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Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung
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elektrisch leitender Werkstücke mittels Funkenentladung Die Erfindung
bezieht sich auf die Oberflächenbehandlung elektrisch leitender Werkstücke und insbesondere
auf ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Schaffung einer
metallischen Oberfläche mit einer gehärteten Schicht und zum Uberziehen einer solchen
Oberfläche mit einer vom Substrat verschiedenen Netall- oder Legierungsabscheidung
mit Hilfe wiederholter Funkenentladung, die zwischen dem Werkstück und einer an
dieses gedrückten Elektrode erzeugt wird.
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Bei der Funkenentladungs-Oberflächenbehandlungstechnik wird die Funkenentladung
zwischen einer Elektrode und einer zu behandelnden Metalloberfläche erzeugt, wenn
sie in den und/oder aus dem gegenseitigen Kontakt gebracht werden, wobei ein kurzer
elektrischer Impuls zwischen ihnen angelegt wird, der von einer ausreichenden Stärke
ist, um eine örtlich begrenzte Erhitzung der verhältnismäßig kleinen Entladungsauftreff
fläche zu erzeugen. Durch Überstreichen eines ausgewählten Oberflächenbereichs des
Werkstücks mit einer solchen Kontaktentladung
wird eine metallurgische
Veränderung oder Härtung dieser ausgewählten Oberflächenzone erhalten. Unter Anwendung
dieser Prinzipien kann das Überziehen eines metallischen Werkstücks mit einem Metall
oder einer Legierung, das bzw.
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die vom Substrat verschieden ist, zum Beispiel ein «arbidüberzug,
mit einer festen metallurgischen Bindung zwischen der Substratoberfläche und der
Überzugsschicht verwirklicht werden.
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Wie in der am 29. 11. 1957 ausgegebenen japanischen Patentanmeldung
Nr. 32-9998 gezeigt ist, kann z. B eine Vorüberzugsschicht aus Uberzugsmaterial
auf eine zu behandelnde Werkstückoberfläche aufgebracht werden und eine Elektrode
in der Form eines festen drehbaren Körpers kann über die Vorüberzugsschicht bewegt
oder gerollt werden, während man sie gegen die Oberfläche drückt und ein elektrischer
Impuls wiederholt zwischen der Elektrode und dem Werkstück angelegt wird, um die
Vorüberzugsschicht an aufeinanderfolgenden Stellen auf das aufnehmende Werkstück
aufzuschmelzen. Aber auch ohne eine solche Vorbeschichtung kann die Elektrode selbst
eine Uberzugsmaterialquelle bilden. So können sich ein verbessertes System und praktische
Anwendungen ergeben, die die Schmelzübertragung eines Materials auf eine Werkstückoberfläche
von der Elektrode in einer Drehscheiben- oder ähnlichen Form in gleitender oder
tangentialer Bewegung über der Oberfläche mittels wiederholter Kontaktentladungen
ausnutzen. Solche Systeme sind ebenfalls lange bekannt und beispielsweise in der
am 29. 1. 1959 ausgegebenen japanischen Patentanmeldung Nr. 32-599, der am 19. 4.
1959 ausgegebenen åapanischen Patentanmeldung Nr. 32-2446, der am 16. 5. 1959 ausgegebenen
japanischen Patentanmeldung Nr. 32-2900 und der am 28. 8. 1959 ausgegebenen japanischen
Patentanmeldung Nr. 32-6848 beschriebens Bei diesen Verfahren kann die Mateflalschmelzübeftragungs
Kontaktentladung wiederholt durch einen Kondensatorkreis bewirkt werden, der zur
Ladung und schnellen Entladung über die
Kontaktpunkte zwischen der
Elektrode und dem Werkstück und zur Wiederaufladung ausgelegt ist, wenn der Kontaktbereich
von einem Kontakt zum nächsten an Punkten zwischen der Elektrode und dem Werkstück
wandert. Ansonsten wurde ein mechanisches oder elektrisches Schalten einer Gleichspannungsquelle
verwendet, um periodisch eine gepulste Spannung zwischen der bewegten Grenzfläche
der Elektrode und des Werkstücks zu erzeugen.
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Nach einem in der US-PS 3 098 150 offenbarten Verfahren wird ein Elektrodenplättchen
wiederholt in Kontakt mit einem Werkstück beispielsweise unter einer Federkraft
gedrückt, die auf die federnd auf einem Elektrodenhalter gehaltene Elektrode einwirkt.
Eine Funkenentladung wird zwischen der Spitze und dem Werkstück von einem geladenen
Kondensator gezogen, wodurch eine teilweise Verschweißung zwischen ihnen erzeugt
wird. Mit dem Elektrodenhalter ist eine elektromagnetische Spule gekoppelt, die
zur wenigstens. teilweisen Speisung durch den Ladestrom des Kondensators oder einen
Kurzschlußzustand zwischen der Elektrode und dem Werkstück ausgelegt ist. Die Spule
ist so bei der Kondensatorentladung betätigbar, die Elektrodenspitze schroff vom
Werkstück abzuziehen, um die Schweißung aufzubrechen und auf dem Werkstück abgeschiedenes
Material von der Elektrodenspitze zu lassen. Natürlich kant auch hier wieder das
Uberzugsmaterial vorab zwischen der Elektrode und dem Werkstück unabhängig vom Elektr
lenmaterial vorgesehen werden.
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Gemäß dem erwähnten Elektrodenvibrationsverfahren wird jeder Metallschmelz-
und -abscheidungszyklus scharf durch die Wechselbewegung der Elektrode gesteuert,
wobei jeder Hubzyklus vorteilhaft mit der Kondensatorentladung und -wiederaufladung
synchronisiert wird, wodurch eine konsistentere und gleichmäßigere Abscheidung als
mit dem anderen bekannten System ermöglicht wird, das eine rotierende Elektrode
verwendet,
wobei Kontaktentladungen zufällig über dem zusammenhängenden
Kontaktbereich der Elektrode und des Werkstücks bei kontinuierlicher oder intermittierender
Verschiebung erzeugt werden.
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Ein erheblicher Nachteil dieses Verfahrens wurde nun in der Verwendung
eines SondensatorR9 insbesondere in Verbindung mit der Verwendung von Vibrationssyklen
gefunden Die Vibration muß mit dem Kondensatorlade- und -entladezyklus synchronisiert
werden und erfordert daher eine verhältnismäßig lange Dauer jedes mechanischen Zyklus.
Folglich liegt eine strenge Begrenzung in der Frequenz der Entladeimpulse und damit
auch in der erreichbaren Abs cheide geschwindigkeit vor. Eine andere Beschränkung
ist auch im Fehlen der- Flexibilität der Änderung der Arbeitsparameter über einen
weiten Bereich nach Bedarf festzustellen, der benötigt wird, wo eine Auswahl von
Elektroden- und Werkstückmaterialien und Endbearbeitungsanforderungen zu berücksichtigen
sind.
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Zusammenfassend kann in praktischer Hinsicht gesagt werden, daß bekannte
Funkenentladungs-Abscheide- oder -oberflächenbehandlungsverfahren unabhängig vom
Vibrations- oder Rotationstyp in unerwünschter Weise beschränkt sind, befriedigende
Ergebnisse zu erzielen, soweit die Abscheide- oder Behandlungsgeschwindigkeit die
Konsistenz der Abscheidung, die Betriebsstabilität und die Gleichmäßigkeit der beschichteten
Oberfläche betroffen sind, insbesondere wo eine Verbesserung einer Eigenschaft ohne
Einbuße der anderen versucht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
der Funkenentladungsbehandlung einer Metalloberfläche zu entwickeln, nacWem-eine
hochgradig gleichmäßige gehärtete Schicht oder Abscheidungsüberzugsschicht ausgezeichneter
Güte mit höherer Geschwindigkeit und fest in
einer größeren Dicke
an der Werkstückoberfläche gebildet wird.
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Außerdem ist Aufgabe der Erfindung die Entwicklung einer Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens, die von stabilem Betrieb ist und so eine höhere
Behandlungsgeschwindigkeit sichert, von gleichmäßigem Betrieb für ein gewünschtes
Ergebnis und so ausgelegt ist, daß man die Betriebsparameter in Abhängigkeit von
den bestimmten Elektroden- und Werkstückmaterialien wählen kann.
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Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist zunächst
ein Verfahren zur Funkenentladungsbehandlung einer Oberfläche eines elektrisch leitenden
Werkstücks durch Zusammenführung der Oberfläche und einer Elektrode zur Schaffung
eines örtlichen gegenseitigen Kontakts, wiederholte Erzeugung einer Funkenentladung
über einen Spalt zwischen der Elektrode und der Oberfläche zur Bildung einer Schweißstelle
an der Kontaktfläche auf der Oberfläche, Unterbrechung des Kontakts zur Ermöglichung
der Abkühlung der Schweißstelle unter Zurücklassung einer metallurgisch veränderten
Fläche auf der Oberfläche und Verschiebung der Elektrode über der Oberfläche zwecks
aufeinanderfolgender Bildung solcher metallurgisch veränderter Flächen auf der Oberfläche,
mit dem Kennzeichen, daß man die Elektrode aus einer Mehrzahl elektrisch leitender,
länglicher Teile bildet, die fest an einem Drehschaft so montiert sind, daß sie
von diesem axial einzeln vorragen und sich gemeinsam unter Bildung eines nach vorn
konvergierenden Drehkörpers erstrecken, daß man den Drehschaft zur Drehung und zur
gleichmäßigen Ausdehnung der länglichen Teile nach außen zu ihren Enden hin während
der Drehung rotieren läßt und daß man die äußeren Seitenflächen der sich drehenden
länglichen Teile über eine Länge derselben tangential gegen das Werkstück drückt,
während ein elektrischer Strom zwischen den länglichen Teilen und dem Werkstück
zur Erzeugung der Funkenentladung zwischen den sich drehenden
einzelnen
Flächen der länglichen Teile und dem Werkstück angelegt ist, und dadurch die metallurgisch
veränderten Flächen erzeugt, wo die länglichen Teile und das Werkstück zusammengeführt
werden.
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Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis
12 gekennzeichnete Vorzugsweise läßt man demgemäß den Drehschaft mit einer Drehzahl
im Bereich von 50 bis 20000 U/min rotieren, die ausreicht, um eine gleichmäßige
Auswärtsausdehnung der länglichen Teile zu ihren freien Enden hin zu bewirken, so
daß der im stationären Zustand durch die länglichen Teile gemeinsam gebildete, nach
vorn konvergierende Drehkörper zu einem zylindrischen oder nach vorn divergierenden
Drehkörper aufgeweitet wird.
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Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung werden die Brzeugungslinie
des gemeinsam durch die länglichen Teile gebildeten Drehkörpers oder die wesentlichen
äußeren Seitenoberflächen der einzelnen Teile, deren eine Enden vom Schaft gehalten
sind, verwendet, um tangential an einer zu behandelnden Werkstückoberfläche anzuliegen.
Die einzelnen elektrisch leitenden, länglichen Teile, die so befestigt sind, sind
steif und doch federnd und können sich demgemäß, wenn sie mit der Rotation des Drehschafts
mit einer Betriebsdrehzahl gedreht werden, zu ihren freien Enden oder Spitzen hin
ausdehnen, so daß ihre Erzeugungslinie, die ursprünglich oder im stationären Zustand
kegelförmig oder kegelstumpfförmig ist, zu zylindrischen oder nach vorn divergierenden,
rasch drehenden Oberflächen wird. Als Ergebnis wird ein kontinuierlicher "Schlag-'t
oder "Elopf-'tEffekt durch die aufeinanderfolgenden tangentialen Hochgeschwindigkeits-
oder plötzlichen Kollisionen erzeugt, die nacheinander zwischen den sich drehenden
länglichen Oberflächen und dem Werkstück unter Erzeugung einer
hochgradig
wirksamen Folge von Funkenentladungen im Bereich der Grenzfläche auftreten. Bei
Beendigung der Anlegung elektrischer Energie zwischen den länglichen Elektrodenteilen
und dem Werkstück und durch fortgesetzte Drehung der länglichen Teile können die
länglichen Teile als Schleifwerkzeug dienen, das sich zur vorteilhaften Endbearbeitung
der flznkenbehandelten Werkstückoberfläche eignet. Nach dem Ende der Rotation des
Drehschafts nehmen die langlichen Teile die ursprüngliche Gestalt des nach vorn
konvergierenden Drehkörpers wieder an.
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Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einer verschiebbaren Elektrodeneinheit zur
wiederholten Erzeugung einer Funkenentladung über einen Spalt zwischen der Elektrode
und der Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks, mit dem Kennzeichen, daß die
Elektrodeneinheit einen Drehschaft und eine Mehrzahl elektrisch leitender, länglicher
Teile auSweist, die fest an dem Drehschaft, von diesem axial einzeln vorragend und
sich gemeinsam unter Bildung eines nach vorn konvergierenden Drehkörpers erstreckend,
montiert sind, und daß ein Motor zur Rotation des Drehschafts zwecks Drehung der
länglichen Teile um die Achse des Drehschafts und eine Stromquelle vorgesehen sind,
die elektrisch zwischen den länglichen Teilen und dem Werkstück zur Erzeugung von
Funkenentladungen zwischen den länglichen Teilen und dem Werkstück bei ihrer Zusammenführung
zwecks Erzeugung einer metallurOisch veränderten Fläche im tangential von den sich
drehenden länglichen Teilen überstrichenen Bereich der Werkstückoberfläche anschließbar
ist.
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Ausgestaltungen dieser Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 14
bis 20 gekennzeichnet.
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Die Stromquelle kann typisch-einen Kreis zur Lieferung einer Reihe
elektrischer Impulse zwischen der aus den länglichen
Teilen gebildeten
Elektrode und dem Werkstück enthaltene wobei jeder Impuls zur Erzeugung einer Hochleistungsfunkenentladung
ausreichender Stärke zur Bewirkung einer örtlichen Hochenergiedichteerhitzung an
der von der Entladung getroffenen Fläche geeignet ist0 Vorzugsweise hatten die elektrischen
Stromimpulse die Form aufeinanderfolgender Impulsreihen9 die einzeln aus elementaren
Impulsen einer Frequenz im Bereich von 1 bis 500 kHz bestehen9 wobei die angrenzenden
Reihen der elementaren Impulse durch ein Ausschaltintervall getrennt sind9 das mit
verringerter Frequenz auftritt0 Es wurde gefunden , daß diese Impulsart ein hochgradig
verbessertes Ergebnis liefert, das eine noch bessere.
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Oberflächenbehandlungsqualität und eine erhöhte Trenngeschwindigkeit
sichert.
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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele
naher erläutert; darin zeigen: Fig. 1A schematische Perspektivdarstellungen einer
und 1 B 1B Funkenentladungsbehandlungs-Elektrodeneinheit gemäß der Erfindung im
stationären bzwO im rotierenden Zustand; Fig. 2 eine schematische Schalt skizze
zur Veranschaulichung eines anpaßbaren Abscheide- oder Behandlungsbetriebs mit einer
Elektrodeneinheit gemäß der Erfindung; Fig. 3 eine vergrößerte Längsseitenansicht
der in Fig. 1A und 1B dargestellten Elektrodeneinheit; Fig. 4 einen Querschnitt
der Elektrodeneinheit nach der Linie IV-IV in Fig. 3; und
Fig.
5 ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Form von Bearbeitungs-(Abscheidungs-oder
Behandlungs-)Impulsen, die mit der Elektrodeneinheit gemäß der Erfindung verwendet
werden kann.
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In Fig. 1A und IB ist eine Funkenentladungs-Abscheide- oder -behandlungselektrodeneinheit
1 gemäß der Erfindung im stationären bzw. im rotierenden Zustand dargestellt. Die
Elektrodeneinheit 1 weist einen Drehschaft 2, der in einen zylindrischen Kopfteil
3 und eine koaxial daran befestigte oder damit einstückige Welle 4 unterteilt ist,
und ein Elektrodenarbeitsorgan 5 auf, das eine Mehrzahl von elektrisch leitenden,
länglichen Teilen 6 umfaßt, die am Kopf + est, vorzugsweise durch eine noch zu beschreibende
Anordnung abnehmbar montiert sind.
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Die Welle 4 ist mit einer Antriebswelle eines Antriebsmotors zur Drehung
des Elektrodenarbeitsorgans 5 verbunden, welcher Motor in Fig. 2 mit 7 bezeichnet
ist, die die gesamte Anordnung einer bestimmten, die Prinzipien der Erfindung verwirklichenden
Vorrichtung veranschaulicht.
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Gemäß Fig. 1A, 1B, 2, 3 und 4 kann jeder längliche Teil 6 eine Stange,
ein Draht oder eine Borste aus irgendeinem elektrisch leitenden Stoff sein, der
als geeignet zur Bildung der Funkenentladungs-Abscheide- oder -behandlungselektrode
bekannt ist.
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Beispiele hierfür sind Wolframisrbid, Titankarbid, Tantalkarbid, Borkarbid,
Bornitrid, Eisen-Chrom-Legierung und Klavierdrahtmaterialien.
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Die Teile 6 können entweder rundlich oder eckig sein und sind typisch
von einer Durchmesserabmessung im Bereich von 0,1 bis 2 mm und vorzugsweise von
0, bis 1 mm. Solche Teile können gebündelt und mit dem Kop so zusammengesetzt sein,
daß sie in einer Anzahl von zwei bis zwanzig insgesamt längs des imaginären Kreises
6a angeordnet sind, der dann einen Durchmesser
von 2 bis 8 mm aufweisen
kann0 Wenn man die Welle 4 rotieren läßt, werden die länglichen Teile 6 um die Achse
2a gedreht0 So werden die Teile radial nach außen zu ihren einzelnen freien Enden
6b hin getrieben9 so daß ihre Erzeugende eines ursprünglich nach vorn weisenden
Kegels oder Kegelstumpfes (Fig. 1A und 3) nach vonlJärts hin unter Bildung im wesentlichen
eines Zylinders oder eines etwas nach innen spitzen oder geraden Kegels oder nach
rückwärts weisenden Kegelstumpfes aufgeweitet wird (Fig. IB und 2).
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Die Drehzahl wird aus dem Bereich zwischen 500 und 20000 U/min gewählt.
Im Betrieb werden die sich drehenden Teile 6 tangential über eine Länge ihrer Außenseitenflächen
gegen eine Oberfläche 8A eines Werkstücks 8 (Fig. 2) gedrückt und nacheinander in
abschleifenden Kontakt damit gebracht Bei jedem Drehzyklus erfährt jeder Teil 6
nach Lösung aus dem Kontakt mit der Oberfläche 8A eine Auswärtsausdehnung und speichert
dadurch eine beträchtliche kinetische Energie, die dann abgegeben wird, wenn er
wieder in stoßenden Kontakt mit der Oberfläche 8A kommt und diese "schlägt" oder
"klopft".
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In Fig. 2 ist eine Funkenentladungs-Abscheide- oder -behandlungs-Stromquelle
9 dargestellt, die von irgendeiner herkömmlichen Auslegung pulsierenden Ausgangs
sein kann und elektrisch mit den länglichen Elektrodenteilen 6 über den Schaft-Kopfteil
3 und andererseits mit dom Werkstück 8 zur Erzeugung aufeinanderfolgender einzelner
Funkenentladungen verbunden ist, wenn die Teile 6 nacheinander mit der Werkstückoberfläche
8A über ihre Grenzschlagflächen zusammenge bracht werden. So wird eine hochgradig
befriedigendemetallurgisch veränderte (de h. Abscheide oder gehärtete) Schicht an
der Oberfläche 8A erhalten, wenn die Elektrodenteile 6 über das Werkstück 8 von
Hand oder automatisch durch Verschiebung des tragenden Drehschafts 2 verlagert werden.
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Wenn det schaft 2 der Elektrodeneinheit 1 rotiert und sein Arbeitsorgan
5 in Kontakt mit der Werkstückoberfläche 8A gebracht wird, neigen die elektrisch
leitenden, länglichen Teile 6, die sich unter Bildung eines zentrifugal zu ihren
freien Enden 6b hin beträchtlich ausgedehnten Drehkörpers drehen, zur Anpassung
an die Steifheit der Oberflächq8A, wenn sie einzeln damit in Kontakt kommen undhter
nacheinander in gleitender und abschleifender Anlage vorbeistreichen. Bei jedem
Drehzyklus erfährt jeder einzelne Teil 6 nach Lösung aus dem Kontakt mit der Oberfläche
8A erneut eine nach außen gerichtete Zentrifugalausdehnung und gewinnt beträchtliche
kinetische Energie, die abgegeben wird, wenn er wieder in Kollisionskontakt mit
der Oberfläche 8A kommt und diese tangential schlägt oder t'klopSt". Das tangential
auftreffende Uberstreichen der einzelnen Teile 6 nacheinander bei ihrer Drehung
liefert eine Funkenentladungsbehandlung oder -abscheidung auf der Werkstückoberfläche
8A mit einer ausgezeichneten Qualität und Geschwindigkeit.
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Bearbeitungsimpulse von der Stromquelle 9 bewirken elektrische Funkenentladungen
nacheinander zwischen den kontaktierenden Teilen 6 und der Oberfläche 8A und ergeben,
wenn die Teile 6 aus einem elektrisch schmelzbaren Material sind, eine Schmelzübertragung
des Elektrodenmaterials auf die Werkstückoberfläche 8A unter Bildung einer Abscheidung
darauf, die als die schraffierte Schicht angedaute; ist. Die funkengebildete Abscheideschicht
ist eine kumulative Schicht von einzelnen schmelzübertragenen Abscheidungen, die
entstehen, wenn die Funkenentladungsfläche über die Oberfläche 8A bei der Bewegung
der Elektrodenteile 6 darüber weitergeführt wird, während nacheinander Funkenentladungen
über der sich verschiebenden Grenzfläche erzeugt werden, und daher ist die Abscheideschicht
üblicherweise durch die Bildung geringer Oberflächenunregelmäßigkeiten gekennzeichnet.
Diese Unregelmäßigkeiten werden wirksam durch das System gemäß der Erfindung
verringert,
wonach das durch die sich drehenden einzelnen Teile 6 gebildete Elektrodenorgan
zum Abschleifen der Funkenabscheidungs-oder funkenabgeschiedenen Schicht (oder funkenerhitzten
Schicht) dank des WSchlag-" und ''Klopf-'l Effektes, den sis einzigartig auf der
Entladefläche 8A liefern , geeignet ist , wodurch ein hochgradig befriedigendes
Polieren oder eine endbearbeitete Oberfläche erhalten wird Die Funkenabscheidungse
oder metallurgische Oberflächenbehandlung und die einzigartige Schleiflirkung werden
gleichzeitig bewirkt, wenn die sich drehenden Elektrodenteile 6 und das oberflächenzubehandelnde
werkstück 8 unter gegenseitiger Gleitverschiebung sind.
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Wenn die Oberflächenunregelmäßigkeiten beim Funkenentladungs-oder
-behandlungsverfahren wachsen, wird typisch die fortgesetzte Abscheidung oder Behandlung
schwierig9 und es ist sogar möglich, daß weitere Funkenentladungen oder die fortgesetzte
Einwirkung von Bearbeitungsimpulsen zum Abstreifen der abgeschiedenen oder behandelten
Schicht führen. Solche Nachteile werden wirksam durch die erwähnte Abschleifwirkung
der Elektrodenteile 6 ausgeschaltet9 die dazu dient, die funkenbeaufschlagten Flächen
glatt zu halten und die materialbeschichteten oder besonders metallurgisch veränderten
Oberflächenbereiche dynamisch zu glätten. Dies ermöglicht eine fortgesetzte Übertragung
des Elektrodenimaterials und dessen Aufbringen auf die vorher behandelten Zonen
zur Erzeugung einer oberflächengehärteten oder materialbeschichteten Schicht einer
gewünschten und größeren Dicke In Fig. 2 ist auch ein Steuerkreissystem zum Betrieb
der Elektrodeneinheit 1 der Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt dargestellt. Bei
diesem System wird der Zustand des Schleifkontakts zwischen den sich drehenden Teilen
6 und dem Werkstück 8 erfaßt, um den Betrieb des Motors 7 zu steuern. So
ist
eine Stromquelle 10 zum Antrieb des Motors 7 mit einem Steuerkreis 11 versehen,
dessen Eingangsanschlüsse über einen Abtastwiderstand 12 angeschlossen sind, der
in Reihe mit der Funkenabscheidungs- oder behandlungsstromquelle 9 und dem Werkstück
8 und auch über eine Bürste 3a mit dem Kopfteil 3 verbunden ist, der mit einer Drehzahl
im bereits angegebenen Bereich rotiert. Die relative Verschiebung zwischen dem Elektrodenarbeitsorgan
5 und dem Werkstück 8 kann entweder von EIand oder automatisch erfolgen. Im letzteren
Fall wird vorteilhaft ein numerisches Steuergerät bekannter Bauart vorgesehen, um
die Relativverschiebung längs eines programmierten Vorschubweges zu bewirken.
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Im Lauf des Betriebs bewirkt eine Anderung des Kontaktdrucks des sich
drehenden Elektrodenogans 8,also der elektrisch leitenden, länglichen Teile 6 gegendLe
Oberfläche 8A eine Unregelmäßigkeit im Abschleifen, die zu einer Unregelmäßigkeit
der einwirkenden Bearbeitungsimpulse führt. Diese Änderung wird bei der dargestellten
Anordnung durch Überwachung des elektrischen Widerstandes oder der Impedanz zwischen
den Kontaktflächen der Teile 6 und 8 erfaßt, der bzw. die als Spannungsabfall am
Widerstand 12 gemessen wird. Wenn der Kontaktwiderstand mit dem Abfall der Andruckkraft
wächst, erhöht sich der Bearbeitungsstrom von der Stromquelle 9, der durch den Widerstand
12 strömt, und der Spannungsabfall am letzteren wächst. Folglich bewirkt der geeigerte
Kontaktdruck einen geringeren Widerstand, der als gesteigerte Spannung am Widerstand
12 gemessen wird. Der Steuerkreis In spricht auf eine Änderung im Spannungsabfall
am Abtastwiderstand 12 an, um die Drehzahl des Motors 7 zu steuern. Eine Steigerung
der Drehzahl bewirkt eine Erhöhung der Vorwärts-Auswärts-Ausdehnung der sich drehenden
länglichen Teile 6, was seinerseits zu einem gesteigerten Anpreßdruck gegen die
berührte Oberfläche 8A führt, und umgekehrt. In dieser Weise wird eine
Konstanz
des Abschleifdrucks zwischen dem Elektrodenarbeitsorgan 5 und der Oberfläche 8A9
die zum Erhalten eines gleichmäßigen tSchlag-" oder t1KlopfflEffet5 erforderlich
ist, gesichert, wodurch eine fortgesetzte Oberflächenbehandlung bzw. Materialabscheidung
in stabiler Weise mit vergleichmäßigter Oberflächenendbehandlung über der gesamten
Arbeitsfläche bei erhöhter Endbearbeitungsgenauigkeit und Verläßlichkeit für einen
gegebenen Betrieb ermöglicht wird, Es ist zu bemerken, daß statt seiner Drehzahl
alternativ auch das Drehmoment des Motors 7 gesteuert werden kann , um den Kontaktdruck
konstant zu halten, so daß der letztere mit dem Anstieg oder Abfall des ersteren
gesteigert oder verringert werden kann. Ebenso kann das Drehmoment des Motors 7
gemessen werden, um eine Änderung im Kontaktdruck zu überwachen. Nach einer weiteren
Alternative kann irgendein anderes Druckfühlermittel, wie 3. B. ein piezoelektrisches
Element, an einer geeigneten Werkzeugstelle angeordnet werden9 um eine Änderung
des Kontaktdrucks anzuzeigen und daraufhin die Drehzahl oder das Drehmoment des
Antriebsmotors 7 derart zu steuern, daß der Kontaktdruck konstant gehalten wird.
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Beim Naterialabscheideverfahren kann ein abscheidbares Material der
Funkengrenzfläche von irgendeiner Art von Quelle zugeführt werden. Wie es am typischsten
ist, können die länglichen Elektrodenteile 6, wie schon erwähnt, aus Klavierdrahtmaterial,
Wolframkarbid, Bortitan, Borkarbid oder einer Eisen-Chrom-Legierung zusammengesetzt
sein9 und diese Materialien sind besonders vorteilhaft, wenn ein Eisenwerkstück
8 durch Abscheidung oder Behandlung oberflächenzuhärten ist. Diese Materialien können
auch in der Form eines Pulvers, von Schuppen oder einer Paste zugeführt werden9
die zu schmelzen und auf der Werkstückoberfläche 8A abzuscheiden sind0 Alternativ
können elektrisch leitende kernelektrodenteile 6 mit einer
Schicht
aus Diamant, einem Metallkarbid, Borkarbid, Bornitrid oder irgendeinem anderen Material,
dessen Abscheidung auf der Werkstückoberfläche zum Härten und für andere Zwecke
erwünscht ist, beschichtet sein. Zusätzlich sei erwähnt, daß irgendeine Gasatmosphäre
verwendet werden kann, die einen Bestandteil, wie z. B. Kohlenstoff, Aluminium oder
Stickstoff enthält, der in das Substrat des Werkstücks 8 einzudiffundieren ist.
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Beispiel I Elektrisch leitende, längliche Teile bestehen aus Wolframkarbid
mit Dicken zwischen 0,1 und 1,0 mm Durchmesser, und zwei bis zwanzig solcher Teile
einer gegebenen Dicke werden zur Bildung verschiedener Elektrodeneinheiten zusammengesetzt,
die als zur Drehung mit 50 bis 20000 U/min durch einen Motor geeignet befunden werden.
Wenn Arbeitsimpulse eines Spitzenstroms Ip von 80 A und einer Impulsdauer rot von
60 bis 50 /us zur Funkenabscheidung des Elektrodenmaterials auf einem Eisenwerkstück
verwendet werden, hat die behandelte Oberfläche eine Oberflächenrauhigkeit von 10
/uRmax. Die Abscheidegeschwindigkeit ist vier- bis fünfmal größer als mit dem herkömmlichen
Vibrations- oder Rotationssystem. Nach diesem Abscheidevorgang wird, wenn der Funkenabscheidungsstrom
verringert oder unterbrochen wird, während die Teile weiter gedreht und im Kontakt
mit dem Werkstück gehalten werden, eine noch bessere Oberflächenendbehandlung auf
der behandelten Oberfläche beobachtet. DieEWr Abschlußbetrieb kann unter veränderten
Funkenbedingungen ablaufen. Wenn Arbeitsimpulse einen Spitzenstrom Ip von 50 A und
eine Impulsdauer von 2 /u5 haben und die Teile sich mit 10000 U/min drehen, hat
die abgeschiedene Oberfläche eine auf 6 /uRmax verbesserte Oberflächenrauhigkeit.
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In Fig. 5 ist eine bevorzugte Form der Arbeitsimpulse dargestellt,
die erfindungsgemäß verwendet werden kann. Die Arbeitsimpulse
umfassen
eine Abfolge von Impulsreihen9 die für sich aus elementaren Impulsen einer bestimmten
Einschalt zeit ton und Ausschaltzeit off bestehen und eine Einschalt dauer Ton haben,
wobei die aufeinanderfolgenden Reihen durch ein Ausschaltzeitintervall Toff getrennt
sind0 Die Einschalt zeit von der elementaren Impulse liegt liegt im Bereich von
1 bis 500 /us, vorzugszweise im Bereich von 50 bis 100 /us , während die Ausschaltzeit
off im Bereich von 10 bis 100 /us liegt Der Spitzenstrom der elementaren Impulse
reicht von 50 bis 100 A. Die Impulsreihendauer Ton reicht von 091 bis 100 s, während
das Ausschaltzeitintervall Toff im Bereich von OO5 bis 50 s liegt0 So liefern liefern
die elementaren Impulse mit #on und Ip in den angegebenen Bereichen jeweils eine
Abscheide-oder Bearbeitungseinheit, die relativ klein ist, die jedoch wiederholt
mit hoher Frequenz in jeder Impulsreihe aufgebracht werden. Dies führt zu einer
erhöhten Abscheide- oder Behandlungsgechwindigkeit und zu einer günstigeren Oberflächenrauhigkeit0
Während des Ausschaltzeitintervalls dient die Abschleifliirkung durch die sich weiter
drehenden Elektrodenteile wirksam zur Reaktivierung und Glättung der materialbeschichteten
oder entladungsveränderten Oberfläche wodurch auch die fortgesetzte Abscheidung
oder Oberflächenbehandlung bis zu größerer Dicke erleichtert wird. Das Stromausschaltzeitintervall
wirkt auch zur Löschung irgendeines fortdauernden Lichtbogens9 der während der vorherigen
Impulsreihenperiode aufgetreten sein kann, und ermöglicht eine wirksame Kühlung
der antladungserhitzten Flächen so daß die SMRterialbosinträchtigung auf grund einer
Überhitzung an der Werkstückoberfläche vorteil haft vermieden wird.
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Beispiel II Eine Funkenentladungs-Abscheideelektrode ist aus zwölf
Teilen von Wolframkarbiddrähten mit 095 mm Durchmesser gebildet5 die in der zuvor
beschriebenen Weise zusammengesetzt sind, und wird mit 8500 U/min gedreht und in
Kontakt mit einem Eisenwerkstück
gebracht. Arbeitsimpulse mit
einer Folge von Impulsreihen mit den Impulsparametern: 1ronz P 80 /us, Zrf = 15
/us, Ip n 60 A, Ton " 0,5 s und Toff = 0,4 s werden zwischen den rotierenden Elektrodenteilen
und dem Werkstück angelegt. Dies führt zu der festen Beschichtung des Werkstücks
mit dem Elektrodenmaterial bei einer Abscheidegeschwindigkeit von 10 bis 30 mg/min.
cm2, was einen zehn- bis dreißigfach höheren Wert als die herkömmliche Abscheidegeschwindigkeit
in der Größenordnung von 1 mg/min-cm² bedeutet. Der Vorgang wird leicht fortgesetzt,
bis die Abscheidedicke 50 bis 500 um bei einer Oberflächenendgüte (Rauhigkeit) von
10 bis 50 /uRmax erreicht, welche Werte sehr vorteilhaft im Vergleich mit entsprechend
herkömmlich erreichbaren Werten von 5 bis 15 /um und 50 bis 100 /uRmax sind.
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Gemäß einem ausgestaltenden Merkmal der ErfindungiDnnen die elektrisch
leitenden, länglichen Teile 6 aus wenigstens zwei Stoffen zusammengesetzt sein,
die von einem Teil zum anderen verschieden sind oder die zur Bildung Jedes Teils
legiert oder anderweitig vereinigt sind. So bestehen die elektrisch leitenden, länglichen
Teile 6 zum größeren Teil aus Teilen aus oder Verbundteilen aus einem oder mehreren
Stoffen, deren Abscheidung von primärem Interesse istXund zusätzlich aus Teilen
oder aus zusammengesetzten Teilen aus einem oder mehreren Stoffen1 die mit dem primären
Stoff legierbar oder anderweitig verbindbar sinn wenn die beiden Arten von Stoffen
aus den Elektrodenteilen 6 geschmolzen und während :des Funkenabscheideverfahrens
auf der Werkstückoberfläche 8A abgeschieden werden. Diese Ausgestaltung der Erfindung
ist bestimmt, um die herkömmlichen Schwierigkeiten zur Erhaltung einer größeren
Dicke der Abscheidung auf der Werkstückoberfläche aus der Elektrode oder das wenigstens
teilweise von der unzureichenden Diffusionsbindung zwischen dem Elektrodenmaterial
und dem Werkstücksubstratmaterial verursachte Problem, die Schwierigkeit der Materialkombination
zwischen den
vorher aufgebrachten Abscheidungen und den nachher
aufgebrachten und die Schwierigkeit der Erzielung eines bestimmten Mindestausmaßes
der Oberflächenanregelmäßigkeiten, die im besten Fall erhältlich sind, zu überwinden.
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Gemäß Fig. 4 kann der größte Teil der elektrisch leitenden, länglichen
Teile 6(1) so beispielsweise aus WC-Co zusAmmengesetzt sein, und der Rest 6(2) kann
dann beispielsweise aus Ni bestehen, das ein Legierungselement darstellt Allgemeiner
sollten, wenn die Teile 6(1) aus WC, 340 oder BN als einem erwünschten Abscheidematerial
zusammengesetzt sinds der Teil oder die Teile 6(2) aus Ag, Ni, Cu, Fe, Au, Or, Co
und Mn einzeln oder in Kombination zusammengesetzt sein. Die relativen Zahlen der
Teile 6(1) und 6(2) und deren Anordnung werden in Abhängigkeit von einer besonderen
Art des Basismaterials und der besonderen Art der gewünschten Abscheidung ausgewählt.
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Nimmt man als Beispiel den Ni-Legierungsstoffteil 6(2) für die WC-Co-Primärabscheidungsstoffteile
6(1), so schmelzen diese Stoffe und gehen auf das Werkstück 8 während jedes Drehzyklus
des Elektrodenarbeitsorgans 5 über. Als Ergebnis wird eine Ni-Schicht zwischen angrenzenden
WC-Co-Sohichten gebildet und ergibt eine Diffusionsbindung zwischen ihnen. Zusätglich
dient die Ni-Schicht zur Abdeckung und zum Schutz der WC-Co-Abscheidung gegen Reaktion
mit der Atmosphäre zur Vermeidung ihrer Verschlechterung und hilft durch ihre Verschmelzung
damit zur Verdichtung der Abscheidung des Auftragsmaterials.
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Der Anteil der Teile 6(1) des Uberzugsmatcrials relativ zu den Teilen
6(2) des Legierungs- oder Verbindungsmaterials wird zur Erzielung eines optimalen
Ergebnisses gewählt. Beispielsweise sind Ni-Teile in einer Gruppe relativ zu den
WC-Co-Hauptteilen in einem Anteil von 1/4, 1/6, 1/7, 1/8, 1/10 oder 1/15 in Abhängigkeit
von der Gesamtzahl der Teile und ihren Abständen enthalten.
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Beispiel III Eine Elektrodeneinheit wird mit einem allgemein in den
Fig. 3 und 4 gezeigten Aufbau und mit sechs Teilen aus WC-Co-Material und einem
einzelnen Teil aus Ni-Material hergestellt. Die Elektrodeneinheit wird mit 5000
U/min gedreht und in Kontakt mit einem Eisenwerkstück gebracht. Wenn Funkenentladungsimpulse
zwischen der Elektrode und dem Werkstück mit folgenden Impulsbedingungen: Ip - 80
A, Ton - 50 /us und torf - 30 /us zur Einwirkung gebracht werden, wird das Elektrodenmaterial
auf 2 der Werkstückoberfläche mit einer Geschwindigkeit von 22 mg/minem2 abgeschieden,
die mehr als zehnmal höher als die der Abscheidung mit einem herkömmlichen Vibrations-
oder Rotationselektrodensystem ist.
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Es sei bemerkt, daß verschiedene Kombinationen von primären Abscheidestoffen
und Hilfsstoffen nicht auf die vorher angegebenen beschränkt, sondern umfassend
anwendbar sind, So kann Jedes härtende Material mit einem geeigneten Bindematerial
verwendet werden, und jedes Abscheidematerial für andere Zwecke kann mit einem Diffusionsmaterial
verwendet werden. Jede Legierungs- oder Verbundschicht kann auf einer Werkstückoberfläche
durch Funkenentladungs-Schmelzübertragung der Bestandteilsstoffe vorgesehen werden,
die einzeln die getrennten elektrisch leitenden, länglichen Teile zusammensetzen.
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Während die besondere Bedeutung der xolframkarbid-Funkenabscheidung
lange anerkannt wurde und c em hier offenbarten Verfahren und mit der hier offenbarten
Vorrichtung sehr vorteilhaft durchführbar ist, ist die Erfindung ebenso auch zur
Funkenhärtung unter Verwendung anderer Materialien mit ausgezeichneten Ergebnissen,
wie vorstehend beschrieben, anwendbar. Sie ist auch nicht nur zur Oberflächenhärtung,
sondern auch für verschiedene andere Zwecke einschließlich der Aufbringung von korrosionsbeständigen
und abriebbeständigen Überzügen (z. B, Stellitabscheidung) anwendbar. Außerdem
können
handelsübliche Klaviersaiten, Hartstahldrähte und Manganstahldrähte leicht als Elektrodenteile
zur metallurw gischen Oberflächenbehandlung eines Stahlwerkstücks verwendet werden,
das vorab spanabhebend bearbeitet oder verformt wurde.
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Es ist auch zu erwähnen, daß die Erfindung eine Funkenabscheidung
oder -behandlung auch über räumlich begrenzten Flächen; wie z. B. einer Ausnehmung,
ermöglicht, die praktisch mit einem herkömxlichen Vibrations- oder Rotationselektroden
werkzeug nicht zugänglich sindo Die Erfindung bietet somit ein verbessertes Verfahren
zur Funkenentladungs-Oberflächenbehandlung elektrisch leitender Werkstücke sowie
eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Vefahrens, die eine erhöhte Bearbeitungsgeschwindigkeit,
eine bessere Oberflächenendbearbeitung, eine leichte Durchführbarkeit der Bearbeitung,
eine feste Materialabscheidung, eine verbesserte Betriebs stabilität und andere
Vorteile liefern.