DE3035058C2 - Drahtelektrode für das funkenerosive Schneiden sowie Verfahren zur Herstellung der Drahtelektrode - Google Patents

Description

Fig. Ib eine vergrößerte Schnittdarstellung des Bereichs A derFig. la,

F i g. 2 zwei charakteristische Strom-Spannungs-Kurven von Drahtelektroden mit Werkstückkontakt,

Fig.3a und 3b der Fig. la und Ib entsprechende Schnittbilder durch eine Drahtelektrode einer zweiten Ausführungsform.

Die Fig. la und Ib zeigen einen Schnit· durch eine Drahtelektrode mit einer aus Kupfer bestehenden Drahtseele 1 und einem Mantel, der aus einem von einer Kupfer-Zink-Legierung gebildeten Innenmantel 2 und einem letzteren umgebenden Außenmantel 3 aus Zinkoxyd (ZnO) besteht. Der Durchmesser der Seele 1 kann beispielsweise 220 μηι betragen, während die Dicke des Cu-Zn-Mantels 2 etwa 8 μπι und die des ZnO-Mantels 3 wenigstens 1 μιτι betragen kann.

Die Drahtseeie 1 kann auch aus anderen Werkstoffen bestehen, die den Anforderungen hinsichtlich guter elektrischer Leitfähigkeit und erhöhter Bruchfestigkeit genügen. Beispielsweise können Stahl oder Messing mit einem gut stromleitenden Überzug verwendet werden. Um den erfindungsgemäßen Draht zu erhalten, wird auf der Drahtseele 1 der Innenmantel in einigen μΐϊΐ-Dicke aufgebracht; prinzipiell braucht dazu nur das Metall oder die Metallegierung bei unterhalb von 1100⁰C liegender Verdampfungstemperatur in solchem Umfang aufgebracht bzw. aufgedampft zu werden, daß es gut an der metallischen Drahtseele 1 haftet, dabei ausreichende mechanische Eigenschaften besitzt sowie chemisch stabil und wenig toxisch ist, woraufhin dann der Außenmantel 3 als Oxyd-Film aufgebracht bzw. erzeugt wird. Dabei sollte beachtet werden, daß dieser Depotfilm dünn gehalten und der elektrische Widerstand nur wenig erhöht wird. Gute Resultate konnten auch mit einem einzigen Innenmantel 2 aus Zink von 5 bis 15 μιτι Dicke erzielt werden, der auf elektrolytischem Wege aufgebracht wurde. Die Dicke von 5 μΐη liegt in der gleichen Größenordnung, wie die Erosionskratertiefe. Der Außenmantel 3 bzw. der Oxyd-Film kann durch Wärmebzw. Glühbehandlung in oxydierender Atmosphäre, beispielsweise auch in freier Luft erhalten werden, wobei aus dem Zink des Innenmantels 2 der Außenmantel 3 aus Zinkoxyd (ZnO) gebildet wird.

Es ist vorteilhaft, die Oxydation des Zinks des Innenmantels 2 zu unterbrechen, bevor das gesamte Zinkmetall in Oxyd umgewandelt ist, da das metallische Zink eine niedrige Verdampfungstemperatur besitzt, was sich günstig für die Erzielung guter Bearbeitungsergebnisse auswirkt. Während der Wärmebehandlung bildet sich ein Gefügegemisch aus Zink und Zinkoxyd, das offenbar sehr wesentlich zu den guten Resultaten beiträgt, die mit dieser Drahtelektrode erhalten wurden.

Gute Ergebnisse erzielt man auch durch Erhitzen des Drahtes während wenigstens zwei Sekunden auf eine Temperatur von mindestens 600' C; es sieht so aus, daß die Filmbildung am Anfang der Erhitzung schnell und dann zunehmend langsamer verläuft, vermutlich wegen der Abschirrnwirkung des Oxydes, wobei man schließlich einen Überzugsfilm von weniger als 1 μπι Dicke erhält, beispielsweise zwischen 200 und 2000 Ä. Es ist auch beobachtet worden, daß dieser Film Oberflächen-Rauhigkeiten bildet und manchmal in Form von Filamenten von einigen μΐη in das innere des Substrats eindringt. Was das das Oxyd bildende Metall betrifft, haben Versuche gezeigt, daß die günstigen Wirkungen für das Funkencrosionsst-hneiden nicht allein auf die Verwendung des Zinko*^vds begrenzt sind. Vielmehr ist es auch möglich, auf der Oberseite des Zinks eine weniee Mikron dicke Schicht aus einem anderen Metall aufzubringen, das leicht oxydierbar ist und das man in Anwesenheit von Sauerstoff einer entsprechenden Wärme- bzw. Glühbehandlung unterwirft Man kann auch andere 5 Oxyde verwenden, die gleichfalls als Halbleiter bekannt sind, z. B. CuO, Cu₂O, CdO, In₂O₃, PbO, TiO₂, MnO₂, MgO und NiO. Auch isolierende Oxyde, wie z. B. AI2O3, können dafür in Betracht kommen. Wenn man quer durch die Dicke eines aus diesen Halbleiteroxyden bestehenden Films eine Spannung anlegt zwischen einigen Volt und einigen 100 Volt, wird der Film durch thermischen und/oder elektrischen Durchschlag schnell zu einem Stromleiter. Wenn die Spannung unterhalb dieser Voltzahl liegt, läßt dieser Überzugsfilm örtlich nur einen sehr schwachen Strom durch, der die Bildung von Kurzschiüssen verhindert. Dementsprechend muß man die Dicke des Filmniederschlags sorgfältig dimensionieren bzw. kontrollieren, damit der Durchschlag in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Generatorspannung erfolgen kann. Das elektrische Verhalten all dieser Oxyde hängt nicht nur von ihrer chemischen Beschaffenheit ab, sondern auch von ihrer Vorbereitung, welche die Reinheit ihres physikalischen Aufbaus bestimmt. Die an der Oberfläche des Innenmantels 2 anhaftenden Überzugsfilme können auch von anderen nichtmetallischen Werkstoffen gebildet werden, z. B. von Karbiden, Boriden, Suiziden, Sulfiden und Nitriden der verschiedensten Metalle. Weiterhin wurde gefunden, daß die vorerwähnte thermische Behandlung über die Oxydation hinaus zwei weitere erwähnenswerte Effekte bringt.

Zunächst erscheint die Oberfläche als sehr uneben, da sie durch die Anlagerung von Körnern unterschiedlichster, zwischen 0,1 μηι bis einigen μΐη betragender Größe mit zahlreichen Zwischenräumen gebildet wird; das Ganze deutet auf eine Schwamm-Struktur hin. Dann zeigt die Analyse eines Querschnitts mit der Mikrosonde die Anwesenheit von 1 bis 2 μπι großen Löchern, was die schwammartige Struktur des Oberflächenaussehens bekräftigt. Die gleiche Analyse hat weiterhin gezeigt, daß die thermische Behandlung zu einer Diffusion der Kupfer-Atome der metallischen Drahtseele in die Zink-Schicht und umgekehrt führt, in der Weise, daß das reine Zink zu Gunsten der Bildung einer Cu-Zn-Legierung mit ungefähr 10 bis 20% Kupfer-Gehalt verschwindet.

Wenn die Diffusionsgeschwindigkeiten sehr unterschiedlich sind, tritt ein Effekt auf, der in der Metallphysik unter der Bezeichnung Kirkendall-Effekt bekannt ist. Nun ist es, wie im vorliegenden Falle, bekannt, daß die Zink-Atome sehr viel schneller als die des Kupfers diffundieren; folglich werden die durch die nach innen diffundierenden Zn-Atome hervorgerufenen Gitterlükken nicht sofort durch eindiffundierende Cu-Atome ausgefüllt. Dies mag der Grund für die beobachtete Porösitat des Mantels sein.

Schließlich hat man festgestellt, daß der so behandelte Draht sich sehr viel leichter durch Wasser benetzen läßt, das als Kühlflüssigkeit für die ErosionsbearDeitung dienen kann. Durch die insoweit vergrößerte Kühlwirkung kann der Draht auch größeren Stromstärken ausgesetzt werden.

Die gleichsam totale Unterdrückung von Kurzschlüssen wahrend der Erosionsbearbeitung rührt wahrscheinlich von dem Zinkoxyd her, das ein Halbleiter ist

b5 und sich einem leichten Stronidurchgang widersetzt, wenn es zu zufälligen Kontakten zwischen dem Draht und der Werkstück-Elektrode kommt. Bei einem Kontakt, der zu einem Kurzschluß mit sehr geringem Wider-

stand führt, ist es bekannt, daß dadurch die anwesenden Metalle schmelzen und örtlich verschweißen; das geschieht zwischen Stahl und Kupfer. Im Gegensat/ da/u hat sich der erfindungsgemiiß beschaffene Draht als nichtverschweißungsneigend erwiesen, was wahr- ~> scheinlich auf die schnelle lokale Erhitzung zurück/tiführcn ist, begünstigt durch den großen Widerstand am Berührungspunkt, der sich aus der Oxyd-Filmschicht und der dadurch bedingten Kntladungs-F.nlwicklung ergibt.

Fig. 2 zeigt zwei charakteristische Strom-Spannungs-Kurven, die man durch Kontakt an der Drahtoberfläche erhält. Entsprechend dem gewählten Konlaktpunkt und dem ausgeübten Kontaktdruck beobachtet man immer einen Kurvenverlauf, von denen hier nur ι > zwei durch die Kurvenzüge (a) und (^dargestellt sind. Der Kurvenverlauf (a) ergibt sich am häufigsten mit einem Knick für die Werte U- = 1 bis 5 V und Z₁ = 0.1 bis 1 mA; die Unsymmetrie offenbart die Gegenwart einer Verbindung mit Gleichrichtereffekt, was nicht :o weiter erstaunlich ist. da zwei Werkstoffe mit unterschiedlichem Leitvermögen vorhanden sind, nämlich ein Metall und ein Halbleiter-Oxyd. Zu bemerken ist dazu noch, daß die Seite des »schwachen« Stromdurchgangs dem in bezug auf das zu schneidende Werkstück jeweils negative Spannung besitzenden Draht entspricht. Im Hinblick auf die Leistung des Generators, der wenigstens 150VoIt Leerlaufspannung besitzt und über 150 Ampere im Kurzschlußfalle liefert, ist es augenscheinlich, daß selbst bei »schwachem« Strom dieser zu Beginn des Generatorimpulses einen Widerstand von mindestens 1 ΚΩ vorfindet, was eine äußerst schnelle lokale Erhitzung an der Berührungsstelle hervorruft.

Die F i g. 3 zeigt den Schnitt durch eine Drahtelektrode mit einer Kupferseele 1 und zwei übereinander geschichteten Innenmänteln 2, 4 aus einer Kupfer-Zink-Legierung, die jeweils von Zink-Oxyd-(ZnO-)Filmen 3 und 5 umgeben sind. Anstelle eines einzigen, 8 μιη starken Zink-Mantels ist hier ein erster Innenmantel 2 von 4 um Stärke aufgebracht und eine anschließende erste Glühbehandlung im früher erwähnten Sinne vorgcnom men worden, die den ZnO-FiIm 3 ergibt. Dieser Arbeitsoperation schließt sich dann das Aufbringen des zweiten Innenmantels 4 in 4 um Stärke aus Zink sowie weiterhin eine ähnliche Glühbehandlung wie im ersten Falle an, die an der Oberfläche zur ZnO-Filmschicht 5 führt. Es konnten dabei die gleichen Phänomene der Diffusion des Kupfers in Zink und umgekehrt beobachtet werden wie vorerwähnt sowie weiterhin auch die mit der Rauhigkeit der Oberfläche verbundene Porösität.

Diese Draht-Reschaffenheit mit zwei Oxyd-Filmen erlaubt es. die bei einem einzigen Film noch vorhandene Bruchgefahr zu beseitigen, dessen Dicke auf etwa 1 μιη begrenzt ist und durch die Funkenentladungen örtlichen Zerstörungen unvermeidlich unterworfen ist. Weiterhin erhält man dank der Mehrschichtigkeit des Oxyd-Films eine Drahtelektrode mit wesentlich verlängerter Lebensdauer ihrer aktiven Oberfläche.

Die besten Ergebnisse konnten mit Hilfe eines mehrschichtigen Aufbaus, der drei oder vier solche Schichten mit jeweils nachfolgender Glühbehandlung aufwies, für das Schneiden eines Werkstückes von 40 Millimeter Dicke erzielt werden; es ist aber auch möglich, eine noch größere Zahl solcher Schichten für das Schneiden von Werkstücken bis 100 mm Stärke und mehr vorzusehen.

Beispielsweise sei erwähnt, daß die Oberflächen-Anwesenheit von ZnO auf einem einzigen Zink-Mantel die Schnittgeschwindigkeit bei einem Werkstück von 40 mm Dicke um 30% gegenüber einem vergleichbaren Draht ohne Owdfilm /u steigern erlaubte. Wenn man bei dem gleichen Draht auf dessen Kupferseele eine erste /.inksehiehi von 4 um mit anschließender Glühbehaniilung und sodann eine /weile 4 um dicke Schicht wiederum mil nachfolgender Glühbehandlung aufbrachte, wurde eine Schneidgeschu indigkeitsverbesserung von 55% gegenüber dem ersterwähnten Wen erreicht. Immer wenn man den gleichen Kupferseclen-Durchmesser und den gleichen Enddurchmesser des Drahtes mit seinem 8 μηι dicken Mantel beibehielt, konnte man die günstigsten Ergebnisse mit drei oder vier Zink-Auftragiingen und jeweils anschließenden Glühbehandlungen erzielen, wobei der Gewinn an Schnittgeschwindigkeit unter diesen Bedingungen mehr als 60% betrug.

Bemerkenswert günstige, wenn auch nicht ganz so gutt I rgebnisse erhält man auch dann, wenn nach dem letzten Aufbringen des mehrschichtigen Zink-Mantels keine Wärme- bzw. Glühbehandlung im vorerwähnten Sinne vorgenommen wird. In diesem Falle verbessert die Abwesenheit eines Oxyds auf der Drahtoberfläche den Stromkontakt, aber der Umstand, daß die dann die Elektrode bedeckende Zink-Haut bei der Funkenerosionsbearbeitung schnell beschädigt wird, führt dazu, daß der die inneren Zinkschichten abdeckende Oxyd-Film wenigstens teilweise an der Oberfläche des Drahtes erscheint bzw. freigelegt wird, und zwar bevor noch der Draht die Bearbeitungszone verläßt, so daß auch in diesem Falle günstige Wirkungen erzielt werden.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung der Drahtelektrode besteht darin, daß nach dem kathodischen Aufbringen eines aus dem zweiten Werkstoff, z. B. Zink bestehenden Mantels, mit Hilfe eines ersten, z. B. ein wasserlösliches Zinksalz enthaltenden Elektrolyt-Bades, der Elektrodendraht in ein zweites Bad zur anodischen Oxydation seiner Mantel-Oberfläche gebracht wird. Diese beiden Operationen können auch mehrere Male in der Weise wiederholt werden, um jeweils von Oxyd-Filmen überdeckte metaNische Mantelschichten aufbringen zu können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Drahtelektrode für das funkenerosive Schneiden, die als Manteldrahlelektrode mit zwei übereinanderliegenden Mänteln aus unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet ist, wobei ein Werkstoff eine niedrigere Verdampf ungs- und Schmelztemperatur hat als die Drahtseele, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (3) ein Film aus Halbleiterwerkstoff mit einer Dicke ist, die bei Berührung zwischen dem Werkstück undder Drahteiektrode bei einem Arbeitsspannupgsimpuls einen Kurzschluß verhindert, aber eineerodierende Entladunggestattet.

2. Drahtelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterwerkstoff ein Metalloxyd ist.

3. Drahtelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Außenmantel (3) enthaltene Metall auch im Werkstoff des Innenmantels (2) enthalten ist.

4. Drahtelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Außenmantels (3) zwischen 200 und 2000 Ä (Angström) beträgt.

5. Drahtelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Mantel eine poröse Struktur besitzt.

6. Drahtelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (3) für Wasser benetzungsfähig ist.

7. Drehelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Mantel aus wenigstens zwei übereinander geschichteten Innenmänteln (2, 4) des Werkstoffs niedriger Verdampfungs- und Schmelztemperatur besteht, die jeweils von einem Außenmantel (3,5) umhüllt sind.

8. Drahtelektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenmäntel (2,4) jeweils wenigstens80°/o Zinkenthalten unddiesie jeweilsumhüllenden Außenmäntel(3,5)ausZinkoxydtestehen.

9. Verfahren zur Herstellung von Drahtelektroden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche der Drahtseele (1) ein aus Werkstoff niedriger Verdampfungs- und Schmelztemperatur bestehende Innenmantel (2) aufgebracht und sodann dessen Metall durch Wärmebehandlung in einem sauerstoffhaltigen Gas zur Bildung des aus Halbleiterwerkstoff bestehenden Außenmantels (3) oxydiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des Innenmantels (2) und die Bildung des Außenmantels (3) durch teilweise Oxydation wenigstens zweimal vorgenommen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Drahtseele ein Innenmantel (2) aufgebracht und sodann eine anodische Oxydation der Oberfläche dieses Innenmantels (2) in einem Elektrolyi-Bad durchgeführt wird, dessen Elektrolyt entsprechend der Beschaffenheit des Innenmantels (3) ausgewählt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander wenigstens zweimal das Aufbringen des Innenmantels (2) und seine jeweils anschließende anodische Oxydation vorgenommen werden.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drahtelektrode für das funkenerosive Schneiden, die als Manteldrahtelektrode mit zwei übereinander liegenden Mänteln aus unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet ist, wobei ein Werkstoff eine niedrigere Verdampfungs- und Schmelztemperatur hat als die Drahtseele.

Eine Drahtelektrode dieser Art ist aus der DE-OS 29 06 245 bekannt und hat eine Drahtseele aus Stahl, einen Innenmantel aus einem gut stromleitenden Werkstoff, wie Kupfer, und einen Außenmantel aus einem eine niedrigere Verdampfungstemperatur ausweisenden Werkstoff, um auf diese Weise das Drahtinnere besser gegen die durch die Funkenentladungen hervorgerufene Wärmeeinwirkung zu schützen sowie um zugleich die Entladungsfrequenz zu steigern, ohne dabei das Risiko des Drahtbruchs einzugehen. Die besten Ergebnisse konnten dabei mit einem Außenmantel aus Zink erreicht werden, das in der Reihe der nach ihren Verdampfungspunkten geordneten Elemente das erste Metall ist, das frei von entsprechenden Verwendungsschwierigkeiten ist. wie sie sich etwa aus zu großer chemischer Reaktivität oder Toxizität ergeben. Der Umstand, daß dieses Metall sich leicht abträgt bzw. erodiert, ist kein Nachteil, da der bei der Funkenerosion jeweils verwendete Drahtteil durch laufende Drahtnachlieferung ständig erneuert wird.

Ein Draht von kleinem Durchmesser, etwa von einigen ICtel Millimetern, gestattet zwar das Schneiden sehr feiner Details, begrenzt jedoch sehr stark den Bearbeitungsstrom und auch die zulässige mechanische Spannung, erhöht also die Bruchgefahr. Mangelnde Festigkeit des Drahtes beeinträchtigt auch die Bearbeitungsgenauigkeit und -leistung. Tatsächlich ist es so, daß der Elektrodendraht nur durch einen geringen, lediglich wenige Mikron betragenden Abstand vom Werkstück getrennt ist, so daß er unter der Einwirkung verschiedenartigster Störkräfte nicht selten in zufälligen Kontakt mit dem Werkstück gelangt, wodurch gewöhnlich Kurzschlüsse hervorgerufen werden, ohne daß dabei eine Erosionswirkung zustande kommt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zum Funkenerosionsschneiden von Werkstücken bestimmte Drahtelektrode zu schaffen, mit der die Bearbeitungsgeschwindigkeit vergrößert und zugleich Kurz-Schlüsse mit gesteigerter Wirksamkeit eliminiert werden können, genauer gesagt, um dabei eine beschleunigte Umwandlung von Kurzschlüssen in erodierende Entladungen zu erreichen. Unter schneller Umwandlung im vorerwähnten Sinne ist zu verstehen, daß der bei den zufälligen Kontakten zwischen der Drahtelektrode und dem Werkstück mögliche Stromdurchgang sich nicht frei als Kurzschluß entwickeln kann, sondern sich in eine erodierende Entladung von in bezug auf die Stromimpulslänge sehr kurzer Dauer umwandelt, die ihrerseits nur wenige MikroSekunden beträgt; die Erfindung bezweckt daher, dieses Phänomen mit einer bisher unbekannten Wirksamkeit und Schnelligkeit zu erreichen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Außenmantel ein Film aus Halbleiterwerkstoff mit einer Dicke ist, die bei Berührung zwischen dem Werkstück und der Drahtelektrode bei einem Arbeitsspannungsimpuls einen Kurzschluß verhindert, aber eine erodierende Entladung gestattet.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäß beschaffener Drahtelektroden dargestellt. Dabei zeigt

Fig. la einen Schnitt durch eine Drahtelektrode einerersten Ausführungsform,