DE3000884C2 - - Google Patents

Description

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 ge­ härteten Schicht und zum Überziehen einer solchen Ober­ fläche mit einer vom Substrat verschiedenen Metall- oder Legierungsabscheidung mit Hilfe wiederholter Funkenentla­ dung, die zwischen dem Werkstück und einer an dieses ge­ drückten Elektrode erzeugt wird.

Bei der Funkenentladungs-Oberflächenbehandlungstechnik wird die Funkenentladung zwischen einer Elektrode und einer zu be­ handelnden Metalloberfläche erzeugt, wenn sie in den und/oder aus dem gegenseitigen Kontakt gebracht werden, wobei ein kur­ zer elektrischer Impuls zwischen ihnen angelegt wird, der von einer ausreichenden Stärke ist, um eine örtliche begrenzte Erhitzung der verhältnismäßig kleinen Entladungsauftreff­ fläche zu erzeugen. Durch Überstreichen eines ausgewählten Oberflächenbereichs des Werkstücks mit einer solchen Kontakt­ entladung 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. die vom Substrat verschieden ist, zum Beispiel einem Karbid­ überzug, mit einer festen metallurgischen Bindung zwischen der Substratoberfläche und der Überzugsschicht verwirklicht werden.

Wie in der am 29. 11. 1957 ausgegebenen japanischen Patentan­ meldung Nr. 32-9998 gezeigt ist, kann z. B. eine Vorüberzugs­ schicht aus Überzugsmaterial auf eine zu behandelnde Werk­ stückoberfläche aufgebracht werden, und eine Elektrode in der Form eines festen drehbaren Körpers kann über die Vor­ überzugsschicht bewegt oder gerollt werden, während man sie gegen die Oberfläche drückt und ein elektrischer Impuls wieder­ holt 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 Überzugsmaterialquelle bilden. So können sich ein ver­ bessertes System und praktische Anwendungen ergeben, die die Schmelzübertragung eines Materials auf eine Werkstückober­ fläche von der Elektrode in einer Drehscheiben- oder ähnlichen Form in gleitender oder tangentialer Bewegung über der Ober­ fläche mittels wiederholter Kontaktentladungen ausnutzen. Sol­ che 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 japanischen Paten­ anmeldung Nr. 32-2446, der am 16. 5. 1959 ausgegebenen japani­ schen Patentanmeldung Nr. 32-2900 und der am 28. 8. 1959 aus­ gegebenen japanischen Patentanmeldung Nr. 32-6848 beschrieben. Bei diesen Verfahren kann die Materialschmelzübertragungs- Kontaktentladung wiederholt durch einen Kondensatorkreis be­ wirkt 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 Elek­ trode und dem Werkstück wandert. Ansonsten wurde ein mechani­ sches oder elektrisches Schalten einer Gleichspannungsquelle verwendet, um periodisch eine gepulste Spannung zwischen der bewegten Grenzfläche der Elektrode und des Werkstücks zu er­ zeugen.

Nach einem in der US-PS 30 98 150 offenbarten Verfahren wird ein Elektrodenplättchen wiederholt in Kontakt mit einem Werk­ stück 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 ge­ koppelt, die zur wenigstens teilweisen Speisung durch den Ladestrom des Kondensators oder einen Kurzschlußzustand zwi­ schen der Elektrode und dem Werkstück ausgelegt ist. Die Spule ist so bei der Kondensatorentladung betätigbar, die Elektro­ denspitze schroff vom Werkstück abzuziehen, um die Schweißung aufzubrechen und auf dem Werkstück abgeschiedenes Material von der Elektrodenspitze zu lassen. Natürlich kann auch hier wie­ der das Überzugsmaterial vorab zwischen der Elektrode und dem Werkstück unabhängig vom Elektrodenmaterial vorgesehen werden.

Gemäß dem erwähnten Elektrodenvibrationsverfahren wird jeder Metallschmelz- und -abscheidungszyklus scharf durch die Wech­ selbewegung der Elektrode gesteuert, wobei jeder Hubzylkus vorteilhaft mit der Kondensatorentladung und -wiederaufladung synchronisiert wird, wodurch eine konsistentere und gleich­ mäßigere 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 konti­ nuierlicher oder intermittierender Verschiebung erzeugt wer­ den.

Ein erheblicher Nachteil dieses Verfahrens wurde nun in der Verwendung eines Kondensators, insbesondere in Verbindung mit der Verwendung von Vibrationszyklen gefunden. Die Vi­ bration muß mit dem Kondensatorlade- und -entladezyklus synchronisiert werden und erfordert daher eine verhältnis­ mäßig lange Dauer jedes mechanischen Zyklus. Folglich liegt eine strenge Begrenzung in der Frequenz der Entladeimpulse und damit auch in der erreichbaren Abscheidegeschwindigkeit vor. Eine andere Beschränkung ist auch im Fehlen der Flexi­ bilität der Änderung der Arbeitsparameter über einen weiten Bereich nach Bedarf festzustellen, der benötigt wird, wo eine Auswahl von Elektroden- und Werkstückmaterialien und Endbe­ arbeitungsanforderungen zu berücksichtigen sind.

Zusammenfassend kann in praktischer Hinsicht gesagt werden, daß bekannte Funkenentladungs-Abscheide- oder -oberflächen­ behandlungsverfahren unabhängig vom Vibrations- oder Ro­ tationstyp in unerwünschter Weise beschränkt sind, befrie­ digende Ergebnisse zu erzielen, soweit die Abscheide- oder Behandlungsgeschwindigkeit, die Konsistenz der Abscheidung, die Betriebsstabilität und die Gleichmäßigkeit der beschich­ teten Oberfläche betroffen sind, insbesondere wo eine Ver­ besserung einer Eigenschaft ohne Einbuße der anderen ver­ sucht wird.

Aus der US-PS 32 77 267 sind ein Verfahren und eine Vor­ richtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 13 bekannt, bei denen die pinselförmige Elektrode aus einem Hohlzylinder mit Radiallängsschlitzen bis zu einem verjüngten Spitzenteil besteht, wobei diese Schlitze die Zylinderwand in die länglichen Teile darstellende Wand­ segmente unterteilen, die im Ruhezustand und bei Drehung der Elektrode einen zum Elektrodenende hin konvergieren­ den rotationssymmetrischen Körper bilden. Zur Funkenent­ ladungsbearbeitung stellt man die Elektrodenachse in ei­ nem solchen Winkel zur Werkstückoberfläche ein, daß die Oberfläche des verjüngten Spitzenteils in tangentialen Kontakt mit der Werkstückoberfläche kommt.

Andererseits offenbart diese US-PS auch eine radförmig ausgebildete Elektrode, deren Achse parallel zur Werkzeug­ oberfläche eingestellt wird und die mit Karbidspitzen bestückte Blattfedern trägt, so daß bei Drehung des Elek­ trodenrades die Karbidspitzen federnd auf die Werkstück­ oberfläche auftreffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 bzw. 13 vorausgesetzten Art so weiterzuent­ wickeln, daß eine hochgradig gleichmäßige gehärtete Schicht oder Abscheidungsüberzugsschicht ausgezeichneter Güte mit noch höherer Geschwindigkeit und fest in einer größeren Dicke an der Werkstückoberfläche gebildet wer­ den kann und die Vorrichtung von stabilem Betrieb ist, eine höhere Behandlungsgeschwindigkeit sichert und so aus­ gelegt ist, daß man die Betriebsparameter in Abhängigkeit von den bestimmten Elektroden- und Werkstückmaterialien wählen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 13 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Vorzugsweise läßt man demgemäß z. B. den Drehschaft mit einer Drehzahl im Bereich von 50 bis 20 000 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 rotations­ symmetrische Körper zu einem zylindrischen oder nach vorn divergierenden rotationssymmetrischen Körper aufgeweitet wird.

Die einzelnen elektrisch leitenden, länglichen Teile sind steif und doch federnd und können sich demgemäß, wenn sie mit der Rotation des Drehschafts mit einer Betriebsdreh­ zahl gedreht werden, zu ihren freien Enden oder Spitzen hin ausdehen, so daß ihre Erzeugungslinie, die ursprüng­ lich oder im stationären Zustand kegelförmig oder kegel­ stumpfförmig ist, zu zylindrischen oder nach vorn diver­ gierenden, rasch drehenden Oberflächen wird. Als Ergebnis wird ein kontinuierlicher "Schlag-" oder "Klopf-"Effekt durch die aufeinanderfolgenden Hochgeschwindigkeits- oder plötzlichen Kollisionen erzeugt, die nacheinander zwischen den sich drehenden länglichen Oberflächen und dem Werk­ stück unter Erzeugung einer hochgradig wirksamen Folge von Funkenentladungen im Bereich der Grenzfläche auftreten. Bei Beendigung der Anlegung elek­ trischer 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 funkenbehandel­ ten Werkstückoberfläche eignet. Nach dem Ende der Rotation des Drehschafts nehmen die länglichen Teile die ursprüngliche Gestalt des nach vorn konvergierenden Drehkörpers wieder an.

Die Stromquelle der Vorrichtung kann typisch einen Kreis zur Lieferung einer Reihe elektrischer Impulse zwischen der aus den länglichen Teilen gebildeten Elektrode und dem Werkstück enthalten, wobei jeder Impuls zur Erzeugung einer Hochleistungsfunkenentladung ausreichender Stärke zur Bewirkung einer örtlichen Hochenergie­ dichteerhitzung an der von der Entladung getroffenen Fläche geeignet ist.

Vorzugsweise haben die elektrischen Stromimpulse die Form auf­ einanderfolgender Impulsreihen, die einzeln aus elementaren Impulsen einer Frequenz im Bereich von 1 bis 500 kHz bestehen, wobei die angrenzenden Reihen der elementaren Impulse durch ein Ausschaltintervall getrennt sind, das mit verringerter Frequenz auftritt. Es wurde gefunden, daß diese Impulsart ein hochgradig verbessertes Ergebnis liefert, das eine noch bessere Oberflächenbehandlungsqualität und eine erhöhte Trenngeschwin­ digkeit sichert.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulich­ ten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1A und 1B schematische Perspektivdarstellungen einer Funkenentladungsbehandlungs-Elektrodeneinheit gemäß der Erfindung im stationären bzw. im rotierenden Zustand;

Fig. 2 eine schematische Schaltskizze zur Veran­ schaulichung eines anpaßbaren Abscheide- oder Behandlungsbetriebs mit einer Elektrodenein­ heit 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 Elek­ trodeneinheit gemäß der Erfindung verwendet wer­ den kann.

In Fig. 1A und 1B ist eine Funkenentladungs-Abscheide- oder -behandlungselektrodeneinheit 1 gemäß der Erfindung im statio­ nären bzw. im rotierenden Zustand dargestellt. Die Elektroden­ einheit 1 weist einen Drehschaft 2, der in einen zylindrischen Kopfteil 3 und eine koaxial daran befestigte oder damit ein­ stückige Welle 4 unterteilt ist, und ein Elektrodenarbeits­ organ 5 auf, das eine Mehrzahl von elektrisch leitenden, läng­ lichen Teilen 6 umfaßt, die am Kopfteil 3 fest, vorzugsweise durch eine noch zu beschreibende Anordnung abnehmbar montiert sind. 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.

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 Funken­ entladungs-Abscheide- oder -behandlungselektrode bekannt ist. Beispiele hierfür sind Wolframkarbid, Titankarbid, Tantal­ karbid, Borkarbid, Bornitird, Eisen-Chrom-Legierung und Klavierdrahtmaterialien.

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 0,5 bis 1 mm. Solche Teile können gebündelt und mit dem Kopfteil 3 so zusammengesetzt sein, daß sie in einer Anzahl von zwei bis zwanzig insgesamt längs des ima­ ginären Kreises 6a angeordnet sind, der dann einen Durchmesser von 2 bis 8 mm aufweisen kann.

Wenn man die Welle 4 rotieren läßt, werden die länglichen Teile 6 um die Achse 2 gedreht. So werden die Teile radial nach außen zu ihren einzelnen freien Enden 6b hin getrieben, so daß ihre Erzeugende eines ursprünglich nach vorn weisenden Kegels oder Kegelstumpfes (Fig. 1A und 3) nach vorwärts hin unter Bildung im wesentlichen eines Zylinders oder eines etwas nach innen spitzen oder geraden Kegels oder nach rückwärts weisenden Kegelstumpfes aufgeweitet wird (Fig. 1B und 2). Die Drehzahl wird aus dem Bereich zwischen 500 und 20 000 U/min gewählt. Im Betrieb werden die sich drehenden Teile 6 tan­ gential über eine Länge ihrer Außenseitenflächen gegen eine Oberfläche 8A eines Werkstücks 8 (Fig. 2) gedrückt und nach­ einander 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 ab­ gegeben wird, wenn er wieder in stoßenden Kontakt mit der Oberfläche 8A kommt und diese "schlägt" oder "klopft".

In Fig. 2 ist eine Funkenentladungs-Abscheide- oder -behand­ lungs-Stromquelle 9 dargestellt, die von irgendeiner her­ kömmlichen Auslegung pulsierenden Ausgangs sein kann und elektrisch mit den länglichen Elektrodenteilen 6 über den Schaft-Kopfteil 3 und andererseits mit dem Werkstück 8 zur Erzeugung aufeinanderfolgender einzelner Funkenentladungen verbunden ist, wenn die Teile 6 nacheinander mit der Werk­ stückoberfläche 8A über ihre Grenzschlagflächen zusammenge­ bracht werden. So wird eine hochgradig befriedigende metallur­ gisch veränderte (d. 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.

Wenn der Drehschaft 2 der Elektrodeneinheit 1 rotiert und sein Arbeitsorgan 5 in Kontakt mit der Werkstückoberfläche 8A ge­ bracht wird, neigen die elektrisch leitenden, länglichen Tei­ le 6, die sich unter Bildung eines zentrifugal zu ihren freien Enden 6b hin beträchtlich ausgedehnten Drehkörpers dre­ hen, zur Anpassung an die Steifheit der Oberfläche 8A, wenn sie einzeln damit in Kontakt kommen und hier nacheinander in glei­ tender 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 gerich­ tete Zentrifugalausdehnung und gewinnt beträchtliche kinetische Energie, die abgegeben wird, wenn er wieder in Kollisions­ kontakt mit der Oberfläche 8A kommt und diese tangential "schlägt" oder "klopft". Das tantential auftreffende Über­ streichen oder einzelnen Teile 6 nacheinander bei ihrer Drehung liefert eine Funkenentladungsbehandlung oder -abscheidung auf der Werkstückoberfläche 8A mit einer ausgezeichneten Qualität und Geschwindigkeit.

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 Schmelz­ übertragung des Elektrodenmaterials auf die Werkstückober­ fläche 8A unter Bildung einer Abscheidung darauf, die als die schraffierte Schicht angedeutet ist. Die funkengebildete Ab­ scheideschicht ist eine kumulative Schicht von einzelnen schmelzübertragenen Abscheidungen, die entstehen, wenn die Funkenentladungsfläche über die Oberfläche 8A bei der Be­ wegung der Elektrodenteile 6 darüber weitergeführt wird, während nacheinander Funkenentladungen über der sich ver­ schiebenden Grenzfläche erzeugt werden, und daher ist die Abscheideschicht üblicherweise durch die Bildung geringer Oberflächenunregelmäßigkeiten gekennzeichnet. Diese Unregel­ mäßigkeiten werden wirksam durch das System gemäß der Erfin­ dung verringert, wonach das durch die sich drehenden einzel­ nen Teile 6 gebildete Elektrodenorgan zum Abschleifen der Funkenabscheidungs- oder funkenabgeschiedenen Schicht (oder funkenerhitzten Schicht) dank des "Schlag-" und "Klopf-" Effekts, den sie einzigartig auf der Entladefläche 8A lie­ fern, geeignet ist, wodurch ein hochgradig befriedigendes Polieren oder eine endbearbeitete Oberfläche erhalten wird. Die Funkenabscheidungs- oder metallurgische Oberflächenbe­ handlung und die einzigartige Schleifwirkung werden gleich­ zeitig bewirkt, wenn die sich drehenden Elektrodenteile 6 und das oberflächenzubehandelnde Werkstück 8 unter gegenseitiger Gleitverschiebung sind.

Wenn die Oberflächenunregelmäßigkeiten beim Funkenentladungs- oder -behandlungsverfahren wachsen, wird typisch die fortge­ setzte Abscheidung oder Behandlung schwierig, und es ist so­ gar möglich, daß weitere Funkenentladungen oder die fortge­ setzte Einwirkung von Bearbeitungsimpulsen zum Abstreifen der abgeschiedenen oder behandelten Schicht führen. Solche Nach­ teile werden wirksam durch die erwähnte Abschleifwirkung der Elektrodenteile 6 ausgeschaltet, die dazu dient, die funken­ beaufschlagten Flächen glatt zu halten und die materialbe­ schichteten oder besonders metallurgisch veränderten Ober­ flächenbereiche dynamisch zu glätten. Dies ermöglicht eine fortgesetzte Übertragung des Elektrodenmaterials 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 Apsekt dargestellt. Bei diesen System wird der Zustand des Schleif­ kontakts zwischen den sich drehenden Teilen 6 und dem Werk­ stück 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 Hand oder automatisch erfolgen. Im letzteren Fall wird vorteilhaft ein numerisches Steuergerät bekannter Bauart vor­ gesehen, um die Relativverschiebung längs eines programmierten Vorschubweges zu bewirken.

Im Lauf des Betriebs bewirkt eine Änderung des Kontaktdrucks des sich drehenden Elektrodenarbeitsgangs 5, also der elektrisch leitenden, länglichen Teile 6 gegen die Oberfläche 8A eine Unregelmäßigkeit im Abschleifen, die zu einer Unregelmäßig­ keit der einwirkenden Bearbeitungsimpulse führt. Diese Ände­ rung 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 Kon­ taktwiderstand mit dem Abfall der Andruckkraft wächst, erhöht sich der Bearbeitungstrom von der Stromquelle 9, der durch den Widerstand 12 strömt, und der Spannungsabfall am letzteren wächst. Folglich bewirkt der gesteigerte Kontaktdruck einen geringeren Widerstand, der als gesteigerte Spannung am Wider­ stand 12 gemesen wird. Der Steuerkreis 11 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-Aus­ dehnung der sich drehenden länglichen Teile 6, was seiner­ seits zu einem gesteigerten Anpreßdruck gegen die berührte Oberfläche 8A führt, und umgekehrt. In dieser Weise wird eine Konstanz des Abschleifdrucks zwischen dem Elektrodenarbeits­ organ 5 und der Oberfläche 8A, die zum Erhalten eines gleich­ mäßigen "Schlag-" oder "Klopf-"Effekts erforderlich ist, gesichert, wodurch eine fortgesetzte Oberflächenbehandlung bzw. Materialabscheidung in stabiler Weise mit vergleichmäßig­ ter 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 Kon­ taktdruck 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 Druckfühler­ mittel, wie z. B. ein piezoelektrisches Element, an einer ge­ eigneten Werkzeugstelle angeordnet werden, 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.

Beim Materialabscheideverfahren 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 sein, und diese Materialien sind besonders vorteilhaft, wenn ein Eisenwerkstück 8 durch Ab­ scheidung oder Behandlung oberflächenzuhärten ist. Diese Ma­ terialien können auch in der Form eines Pulvers, von Schuppen oder einer Paste zugeführt werden, die zu schmelzen und auf der Werkstückoberfläche 8A abzuscheiden sind. 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 Be­ standteil, wie z. B. Kohlenstoff, Aluminium oder Stickstoff enthält, der in das Substrat des Werkstücks 8 einzudiffundieren ist.

Beispiel I

Elektrisch leitende, längliche Teile bestehen aus Wolframkar­ bid 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 20 000 U/min durch einen Motor geeignet befunden werden. Wenn Arbeitsimpulse eines Spitzen­ stroms Ip von 80 A und einer Impulsdauer τ_on von 60 bis 50 µs zur Funkenabscheidung des Elektrodenmaterials auf einem Eisenwerkstück verwendet werden, hat die behandelte Ober­ fläche eine Oberflächenrauhigkeit von 10 µRmax. Die Ab­ scheidegeschwindigkeit ist vier- bis fünfmal größer als mit dem herkömmlichen Vibrations- oder Rotationssystem. Nach die­ sem 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 Oberflächenbehandlung auf der behandel­ ten Oberfläche beobachtet. Dieser Abschlußbetrieb kann unter veränderten Funkenbedingungen ablaufen. Wenn Arbeitsimpulse einen Spitzenstrom Ip von 50 A und eine Impulsdauer von 2 µs haben und die Teile sich mit 10 000 U/min drehen, hat die abgeschiedene Oberfläche eine 6 µRmax verbesserte Ober­ flächenrauhigkeit.

In Fig. 5 ist eine bevorzugte Form der Arbeitsimpulse darge­ stellt, die erfindungsgemäß verwendet werden kann. Die Ar­ beitsimpulse umfassen eine Abfolge von Impulsreihen, die für sich aus elementaren Impulsen einer bestimmten Einschalt­ zeit τ_on und Ausschaltzeit τ_off bestehen und eine Einschalt­ dauer Ton haben, wobei die aufeinanderfolgenden Reihen durch ein Ausschaltzeitintervall Toff getrennt sind. Die Einschalt­ zeit τ_on der elementaren Impulse liegt im Bereich von 1 bis 500 µs, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 100 µs, während die Ausschaltzeit τ_off im Bereich von 10 bis 100 µs liegt. Der Spitzenstrom der elementaren Impulse reicht von 50 bis 100 A. Die Impulsreihendauer Ton reicht von 0,1 bis 100 s, während das Ausschaltzeitintervall Toff im Bereich von 0,05 bis 50 s liegt. So liefern die elementaren Impulse mit τ_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 Behand­ lungsgeschwindigkeit und zu einer günstigeren Oberflächenrauhigkeit. Während des Ausschaltzeitintervalls dient die Abschleifwirkung durch die sich weiter drehenden Elektrodenteile wirksam zur Reaktivierung und Glättung der materialbeschichteten oder entladungsveränderten Oberfläche, wodurch auch die fortge­ setzte Abscheidung oder Oberflächenbehandlung bis zu größerer Dicke erleichtert wird. Das Stromausschaltzeitintervall wirkt auch zur Lösung irgendeines fortdauernden Lichtbogens, der während der vorherigen Impulsreihenperiode aufgetreten sein kann, und ermöglicht eine wirksame Kühlung der entladungs­ erhitzten Fläche, so daß die Materialbeeinträchtigung auf­ grund einer Überhitzung an der Werkstückoberfläche vorteil­ haft vermieden wird.

Beispiel II

Eine Funkenentladungs-Abscheideelektrode ist aus zwölf Teilen von Wolframkarbiddrähten mit 0,5 mm Durchmesser gebildet, die in der zuvor beschriebenen Weise zusammengesetzt sind, und wird mit 8500 Uamin gedreht und in Kontakt mit einem Eisen­ werkstück gebracht. Arbeitsimpulse mit einer Folge von Im­ pulsreihen mit den Impulsparametern: τ_on=80 µs, τ_off=15 µs, Ip=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 µm bei einer Oberflächenendgüte (Rauhigkeit) von 10 bis 50 µRmax erreicht, welche Werte sehr vorteilhaft im Vergleich mit entsprechend herkömmlich erreichbaren Werten von 5 bis 15 µm und 50 bis 100 µRmax sind.

Gemäß einem ausgestaltenden Merkmal der Erfindung können die elektrisch leitenden, länglichen Teiel 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 leiten­ den, länglichen Teile 6 zum größeren Teil aus Teilen aus oder Verbundteilen aus einem oder mehreren Stoffe, deren Abschei­ dung von primärem Interesse ist, und zusätzlich aus Teilen oder aus zusammengesetzten Teilen aus einem oder mehreren Stoffen, die mit dem primären Stoff legierbar oder anderweitig verbindbar sind, 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 Werkstückober­ fläche aus der Elektrode oder das wenigstens teilweise von der unzureichenden Diffusionsbindung zwischen dem Elektroden­ material und dem Werkstücksubstratmaterial verursachte Pro­ blem, die Schwierigkeit der Materialkombination zwischen den vorher aufgebrachten Abscheidungen und den nachher aufge­ brachten und die Schwierigkeit der Erzielung eines bestimmten Mindestausmaßes der Oberflächenunregelmäßigkeiten, die im besten Fall erhältlich sind, zu überwinden.

Gemäß Fig. 4 kann der größte Teil der elektrisch leitenden, länglichen Teile 6(1) so beispielsweise aus WC-Co zusammen­ gesetzt 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, B₄C oder BN als einem erwünschten Abscheidematerial zusammengesetzt sind, der Teil oder die Teile 6(2) aus Ag, Ni, Cu, Fe, Au, Cr, Co und Mn einzeln oder in Kombination zusammengesetzt sein. Die rela­ tiven Zahlen der Teile 6(1) und 6(2) und deren Anordnung wer­ den in Abhängigkeit von einer besonderen Art des Basismaterials und der besonderen Art der gewünschten Abscheidung ausgewählt. 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 Dreh­ zyklus des Elektrodenarbeitsorgans 5 über. Als Ergebnis wird eine Ni-Schicht zwischen angrenzenden WC-Co-Schichten gebil­ det und ergibt eine Diffusionsbindung zwischen ihnen. Zu­ sätzlich 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 Ver­ schmelzung damit zur Verdichtung der Abscheidung des Auf­ tragsmaterials.

Der Anteil der Teile 6(1) des Überzugsmaterials relativ zu den Teilen 6(2) des Legierungs- oder Verbindungsmaterials wird zur Erzielung eines optimalen Ergebnisses gewählt. Bei­ spielsweise 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.

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 Impuls­ bedingungen: Ip=80 A, τ_on=50 µs und τ_off=30 µs zur Einwirkung gebracht werden, wird das Elektrodenmaterial auf der Werkstückoberfläche mit einer Geschwindigkeit von 22 mg/min·cm² abgeschieden, die mehr als zehnmal höher als die der Abschei­ dung mit einem herkömmlichen Vibrations- oder Rotations­ elektrodensystem ist.

Es sei bemerkt, daß verschiedene Kombinationen von primären Abscheidestoffen und Hilfsstoffen nicht auf die vorher ange­ gebene 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 Le­ gierungs- oder Verbundschicht kann auf einer Werkstückober­ fläche durch Funkenentladungs-Schmelzübertragung der Bestand­ teilsstoffe vorgesehen werden, die einzeln die getrennten elektrisch leitenden, länglichen Teile zusammensetzen.

Während die besondere Bedeutung der Wolframkarbid-Funkenab­ scheidung lange anerkannt wurde und diese nach dem hier offenbarten Verfahren und mit der hier offenbarten Vorrichtung sehr vor­ teilhaft durchführbar ist, ist die Erfindung ebenso auch zur Funkenhärtung unter Verwendung anderer Materialien mit aus­ gezeichneten Ergebnissen, wie vorstehend beschrieben, anwend­ bar. Sie ist auch nicht nur zur Oberflächenhärtung, sondern auch für verschiedene andere Zwecke einschließlich der Auf­ bringung von korrosionsbeständigen und abriebbeständigen Überzüge (z. B. Stellitabscheidung) anwendbar. Außerdem können handelsübliche Klaviersaiten, Hartstrahldrähte und Manganstahldrähte leicht als Elektrodenteile zur metallur­ gischen Oberflächenbehandlung eines Stahlwerkstücks verwendet werden, das vorab spanabhebend bearbeitet oder verformt wurde.

Es ist auch zu erwähnen, daß die Erfindung eine Funkenab­ scheidung oder -behandlung auch über räumlich begrenzten Flächen, wie z. B. einer Ausnehmung, ermöglicht, die praktisch mit einem herkömmlichen Vibrations- oder Rotationselektroden­ werkzeug nicht zugänglich sind.

Die Erfindung bietet somit ein verbessertes Verfahren zur Funkenentladungs-Oberflächenbehandlung elektrisch leitender Werkstücke sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver­ fahrens, die eine erhöhte Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine bessere Oberflächenendbearbeitung, eine leichte Durchführbar­ keit der Bearbeitung, eine feste Materialabscheidung, eine verbesserte Betriebsstabilität und andere Vorteile liefern.

Claims (19)

1. Verfahren zur Funkenentladungsbehandlung einer Oberflä­ che eines elektrisch leitenden Werkstücks mit Hilfe einer an einem Drehschaft eines Motors fest montierten über die Werkstückoberfläche verschieblichen, pinsel­ förmigen Elektrode, deren koaxial zur Drehschaftachse rotationssymmetrisch angeordneten, endständigen elek­ trisch leitenden, länglichen Teile bei Drehung der Elektrode mit einer eine der Außenflächen des Rota­ tionskörpers bildenden Fläche gegen das Werkstück ge­ drückt werden, während ein elektrischer Strom zwischen ihnen und dem Werkstück angelegt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrodenachse parallel zur Werkstückoberflä­ che angeordnet wird und
daß die bei ruhrender Elektroder (5) einen zum Elektro­ denende hin konvergierenden rotationssymmetrischen Körper bildenden länglichen Teile (6) der Elektrode bei deren Drehung einen gegen die Werkstückoberfläche schlagenden zylindrischen oder zum Elektrodenende hin divergierenden rotationssymmetrischen Körper bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Drehschaft (2) im Bereich von 50 bis 20 000 U/min liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdruck zwischen den sich drehenden, läng­ lichten Teilen (6) und dem zu behandelnden Werkstück (8) konstant gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdruck durch Überwachen des elektrischen Widerstands oder der Impedanz zwischen den länglichen Teilen (6) und dem Werkstück (8) erfaßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdruck durch Überwachen des Drehmoments des Motors (7) erfaßt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdruck über die Motor-Drehzahl gesteuert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdruck über das Motor-Drehmoment ge­ steuert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den elektrischen Strom in Form einzelner Impulse verwendet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Impulse in der Form eines Folge von Impuls­ reihen zuführt, von denen jede Reihe aus einer Anzahl von elementaren Impulsen bestimmter Einschaltzeit und Ausschaltzeit besteht und eine bestimmte Dauer hat, wobei aufeinanderfolgende Reihen durch eine bestimmte Unterbre­ chungspause getrennt sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die elementaren Impulse mit einer Einschaltzeit im Bereich von 1 bis 500 µs und einer Ausschaltzeit im Bereich von 10 bis 100 µs verwendet und die Impuls­ reihen mit einer Dauer im Bereich von 0,1 bis 100 s und einer Unterbrechungspause im Bereich von 0,05 bis 50 s ein­ setzt.

11. Verfahren nach Anspruch 8, 13 oder 10 dadurch gekennzeichnet, daß man Impulse mit einem Spitzenstrom im Bereich von 50 bis 100 A verwendet.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer an einem Drehschaft (2) eines Motors (7) fest montierten, über die Werk­ stückoberfläche (8A) verschieblichen, pinselförmigen Elektrodeneinheit (1), deren koaxial zur Drehschaft­ achse (2a) rotationssymmetrisch angeordneten, endstän­ digen, elektrisch leitenden, länglichen Teile (6) bei Drehung der Elektrodeneinheit (1) mit einer eine der Außenflächen des Rotationskörpes bildenden Fläche ge­ gen das Werkstück (8) drückbar sind, und einer Strom­ quelle (9) zur Erzeugung von Funkenentladungen zwi­ schen den länglichen Teilen (6) und dem Werkstück (8), dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenachse parallel zur Werkstückoberflä­ che (8A) positionierbar ist und daß die bei ruhender Elektrode (5) einen zum Elektrodenende hin konvergie­ renden rotationssymmetrischen Körper bildenden längli­ chen Teile (6) der Elektrode (5) bei deren Drehung zu einem gegen die Werkstückoberfläche (8A) schlagenden, zylindrischen oder zum Elektrodenende hin divergierenden rotationssymmetrischen Körper aufweitbar sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die länglichen Teile (6) sämtlich eine Durchmesser­ abmessung im Bereich von 0,1 bis 2 mm aufweisen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesserabmessung 0,1 bis 1 mm beträgt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die länglichen Teile (6) in einer Anzahl von 2 bis 20 längs eines Kreises (6a) angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die länglichen Teile (6) einzeln in einer Länge (l in mm) vom Drehschaft (2) vorragen und längs eines Kreises (6a) eines Durchmessers (D in mm) angeordnet sind und das Verhältnis (l/D) wenigstens 0,5 bis 1 be­ trägt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (D) des Kreises (6a) im Bereich von 2 bis 8 mm liegt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der größere Anteil der länglichen Teile (6(1)) aus einem zur Abscheidung auf der Werkstückoberfläche (8A) ausgewählten Material und deren Rest (6(2)) aus wenig­ stens einem von diesem Material verschiedenen Stoff be­ stehen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus der aus Metallkarbid, Borkarbid und Bornitrid bestehenden Gruppe gewählt ist und der wenigstens eine Stoff aus der aus Silber, Nickel, Kupfer, Eisen, Gold, Chrom, Kobalt und Molybdän bestehenden Gruppe gewählt ist.