DE3032604A1

DE3032604A1 - Verfahren und vorrichtung zum elektroerosiven bearbeiten

Info

Publication number: DE3032604A1
Application number: DE19803032604
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Tokyo Inoue
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1979-08-30
Filing date: 1980-08-29
Publication date: 1981-03-19
Also published as: HK53585A; GB2060459A; GB2060459B; IT8049588A0; IT1127549B; SG31385G; FR2464120A1; US4393292A; FR2464120B1

Description

Inoue-Japax Research Incorporated 5289 Aza Michimasa, Nagatsudamachi, Midoriku, Yokohamashi, Kanagawaken, Japan

Verfahren und Vorrichtung zum elektroerosiven

Bearbeiten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektroerosiven Bearbeiten (EDM-Bearbeiten), bei dem eine Werkzeugelektrode neben einem Werkstück an einem mit einem Fluid gefüllten Bearbeitungsspalt liegt, und bei dem eine Reihe elektrischer Entladungsimpulse zwischen die Werkzeugelektrode und das Werkstück an den Bearbeitungsspalt gelegt wird, um vom Werkstück Material abzutragen oder zu entfernen. D. h., die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektroerosiven Bearbeiten, durch das in einem Werkstück ein kleiner und tiefer Hohlraum, ein Loch oder eine Durchgangsöffnung erzeugt wird.

Die Erzeugung eines kleinen und tiefen Loches oder einer Durchgangsöffnung eines Durchmessers von z. B.

581-(A 843)-E

130012/0788

1 ram oder weniger und eines großen Verhältnisses der Tiefe zum Durchmesser wird industriell oft benötigt. Z. B. ist es wünschenswert, ein derartiges Loch oder Öffnungen herzustellen, um Einziehwerkzeuge, Kraftstoff-Einspritzdüsen in einem Dieselmotor und Faserspinndüsen vorzubereiten, und auch um ein Basisloch in einem Werkstück zu bilden, das durch eine Laufdraht- oder eine Drahtschneid-EDM-Operation zu bearbeiten ist. Es hat sich allgemein gezeigt, daß ein Bearbeiten dieser Löcher, Öffnungen oder Hohlräume durch elektroerosives Bearbeiten mit begrenzten Vorteilen infolge verschiedener notwendiger komplizierter Maßnahmen und Bearbeitungszubehör erzielt werden kann. Eine vergleichsweise lange Bearbeitungszeit ist dann auch notwendig für eine vergleichsweise geringe Men- · ge einer Materialabtragung, und diese Anforderungen werden oft ein Hinderungsgrund, um eine Anwendung der EDM-Technik zum Bearbeiten kleiner und tiefer Lochbildungen zu rechtfertigen, was insbesondere dann gilt, wenn das Bearbeiten auf Massenfertigungsbasis erfolgt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektroerosiven Bearbeiten anzugeben, so daß ein kleines und tiefes Hohlraumloch oder eine Durchgangsöffnung einfach und schnell in einem Werkstück herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in einem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem elektroerosiv ein kleiner und tiefer Hohlraum, ein Loch oder eine Durchgangsöffnung, im folgenden kurz "Loch" genannt, in oder durch ein Werkstück eingebracht wird, wobei das Loch einen Durchmesser von 1 mm oder weniger und ein Verhältnis der Tiefe zum Durchmesser von wenigstens 5, vorzugsweise wenigstens 10, aufweist, gelöst durch:

130012/0788

Anordnen einer dünnen und länglichen Rohrelektrode neben dem Werkstück an einem Bearbeitungsspalt,

Einspeisen eines Wasser-Bearbeitungsfluids vorzugs-

4 weise eines spezifischen Widerstandes über 10 Ohm · cm durch die Rohrelektrode in den Bearbeitungsspalt bei

2 einem Druck von wenigstens 20 kp/cm , vorzugsweise 25

2 2

kp/cm , insbesondere vorzugsweise 40 kp/cm ,

Einspeisen einer Reihe von Bearbeitungsimpulsen zwischen die Rohrelektrode und das Werkstück, um zeitlich beabstandete elektrische Entladungen durch den Bearbeitungsspalt hervorzurufen, wodurch Material vom Werkstück abgetragen wird, und

Vorrücken der Rohrelektrode bezüglich deren Längsrichtung in das Werkstück.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vorrichtung zum elektroerosiven Bearbeiten eines kleinen und tiefen Loches in oder durch ein Werkstück vorgesehen, wobei das Loch einen Durchmesser von 1 mm oder weniger und ein Verhältnis der Tiefe zum Durchmesser von wenigstens 5, vorzugsweise wenigstens 10, aufweist; diese Vorrichtung hat:

eine dünne und längliche Rohrelektrode, die neben dem Werkstück an einem Bearbeitungsspalt angeordnet werden kann,

eine Zufuhr- und Pumpeinrichtung zum Einspeisen eines Wasser-Bearbeitungsfluids, vorzugsweise eines spezifischen Widerstandes über 10 Ohm * cm, durch die Rohrelektrode in den Bearbeitungsspalt bei einem Druck von

2 2

wenigstens 20 kp/cm , vorzugsweise 25 kp/cm , insbeson-

130012/0788

2
dere vorzugsweise 40 kp/cm ,

eine Strom- bzw. Spannungsversorgungseinrichtung zum Anlegen einer Reihe von Bearbeitungsimpulsen zwischen die Rohrelektrode und das Werkstück, um zeitlich beabstandete elektrische Entladungen durch den Bearbeitungsspalt zu erzeugen, wodurch vom Werkstück Material abgetragen wird, und

eine Antriebseinrichtung zum relativen Verschieben der Rohrelektrode und des Werkstückes, damit die Rohrelektrode in ihrer Längsrichtung in das Werkstück vorrückt, so daß darin oder durch dieses das Loch entsteht.

Vorzugsweise sind ein Verfahrensschritt oder eine Einrichtung vorgesehen, um der Rohrelektrode eine Ultraschallschwingung aufzuprägen, deren Frequenz vorzugsweise in einigen Anwendungen kleiner als 30 kHz, in einigen anderen Anwendungen über 50 kHz und in noch weiteren Anwendungen zwischen 1 und 10 MHz liegt.

Die Schwingungsenergie der auf die Rohrelektrode übertragenen Ultraschallschwingung kann bei 0 oder einem verringerten Wert gehalten werden, solange die Bearbeitung unter befriedigenden Spaltbedingungen fortschreitet, und sie kann erhöht werden, wenn der Spaltzustand in unbefriedigende Bedingungen verändert wird. Die Schwingung kann auf die Rohrelektrode in deren Axialrichtung übertragen werden; sie wird jedoch vorzugsweise quer zur Achse der Rohrelektrode übertragen.

Das Wasser-Bearbeitungsfluid kann destilliertes Wasser mit einem spezifischen Widerstand über 10 0hm * cm sein, und es ist vorzugsweise eine Einrichtung vorgesehen, um dessen Temperatur bei einem vorgewählten Wert oder in

130012/0788

einem vorgewählten Bereich zu halten.

Der erhöhte Abgabedruck des Wasser-Bearbeitungsfluids wird vorzugsweise kontinuierlich oder in mehreren Stufen mit steigender Bearbeitungstiefe des Loches erhöht.

Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, die Menge des zum Bearbeitungsspalt gespeisten Wasser-Bearbeitungsfluids im wesentlichen auf dem zwei- oder mehrfachen Wert der Menge der im Bearbeitungsspalt erzeugten Gase zu halten.

Mit fortschreitendem Bearbeiten oder Bohren des Loches in das Werkstück mit der Rohrelektrode wird leicht ein mit dem Werkstück einheitlicher Vorsprung im Bohrloch aufgebaut. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Innendurchmesser der Rohrelektrode so dimensioniert, und die elektrischen Bearbeitungsbedingungen in der Strom- bzw. Spannungsversorgung

vorzugsweise
werden/so eingestellt, daß das Verhältnis l'/l nicht größer als 1/5 ist, wobei 1 die Tiefe des bearbeiteten Loches und 1' die Höhe des im Loch erzeugten Vorsprunges sind.

Die Zufuhr- und Pumpeinrichtung umfaßt in einer

Weiterbildung der Erfindung eine Wasserzufuhrpumpe mit

2 einem Abgabedruck von wenigstens 20 kp/cm , vorzugswei-

2 2

se 25 kp/cm und insbesondere vorzugsweise 40 kp/cm , eine druckfeste Leitereinrichtung zum Einspeisen des von der Pumpe abgegebenen Wassers durch die Rohrelektrode in den zwischen dieser und dem Werkstück gebildeten Bearbeitungsspalt und einen Hochdruck-Sammelbehälter oder -Akkumulator, der mit der druckfesten Leitereinrichtung zwischen der Pumpe und der Rohrelektrode gekoppelt ist.

130012/0788

Die Erfindung sieht also ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektroerosiven Bearbeiten eines kleinen und tiefen Loches eines Durchmessers von 1 mm oder weniger und eines Verhältnisses der Tiefe zum Durchmesser von wenigstens 5 in oder durch ein Werkstück vor, wobei ein Wasser-Bearbeitungsfluid-Medium mit einem spe-

zifischen Widerstand von wenigstens 10 Ohm · cm verwendet und durch eine längliche Rohrelektrode in den Be-

2 arbeitungsspalt bei einem Druck von wenigstens 20 kp/cm ,

vorzugsweise 40 kp/cm , gepumpt wird. Eine Ultraschall-Schwingung wird auf die längliche Rohrelektrode in Längsoder Querrichtung hierzu übertragen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2A einen schematischen Längsschnitt einer Rohrelektrode, einer Halterung hiervon und eines Teiles eines Ultraschall-Schwingungsarmes oder -homes in der Vorrichtung der Fig. 1,

Fig. 2B einen Schnitt, der schematisch eine Elektroden-Justierführung in der Vorrichtung der Fig. 1 zeigt,

Fig. 2C einen Längsschnitt 2C-2C in Fig. 2B,

Fig. 3 eine schematische Darstellung, die im wesentlichen in Blockform ein

130012/0788

Wasser-Bearbeitungsfluid-Zufuhrsysteiti zeigt, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Fig. 1 oder sonst in anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendbar ist,

Fig. 4 ein Kurvendiagramm mit typischen Bearbeitungskennlinien, die mit dem erfindungsgemäßen elektroerosiven Bearbeiten erzielt werden,

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt einer bevorzugten Anordnung zur übertragung einer Ultraschall-Schwingung auf eine Rohrelektrode nach der Erfindung,

Fig. 6A Draufsichten, die schematisch bestimmte und 6B erfindungsgemäße Ausfuhrungsformen zeigen, in denen der Ultraschallarm in Eingriff mit der Werkzeugelektrode vorgesehen ist,

Fig. 7 eine schematische Darstellung mit einer Vorrichtung nach einer Weiterbildung der Erfindung einschließlich eines Ultraschall-Schwingungssystemes zum Steuern der Amplitude der auf die Rohrelektrode übertragenen Schwingung abhängig vom Bearbeitungsspalt-Zustand,

Fig. 8 ein Signaldiagramm zur Erläuterung einer abgewandelten Reihe von Schwingungssignalen, die nach der Erfindung auf die Rohrelektrode zu übertragen sind,

130012/0788

Fig. 9 ein Diagramm, das einen Vergleich der mit dem System der Fig. 7 erhaltenen Bearbeitungskennlinien und den Bearbeitungskennlinien beim Stand der Technik angibt,

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung einschließlich einer Signa-lquelle zum Erregen der EDM-Spannungs- bzw. Stromversorgung und des Ultraschall-Schwingers nach einer Weiterbildung der Erfindung,

Fig. 11 ein Signaldiagramm zur Erläuterung einer Reihe von Signalimpulsen in zeitlich beabstandeten Folgen, die von der Signalquelle der Fig. 10 erzeugt sind,

Fig. 12 eine schematische Darstellung einer

Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Ändern der Amplitude der Ultraschall-Schwingung gemäß Bearbeitungszwecken nach einer Weiterbildung der Erfindung,

Fig. 13 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Ändern der Amplitude der Ultraschall-Schwingung abhängig vom Fortschreiten einer EDM-Operation nach einer Weiterbildung der Erfindung,

Fig. 14 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Ändern der Amplitude der Ultraschall-Schwingung zusammen mit Änderungen in Bearbeitungsbedingungen in

130012/0788

einem gegebenen Ablauf von EDM-Operationen einschließlich eines Grob- und Endbearbeitens gemäß einem weiteren speziellen Merkmal der Erfindung,

Fig. 15 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer Schwingeranordnung einschließlich eines Hochfrequenz-Schwingers und eines Niederfrequenz-Schwingers zum Übertragen einer zusammengesetzten Schwingung auf die Bearbeitungselektrode nach einer Weiterbildung der Erfindung,

Fig. 16 eine schematis-che Darstellung, die eine Abwandlung der Anordnung von Fig. 15 angibt,

Fig. 17 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbar ist,

Fig. 18, schematische Darstellungen, die verschie- und dene Anordnungen mit einer EDM-Strom- bzw. Spannungsquelle und einem Reihen-L/C-Glied am Bearbeitungsspalt zeigen, der in Resonanz mit dem Ausgang der Strom- bzw. Spannungsquelle arbeitet, um eine Ultraschall-Schwingung zu erzeugen und diese Schwingung auf den Bearbeitungsspalt zu übertragen, gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung, und

Fig. 21 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, in der die längliche Bearbeitungselektrode kontinuierlich ist und in

130012/0788

30326Q4

die Bearbeitungszone kontinuierlich oder nacheinander geführt wird, gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung.

In der Fig. 1 verwendet eine Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Werkzeugelektrode 1 in der Form eines schlanken Rohres oder eines dünnen Rohrdrahtes. Die Rohrelektrode 1 kann aus Kupfer, Messing oder jedem anderen geeigneten Material bestehen, und sie kann einen Außendurchmesser von 0,5 mm, einen Innendurchmesser von 0,275 mm und eine Länge von 400 mm aufweisen.

Die Elektrode 1 ist durch einen Elektrodenhalter mit einer Spanneinrichtung 2a gelagert, wie dies in Fig. 2A gezeigt ^st^per Elektrodenhalter 2 erstreckt sich von einem Arm/3 einer Ultraschall-Anordnung 4, die einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Wandler 4a aufweisen kann, der durch eine Hochfrequenz-Wechselstromversorgung oder eine Impulsquelle 4b mit einer Ausgangsfrequenz von beispielsweise 20 bis 30 kHz erregt ist. Wie in der Fig. 2A dargestellt ist, wird der Arm 3 mit einem Innenhohlraum 3a ausgeführt, der sich in dessen Längsrichtung erstreckt und in dem das Ende der Elektrode 1 erreicht wird, wo dieses dicht durch einen Dichtungsring 3b gehalten ist.

Der Arm 3 hat auch einen Flüssigkeits-Zufuhr-Stöpsel 5, der mit einer (nicht gezeigten) Quelle eines Wasser-Bearbeitungsfluids über eine flexible und druckfeste (nicht gezeigte) Fluidleitung in Verbindung steht und zum Hohlraum 3a offen ist, um das Wasser-Bearbeitungsfluid unter einem erhöhten Druck in die Rohrelektrode zu fördern.

130012/0788

Die die Elektrode 1 tragende Schwinger- und Armanordnung 3, 4 ist durch einen Stößelkopf 6 gelagert, der an einem (nicht gezeigten) Maschinengestell befestigt ist, das seinerseits aufrecht auf einem (nicht gezeigten) Maschinenbett angebracht ist. Der Kopf 6 enthält eine Servoeinheit 7, die die Anordnung 3, 4 vertikal oder entlang der Z-Achse und damit die Elektrode in deren Längsrichtung verschieben kann.

Eine Unterlage 8 auf dem Maschinenbett trägt einen Arbeitstisch 10, der seinerseits ein Werkstück 11 lagert, das darauf mittels einer Klemme 12 festgelegt ist. Der Arbeitstisch 10 ist in der Form eines Kreuztisches mit zwei Servomotoren 9x und 9y und so auf der Unterlage in einer X-Y-Ebene senkrecht zur Z-Achse antreibbar, um die Stellung des Werkstückes 11 bezüglich der Achse der Elektrode 1 einzustellen. Für eine genaue axiale Justierung ist die Elektrode 1 gleitend entlang eines Teiles ihrer Länge auf der Bearbeitungsseite durch eine Spanneinheit oder einen Halter 13 geführt, der auf der Unterlage 8 mittels eines L-förmigen Armes 13a gesichert ist.

Eine Strom- bzw. Spannungsquelle 15 zum Erzeugen einer Folge von Bearbeitungsimpulsen ist mit einem Anschluß elektrisch an die Werkzeugelektrode 1 über die Führungseinheit 13 und mit dem anderen Anschluß elektrisch an das Werkstück 11 über die Klemme 12 angeschlossen. Für einen Bearbeitungsbetrieb für ein kleines und tiefes Loch ist es wünschenswert, Bearbeitungsimpulse einer Zeitdauer im allgemeinen nicht größer als 30 ,us und vorzugsweise um 5 ,us zu besitzen, und die Strom- bzw. Spannungsquelle 15 kann einen Kondensator einer Kapazität von 0,1 bis 1 /UF besitzen, der am Bearbeitungsspalt G liegt.

130012/0788

Die Servomotoren 9x und 9y können jeweils einen Schrittmotor oder einen mit einem Codierer und/oder einem Stufengenerator ausgestatteten Gleichstrommotor haben, und sie können durch eine numerische Steuereinheit (NC-Einheit) 14 betrieben werden, um automatisch die Elektrode 1 bei einer oder mehreren vorbestimmten Bearbeitungsstellungen auf dem Werkstück 11 zu justieren.

In den Fig. 2B und 2C hat die Elektroden-Justier-Spanneinheit 13 einen Außenzylinder 13b und einen Innenzylinder 13c, die im allgemeinen koaxial zueinander dargestellt sind. Der Außenzylinder 13b ist fest auf dem Arm 13a befestigt und weist wenigstens drei Bolzen oder Schrauben 13d auf, die durch dessen Wand in gleich beabstandeten Stellungen verschraubt sind. Die Enden der Bolzen 13d kommen in Eingriff mit der Außenwand des Innenzylinders 13c, in den drei Pfeiler 13e eng aufgenommen sind, um einen Zwischenabstand zu bilden, der gleitend die Elektrode 1 enthalten kannl Die Berührungsstellen der Bolzen I3d mit dem Innenzylinder 13c sind eingestellt, um die Elektrode 1 in den Abstand aufzunehmen und deren richtige axiale Bearbeitungsstellung innerhalb der Spanneinheit 13 aufzubauen.

Fig. 3 zeigt ein Fluid-Zufuhr- und Umwälzsystem, das zusammen mit der Elektrodenanordnung 1 und dem Bearbeitungsspalt G in der Vorrichtung der Fig. 1 und in anderen weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann. Das System umfaßt einen Behälter 16, der in einen Frischwassertank 16a und einen Abwassertank 16b geteilt ist. Das Abwasser im Tank 16b führt von einem Arbeitstank oder Gehäuse W (zur Vereinfachung in Fig. 1 weggelassen), das vorgesehen ist, um das Werkstück 10 neben der Werkzeugelektrode 1 zu halten. Die Bearbeitungsprodukte, Späne oder Schlamm im

130012/0788

abgeführten Bearbeitungsfluid können sich im Tank 16b absetzen, und das gereinigte Wasser wird durch eine Pumpe 17 abgesaugt und durch eine Ultrafiltriereinrichtung oder ein feines Filter 18 zum Tank 16a gespeist.

Ein Leitfähigkeitssensor 19 überwacht die Leitfähigkeit oder den spezifischen Widerstand des gereinigten Wassers, das im Tank a gespeichert ist. Wenn eine gesteigerte Leitfähigkeit erfaßt wird oder der spezifische Widerstand unter einen voreingestellten Schwel-

4
lenwert von z. B. 4 ' 10 Ohm · cm abfällt, so wirkt der Sensor 19 auf eine Pumpe 20 ein, um das Wasser aus dem Tank 6a abzusaugen und es in Berührung mit einer Eisen-Austauschereinheit in einer Patrone 21 zu bringen, so daß das Wasser stärker destilliert oder weniger leitend wird und dann zum Tank 6a zurückkehren kann. Der Sensor 19 arbeitet kontinuierlich, so daß das Wasser im Tank 6a im wesentlichen auf einem voreingestellten spezifischen Widerstand oder einer voreingestellten Leitfähigkeit oder in einem voreingestellten Bereich des spezifischen Widerstandes z. B. in der Größenordnung

4
von 10 Ohm · cm gehalten werden kann.

Eine Wassertemperatur-Steuereinheit 22 mit einem Temperatursensor 23 und einem (nicht gezeigten) Heizer/ Kühlerelement ist ebenfalls dem Tank 6a zugeordnet, um das Wasser im Tank 6a im wesentlichen bei einer optimalen Temperatur zu halten.

Das Einspeisen des Wasser-Bearbeitungsfluids bei einem erhöhten Abgabedruck gegen den Leitungswiderstand führt im allgemeinen zu einem Anstieg von dessen Temperatur. Ein Temperaturanstieg wird auch durch die Wirkung von Punkenentladungen im Bearbeitungsspalt hervorgerufen. Ein Temperaturanstieg des Wasser-Bearbeitungsfluids be-

130012/0788

dingt auch eine Steigerung in dessen Leitfähigkeit und gleichzeitig einen Abfall in dessen Viskosität. Ein Abfall in der Wassertemperatur verursacht dagegen eine Zunahme in dessen Viskosität, die ihrerseits zu einem größeren Widerstand des Wassers führt, durch den Bearbeitungsspalt zu strömen. Alle diese Tendenzen werden zusammen mit den Elektroden- und Werkstückmaterialien, den gewählten Bearbeitungszwecken und Bearbeitungsbedingungen berücksichtigt, um eine optimale Temperatureinstellung aufzubauen, und es werden die gewünschte Temperatureinstellung und die gewünschte Temperatursteuerung ausgeführt.

Eine einen höheren Nenndruck aufweisende Abgabepumpe 24 mit einem Kolben oder dgl. kann verwendet werden, um das gereinigte Wasser direkt aus dem Tank 16a oder (wie gezeigt) über ein feines Filter 25 mittels einer Hilfspumpe 26 abzusaugen und das Wasser zu der Pluidleitung zu speisen, die mit dem Stöpsel 5 in Verbindung steht. Die Fluidleitung umfaßt ein Absperrventil 27 und vorzugsweise eine Hochdruck-Fluid-Speicherkammer 28 und weiterhin einen Hochdruck-Sammelbehälter 29, der direkt an die Leitung und vorzugsweise an die Kammer 28 angeschlossen ist. Ein Rückschlagventil 30 führt einen Teil der Wasserversorgung zum Tank 16a zurück und ist einstellbar, um einen gewünschten Versorgungsdruck des Wasser-Bearbeitungsfluids zur Werkzeugelektrode 1 und zum Bearbeitungsspalt G aufzubauen und einzustellen. Der Druck wird bei einem Manometer 31 abgelesen. Das Fluidzufuhr- und Leitungssystem ist so ausgelegt, daß eine Abgabe des gewünschten Hochdruck-Wasser-Bearbeitungsfluids auf stabile Weise zum Bearbeitungsspalt über die Werkzeugelektrode 1 gewährleistet ist. Es ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Ver-

130012/0788

fahren wirksam mittels des Fluidzufuhr- und Leitungssystems der Fig. 3 mit der Anordnung der Fig. 1 ausgeführt werden kann.

Beispiel I

Eine rohrförmige Kupferelektrode eines Außendurchmessers von 0/3 mm, eines Innendurchmessers von 0,12 mm und einer Länge von 150 mm wird mit einer allgemein in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Anordnung verwendet, um ein Loch durch ein rostfreies (SUS-304 der japanischen Norm) Werkstück einer Dicke von 0,2 mm zu bohren. Eine verwendete Strom- bzw. Spannungsversorgung ist ein Transistor-EDM-Generator mit einer Kapazität von 0,1 .uF, der zwischen dem Bearbeitungsspalt liegt und eingestellt ist, um Bearbeitungsimpulse mit einer Impulsdauer (T₀-,.) von 6 /US, einen Impulsintervall

) von 2 /Us, einer Leer lauf spannung (Vo) von 100 V, einem Spitzenwertstrom (Ip) von 10 A und einem mittleren Strom (Im) von 2 A zu erzeugen. Das Bearbeitungsfluid ist destilliertes Wasser eines spezifischen Widerstandes von 3,5 · 10 0hm * cm und einer Temperatur von 24 ⁰C; es wird bei verschiedenen Drücken eingespeist. Die Bearbeitungsergebnisse sind durch eine Kurve A im Kurvendiagramm der Fig. 4 gezeigt, in der die Abtragungsgeschwindigkeit (mm/min) auf der Ordinate logarithmisch und der Druck des Wasserfluids auf der Abszisse ebenfalls logarithmisch aufgetragen sind. Entsprechend der Kurve A zeigt das Kurvendiagramm der Fig. 4 auch eine Kurve C mit der Strömungsmenge (cm /min) und eine Kurve D mit der Durchflußleistung (m/s) von Wasser-Bearbeitungsfluid entlang einer zweiten und einer dritten Ordinate, die wiederum beide logarithmisch aufgetragen sind.

130012/0788

Aus den Kurvendiagrammen ist zu ersehen, daß bei bestimmten Bearbeitungsbedingungen die Abtragungsgeschwindigkeit als eine Funktion des Wasser-Fluid-Druckes gegeben ist. Eine Kurve A zeigt, daß die Abtragungsgeschwindigkeit scharf in der Nähe ei-

nes Punktes ansteigt, wo der Druck 10 kp/cm überschreitet, daß sie einen Höchstwert (= 28 mm/min) er-

2 reicht, wenn der Druck ca. 60 kp/cm beträgt, und daß sie dann abfällt, wenn der Druck 70 bis 80 kp/

cm überschreitet, um ggf. auf einem konstanten Pegel gesättigt zu sein. Während bisher noch nicht genau ermittelt wurde, warum das Abfallen eintritt, kann jedoch angenommen werden, daß dieses auf der Energiedichte der Bearbextungsentladungen beruht, die unzureichend sind, um an die gesteigerte Strömungs- bzw. Durchflußmenge oder Durchflußleistung des Fluids angepaßt zu sein. Wenn die Energiedichte durch Ändern eines oder mehrerer Bearbeitungsimpuls-Parameter t_Βι_ηι V_,,_ und Ip und/oder durch Ändern oder Ausschließen

der Kapazität des Kondensators erhöht wird, um den mittleren Strom (Im) zu steigern, so hat sich gezeigt, daß sich der Sättigungsbereich der Abtragungsgeschwindigkeit zur Seite eines höheren Druckes verschiebt, und deren maximal möglicher Pegel wird gesteigert.

Beispiel II

Abweichend vom Beispiel I hat das Wasser-Bearbeitungsfluid eine Temperatur von 60 ⁰C, und die Bearbeitungsimpulse haben eine Impulsdauer (T . ) ^v°n ⁶ /us, ein Impulsintervall (T ) von 2 ,us und einen Spitzen-

clUS /

wertstrom (Ip) von 16 A; außerdem liegt ein Kondensator einer Kapazität von 0,1 ,uF am Bearbeitungsspalt, um den mittleren Strom auf 4 A einzustellen. Es hat sich

gezeigt, daß mit einem Fluiddruck von 100 kp/cm die Abtragungsgeschwindigkeit 40 mm/min erreicht.

130012/0788

In beiden Beispielen I und II haben durch das Werkstück ausgeführte Löcher einen Durchmesser von 0,35 nun mit einem Überschnitt von 0,025 mm und einer Oberflächenrauhigkeit von 5 ,uR . Die relative Elek-

/ max

trodenabnutzung oder die Elektrodenabnutzung geteilt durch die Werkstück-Material-Abtragung ist proportional zum mittleren Bearbeitungsstrom und liegt zwischen 100 und 120 %.

Es hat sich gezeigt, daß Gase in einer Menge von

3
330 bis 350 cm im Bearbeitungsprozeß pro einem Gramm der Materialabtragung des Werkstückes erzeugt werden, wobei ermittelt wurde, daß diese Menge lediglich vom Bearbeitungsfluid abhängt und von den Elektroden- und Werkstück-Materialien sowie von den elektrischen Bearbeitungsbedingungen unabhängig ist. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das Wasser-Bearbeitungsfluid mit zwei- oder mehrfacher Menge oder einem Volumen größer als die erzeugten Gase, d. h. 660 bis einer Materialabtragung, einzuspeisen.

3 als die erzeugten Gase, d. h. 660 bis 700 cm pro 1 Gramm

Beim Bearbeiten eines Loches mit einem größeren Verhältnis der Tiefe zum Durchmesser oder mit einer Elektrode eines größeren Verhältnisses der Länge zum Durchmesser (L/D) hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Bildung eines Vorsprunges einheitlich mit dem Werkstück in dem bearbeiteten Loch zu begrenzen, da dieser einerseits leicht einen Kurzschluß zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück hervorruft und weiterhin andererseits den Durchgang des Wasser-Bearbeitungsfluids durch den Spalt behindert. Vorzugsweise sollte daher die Werkzeugelektrode hinsichtlich ihres Innendurchmessers so bemessen sein, und die Bearbeitungsbedingungen, wie z. B. die Leitfähigkeit des Wasser-Bearbeitungsfluids und die Parameter der Bearbeitungs-Stromimpulse sollten

130012/0788

so eingestellt sein, daß die Bildung des Vorsprunges auf ein kleinstmögliches Ausmaß begrenzt ist.

Beispiel III

' Im Unterschied zum Beispiel I wird eine Ultraschall-Schwingung einer Frequenz von 28 kHz und einer Ausgangsleistung von 20 W auf die Werkzeugelektrode übertragen, und die Bearbeitungsergebnisse sind durch eine Kurve B im Kurvendiagramm der Fig. 4 gezeigt.

Es ist zu ersehen, daß durch Übertragen einer

Ultraschall-Schwingung axial zur Werkzeugelektrode die Abtragungsgeschwindigkeit um einen Faktor oder mehr gegenüber einem Fall ohne Schwingung erhöht wird.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Anordnung 41 zum übertragen einer Ultraschall-Schwingung auf die Werkzeugelektrode. Die Anordnung umfaßt ein Rohr 42 zum koaxialen Aufnehmen der Rohrelektrode 1 und mit einer Endplatte eines hiermit verschweißten Armes 43. Ein Ultraschall-Arm 44 hat eine Spitze 45, die tangential und in leichtem Kontakt an der länglichen Werkzeugelektrode anliegt. Ausführungsformen des Teiles des Armes im Eingriff mit der Werkzeugelektrode sind in den Fig. 6A und 6B gezeigt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6A ist die Spitze 45 auf ihrer Vorderfläche mit einem länglichen V-Schlitz 45a versehen, um gleitend darin die Elektrode 1 aufzunehmen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6B ist die Spitze 45*mit einem V-Schlitz-Ring 45'a ausgestattet, mit dem die Werkzeugelektrode 1 quer zur Achse des Armes 44 in Eingriff gebracht ist.

130012/0788

303260A

In der Anordnung der Fig. 5 bietet das Werkzeug-Hai tere leinen t 42 in vorteilhafter Weise einen Schutz vor einer Beschädigung durch die Ultraschall-Schwingung. Weiterhin kann die Werkzeugelektrode während eines Bearbeitens gedreht werden, ohne die Schwingeranordnung drehen zu müssen.

Beispiel IV

Werkstücke verschiedener Materialien werden mittels Kupferelektroden und den gleichen Bedingungen der elektrischen Impulse wie im Beispiel I bearbeitet/

2 wobei ein Fluid-Druck von 50 kp/cm auf ein Wasser-Bearbeitungsfluid wie im Beispiel I einwirkt und quer zur Elektrode eine Ultraschall-Schwingung mit einer Frequenz von 28 kHz und einer Ausgangsleistung von 20 W übertragen wird. Die Bearbeitungsergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengefaßt.

130012/0788

Tabelle 1

	Werkstück dicke (mm)	♦) (mm/min)	Elektroden- durchmessei (mm)	Abtragungs" geschwin digkeit ♦)	Relative Elektroden abnutzung	. Bemer kungen
Werkstück material	I CVl	0,3	16 ·
SCM	9	0,3	20	40
Bs	6	0,3	15
SK-5	6	0,3	10
WC	30	0,3	17	120
SKD-Il	30 14	0,5 0,3	8 12	120 120	ohne Kondensator
SKD-Il SKD-61	14	0,3	20	80
SUS	9 2	0,5 0,19	19 15	120 40	mit Kondensator
SKD-61 SUS

130012/0788

Es hat sich gezeigt, daß eine Ultraschall-Schwingung bei einer Frequenz im Bereich zwischen 2 bis 30 kHz ähnliche Ergebnisse liefert. Bei einer aus Kupfer-Zink-Legierungen, Wolfram oder Molybdän bestehenden Elektrode und abhängig von den Abmessungen des Außen- und des Innendurchmessers und der Länge der Werkzeugelektrode, den Längen der Elektrode über und unter dem Halter, der Durchflußleistung des Wasser-Bearbeitungsfluids und der Dichte des mittleren Bearbeitungsstromes hat sich gezeigt, daß eine Frequenz im Bereich zwischen 50 kHz und 100 kHz oder eine Frequenz im Bereich zwischen 1 und 10 MHz, z. B. 1,6 MHz, mit 5 W ausreichend sind und sogar zu einem besseren Ergebnis als die Frequenz von 25 kHz mit 10 W führen.

Die Ultraschall-Schwingung kann mittels eines elektrostriktiven oder eines magnetostriktiven Elements erzeugt werden. Außerdem kann- eine Kombination eines elektrischen Feldes und eines magnetischen Feldes verwendet werden. Beim elektroerosiven Bearbeiten wird ein elektrischer Strom durch die Elektrode intermittierend mit einer hohen Frequenz von z. B. 100 kHZ geschickt, und das auf dem Durchgang dieses intermittierenden Stromes beruhende elektrische Wechselfeld kann zusammen mit einem magnetischen Gleichoder Wechselfeld verwendet werden, das von außen senkrecht auf die Werkzeugelektrode einwirkt, um eine Ultraschall-Schwingung der Werkzeugelektrode hervorzurufen.

Es werden so ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum elektroerosiven Bearbeiten ermöglicht, so daß ein Loch eines Durchmessers von 1 mm oder weniger und eines Verhältnisses der Tiefe zum Durchmesser von 5 bis 10 wirksam " eingebracht oder bearbeitet werden kann.

130012/0788

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 7 gezeigt ist, wird ein dünnes Rohr oder eine dünne rohrförmige Drahtelektrode 101, das bzw. die neben einem Werkstück 111 vorgesehen ist, durch eine Spanneinrichtung 102 gelagert, die am Ende eines Armes 103 ausgeführt ist, der durch ein Ultraschall-Schwingelement 104 erregt wird, und ein Hochdruck-Wasser-Bearbeitungsfluid von einer Quelle 115 wird durch einen Stöpsel 105 in die Elektrode 101 eingeführt und zum Bearbeitungsspalt G gespeist, während Bearbeitungsimpulse von einer EDM-Strom- bzw. Spannungsversorgung 115 zwischen der Werkzeugelektrode 101 und dem Werkstück liegen, wie dies oben erläutert wurde. Das Schwingelement 104 wird durch eine Hochfrequenz-Leistungsquelle 150 erregt, um ein Ultraschall-Schwingungssignal zu erzeugen, das durch ein Horn 103 verstärkt und dadurch zur Werkzeugelektrode 1 übertragen wird, damit diese bei einer Frequenz im Bereich zwischen 1 und 1000 kHz schwingt. Die Hochfrequenz-Schwingung der Elektrode 101 dient zur Förderung der Abführung von Bearbeitungsprodukten aus dem Bereich des Bearbeitungsspaltes G, während sofort eine Lichtbogenentladung oder ein Kurzschluß gelöscht wird, wenn diese bzw. dieser zwischen der Werkzeugelektrode 101 und dem Werkstück 111 auftritt, so daß Bearbeitungsentladungen wiederholt über dem Spalt G bei gesteigerter Stabilität erzeugt werden können. Die Amplitude der Schwingung liegt zwischen 3 und 20 ,um.

In dem in Fig. 7 gezeigten System hat die Strombzw. Spannungsversorgungsschaltung einen Spaltspannungsdetektor, der durch einen am Bearbeitungsspalt G liegenden Widerstand 151 gezeigt ist, um den Zustand des Bearbeitungsspaltes G zu überwachen. Somit entsteht ein Signal am Widerstand 151, das die mittlere Bearbeitungsspannung am Spalt G darstellt, und es wird zu einem

130012/0788

Schwellenwertglied 152, ζ. Β. einem Schmitt-Trigger oder einer Kombination von Schmitt-Triggern, gespeist, das einen oder mehrere darin voreingestellte Schwellenwerte und ein zu einem Steuerglied 153 gespeistes Ausgangssignal hat, um die Ausgangsleistung der Hochfrequenz-Strom- bzw. Spannungsversorgung 150 zu steuern. Wenn das Schwellenwertglied 152 eine gesteigerte mittlere Spaltspannung anzeigt, wirkt das Steuerglied 153 auf die Strom- bzw. Spannungsversorgung 150 ein, um deren zum Element 104 gespeiste Ausgangsleistung zu verringern, wodurch die Amplitude einer Schwingung herabgesetzt wird, die auf die Elektrode 101 übertragen ist. Wenn das Schwellenwertglied 152 eine verringerte mittlere Spaltspannung anzeigt, wirkt das Steuerglied 153 auf die Strom- bzw. Spannungsversorgung 150 ein, um deren zum Element 104 gespeiste Ausgangsleistung zu erhöhen, wodurch die Amplitude der auf die Elektrode 101 übertragenen Schwingung vergrößert wird. Eine optimierte Schwingungsart der Elektrode 101 abhängig von der Änderungen im Spaltzustand darstellenden Spaltspannung wird so erzielt. Wenn die Spaltspannung unter einen vorgewählten Wert abfällt, der eine übermäßige Ansammlung von Bearbeitungsprodukten im Spalt G wiedergibt, die zu einer Lichtbogenentladung führen können, so wird die SchwingungsampIitude auf einen höheren Wert,z. B. 10 ,um, vergrößert, um das Abführen der angesammelten Bearbeitungsprodukte zu erleichtern. Die Auswirkung ist insbesondere beim Bohren eines kleinen Loches groß, und es ist möglich, ein kleines Loch in eine größere Tiefe bei verringerter Zeit zu bohren.

Beispiel V

Ein WC-4% Co-Werkstück wird mit einer rohrförmigen Kupferelektrode eines Durchmessers von 0,5 mm und mittels

130 012/0788

eines Wasser-Bearbeitungsfluids eines spezifischen Widerstandes von 10 Ohm * cm bei Raumtemperatur gebohrt. Eine Hochfrequenz-Schwingung bei einer Frequenz von 28 kHz liegt an der Elektrode, und die Bearbeitungsimpulse haben eine Impulsdauer (T.) von 1 ,us, ein Impulsintervall (T_ ) von 3 ,us, einen Spitzenwert-

aus /

strom (Ip) von 20 A und einen mittleren Strom (Im) von 4,5 A. Die Schwingungsart wird abhängig vom Bearbeitungsspalt-Zustand so gesteuert, daß bei überschreiten von 20 V durch die Spaltspannung die Schwingung eine auf 10 bis 20 ,um verringerte Amplitude und bei Unterschreiten von 20 V durch die Spaltspannung die Schwingung eine auf 30 bis 50 ,um gesteigerte Amplitude aufweist. Die Beziehung zwischen der Bearbeitungstiefe und der Bearbeitungszeit ist durch eine Kurve A in der Fig. 9 dargestellt. Eine Kurve B in der gleichen Figur zeigt die entsprechende Beziehung, die auftritt, wenn die Schwingungsamplitude auf einem konstanten Wert im Bereich zwischen 10 und 20 ,um gehalten wird. Es ist zu ersehen, daß die von der Spaltspannung abhängige Amplitudensteuerung ein fortgesetztes Bearbeiten ohne wesentlichen Abfall in der Abtragungsgeschwindigkeit bei einer gesteigerten Bearbeitungstiefe erlaubt und die praktische Grenze der Bearbeitungstiefe erhöht.

Fig. 8 zeigt den Verlauf eines abgewandelten Ausgangssignales der Hochfrequenz-Strom- bzw. Spannungsversorgung 150 zum Erregen eines elektromechanischen Wandlerelementes 104. Das Signal umfaßt eine Reihe zeitlich beabstandeter Folgen von Impulsen, in denen die Impulse bei einer hohen Frequenz von z. B. 28 kHz erzeugt sind und die periodisch mit einer niederen Frequenz von z. B. 100 Hz bis 10 kHz unterbrochen sind, um intermittierend auftretende Folgen zu erzeugen. Demgemäß überträgt der Arm 103 das abgewandelte Schwingungssignal, um die Werkzeugelektrode 101 intermittie-

130012/0788

- 32 - ■

rend in Schwingungen zu versetzen. Diese Schwingungsform hat sich als vorteilhaft erwiesen, um ein übermäßiges Erwärmen am Halter oder Zwischenflächenteil 102 und dessen anschließende Zerstörung zu vermeiden.

In der Anordnung der Fig. 10 wird eine einzige Strom- bzw. Spannungsquelle 154 verwendet, um die Bearbeitungsimpulse zwischen die Werkzeugelektrode

101 und das Werkstück 111 zu legen und um den elektromechanischen Wandler 104 zu erregen, so daß die Elektrode 101 in Schwingungen versetzt wird. In diesem Ausführungsbeispiel tragen sowohl der Arm 103 als auch der Schwingungsverstärker longitudinal die Werkzeugelektrode 101 und weisen diese an einem Halter

102 gekoppelt auf.

Die Strom- bzw. Spannungsversorgung 154 hat hier eine Gleichstromquelle 155 und einen Leistungs-Schalttransistor 156, dessen Hauptelektroden in Reihe mit der Gleichstromquelle 155 über Lastanschlüsse 154a und 154b liegen, die einerseits mit der Werkzeugelektrode 101 und dem Werkstück 111 und andererseits mit dem Wandler 104 über ein RC-Koppelglied 157 verbunden sind, das ein Filter-Netzwerk bildet. Die Steuerelektroden des Schalters 156 sind mit einem UND-Gatter 158 verbunden, dessen erster Eingangsanschluß an einen Hochfrequenz-Oszillator 159 angeschlossen und dessen zweiter Eingangsanschluß mit einem Niederfrequenz-Oszillator 160 verbunden ist. Der Oszillator 159 liefert Ausgangssignalimpulse einer Frequenz zwischen 100 kHz und 10 MHz und einer Ein-Zeit T . und einer Aus-Zeit

ein

T , während der Oszillator 160 Ausgangssignalimpulse aus

einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz und mit einer Ein-Zeit T . und einer Aus-Zeit T erzeugt. Die

130012/0788

logische Verknüpfung der Ausgangssignale der beiden Oszillatoren 159 und 160 durch das Gatter 158 erzeugt Signalimpulse in einer Reihe zeitlich beabstandeter Folgen (vgl. Fig. 11) am Eingang des Transistors 156 und damit an den Ausgangsanschlüssen 154a und 154b der Strom- bzw. Spannungsquelle 154.

Eine Reihe von Folgen (T . , T ) von Impulsen

©XlJL clUS

(f . , ¹E" ) liegen einerseits an der Werkzeugelekexn aus

trode 101 und dem Werkstück 111, um die entsprechenden Folgen von Bearbeitungsimpulsen am Spalt G zu erzeugen, der mit dem Wasser-Bearbeitungsfluid unter einem erhöhten Druck gespült ist, wie dies oben erläutert wurde, so daß Material vom Werkstück 111 abgetragen wird. Andererseits sind die gleichen Folgen von Signalimpulsen über das Filter 157 eingespeist, um den Wandler 104 zu erregen, so daß die Werkzeugelektrode 101 in eine intermittierende Schwingung mit einer Schwingungsdauer T . und einer Unterbrechungsdauer oder einem Intervall der aufeinander folgenden Schwingungen von

T versetzt wird,
aus

Beispiel VI

Ein WC-4% Co-Werkstück wird mit einer allgemein in Fig. 10 gezeigten Anordnung und mittels einer rohrförmigen Kupferelektrode eines Durchmessers von 0,5 mm sowie mit destilliertem Wasser als Bearbeitungsfluid mit einem spezifischen Widerstand von 10 0hm · cm bearbeitet. Der Hochfrequenz-Oszillator 159 hat eine Ausgangsfrequenz von 200 kHz, während der Niederfrequenz-Oszillator 160 eine Ausgangsfrequenz von 28 kHz besitzt. Wenn die Bearbeitungsimpulse einen mittleren Bearbeitungsstrom von 4,5 A aufweisen, wird ein Loch mit einer Tiefe von 6 mm im Werkstück in einer Zeitdauer von 5 min bearbeitet.

130012/0788

Die Anordnung der Fig. 12 umfaßt eine Stelleinheit 161 zum wahlweisen Ändern der Ausgangsleistung der Hochfrequenz-Strom- bzw. Spannungsquelle 150 zur Erregung des Wandlers 104, um dadurch wahlweise die auf die Werkzeugelektrode 101 übertragene Schwingungsamplitude zu ändern, z. B. in drei Stufen: 1. 3 bis 10 /um, 2. 10 bis 20 ,um und 3. 20 bis 50 ,um. Wahlweise Änderungen in der Schwingungsamplitude sind entsprechend besonderen Bearbeitungszwecken vorteilhaft, wenn beispielsweise verschiedene überschnitte gewünscht sind.

Beispiel VII

Ein eisenhaltiges Werkstück wird mittels einer Kupferelektrode und eines Wasser-Bearbeitungsfluids eines spezifischen Widerstandes von 10 0hm · cm bearbeitet. Die Bearbeitungsimpulse haben eine Ein-Zeit T . von 10 /US und eine Aus-Zeit t von 10 ,us. Ein Loch einer Tiefe von 10 mm wird bearbeitet, während die Werkzeugelektrode bei einer Frequenz von 28 kHz und mit verschiedenen Amplituden in Schwingungen versetzt ist. Das Loch hat einen Überschnitt von 32 ,um, wenn keine Schwingung übertragen wird, einen überschnitt von 45 ,um, wenn die Schwingung eine Amplitude von 5 ,um besitzt, einen überschnitt von 82 ,um, wenn die Schwingungsamplitude 20 ,um beträgt, und einen Überschnitt von 170 ,um, wenn die Amplitude 50 ,um hat.

Es ist zu ersehen, daß ohne Änderung in den elektrischen Bearbeitungseinstellungen ein gewünschter überschnitt erzielbar ist, indem einfach die Amplitude der auf die Werkzeugelektrode übertragenen Schwingung eingestellt wird. Die Stelleinheit 153 kann mit mehreren Einstellungen ausgeführt werden, die wahlweise entsprechend einem besonderen gewünschten Überschnitt einstellbar sind. Die Einstellung kann auch von einer Stellung

130012/0788

auf eine andere während eines gegebenen Ablaufes einer Bearbeitungsoperation geschaltet werden, wenn das Loch stufenförmige überschnitte in der Richtung seiner Tiefe aufweisen soll.

Ein in Fig. 13 gezeigtes Ausführungsbeispiel der

sich Erfindung ist so ausgelegt, daß/die Amplitude der auf

die Werkzeugelektrode 101 übertragenen Schwingung abhängig von der Tiefe eines Loches ändert, das gerade in das Werkstück eingebracht wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Arm 103 durch einen Kopf 162 gelagert, um die Werkzeugelektrode 101 vertikal in ihrer Längsrichtung in das Werkstück 111 zu verschieben. Eine Detektorplatte 163 liegt parallel zur Verschiebung des Kopfes 162 und hat mehrere photoelektrische Wandler 164a, 164b, 164c und 164d, die Licht von einer Lampe 165 empfangen, die am Kopf 162 befestigt ist. Wenn der Kopf 162 nach unten fährt, werden die photoelektrischen Wandler 164a, 164b, 164c und 164d nacheinander abhängig vom Lichteinfall von der Lampe 165 erregt, um elektrische Signale zu liefern. Jedes elektrische Signal liegt an einem Verstärker/Koppelnetzwerk 166. Ein die Stellung des Kopfes 162 darstellendes Steuersignal tritt so am Ausgang des Netzwerkes 166 auf und liegt an einer Schwingungs-Stelleinheit 167, die zwischen die Hochfrequenz-Strom- bzw. Spannungsquelle 150 und den elektromechanischen Wandler 104 gees

schaltet ist, und/schaltet die Einstellung in der Einheit 167 von der Stellung einer kleineren Schwingungsamplitude zur Stellung einer größeren Schwingungsamplitude.

Beispiel VIII Ein WC-Co-Werkstück wird mittels einer Kupferelektro-

130012/0788

de eines Durchmessers von 0,5 mm und mittels eines Wasser-Bearbeitungsfluids eines spezifischen Widerstandes von 10 Ohm · cm bearbeitet. Bearbeitungsimpulse haben eine Impulsdauer von 1 ,us und ein Impulsintervall von 3 ,us, während eine Ultraschall-Schwingung auf die sich in das Werkstück absenkende Werkzeugelektrode übertragen wird. Wenn die Schwingung eine Amplitude von 10 ,um hinauf bis zu einer Tiefe von 3 bis 5 mm aufweist und die Amplitude auf 50 ,um geschaltet wird, wenn die Tiefe von 5 mm überschritten ist, kann das Loch eine Tiefe von 6 mm in einer Zeitdauer von 5 min erreichen.

Die Bearbeitungs-Strom- bzw. Spannungsversorgung 115 im Ausführungsbeispiel der Fig. 14 kann elektrische Impulsbedingungen aufweisen, die veränderlich sind, um mehrere Grade einer Bearbeitung von einer Endbearbeitung bis zu einer Grobbearbeitung aufzubauen, und sie ist zusammen mit einer Schwingungsamplituden-Stelleinheit 161 so betreibbar, daß die auf die Werkzeugelektrode übertragene Schwingung eine größere Amplitude bei der Einstellung einer Grobbearbeitung und eine kleinere Amplitude bei der Einstellung einer Endbearbeitung aufweist.

In der Vorrichtung der Fig. 15 umfaßt die Schwingeranordnung zwei Schwingereinheiten. Der durch die Hochfrequenz-Strom- bzw. Spannungsquelle 150 erregte Hochfrequenz-Schwinger 104 ist in einem Gehäuse 168 untergebracht, das auf der Oberseite des Armes 103 befestigt ist. Ein zweites Gehäuse 169 ist federnd auf dem ersten Gehäuse 168 gelagert und trägt einen Niederfrequenz-Schwinger 170, z. B. einen elektromagnetischen Schwinger, der durch eine Niederfrequenz-Strom- bzw. Spannungsquelle 171 erregt ist. Der Nieder-

1.3 0012/0788

- 37 -

frequenz-Schwinger 170 erzeugt eine Schwingung einer Frequenz im Bereich zwischen 50 und 500 Hz, während der Hochfrequenz-Schwinger 104 eine Schwingung einer Frequenz im Bereich zwischen 1 und 500 kHz abgibt. Die Schwingungen werden verstärkt und aufeinander durch den Arm 103 überlagert sowie der Werkzeugelektrode 101 zugeführt. Die Niederfrequenz-Schwingung kann eine feste Amplitude bis hinauf zu 100 ,um besitzen, und die Hochfrequenz-Schwingung kann in zahlreichen Stufen während eines gegebenen Ablaufes einer Bearbeitungsoperation änderbar oder wahlweise entsprechend einem besonderen Bearbeitungszweck einstellbar sein, wie dies oben erläutert wurde.

Die Vorrichtung der Fig. 16 ist grundsätzlich die gleiche wie die Vorrichtung der Fig. 15, mit der Ausnahme, daß eine Vorschub-Antriebseinheit 172 für die Werkzeugelektrode 101 gezeigt ist, die das Gehäuse 169 lagert, und daß der elektromechanische Wandler 104, der die Werkzeugelektrode 101 in Schwingungen versetzt, durch die Bearbeitungs-Strom- bzw. Spannungsquelle 115 über eine Spule 172 (L) erregt wird, mit der ein Hochfrequenz-Oszillator 173 gekoppelt ist. Der Wandler 104 hat eine Kapazität C und bildet zusammen mit der Spule 172 ein LC-Resonanzglied in Reihe mit dem Hochfrequenz-Oszillator, der aus der Bearbeitungs-Strom- bzw. Spannungsquelle 115 besteht. Der Hilfsoszillator hat eine Ausgangsfrequenz, die im Bereich zwischen 10 und 200 kHz einstellbar ist. Wenn Bearbeitungsimpulse zwischen die Werkzeugelektrode 101 und das Werkstück von der Strom- bzw. Spannungsquelle 115 gelegt werden, wird das aus dem Wandler 104 und der Spule gebildete LC-Glied in Resonanz mit den Bearbeitungsentladungen bei der Frequenz des Oszillators 173 ver-

130012/0788

wird

setzt, der Resonanzstrom/durch den Wandler 104 geschickt t um eine verstärkte Schwingung zu erzeugen, die über den Arm oder das Horn 103 auf die
Werkzeugelektrode 101 übertragen wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Werkzeugelektrode unter Ultraschall-Schwingung in geringem Kontakt mit dem Werkstück gehalten. In der in Fig. 17
gezeigten Vorrichtung erzeugt der in das Gehäuse 168 aufgenommene elektromechanische Wandler 102 eine Ultraschall-Schwingung im Frequenzbereich von 5 bis

100 kHz, die über den Arm 103 zur Werkzeugelektrode

101 wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen
übertragen wird. In dieser Vorrichtung hat eine Elektroden-Antriebseinheit 175 einen Motor 176 und einen durch den Motor 176 angetriebenen Kolben 177, der
federnd durch eine Feder 178 auf einer ortsfesten
Platte 179 im Gehäuse 168 gelagert ist, um die Elektrode 101 gegen das Werkstück 111 zu treiben. Wenn
der Wandler 104 durch die Strom- bzw. Spannungsquelle 150 erregt ist, wird so eine Berührungsschwingung an der Spitze der Werkzeugelektrode 101 gegen das Werkstück 111 erzeugt. Ein Wasser-Bearbeitungsfluid wird unter einem erhöhten Druck durch die Pumpe 115 von der Quelle 116 durch den Stöpsel 105 und durch die Innenbohrung der Werkzeugelektrode in den Bearbeitungsspalt gespeist, während Bearbeitungsimpulse von der Strombzw. Spannungsquelle 115 zwischen die Werkzeugelektrode 101 und das Werkstück 111 gelegt sind. Infolge einer Berührungsschwingung der Werkzeugelektrode 101 gegen das Werkstück können die Bearbeitungsimpulse eine verringerte Lastspannung, z. B. 5 V und höchstens 15 bis 20 V, aufweisen, und demgemäß ist eine verringerte Leerlaufspannung oder Spannung mit offener Schaltung im Bereich von 30 bis 60 V vorhanden, ^a keine größere

130012/0788

oder dielektrische Durchbruchsspannung wie im herkömmlichen EDM-Prozeß (100 bis 500 V) benötigt wird. Die merklich verringerte Leerlaufspannung führt zu äußerst günstigen EDM-Bearbeitungsergebnissen, nämlich einer verringerten Oberflächenrauhigkeit und einer gesteigerten Bearbeitungsgenauigkeit. Weiterhin ist keine genaue Spaltabmessungssteuerung erforderlich/ und die Behinderung der Bearbeitungsentladung durch Bearbeitungsspäne wird wesentlich in dieser Vorrichtung verringert.

Beispiel IX

Ein WC-Co-Werkstück wird mittels einer Kupferelektrode eines Durchmessers von 0,5 mm in der in Fig. 16 gezeigten Vorrichtung und mit einem Wasser-Bearbeitungsfluid eines spezifischen Widerstandes

4 5
von 10 bis 10 Ohm · cm bearbeitet. Die auf die Elektrode einwirkende Ultraschall-Schwingung hat eine Frequenz von 28 kHz und eine Ausgangsleistung von 20 W, während Bearbeitungsimpulse eine Leerlaufspannung von 35 V und einen mittleren Bearbeitungsstrom von 4 A aufweisen. Es hat sich gezeigt, daß die Eindringgeschwindigkeit in das Werkstück ca. 8 mm/min und die relative Elektrodenabnutzung ca. 3 % betragen.

Die Fig. 18, 19 und 20 zeigen verschiedene Schaltungsanordnungen einschließlich eines Resonanz-Netzwerkes zum Erregen des elektromechanischen Wandlers 104. In der Anordnung der Fig. 18 ist eine Induktivität 172 (L) mit einer Kapazität (C) des Wandlers 104 verbunden, um ein Reihen-LC-Glied in Reihe mit der Strom- bzw. Spannungsquelle 115 und dem Bearbei-

130012/0788

tungsspalt zu bilden. Die Anordnung der Fig. 19 ist gleich der in Fig. 16 dargestellten Anordnung. In der Anordnung der Fig. 20 umfaßt die Strom- bzw. Spannungsquelle 115 einen Kondensator 180, der durch eine Gleichstromquelle direkt oder eine (nicht gezeigte) Impulsquelle aufgeladen und über den Bearbeitungsspalt zwischen der Werkzeugelektrode 101 und dem Werkstück 111 entladen wird. In der Entladungsstrecke des Kondensators bilden die Kapazität (C) des Wandlers 104 und die Induktivität 172 ein LC-Glied. Ein Hochfrequenz-Hilfsoszillator 173 ist mit der Induktivität 172 gekoppelt und weist eine Ausgangsfrequenz auf, die im Bereich von 10 bis 200 kHz eingestellt ist. Wenn Bearbeitungsimpulse als Ergebnis einer periodischen Entladung des Kondensators 180 zwischen der Werkzeugelektrode 101 und dem Werkstück erzeugt werden, wird das LC-Glied 104, 172 mit den Bearbeitungsentladungen bei der Frequenz der Quelle 173 in Resonanz gebracht, und der Resonanzstrom wird durch den Wandler 104 geschickt, um eine verstärkte Schwingung zu erzeugen, die über den Arm 103 zur Werkzeugelektrode 101 übertragen wird.

der Fig.
In jeder der Anordnungen/18 bis 20 wird ein Teil der Bearbeitungsleistung wirksam verwendet, um die gewünschte Schwingung der Werkzeugelektrode 101 hervorzurufen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 21 dargestellt ist, kann die Werkzeugelektrode ein kontinuierlicher Draht 181 sein, der von einer (nicht gezeigten) Quelle abgegeben ist und zwischen einer durch einen Motor 183 gedrehten Antriebsrolle 182 und einer Spannrolle 184 geführt ist. Die Drahtelektrode 181 verläuft durch eine in Längsrichtung durch einen elektromechanischen Wandler 185

130012/0788

und einen Arm oder ein Horn 186 ausgeführte Bohrung, zwischen zwei Führungsflächen 187 und ggf. in ein Werkstück 188, das in einen Arbeitsbehälter 189 aufgenommen ist. Der Wandler 185 wird durch eine Hochfrequenz-Strom- bzw. Spannungsquelle 190 erregt, um eine mechanische Schwingung zu erzeugen, die über den Arm 186 übertragen wird, um der Elektrode 181 in deren Axialrichtung eine Ultraschall-Schwingung zu vermitteln. Bearbeitungsimpulse liegen durch eine EDM-Strom- bzw. Spannungsquelle 191 zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück 188 am Bearbeitungsspalt, der mit einem Wasser-Bearbeitungsfluid 192 gespült ist, das im Arbeitsbehälter 189 gesammelt ist. Der Arm 186 hat einen Gleitring an seinem Ende 186a, durch den die Elektrode 187 gleitend geführt ist, während sie die Ultraschall-Schwingung vom Horn- oder Trichterkörper 186 übernimmt. Ein (nicht gezeigtes) Servosystem ist vorgesehen, um den Bohrfortschritt im Werkstück 188 und die Abnutzung der Drahtelektrode 181 zu erfassen, und es wirkt auf den Motor 185 ein, um den Nachlauf-Vorschub der Drahtelektrode 181 durch die Rollen 182 und 184 auszuführen. Ein Elektroden-Führungshalter 187 dient dazu, um im wesentlichen die Schwingungskomponente quer zur Achse der Drahtelektrode 181 auszuschließen.

130012/0788

Leerseite

Claims

29. August 1980 Ansprüche

My Verfahren zum elektroerosiven Bearbeiten eines kleinen und tiefen Loches mit einem Durchmesser von 1 mm oder weniger und einem Tiefen/Durchmesser-Verhältnis von wenigstens 5 in oder durch ein Werkstück,

gekennzeichnet durch

- Anordnen einer dünnen und länglichen rohrförmigen Elektrode (1) neben dem Werkstück (11) an einem Bearbeitungsspalt (G) ,

- Einspeisen eines Wasser-Bearbeitungsfluids durch die

rohrförmige Elektrode (1) in den Bearbeitungsspalt

2 (G) bei einem Druck von wenigstens 20 kp/cm ,

- Anlegen einer Reihe von Bearbeitungsimpulsen zwischen die rohrförmige Elektrode (1) und das Werkstück (11), um zeitlich beabstandete elektrische Entladungen durch den Bearbeitungsspalt (G) zu bewirken, wodurch Material vom Werkstück (11) abgetragen wird, und

- Vorrücken der rohrförmigen Elektrode (1) bezüglich deren Längsrichtung in das Werkstück (11).

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der Druck wenigstens 25 kp/cm beträgt.

581-(A 843)-E

130012/0788

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Druck wenigstens 40 kp/cin beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Wasser-Bearbeitungsfluid einen spezifischen

4 Widerstand von wenigstens 10 Ohm · cm aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Tiefen/Durchmesser-Verhältnis wenigstens 10 beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- Beibehalten des spezifischen Widerstandes des Wasser-Bearbeitungsfluids auf einem im wesentlichen konstanten Wert.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch

- Beibehalten der Temperatur des Wasser-Bearbeitungsfluids auf einem im wesentlichen konstanten Wert.

8. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- Steigern des Druckes des Wasser-Bearbeitungsfluids als Funktion der Tiefe des in das Werkstück (11) gerade bearbeiteten Loches.

9. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- Beibehalten des zum Bearbeitungsspalt (G) gespeisten Wasser-Bearbeitungsfluids auf der zwei- oder mehrfachen Menge der im Bearbeitungsspalt (G) erzeugten Gase.

130012/0788

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein mit dem Werkstück (11) einteiliger Vorsprung im Bearbeitungsloch gebildet wird, und

- daß das Verhältnis l'/l nicht größer als 1/5 gesteuert wird, mit

- 1 = Tiefe des Loches, und

- 1' = Höhe des Vorsprunges.

11. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- übertragen einer Ultraschall-Schwingung auf die rohrförmige Elektrode (1).

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Ultraschall-Schwingung eine Frequenz kleiner als 50 kHz aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Frequenz nicht größer als 30 kHz ist.

14. Verfahren nach Anspruch. 11, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Ultraschall-Schwingung eine Frequenz zwischen 50 und 100 kHz aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Ultraschall-Schwingung eine Frequenz zwischen 100 kHz und 10 MHz aufweist.

130012/0788

16. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch

- überlagern einer Niederfrequenz-Schwingung auf die der rohrförmigen Elektrode (1) übertragenen Ultraschall-Schwingung.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Niederfrequenz-Schwingung eine Frequenz zwischen 50 und 500 Hz aufweist, und

- daß die Ultraschall-Schwingung eine Frequenz zwischen 1 und 500 kHz aufweist.

18. Verfahren nach Anspruch 11 oder 16, gekennzeichnet durch

- Ändern der Amplitude der Ultraschall-Schwingung als Funktion der Tiefe des gerade bearbeiteten Loches.

19. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch

- Ändern der Amplitude der Ultraschall-Schwingung abhängig von einer Änderung in einer elektrischen Veränderlichen des Spaltes (G).

20. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch

- periodisches Unterbrechen der Ultraschall-Schwingung, die auf die Werkzeugelektrode (1) übertragen ist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Unterbrechungsfrequenz der Ultraschall-Schwingung über 10 kHz liegt, und

130012/0788

- daß die Ultraschall-Schwingung eine Frequenz über 100 kHz aufweist.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Bearbeitungsimpulse eine Reihe von zeitlich beabstandeten oder periodisch unterbrochenen Polgen von Impulsen sind,

- daß die Impulse eine Frequenz im wesentlichen gleich der Frequenz der Ultraschall-Schwingung aufweisen, und

- daß die Frequenz der Unterbrechung der Bearbeitungsimpulse im wesentlichen gleich der Unterbrechungsfrequenz der Ultraschall-Schwingung ist.

23. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Elektrode gegen das Werkstück in leichter Berührung hiermit getrieben wird, während die Ultraschall-Schwingung auf die Elektrode übertragen wird.

24. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Ultraschall-Schwingung auf die längliche Elektrode in deren Längsrichtung übertragen wird.

25. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Ultraschall-Schwingung auf die längliche Elektrode in deren Querrichtung übertragen wird.

26. Vorrichtung zum elektroerosiven Bearbeiten eines kleinen und tiefen Loches eines Durchmessers von 1 mm oder weniger und eines Tiefen/Durchmesser-Verhältnisses von wenigstens 5 in oder durch ein Werkstück,

130012/0788

gekennzeichnet durch

- eine dünne und längliche rohrförmige Elektrode (D/ die neben dem Werkstück (11) angeordnet ist, um dazwischen einen Bearbeitungsspalt (G) zu bilden,

- eine Fluid-Zufuhr- und Pumpeinrichtung zum Einspeisen eines Wasser-Bearbeitungsfluids durch die rohrförmige Elektrode (1) in den Bearbeitungsspalt (G)

2 bei einem Druck von wenigstens 20 kp/cm ,

- eine Strom- bzw. Spannungsversorgung zum Anlegen einer Reihe von Bearbeitungsimpulsen zwischen die Elektrode (1) und das Werkstück (11)/ um eine Folge elektrischer Entladungen durch den Bearbeitungsspalt (G) zu erzeugen, wodurch Material vom Werkstück (11) abgetragen wird, und

- eine Antriebseinrichtung zum relativen Verschieben der rohrförmigen Elektrode (1) und des Werkstückes (11)/ um die längliche Elektrode (1) in Längsrichtung in das Werkstück (11) vorzurücken.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Zufuhr- und Pumpeinrichtung eine Ionen-Austauscher-Patrone aufweist, um den spezifischen Wi-

4 derstand des Wasser-Bearbeitungsfluids über 10 Ohm · cm zu halten.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Fluid-Zufuhr- und Pumpeinrichtung ein Steuerglied aufweist, um die Temperatur des Wasser-Bearbeitungsfluids im wesentlichen auf einen vorbestimmten Wert zu steuern.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,

130012/0788

^J* "* 3Q32604

- daß die Fluid-Zufuhr- und Pumpeinrichtung aufweist eine Pumpe zum Pumpen des Wasser-Bearbeitungsfluids in die rohrförmige Elektrode durch eine Fluid-Leitereinrichtung und einen mit der Fluid-Leitereinrichtung gekoppelten Sammelbehälter zwischen der Pumpe und der rohrförmigen Elektrode.

30. Vorrichtung nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch

- eine Schwingereinrichtung zum übertragen einer Ultraschall-Schwingung auf die rohrförmige Elektrode.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Schwingereinrichtung die Ultraschall-Schwingung auf die längliche Elektrode in deren Längsrichtung überträgt.

32. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Schwingereinrichtung die Ultraschall-Schwingung auf die längliche Elektrode in deren Querrichtung überträgt.

33. Vorrichtung nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch

- eine Einrichtung zum wahlweisen Ändern der Amplitude der Ultraschall-Schwingung.

130012/0788