DE2355675A1

DE2355675A1 - Verfahren und vorrichtung zur bearbeitung von werkstuecken

Info

Publication number: DE2355675A1
Application number: DE19732355675
Authority: DE
Inventors: Bernard Hall Wilkinson
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1972-11-10
Filing date: 1973-11-07
Publication date: 1974-05-22
Also published as: FR2206154A1

Description

Rolls-Royce (1971) Limited; London, England.

Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken.

Beispielsweise auf dem technischen Gebiet der Herstellung von Gasturbinenstrahltriebwerken aber auch bei stationären Turbinenanlagen und gewissen Anwendungen in der pneumatischen und hydraulischen Industrie besteht das Bedürfnis nach einer Maschine, die Löcher in einem Werkstück erzeugt, und zwar durch Methoden, die bei ihrer Anwendung außerdem schlammartige Überbleibsel erzeugen.

Es sind Bearbeitungsmaschinen in- Gestalt vqn Elektroentladungsmaschinen und elektrochemischen Maschinen bekannt, die die erforderlichen Löcher herstellen,jedoch nur in sehr begrenzter Eindringtiefe im Werkstück. Es.hat sich gezeigt, daß die Eindringtiefe begrenzt wird infolge der Tatsache, daß bei der Elektroentladungsbearbeitung die dielektrische Flüssigkeit aus den ßchlammartigen Überbleibseln ausgespült wird, die durch die Bearbeitung der Löcher entstehen, wodurch wiederum der Raum zwischen der Elektrode und der Lochwandung angefüllt wird, wodurch sich ein Kurzschluß des Systems ergibt und eine damit verknüpfte Zerstörung der Elektrode und Stillsetzung der Bearbeitung.

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Es ist versucht worden, diese schlammigen Bestandteile durch Einführung eines Vibrationsrnechanismus zu entfernen, der an einem Teil der Maschine befestigt wird und während der Bearbeitung vibriert, um die Schlammstoffe am Zusammenbacken zu hindern« Jedoch bei allen bisher bekannten Anordnungen wurden die Vibrationen mit einer Geschwindigkeit aufgebracht, die nicht vollständig das Zusammenbacken verhindern konnte und somit eine Aufrechterhaltung der anfänglichen Arbeitsgeschwindigkeit nicht ermöglichten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vibration eines Teiles zu bewirken, in dem ein Loch oder Löcher durch Elektroentladung oder elektrochemische Bearbeitung hergestellt werden sollen, wobei die Vibration in der Weise erfolgt, daß die anfängliche Arbeitsgeschwindigkeit wenigstens im wesentlichen über den gesamten Arbeitsverlauf aufrechterhalten wird.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß eine relative Vibrationsbewegung, zwischen Werkstück und Elektrode mit einer Rate eingeführt wird, die ausreicht, um eine Kavitation der dielektrischen oder elektrischen Flüssigkeit im Loch zu bewirken, so daß weitere dielektrische oder elektro-1\tische Flüssigkeit nachströmen kann, um die resultierenden Flächen negativen Druckes auszufüllen, wobei gleichzeitig ein Abfließen der schlammigen Fremdkörper bewirkt wird und diese Fremdkörper in einem konstanten fluidischem Zustand gehalten werden, worauf die dielektrische oder elektrolytische Flüssigkeit aus dem Loch ausgespült wird.

Vorzugsweise wird zu diesem Zweck ein Ultraschallwandler an das Werkstück oder die Bearbeitungselektrode angeschlossen, wodurch die relativen Vibrationsbewegungen Zustandekommen.

Vorzugsweise wird die Amplitude der Vibration auf ein Maximum von 0,02 mm gebracht.

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Vorzugsweise wird das Werkstück mit dem Ultraschallübertrager über eine Platte verbunden, die von der aktiven Fläche des Wandlers freikragend vorsteht.

Vorzugsweise werden Vibrationen in einem Frequenzbereich von IJ bis 25 kHz eingeführt.

Vorzugsweise wird der Ultraschallwahdler mit einer elektrischen Leistung zwischen 100 und 5OO Watt betrieben.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform in schematischer Darstellung, .

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 4 bis 6 graphische Darstellungen, welche die Ergebnisse zeigen, welche durch Tiefen und Zeiten erhalten wurden und zwar vergleichsweise mit und ohne Ultraschall.

In Fig.l ist der Arbeitskopf einer Elektroentladungsmasehine mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet.Der Kopf trägt einen Elektrodenhalter 12, der in vertikaler Richtung hin- und hergehend gelagert ist. In gutem elektrischen Kontakt mit dem Halter 12 sind mehrere Drahtelektroden .14 angeordnet und der gesamte Aufbau wird von einem nieht-dargesteilten Ständer über eine Tropfschale l6 gehaltert.

Ein starrer Rahmen 18 ruht in der Tropfsehale 16 und er besitzt ein Loch 20 in der oberen Oberfläche,durch das ein Ultraschallwandler 22 von oben nach unten einsteht, der von einem Flansch 24 am oberen Ende getragen wird, der an der oberen Oberfläche des starren Rahmens befestigt und festgelegt ist.

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Der Ultraschallwandler ist ein"magnetostriktiver Wandler und gemäß einer Ausführungsform so bemessen, daß er eine Leistung von 200 Watt bei 1J> kHz liefert. Es wurden weitere magnetostriktiv Ultraschallwandler in weiteren Erprobungen be^urzt und diese viaren mit 230 Watt bzw. 300 Watt bemessen. Jeder Wandler. wurde in der erwähnten Weise gelagert.

Das Ende des Wandlers, welches am weitesten oo'en liegt und mit 28 bezeichnet ist, stellt jenen Teil dar, der im Betrieb derart in Schwingungen versetzt wird, daß die Schwingungsamplitude 0,0008 Zoll betrug und diese Ende wurde in Werkstückklemrnen ausgebildet, in die ein Werkstück 32, z.B. eine Gasturbinenschaufel, festgespannt wurde, wobei ein Rand vertikal auf die Elektrode l^r ausgerichtet wurde, so daß zu Beginn der Bearbeitung jede Elektrode ein Loch, in die Schaufel bohrt, wobei das Endprodukt eine Schaufel mit einer Lochreihe in einem seiner Ränder ist.

Nachstehend wird die Arbeitsweise des ersten Experimentes beschrieben:

Die Werkzeugmaschine wurde gleichzeitig mit der nicht-dargestellten Pumpe angeschaltet, die die elektrische Flüssigkeit liefert und es wuKfe ein Elektrodenhalter 12 mit seinen Elektroden 14 nach der Schaufel 32 hin verschoben. Gleichzeitig wurde die eleKtrische Flüssigkeit aus einer Düse J4- auf den oberen Schaufelrand ausgespritzt. Wenn die Enden der Elektrode 14 einen vorbestimmten Platz gegenüber dem Schaufelrand erreicht hatten, setzte eine Elektroentladungsbearbeitung bekannter Art ein. An dieser Stelle des Verfahrens war der Ultraschallerzeuger noch nicht angeschaltet (Fig.4). Die Bearbeitung wurde 1 Minute lang fortgesetzt und am Ende dieser Zeit wurde eine Tiefe von etwa 0,0l8 Zoll erreicht. Dann wurde der" Ultraschallerzeuger mit einer Leistung von 20 Watt und einer Frequenz von 13 kHz eingeschaltet und eine weitere Minute lang eingeschaltet gelassen. Dabei ergab

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sich keine Änderung der'Bearbeitungsgeschwindigkeit. Arn Ende der zweiten Minute war eine Tiefe von 0,036 Zoll erreicht und der Ultraschallerzeuger wurde dann ausgeschaltet und die Bearbeitung wurde fortgesetzt. Am Ende einer dritten Minute wurde ein beträchtlicher Abfall in der Bearbeitungsgeschwindigkeit festgestellt und zwar wurde nur eine Tiefenzunahine von 0,08 Zoll erreicht im Vergleich mi\. einer Tiefenzunahme von 0,010 Zoll in der ersten und zweiten Minute. Während einer vierten -Minute wurde der Ultraschallerzeuger wiederum, eingeschaltet und daraufhin erhöhte sich die Bearbeitungsgeschwindigkeit fast bis auf den ursprünglichen Wert von 0,01.8 Zoll/Minute.

Die abwechselnde An- und Abschaltung des Wandlers wurde über insgesamt 9 Minuten fortgesetzt und am Ende dieser 9 Minuten ergab sich, wie die graphische Darstellung nach Fig.4 deutlich erkennen läßt, daß die Arbeitsweise des Ultraschallerzeugers, wenn dieser mechanisch mit dem Werkstück gekoppelt und auf 200 Watt und I3 kHz eingestellt war, wenigstens die ursprüngliche Bearbeitungsgeschwindigkeit der Maschine aufrechterhielt, indem die dielektrische Flüssigkeit veranlaßt wurde, eine Kavitation zu bewirken, wodurch Blasen negativen Druckes entstanden. Wenn diese Blasen platzen, füllt die nicht mit Kavitation versehene "Flüssigkeit die Räume und diese Wirkung bewegt den Schlamm zwischen der Elektrode und der Bohrlochwandung, so daß der Schlamm in einem ständigen flüssigen Zustand gehalten wird, wodurch es für den Elektrolyten bzw. die dielektrische Flüssigkeit leichter wird, aus dem Loch zu entweichen.

Es wurde ein weiteres Experiment zu dieser Zeit durchgeführt, um die Zeit zu bestimmen, die zur Bearbeitung eines Loches erforderlich istj welches ganz durch eine Metallplatte gegebener Dicke gebohrt wird. Dabei wurde zunächst der Ultraschallerzeuger weggelassen und dann wurde er mit 200 Watt und dann mit 250 Watt bei je 13 kHz betrieben.

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Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse aufzeigt. Hieraus ist ersichtlich, daß das Diagramm 40 eine Zsit von 10 Minuten aufgezeichnet hat, um die Elektrode durch die Platte zu führen. Dabei wurden keine Ultraschallvibrationen Denutzt. Das Diagramm 42 wurde aufgenommen in Verbindung mit einem Ultraschallerzeuger von 200 Watt Leistung und es ergibt sich, daia 8 Minuten erforderlich waren, um ein Loch der gleichen Dicke in der Platte herzusteilen und das Diagramm 44 zeigt,dass 6 Minuten erforderlich waren, umdLe Bearbeitung zu vollenden, wenn 250 Watt Ultraschalleistung benutzt wurden. Mit der letztgenannten Zeit ergibt sich eine Reduktion von 40$ hinsichtlich der Bearbeitungszeit bei einem gegebenen Abstand, wenn der Ultraschallerzeuger benutzt wurde,relativ zu jener Zeit, die benötigt wurde, die Bearbeitung ohne Ultraschallerzeuger durchzuführen.

Es wurde dann ein drittes Experiment durchgeführt, um die tatsächliche Tiefe zu bestimmen, die erreicht werden kann, wenn ein Ultraschalierzeuger benutzt wird,und um zu sehen, ob die so erhaltene Tiefe größer war als jene, die normalerweise ohne Ultraschall erlangt werden konnte, bevor die Elektrode zusammenbrach. Es ist dera Fachmann bekannt, daß die normalerweise erlangbare Tiefe bei der Elektroentladungsbearbeitung ohne Ultraschall etwa in der Größenordnung von 30 : 1 liegt, wenn der Durchmesser der Elektrode 1 gesetzt wird.

Bei diesem dritten Versuch wurde ein Drahtelektrode mit einem Durchmesser von 0,01 Zoll benutzt, um durch Elektroentladungsbearbeitung ein Loch in einer Metallplatte herzustellen. Die Metallplatte bestand aus einer Nickellegierung, die unter dem Warenzeichen "NIMONIC 90" vertrieben wird und bekannt ist für ihre schwierige Bearbeitung. Zunächst wurde kein Ultraschallerzeuger benutzt und,wie Figur 6 zeigt, konnte eine Tiefe von 0,2 Zoll erreicht werden, was noch unter 30:1 Maximalwert lag und an diesem Punkt brach die Elektrode zusammen.

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Dann wurde, wie oben beschrieben* ein Ultraschallerzeuger rait 250 Watt Leistung und einer Frequenz von IJ kHz benutzt und die erlangte Tiefe betrug 0,j8 Zoll, was über deia normalerweise erreichbaren Maximalwert, bezogen auf den Elektrodendurchniesser, liegt und es wurde fast die doppelte Tiefe, wie bei dem ersten Loch, erreicht. Außerdem konnte das zweite Loch in einer Zelt hergestellt werden, die eine Minute kürzer war als die Zeit zur Bearbeitung des ersten Loches.

Die vorstehend erwähnten Versuche haben bewiesen, daß die mechanische Verbindung eines Ultraschallerzeugers mit einem Werkstück um dieses vibrieren zu lassen, während die Bearbeitung stattfindet, eine beträchtliche Erhöhung des entfernten Materials bewirkt, bevor die Elektrode zusammenbricht und es wird eine beträchtliche Verkürzung der zur vollständigen Bearbeitung erforderlichen Zeit zur Herstellung eines Loches gegebener Tiefe erreicht.

Lediglich ein Nachteil ergab sich bei der Benutzung des Gerätes und dieser bestand darin, daß die Yitora ti ons frequenz von IJ> kHz einen Lärm erzeugte, der ohne eine Äbschwäehung für das menschliche Ohr unerträglich war. Deshalb ist es notwendig, entweder den Raum,in dem der Apparat benutzt wird, schalldicht herzustellen, oder die Frequenz auf etwa 20 KHz zu erhöhen, so daß der Lärm in einem Bereich liegt, der zu hoch ist, um durch das Ohr wahrgenommen zu werden.

Fig.2 zeigt eine alternative Möglichkeit der inefaanisehen Verbindung des Ultraschallerzeugers am Merkstück. Dabei wird die Verbindung über eine Platte hergestellt. Die aktive Fläche des Ultraschallerzeugers ist starr mit einem Ende der Plaste verbunden und das Werkstück mit dem anderen Ende der Platte. Die Amplitude der Schwingung kann dadurch gesteuert werd,en, daß der Abstand zwischen Werkstück und dem Ende des Ultraschallerzeugers eingestellt wird.

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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiei sind Platte und Werkstück in eine dielektrische Flüssigkeit eingetaucht. Es könnte jedoch auch ohne Nachteil die Flüssigkeitszuführunaseinriohtung ge:aäi Fig. 1 oder j5 benutzt werden.

Bei allen beschriebenen Ausführun^sbeispielen wurde eine mechanische Verbindung zwischen Ultraschallerzeuger und Werkstück hergestellt. Es sind jedoch auch Versuche durchgeführt worden, bei denen der Wandler mechanisch mit der Elektrode verbunden war, wie dies bei Fig.^ der Fall ist und es wurden zufriedenstellende Ergebnisse hierbei erzielt.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche.

JVerfahren zur Entfernung von Sdimutzstoffen aus einem Loch, welche mit Hilfe eines elektrischen Stromes gebohrt wird, der zwischen einer Werkzeugelektrode und einem Werkstück in Gegenwart einer"Flüssigkeit gebohrt wird, wobei eine relative Vibrationsbewegung zwischen Werkzeugelektrode und Werkstück durchgeführt wird,

dadurch gekennzeichnet,

- dai3 die Vibrationsrate ausreicht, um eine Kavitation in der ' Flüssigkeit zu erzeugen, so daii eine Flüssigkeitsströmung durch den Flüssigkeitsstrom er.zeugt wird, der die Hohlräume ausfüllt, wodurch die Strömung die Schmutzstoffe zu einem Abfließen veranlaßt" und diese Schmutzstoffe in einem konstanten Stadium der Flüssigkeitsbewegung gehalten werden, wooei die Flüssigkeitsströmung die Schmutzstoffe aus dem Loch wegwäscht.

2. Verfahren zur Entfernung von Schmutzstoffen aus einem Loch nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , da3 mechanisäi ein Ultraschallerzeuger (22) mit dem Werkstück (3-2) derart verbunden wird, daß die Relativvibration zwischen Werkstück und Werkzeugelektrode (14), erhalten wird.

3·. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daJ3 die. Amplitude der relativen Schwingung auf maximal 0,0008 Zoll -begrenzt wird..

4. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , der Ultraschallerzeuger (22) mit dem Werkstück (^2) über

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eine Platte (^)O) verbunden wird, die von der akti-ze:. öberi'läche des ültraschallwandlers (22) vorstehend angeordnet ist

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vibration eine Frequenz von 13 bis 25 iäiz besitzt.

ü. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzei chnet, dais der Ultraschallwandler mit einer Leistung von 100 bis Watt betrieben wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet , dais eine auf Kathodenpotential stehende Werkzeu^Lektrode

(14) vorgesehen ist, daß ein Ultraschallwandlerträger (l8) und ein Ultraschallwandler (28) vorgesehen sind, an dessen aktiver Fläche ein Werkstück (j52) befestigbar ist,und daß das Werkstück (52) auf die Werkzeugelektrode (14) ausrichtbar ist.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektroentladungsbearbeitungswerkzeug mit wenigstens einer auf Anodenpotential stehenden Werkzeugelektrode (14) sowie ein Ultraschallv/andlerträger und ein Ultraschallwandler (2Ö) vorgesehen sind, an dessen aktiver Oberfläche ein Werkstück befestigbar, ist, und daß Mittel vorgesehen sind, um das Werkstück auf die Werkzeugelektrode auszurichten.

9· Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dai3 die aktive Fläche des Ultraschallwandlers (28) direkt am Werkstück festlegbar ist.

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BAD

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzei chnet , daß die aktive Flache des Wandlers (28) für einen Auslegerträger einer Platte (50) vorgesehen ist, deren anderes Enae an einem Werkstück festlegbar-ist.- '

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