DE2637432A1

DE2637432A1 - Verfahren und vorrichtung zum zertrennen von werkstuecken durch funkenerosion

Info

Publication number: DE2637432A1
Application number: DE19762637432
Authority: DE
Inventors: Samuel Chatterley; Peter John Livesey Flinn; Charlie Maurice Levitt
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1975-09-04
Filing date: 1976-08-20
Publication date: 1977-03-17
Also published as: US4103137A; IT1071435B; IL50327A; DE2637432C2; NL7609805A; FR2322690B1; CH610795A5; SE7609617L; IE43938B1; NL181853B; JPS608200B2; GB1517401A; JPS5252291A; CA1068791A; IE43938L; SE434475B; FR2322690A1; NL181853C

Description

Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch Patentanwälte Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Diplom-Ingenieur Dr.-lng. Manfred Honke Diplom-Ingenieur Hans Dieter Gesthuysen Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Anwaltsakte:

733/jn-th

43 Essen !,Theaterplafz 3, Postf.789 l8.August 1976

Patentanmeldung

DE BEERS INDUSTRIAL DIAMOND DIVISION LIMITED

8th Floor, 45 Main Street,

Johannesburg, Republik Süd-Afrika

Verfahren und Vorrichtung zum Zertrennen
von Werkstücken durch Funkenerosion.

Zum Zertrennen elektrisch leitender Werkstücke durch Funkenerosion werden bei den heute üblichen Verfahren ein oder auch
mehrere Trennorgane verwendet, welche gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück, weiche's manchmal geerdet ist, mit einer hohen
positiven oder negativen Spannung gespeist werden, sodaß zwischen

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den Trennorganen und dem Werkstück ein Plankenüberschlag erzeugt wird. Durch diesen Funkenüberschlag wird das Material des Werkstückes an der betroffenen Stelle abgetragen, sodaß das Werkstück in gesteuerter V/eise erodiert wird und dadurch der gewünschte Trennschnitt erzielt wird.

Ein derartiges Verfahren läßt sich jedoch nicht zum Zertrennen von aus Isolierstoff bestehenden Werkstücken anwenden, ohne daß vorher ein Strompfad zwischen dem Bereich des Trennschnittes und dem außenliegenden Stromkreis hergestellt wird. Zum Zertrennen von Diamanten wird dabei in der Weise vorgegangen, daß zunächst die Oberfläche des Diamanten karbonisiert wird, sodaß ein Strompfad zwischen dem Trennelement, an welches eine hohe Spannung angelegt wird, und dem Diamanten vorhanden ist. Ein Funkenüberschlag zwischen dem Trennelement und dem Diamanten kann dann stattfinden, da festgestellt wurde, daß bei der Funkenerosion eine Kohlenstoffschicht auf dem funkenerodierten Bereich ausgebildet wird, wodurch der Strompfad aufrechterhalten wird. Bei derartigen Werkstücken aus Isolierstoff, bei denen während der Funkenerosion oder durch irgendwelche anderen Maßnahmen jedoch keine derartige leitende Schicht ausgebildet wird, sind die bisher bekannten Trennverfahren durch Funkenerosion nicht anwendbar.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung zu schaffen, wodurch Werkstücke aus elektrisch leitendem oder auch aus elektrischen nichtleitendem Werkstoff durch Funkenerosion zertrennbar sind, ohne daß auf dem Werkstück ein Strompfad ausgebildet werden müßte.

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Gekennzeichnet ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Zertrennen von Werkstücken durch Funkenerosion im wesentlichen dadurch, daß zwei parallele, im Abstand voneinander liegende Elektroden dicht an das Werkstück heran oder mit demselben in Berührung gebracht werden, daß an die Elektroden eine einen Funkenüberschlag erzeugende Spannung angelegt wird und daß entsprechend der Materialabtragung durch den elektrischen Funken das Elektrodenpaar und das Werkstück in eine Relativbewegung versetzt werden.

Vorzugsweise erfolgt die Erosion in einem geeigneten dielektrischen Medium. Um einen Trennschnitt erzielen zu können, müssen die beiden Elektroden durch das Werkstück in Richtung des Trennschnittes hindurchgeführt werden, während das Werkstück erodiert wird. Diese Bewegung kann dadurch erreicht werden, daß entweder das Elektrodenpaar oder das Werkstück oder auch beide gleichzeitig in Bewegung gesetzt werden.

Die Elektroden können durch die Kanten zweier paralleler Platten gebildet werden, wobei diese Kanten vorzugsweise angeschärft sind. Angeschärfte Kanten haben den Vorteil, daß der Funkenüberschlag vorzugsweise an diesen Kanten erfolgt. Die Platten selbst können irgendwelche geeignete Form aufweisen, So können die Platten beispielsweise rechteckig sein, sie können aber auch zylindrisch ausgebildet sein, wobei der eine Zylinder innerhalb des anderen liegt. Andererseits können die Elektroden auch als Punktelektroden ausgebildet sein.

Erfindungsgemäß werden vorzugsweise als Elektroden zwei parallele Drähte verwendet. Diese Drahte können in der gleichen Ebene wie

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die Richtung der Relativbewegung zwischen Elektroden und Werkstück angeordnet werden. Alternativ können die Drähte aber auch in einer quer zur Richtung der Relativbewegung verlaufenden Ebene angeordnet werden.

Die Querschnitsabmessungen der Elektroden und ihr gegenseitiger Abstand kann entsprechend der Art des zu zertrennenden Werkstoffes und der Abmessung des herzustellenden Trennschnittes schwanken. So können beispielsweise bei kleinen Werkstücken wie Diamanten dünne Elektroden mit geringem gegenseitigem Abstande verwendet werden. Bei massiven Werkstücken wie beispielsweise einem Block aus Metall oder Beton sind im allgemeinen keine schmalen Trennschnitte erforderlich, sodaß beide Elektroden dick sein können und ihr gegenseitiger Abstand relativ groß sein kann. Dabei darf selbstverständlich dieser gegenseitige Abstand nicht so groß sein, daß ein Funkenüberschlag unmöglich wird.

Die an die Elektroden anzulegende Spannung muß so groß sein, daß ein Funkenüberschlag erzielbar ist. Im allgemeinen liegt die anzulegende Spannung zwischen 500 und 20 000 V. Das Ausmaß der Erosion und damit die Trenngeschwindigkeit hängt von der in Wärme verwandelten elektrischen Leistung des Funkenüberschlages ab. Diese Leistung läßt sich durch Einstellen der Energie des Spannungsstoßes und der Impulsfrequenz verändern. Andererseits führt jedoch eine schnellere Erosion zu einem schlechteren Finish der Oberfläche. Infolgedessen werden zweckmäßigerweise die Parameter derart ausgewählt, daß das gewünschte Oberflächenfinish erreicht wird.

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Wie bereits erwähnt, verursacht der zwischen den Elektroden erzeugte Funke eine Erosion oder Abtragung des Materials. Entsprechend dieser Materialabtragung werden die Elektroden und das Werkstück näher zueinander hingeführt, wie bereits erläutert wurde, sodaß der gewünschte Trennschnitt erzeugt wird. Dabei können die Elektroden durch das Material in Richtung des Trennschnittes geführt werden, indem ein Druck auf die Elektroden ausgeübt wird. Dieser Druck zwingt die Elektroden durch das Material hindurch, wenn die Erosion stattfindet. Der auf die Elektroden auszuübende Druck kann entsprechend den Parametern wie beispielsweise der Reibungskraft und der mechanischen Spannung der Elektroden schwanken. So wurde beispielsweise festgestellt, daß zum erfindungsgemäßen Zertrennen eines Diamanten durch ein aus Drähten bestehendes Elektrodenpaar ein Druck von 1 bis 50g auf die Drähte einen durchaus zufriedenstellenden Trennschnitt ergibt. Andererseits können die Elektroden auch festgehalten werden und das Werkstück durch die feststehenden Elektroden bewegt werden, indem beispielsweise eine geeignete Servoeinrichtung verwendet wird, wie sie in der Veröffentlichung "Electro-Erosion Machining of Metals von Livshits A.L., Butterworths, London 19βθ", eingehend beschrieben ist.

Ein spezielles Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Zertrennen von Werkstücken aus Isolierstoff, da es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich ist, eine leitende Schicht auf dem Material herzustellen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich beispielsweise Diamanten, kubisches Bornitrid und keramische Werkstoffe wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Tonerde, Spinell und Porzellan zer-

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trennen. Andererseits lassen sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auch elektrisch leitende Werkstoffe zertrennen wie beispielsweise Wolframkarbid, gesintertes Wolframkarbid, Stähle und andere Metalle, verdichtete Diamanten und kubische Bornitride sowie Halbleiter wie Silizium und Germanium.

Während des Zertrennens ist das Werkstück elektrisch unbestimmt (electrically floating) und nimmt ein Potential an, welches von den speziellen Arbeitsbedingungen abhängt.

Die Funkenerosion des Materials kann in einer geeigneten dielektrischen Flüssigkeit erfolgen, welche dazu dient, den Funken auf den Trennbereich zu beschränken, während sie gleichzeitig als Kühlmittel und als Spülmittel dient, um von den Elektroden und dem Werkstück abgerissene Teilchen fortzuschwemmen. Geeignete dielektrische Flüssigkeiten sind beispielsweise Petroleum, Kerosen, Tetrachlormethan, Trichloräthylen, Tetralin, Olivenöl und Paraffinöl. Im allgemeinen handelt es sich bei diesen Flüssigkeiten um solche mit hohem Flammpunkt, welche nicht leitend sind, bis die Durchschlags-Feldstärke überschritten wird, und welche dann sehr schnell deionisieren. Dabei kann die Flüssigkeit in einem ständigen Strom über den Bereich gegossen oder gesprüht werden, in welchem der Funkenüberschlag erfolgt. Alternativ kann dieser Bereich auch in ein Flüssigkeitsbad eingetaucht werden.

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden dem erfindungsgemäßen Verfahren zwei parallele Drähte zum Zertrennen eines Diamanten verwendet, welche in einem bestimmten

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Abstand voneinander angeordnet sind. Dabei ist die Querschnittsform der Drähte nicht kritisch, wenn auch zweckmäßigerweise im allgemeinen Drähte mit kreisrundem Querschnitt verwendet werden. Die Drahtstärke liegt im allgemeinen zwischen 0,01 und 0,1 mm und ihr gegenseitiger Abstand sollte im allgemeinen nicht größer sein als 2 mm. Vorzugsweise beträgt dieser gegenseitige Abstand 0,025 bis 2 mm.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei parallele, in einem geeigneten Abstand voneinander liegende Elektroden aufweist, welche dicht an das Werkstück heran oder mit demselben in Berührung bringbar sind, daß sie eine Einrichtung aufweist, um an die Elektroden eine einen Funkenüberschlag zwischen beiden erzeugende Spannung anzulegen, und daß sie eine das Elektrodenpaar und das Werkstück in eine der fortschreitenden Materialabtragung am Werkstück durch den Funken entsprechende Relativbewegung versetzende Einrichtung aufweist.

Vorzugsweise bestehen die beiden Elektroden aus Drähten, welche derart über eine Zuführrolle und eine Aufwickelrolle laufen, daß sie fortlaufend durch den Funkenbereich hindurchgeführt werden. Außerdem kann die Vorrichtung Organe aufweisen, um den gegenseitigen Abstand der beiden Drähte im Funkenbereich zu verändern, zu welchem Zweck zwei beiderseits des Funkenbereiches angeordnete über die Drähte hinweggreifende Gabeln vorgesehen werden können, welche um quer zur Ebene der Drähte verlaufende parallele Achsen verschwenkbar sind.

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Weitere Besonderheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnung; es zeigt

Fig.l ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer perspektivischer Darstellung; und

Fig.2 einen geeigneten Stromkreis zur Erzeugung der Überschlags- oder Funkenspannung zwischen den beiden Drahtelektroden.

Bei dem in Fig.l schematisch dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung besitzt diese zwei Drähte 10 und 12 als Elektrodenpaar, welche voneinander isoliert sind. Jeder dieser beiden Drähte läuft von einer gespannten Zuführrolle 14 zu einer Aufwickelrolle 16 und läuft dabei über zwei Führungsrollen 18 und 20 und um Drahtwinden 21 und 2j5 herum, wobei die der Zuführrolle näherliegende Winde 25 als Antriebswinde ausgebildet ist, während die Winde 21 lediglich als Führung dient. Die Winden 2J und die Aufwickelrollen 16 werden derart in Drehung versetzt, daß die Drähte sich nebeneinander in entgegengesetzter Richtung fortbewegen. Dies gewährleistet, daß die Drähte nicht miteinander verschmolzen werden oder aneinander ankleben, wenn eine Spannung an sie angelegt wird. Die jeweiligen Rollen, Führungen und Winden für jeden Draht sind voneinander isoliert.

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Auf einem entsprechenden Halter 24, welcher, wie die Pfeile andeuten, auf und nieder bewegbar ist, ist ein Werkstück 22, und zwar ein Diamant, angeordnet. Dieser Werkstückhalter 24 kann in der vorgenannten Weise dadurch auf und nieder bewegt werden, daß er an einen Servomechanismus angeschlossen wird, wie er beispielsweise in der bereits genannten Veröffentlichung von Livshits beschrieben ist. Der Servomechanismus hält einen geeigneten gleichbleibenden Abstand zwischen jedem Draht und dem Werkstück aufrecht, sodaß eine Bewegung der Drähte durch das Werkstück und damit die Herstellung eines Trennschnittes durch Erosion erreicht wird.

Die Drähte laufen beiderseits des Funkenbereiches 27 durch Gabeln 26, sodaß der Spalt bezw. der Abstand zwischen den beiden Drähten dadurch verändert werden kann, daß der Einstellwinkel dieser Gabeln 26 zu den Drähten verändert wird. Zu diesem Zweck sind diese beiden Gabeln jeweils um eine quer zur Ebene der Drähte verlaufende Achse verschwenkbar. Dadurch läßt sich der gegenseitige Abstand der Drähte im Funkenbereich 27 zwischen den beiden Gabeln 26 kleiner machen als der Drahtabstand außerhalb dieser beiden Gabeln, sodaß der Funkenüberschlag tatsächlich auf den Bereich 27 beschränkt werden kann.

An die beiden Drähte wird eine geeignete Spannung angelegt, indem diese Spannung an einen der beiden Führungsrollensätze angelegt wird. Ein zur Erzeugung der Überschlags- oder Funkenspannung geeigneter Stromkreis ist in Fig.2 dargestellt, wobei die beiden Drähte 10 und 12 mit einem einstellbaren Luftspalt j50 in Reihe geschaltet sind. Die Weite dieses Luftspaltes kann

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zwischen 0,25 und 3*5 mm eingestellt werden. Parallel zu dem Luftspalt 30 und den Drähten ist ein Kondensator 31 mit einer Kapazität von einigen Nanofarad geschaltet. Ein Begrenzungswiderstand 32 von etwa 50 000 0hm ist mit dem Kondensator 3I in Reihe geschaltet und der Stromkreis wird von einer geeigneten veränderlichen Hochspannungs-Gleichstromquelle, welche an die Klemmen 33 angeschlossen ist, mit Spannung versorgt. Die Spannung ist von etwa 500 bis 20 000 V einstellbar.

Bei Inbetriebnahme werden die Aufwickelrollen iuid die Winden derart in Drehung versetzt, daß die Drähte von ihren Zuführrollen über die beiden Führungsrollen zu den zugeordneten Aufwickelrollen laufen. Die beiden Gabeln 26 werden dann in einem derartigen Winkel zu den Drähten eingestellt, daß der Abstand zwischen den beiden Drähten im Bereich 27 zwischen den beiden Gabeln kleiner ist als der Abstand zwischen den beiden Drähten außerhalb dieses Bereiches. An einen der beiden Führungsrollensätze wird alsdann eine Spannung in einer derartigen Stärke angelegt, daß zwischen den Drähten im Bereich 27 ein Funken überschlägt. Während des Funkenüberschlages erodieren naturgemäß diese Drähte und könnten infolgedessen reißen. Um dies zu verhindern, werden die Drähte nicht festgehalten, sondern in der vorbeschriebenen Weise fortlaufend in entgegengesetzten Richtungen durch den Bereich 27 hindurchgeführt. Dabei werden die Drähte um die Antriebswinden 23 zwischen den beiden Führungsrollensätzen herumgeführt, um sicherzustellen, daß sie s^ch mit gleichmäßiger Geschwindigkeit durch den Funkenbereich 27 hindurchbewegen.

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Das Diamant-Werkstück wird dicht an die Drähte im Funkenbereich herangeführt, sodaß der Überschlagfunken zwischen den beiden Drähten den Diamant erodiert. Dabei wird über eine Leitung 28 ein fortlaufender Strom einer dielektrischen Flüssigkeit über die Funkenüberschlags- und Erosionszone geschüttet. In dem Maße, in welchem die Erosion des Diamanten erfolgt, wird dieser nach oben geschoben. Auf diese Weise laufen die Drähte durch den Diamant hindurch, sodaß dieser zertrennt wird.

Bei einem Durchführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Drähte im Gegensatz zur Anwendung eines Servomechanismus der vorbeschriebenen Art belastet wurden, wurden zwei parallele Drähte von 0,05 nun Stärke in einem gegenseitigen Abstand von 0,25 mm dicht an ein Diamant-Werkstück herangebracht und der Diamant und die Drähte in ein dielektrisches Paraffinbad eingetaucht. An die beiden Drähte wurde eine Spannung von annähernd 4000 V angelegt, während die Drähte mit 10 g in Richtung des Trennschnittes belastet wurden. Dabei wurde eine Schnittleistung der Drähte durch den Diamant von annähernd 1 mnr/h bei einem sehr sauberen Trennschnitt erreicht.

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Claims

Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch, Patentanwälte in Essen - 12 - Patentansprüche:

1.. Verfahren zum Zertrennen von Werkstücken durch Funkenerosion, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallele, im Abstand voneinander liegende Elektroden (10, 12) dicht an das Werkstück (22) heran oder mit demselben in Berührung gebracht werden, daß an die Elektroden eine einen Funkenüberschlag erzeugende Spannung angelegt wird und daß entsprechend der Materialabtragung durch den elektrischen Funken das Elektrodenpaar und das Werkstück in eine Relativbewegung versetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektroden Drähte (10, 12) eingesetzt werden.

35. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (10, 12) in derselben Ebene wie die Richtung der Relativbewegung zwischen Elektroden und Werkstück (22) angeordnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (10, 12) in einer quer zur Richtung der Relativbewegung verlaufenden Ebene angeordnet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (22) aus Isolierstoff besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück aus einem Diamant (22) besteht.

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7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (10, 12) eine Spannung von 500 bis 20 000 V angelegt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 j dadurch gekenn-. zeichnet, daß die Relativbewegung zwischen den Elektroden (10, 12) und dem Werkstück (22) in der Weise erzeugt wird, daß das Werkstück fest eingespannt und das Elektrodenpaar durch das Werkstück in Richtung des herzustellenden Schnittes hindurchgeführt wird, indem auf die Elektroden ein Druck ausgeübt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis ¹J, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen dem Elektrodenpaar (10, 12) und dem Werkstück (22) letzteres zum stillstehenden Elektrodenpaar hinbewegt wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei parallele, in einem geeigneten Abstand voneinander liegende Elektroden (10, 12) aufweist, welche dicht an das Werkstück (22) heran oder mit demselben in Berührung bringbar sind, daß sie eine Einrichtung (30, 31» !te» 33) aufweist, um an die Elektroden eine einen Funkenüberschlag zwischen beiden erzeugende Spannung anzulegen, und daß sie eine das Elektrodenpaar und das Werkstück in eine der fortschreitenden Materialabtragung am Werkstück durch den Funken entsprechende Relativbewegung versetzende Einrichtung aufweist.

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11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden aus Drähten (10, 12) bestehen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Draht (10; 12) eine Zuführrolle (14) und eine Aufwickelrolle (16) sowie Anordnungen vorgesehen sind, um fortlaufend neuen Draht durch den Punkenbereieh (27) hindurchzuführen.

13· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (10, 12) in entgegengesetzten Richtungen durch den Punkenbereich (27) hindurchführbar sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis Ij5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Organe (26, 26) zur Veränderung des Abstandes der Drähte (10, 12) voneinander im Punkenbereich (27) aufweist.

15.« Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Organe aus zwei beiderseits des Funkenbereiches (27) über die Drähte (10, 12) hinweggreifenden Gabeln (26, 26) bestehen und diese um quer zur Ebene der Drähte verlaufende parallele Achsen verschwenkbar sind.

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