibender Impulsdauer, sowie eine Vorrichtung zur Lurchführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, durch Funkenerosion bei einem "werkstück eine Ausnehmung herzustellen, die in jeder Beziehung die Form der Elektrode hat. Dabei springen

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von der Elektrode elektrische Funken über, deren jeder im Werkstück einen Krater bildet, und zwar derart, daß sich fortschreitend die erwünschte Ausnehmung ergibt.

Es ist außerdem bekannt, daß die Funken hierzu voneinander gesondert sein müssen, weil anderenfalls die Bearbeitung zu einem Lichtbogen führen würde, durch den eine Zerstörung zwischen zwei bestimmten Funkten der Elektrode und des Werkstückes eintreten würde.

Um eine derartige Lichtbogenbildung zu verhindern_r sind bei den bekannten Bearbeitungsverfahren die durch einen Generator zur Funkenbearbeitung erzeugten Stromimpulse diskontinuierlich. Diese Diskontinuität wurde bisher für notwendig gehalten im Hinblick darauf, daß durch sie eine Entionisierung des Dielektrikums erreicht würde, d. h. das Verschwinden eines über den Durchtritt eines Funkens erhaltenen leitenden Kanals im Dielektrikum deshalb, um zu verhindern, daß sich dieser Funken in Form eines Lichtbogens aufrecht erhält, und zwar vermöge der zwischen Werkstück und Elektrode herrschenden Spannung.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese Art des Vorgehens eine Ursache für die Abnutzung der Elektrode ist. Denn wenn sich eine Entionisierur..- des Spaltes zwischen Elektrode und «erksti'C:¹-- nach einem Funken einstellen kann, erfordert die erneute ,.lederherstellung eines Strompfades in dieser' c^alt f"r ο en nächsten Funken eine erneute Durchbrecr^n/-- des . ielektrikums bei wiederherstellung seiner Ionisation,

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BAD ORIGINAL

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ά. h. eine Strombrücke sehr kurzer Dauer, die bei der Lleiitro ie zu einer Grübchenbildung führt,, die um BG unheilvoller deshalb ist, weil die Brückenbildung an i";r die Bearbeitungsfcrm wesentlichen Punkten erfolgt, wiiers ausgedrückt ist ein erheblicher Teil ο er Aunätzung der Elektrode der wiederholten Bildung i.erartiger .jrvöclien. zuzuordnen, die mit der punktuellen Bildung von Strombrücken einhergeht»

.uer Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, infolge dieser Erkenntnisse ein Bearbeitungsverfahren nebst einer "\ rrrichtung anzugeben, womit die aufgezeigten i.^::^:ngel beseitigt werden und welches insbesondere eine -c] i'i trceroKive Bearbeitung ohne nennenswerten Elektrcr.er.verschleiß erlaubt.

jiUr-t.-ehi.-rid von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, öe-;- ein an den Spalt gelegter Strom konstan- rer xol::.ri±-9± praktisch ohne Unterbrechung aufgeteilt wird in eine i?olge aneinander anschließender Impulse, leren i^:.ufsteigende und abfallende Flanken "verhältnis— ni.Miig flach verlaufen. Dabei schließen sich vorzugsweise die Besteigender. Flanken der vorhergehenden impulse an die Basis der ansteigenden !Flanken der nachf οIg end en Imp ulse an.

!wischer, zwei aufeinanderfolgenden Impulsen erreicht der Strcn: ein I.ininum, dessen Wert null sein kann, dessen Wert aber auch noch eine geringe Stromstärke aufweisen kann, die nicht vernachlässigbar ist. Unter der Bedingung, dal? die Dauer eines Stromdurchgangs

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■ienet Eingefügte·***** Sera. Eingabe vom JaLkM «

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Bel Darf ni

über null praktisch augenblicklich oder höchstens gleich dem zehnten Teil der Dauer eines Impulses ist, und andererseits unter der Bedingung, daß die Neigung der absteigenden und der ansteigenden Planke eines Impulses relativ flach ist, konnte anhand von Versuchen festgestellt werden, daß sich ein lichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück nicht ausbildet, und zwar auch dann, wenn die Impulsfolge nicht diskontinuierlich ist. Sehr kurze Unterbrechungen des Bearbeitungsstromes können folglich auch auftreten, wenn man eine Quelle ununterbrochenen Stromes benutzt.

Eine Erläuterung dieses außerordentlich überraschenden Effektes sei nachfolgend informationshalber gegeben, ohne daß dadurch der Wert der Erfindung berührt wird.

Es ist bekannt, daß der Übertritt eines Funkens zwischen Elektrode und zu bearbeitendem Werkstück in diesem eine Ausnehmung erzeugt, deren Tiefe nicht vernachlässigbar ist, wenn man sie mit dem mittleren Abstand zwischen Elektrode und Werkstück vergleicht. Demzufolge reicht zum Ende eines Impulses, wenn die Stromstärke rapide abnimmt, die Ionisation des vergrößerten Spaltes zwischen t dem Ausgang des Funkens und dem Boden des zu bildenden Kraters nicht mehr für einen neuen Funken aus, der auf demselben V.^rege überspringt, um so mehr, als die Ionisation dieses lieges durch die Austragung von Teilchen aus dem Krater gestört wird.

Im Gegensatz dazu werden in der Nachbarschaft eines solchen Kraters Ionen verfügbar bezüglich des i'ber— trittsweges eines solchen vorhergehenden Funkens derart, daß die Ionisation für einen benachbarten Über-

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trittsweg ausreicht, damit sich der nächste Funken ausbilden kann.

Diese Annahme wird durch den Umstand bestätigt, daß, wenn man eine unter diesen Bedingungen ausgeführte Bearbeitung beobachtet, sich über Blasen, die sich auf der Oberfläche des Dielektrikäte zeigen, herausstellt, daß die Funken zwischen Elektrode und Werkstück nicht wahllos erscheinen, sondern im Gegensatz dazu sich kontinuierlich und regelmäßig im Spalt zwischen Elektrode und zu bearbeitendem Werkstück verlagern.

Wenn außerdem der Stromverlauf im Intervall zwischen Elektrode und Werkstück nicht unterbrochen wird oder lediglich vorübergehend auf den Wert null herabgeht, entsteht auch keine vorübergehende Unterbrechung des Stromes, weder zu Beginn noch zum Ende der Impulse und in Übereinstimmung dazu gibt es auch keine Entstehungskrater bei den Elektroden, wenn·, während der Dauer eines Funkens, der Strom ±n ausreichendem Maße weiterfließt.

Han kann aufeinanderfolgende Stromimpulse mit Hilfe einer Gleichstromquelle erzeugen, ,indem man regelmäßig sehr kurze Stromdurchgänge niedrigen Wertes erzeugt, die bei null liegen können. Eine derartige Ausführungsform hat jedoch den Nachteil, daß sie mit einer der Stromverminderung entsprechenden Energievernichtung einhergeht.

Daher kann man außerdem aufeinanderfolgende Impulse ausgehend von einer Gleichstromquelle unter Zuhilfe- '

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nähme unterschiedlicher Schaltungen erhalten. Man kann Multivibratoren oder Oszillatoren verwenden, beispielsweise Relaxationsgeneratoren, die sägezahnförmige, dreieckformige oder sinusförmige Wellen erzeugen.

Außerdem kann man einem Wechselstrom einen Gleichstrom überlagern, um dadurch das Niveau der Wechselspannung einzustellen und beispielsweise Stromwechsel zu erhalten, deren Minimum bei null oder nahe null liegt.

Durch Versuche konnte die erforderliche Neigung der Flanken der Impulsion ermittelt werden. Bei einem sinusförmigen Verlauf eines Stromes von 60 A liegt hier die Grenze bei einer Frequenz von 400 Hertz, d. h. bei einem Maximalwert di/dt in der Größenordnung von 150 000. Dieser offensichtlich hohe Wert liegt folglich weit entfernt von der Neigung solcher Ströme, die zur Durchbrechung des Dielektrikums oder zum hochfrequenten Stromwechsel im Intervall zwischen Elektrode und Werkstück geeignet sind.

Die Herabsetzung der Neigung der Flanken von Impulsen, die von einem Wechselstrom erhalten werden, ist auf unterschiedliche Weise möglich. Beispielsweise durch ein RC-Glied im Verlauf der Impulse, die Einfügung einer Induktivität oder eines Widerstandes in denselben Stromkreis, die Parallelschaltung eines reihengeschalteten Resonanzkreises, der auf eine erhöhte Frequenz anspricht, die Anordnung eines Kondensators, der durch einen Widerstand verzögert ist, alles jedoch zwischen den Ausgangsklemmen einer Wechselstromquelle .

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Man kann dazu jedoch auch eine Kapazität in Reihe mit einer Induktivität zu dem Spalt zwischen Werkzeug und Werkstück parallelschalten und in ihrem Widerstandsverhalten derart einrichten, daß sie mit dem Spalt einen gedämpften Schwingkreis "bilden, dessen Entladedauer zwischen 1/10 und 10/10 der Wellendauer.des Speisestromes liegt.

Im Verlauf jedes Impulses erhält man damit Ladungen und Entladungen dieser Schaltung, die sich überlagern zum Hauptstrom im Übergang zwischen Elektrode und Werkstück, und, bei entsprechender Bewertung.eine Entladung des Kondensators, die den Übergang zwischen vorhergehendem und nachfolgendem Impuls sicherstellt.

Schließlich ist es zweckmäßig, den Abstand zwischen Elektrode und Werkstück auf einen mittleren, möglichst reduzierten Wert zu halten, indem eine selbsttätig arbeitende Einrichtung zur Einstellung dieses Abstandes so beeinflußt wird, daß sie auf einen möglichst geringen Spannungswert anspricht. Dieser Spannungswert kann unterhalb 50 V liegen, vorzugsweise zwischen 20 und^ 40 V.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die auf der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 und 2 Beispiele einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Erzeugung aufeinanderfolgender Impulse durch Gleichrichten der Halbwellen eines Wechselstromes mittels eines Brückengleichrichters j

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Fig, 3 und 4 in schematisierter Form den mit den Anordnungen gemäß Fig. 1 und 2 erhaltenen Spannungs- und Stromverlauf über der Zeit; .

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Schaltungsanordnung;

Fig. 6 und 7 Schaltungsanordnungen mit zum Entladekreis parallelgeschaltetem Kondensator und

Fig. 8 und. 9 in vereinfachter Darstellung den

^ mit den Anordnungen gemäß Fig. 6 und 7

erhaltenen Stromverlauf über der Zeit,

Nach den Fig. 1 und 2 ist die Primärwicklung 1 eines Transformators an das Netz angeschlossen, während die Sekundärwicklung 2 derart eingerichtet ist, daß sie über einen nachgeschalteten Gleichrichter eine direkt am Spalt zwischen Elektrode und Werkstück brauchbare Spannung liefert.

Im Falle der Fig. 1 wird der Sekundärstrom direkt über einen Gleichrichter 9 in den Spalt zwischen Elektrode 4 und zu bearbeitendes Werkstück 5 ge- * schickt. Eine an sich bekannte Einrichtung 6 stellt

dauernd den richtigen Abstand zwischen Elektrode und Werkstück ein, indem sie die Spannung zwischen diesen beiden Teilen mit einer Vergleichsspannung in Beziehung setzt. Me Vergleichsßpannung kann zwischen 20 und 50 V liegen, was etwa zu einem Abstand zwischen Elektrode und Werkstück in der Größenordnung von 5/100 mm bis 7/10 mm paßt.

■ ' Kit dem Entladestromkreis kann man in Reihe schalten

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entweder einen Widerstand 7 zur Einrichtung der Spannung zwischen Elektrode und Werkstück oder eine Selbstinduktion 8. Der Wert des Widerstandes kann liegen zwischen 0,1 und 3 Ohm, während die Selbstinduktion einen Wert zwischen 0,1 und 5 mH haben kann.

Nach einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Primärwicklung 1 an einer Spannung von 230 V lag, die Sekundärwicklung 2 diese Spannung auf einen Wert von 175 V heruntertransformierte, der Widerstand 7 einem Wert von 1,8 Ohm entsprach und die Einrichtung 6 auf 40 V eingestellt war, konnte eine gleichmäßige elektroerosive Bearbeitung praktisch ohne Abnutzung der Elektrode erreicht werden. Dabei lag die Stromstärke ungefähr bei 55 A und die Materialabtragung bei 380 cmm = miir/Sekunde.

Außerdem lag die durch einen Oszillographen ermittelte Frequenz der Entladungen zwischen Elektrode und Werkstück, wie vorhergesehen, bei 100/Sekunde.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 ist ähnlich wie die gemäß Fig. 1, lediglich mit dem Unterschied, daß zwischen den Ausgängen des Transformators ein Kondensator 12 in Reihe mit einem Widerstand 13 geschaltet ist, während im Entladekreis die Parallelschaltung eines abgestimmten Kreises in Reihe geschaltet ist, der einen Kondensator 10 und eine Induktivität 11 enthält.

Der Kondensator 12 und der Widerstand 13 dienen zusammen der Verzögerung und dämpfen die Yorderflanken der Impulse, die infolge der Periodenwechsel gebildet werden. Der abgestimmte Kreis dagegen wirkt als

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Sperrkreis und verhindert im Entladestromkreis den Durchgang von gegenüber der Abstimmung erhöhten Perioden.

Bei einem ausgeführten Beispiel mit einer Eingangsspannung an der Primärwicklung 1 von 230 Y und einer Ausgangsspannung der Sekundärwicklung 2 von 86 V im unbelasteten Zustand, konnte mit einer Graphitelektrode eine vollkommene Abnutzungsfreiheit dieser Elektrode erzielt werden,

fc Zur Vervollständigung dieser Angaben sei darauf hingewiesen, daß der Widerstand 7 einen Wert von 0,45 Ohm, der Kondensator 10 einen Wert von 12 jaF und die Induktivität einen Wert von 20 μΕ hatten. Dabei war der Abtragungserfolg vergleichbar mit dem vorstehend erläuterten Beispiel und betrug etwa 400 mm-'/Sekunde.

Die Pig. 3 und 4 zeigen in durch einen Oszillographen dargestellter Form den Verlauf der Spannung und des Stromes zwischen Elektrode und Werkstück über der Zeit.

Die Spannung V zeigt dabei grundsätzlich im Anschluß W an einen Absatz b und einen darauf folgenden Abfall einen Initialpunkt, nach dem sie sich auf den Ausgangswert des nächsten Impulses zurückbegibt.

Die Stromstärke zeigt eine Folge von mehr oder weniger abgerundeten oder abgeflachten Impulsen c, die ohne Unterbrechung aufeinanderfolgen können, indem sie niemals den Wert null unterschreiten, aber kurzzeitig diesen Wert einnehmen können, wie bei d veranschaulicht.

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Fig. 5 zeigt eine etwas geänderte Anordnung, die ebenfalls dazu bestimmt ist, eine Folge von aneinandergereihten Impulsen zu liefern.

Dazu ist eine Wechselspannungsquelle 16 in Reihe mit einer Gleichspannungsquelle 17 geschaltet. Da die Spannungspitze der Wechselspannung etwa in Höhe der Gleichspannung liegt, liegt an Elektrode 4 und Werkstück 5 eine Spannungsimpulsfolge an, deren Amplitude etwa den doppelten Wert der Wechselspannungsspitzen hat.

Man kann die Gleichspannung derart anlegen, daß zwischen zwei Impulsen ständig ein geringer Strom zwischen Elektrode und Werkstück fließt. Man kann jedoch im Gegensatz dazu auch eine vollständige Unterbrechung des Stromflusses zwischen zwei Impulsen herbeiführen, und zwar für einen so kurzen Augenblick, daß diese Unterbrechung nicht für die Entionisierung des Intervalls zwischen Werkstück und Werkzeug ausreicht. Diese Einrichtung des Spannungsverlaufes kann selbsttätig erfolgen.

3ei der in Fig. 6 dargestellten Anordnung sind mit dem Intervall zwischen Elektrode und Werkstück ein Kondensator 14 und eine Induktivität 15, die in Reihe liegen, jarallelgeschaltet.

Bei einer derartigen Anordnung \vird der Londensatcr 14- durch die Stromimpulse geladen und er entlädt sich in deir. Intervall zwischen Elektrode und Werkstück, wenn dorthixi einer der Impulse gelangt, nachdem er den Gleichrichter 9 passiert hat. l>er Kondensa-

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tor bewirkt gleichwohl, daß seine Entladung nicht oszillierend erfolgt und daß die Dauer der Entladung, geringer als die eines jeden Impulses ist« .

Die Erfahrung zeigt, daß der mittlere Widerstand "bei der Bearbeitung zwischen Elektrode und Werkstück einen Wert von etwa 0,2 Ohm· hat, wenn das Dielektrikum leitend wird. Diese Erwägungen sind bestimmend für die Bemessung .des Kondensators 14 oder der Induktivität 15·

Die Periode t des Schwingkreises, der durch den Kon- ^ densator 14 und die Induktivität 15 gebildet und durch den Übergang zwischen Elektrode und Werkstück geschlossen ist, muß liegen bei t = 2 "fLG¹, wobei t liegt zwischen T/10 und T, wobei T der.Dauer eines Impulses entspricht, beispielsweise 10 Millisekunden, wenn die Anordnung vom Netz gespeist wird.

Da andererseits dieser Schwingkreis aperiodisch sein muß, muß sein Widerstand größer oder gleich dem kritischen Widerstand sein, d. h. es müssen unter Vernachlässigung des genauen Widerstandes der Induktivität 15 die Werte C der Kapazität und L der Induktivität der Gleichung genügen

0,2-£ 2^#fl/C.'

Diese beiden Bedingungen sind bestimmend für das Produkt von 1 und C.

Zu Beginn eines jeden Impulses erhält man eine Ladung des Kondensators, gefolgt von einer Entladung, und kleine nachfolgende V/ i ed er auf ladungen und -ent ladungen der Schaltung 14, 15 stellen sich dann ein,

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je nach dem, wie die Spannung der .Impulse sich ändert, während der größte Teil des Stromes direkt in den Spalt zwischen Elektrode und zu "bearbeitendem Werkstück wandert.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 7 ist mit dem Kondensator 14 in Reihe geschaltet ein Resonanzkreis, der durch den Kondensator 19 und die Induktion 20 gebildet ist, deren Impedanz (Sperrkreis) sehr groß gegenüber erhöhten Frequenzen ist.

Mit Anordnungen gemäß den Fig. 6 und 7 ergeben sich Etromverläufe, wie sie in den Fig. 8 und 9 dargestellt sind.

In manchen Fällen - gemäß Fig. 8 bei einer verhältnismäßig großen Kapazität 14 - ergibt sich eine Stromspitze e in Verbindung mit einer Entladung des Kondensators, die von einem konstanten oder leicht abfallenden Stromverlauf gefolgt ist, der infolge nachfolgender Ladungen und Entladungen des Kondensators während des Impulses gewellt ist.

In anderen Fällen - gemäß Fig. 9 bei einem verhältnismäßig geringem Wert der Kapazität 14 - ergibt sich ein sinusförmiger Stromverlauf g, der über seinen Anstieg leicht gezackt ist«,

In beiden Fällen entspricht die Frequenz der Stromimpulse dem doppelten Wert der Frequenz der Wechselstromquelle.

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Schließlich sei allgemein darauf hingewiesen, daß sich die Erfindung auf die Schaffung von Generatoren zur elektroerosiven' Bearbeitung "bezieht.

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Claims

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Patentansprüche

lötverfahren zur elektroerosiven Bearbeitung unter Verwendung einer an den Spalt zwischen Elektrode und Werkstück gelegten Impulsfolge gleicher Polarität und praktisch gleichbleibender Impulsdauer, dadurch gekennzeichnet,

daß ein an den Spalt gelegter Strom konstanter Polarität praktisch ohne Unterbrechung aufgeteilt wird in eine Folge aneinander anschließender Impulse, deren aufsteigende und abfallende Flanken verhältnismäßig flach verlaufen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom zwischen zwei Impulsen nicht auf den Wert null zurückgeht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterbrechung des Stromes zwischen zwei Impulsen d-ie Dauer der Unterbrechung kürzer als 1/10 der Impulsdauer ist«,
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da? die Impulse durch ununterbrochene Gleichrichtung der Halbwellen eines Wechselstromes gebildet werden.
5. Verfahren nach Ansiruch 1, dadurch gekennzeichnet, da.? die aufeinanderfolgenden Impulse durch Aufeinanderschalten einer vvechselspannungsquelle und

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einer GIeIchspannungsquelle gebildet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken der Impulse eine Neigung di/dt unterhalb 150 000 aufweisen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine selbsttätige Regeleinrichtung für den Abstand zwischen Elektrode und Werkstück auf einen Vergleichsspannungswert unter 50 V eingestellt ist.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkreis Mittel zur Dämpfung der Steigungen der gleichgerichteten Stromwellen enthält.
S₀ Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel durch einen Kondensator und einen dazu in Reihe geschalteten Widerstand an den Ausgängen einer Wechselspannungsquelle gebildet sind,
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel ein in Reihe mit dem Entladestromkreis geschaltete Induktivität sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet j daß die Dämpfungsmittel in der Parallelschaltung einer Induktivität und einer Kapazität bestehen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapazität in Reihe mit einer Induktivität zu dem Spalt zwischen Werkzeug und Werkstück

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parallelgeschaltet und in ihrem Widerstandsverhalten derart eingerichtet sind, daß sie mit dem Spalt einen gedämpften Schwingkreis bilden, dessen Entladedauer zwischen 1/10 und 10/10 der Wellendauer des Speisestromes liegt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Kapazität in Reihe geschaltete Induktivität zur Bildung eines Resonanzkreises parallel zu einem Kondensator liegt.
14. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrom aus einem Netz mit einer Frequenz von 50 oder 60 Perioden gespeist wird.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Wechselstromes durch einen Transformator eingestellt ist.

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