DE3109722C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Drahtschneidemaschine zum elektrisch abtragenden Schneiden von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 7.

Beim elektrisch abtragenden bzw. elektroerosiven Draht­ schneiden wird im allgemeinen eine Laufdrahtelektrode aus z. B. Messing oder Kupfer von 0,05 und 0,5 mm Dicke verwendet, die gespannt in einer gegebenen Führungsbahn von einem Zufuhrelement zu einem Aufspulelement durch das Werkstück gezogen wird, das in einer vorbestimmten Schneidzone angeordnet ist. Der sich im Werkstück aus­ bildende Schneidspalt wird ständig mit einer Flüssigkeit gespült. Ein elektrischer Strom hoher Dichte fließt zwischen der Drahtelektrode und dem Werkstück, um elektroerosiv Material vom Werkstück abzutragen. Beim elektrischen Ent­ ladungs-Bearbeiten (EDM) wird eine dielektrische Spül­ flüssigkeit verwendet und der Strom in der Form von elek­ trischen Impulsen eingespeist. Beim elektrochemischen Bearbeiten (ECM) ist die Flüssigkeit ein Elektrolyt, und der Bearbeitungsstrom ist ein kontinuierlicher oder ge­ pulster Strom hoher Amperezahl. Beim elektrochemischen Entladungs-Bearbeiten (ECDM) hat die Flüssigkeit elektro­ lytische und dielektrische Eigenschaften und der Bear­ beitungsstrom hat vorzugsweise die Form von Impulsen, die die Erzeugung elektrischer Entladungen durch das Flüssig­ keitsmedium erleichtern.

Entsprechend der Materialabtragung wird das Werkstück gegenüber der Drahtelektrode quer zu deren Achse verschoben.

Beim elektroerosiven Drahtschneiden liegt die Schneidzone zweckmäßig in Luft und über eine Düse wird die Flüssigkeit in den Schneidspalt gespritzt. Die Spülflüssigkeit ist in der Regel ein wäßriges Medium, das in bestimmtem Ausmaß ionisiert oder entionisiert sein kann, und in einer aus­ reichenden Menge in den Schneidspalt eingeführt wird, um die elektroerosive Einwirkung stabil zu halten, Schneid­ späne und andere Spaltprodukte aus dem Schneidspalt zu entfernen und die Drahtelektrode wirksam zu kühlen. In der herkömmlichen Anordnung der Schneidzone und Düse in Luft bildet sich ein relativ breiter Sprühstrahl (am Düsen­ ausgang aufgrund des Spannungsabfalles), so daß nur Teil­ mengen in den schmalen Schneidspalt zwischen der Draht­ elektrode und dem Werkstück gelangen. Eine unvollständige Füllung des Schneidspalts führt zu Gasentladungen, die den elektroerosiven Prozeß und die Abfuhr von Spaltpro­ dukten beeinträchtigen und gegebenenfalls einen Bruch der Drahtelektrode aufgrund übermäßiger Erwärmung verur­ sachen können. Ein übermäßig gesteigerter Flüssigkeitsdruck erzeugt Schwingungen der Drahtelektrode, die wiederum die Schneidstabilität beeinträchtigen.

Aus der US-PS 39 28 163 sind ein gattungsgemäßes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum elektrisch abtragen­ den Schneiden von Werkstücken mittels einer sog. Laufdraht­ elektrode bekannt, bei welcher Spülflüssigkeit gleich­ zeitig von unten und von oben in den Arbeitsspalt über zwei gesonderte Düsen eingeführt wird, die an den beiden die eigentliche Bearbeitungszone begrenzenden Drahtführungen befestigt sind. Die Mittelachse der Düsen ist so ausgerich­ tet, daß der zwischen dem Führungselement und dem Werkstück befindliche Abschnitt der Laufdrahtelektrode von der Flüssigkeit umspült und damit intensiver gekühlt wird. Der untere koaxial zur Elektrode verlaufende Düsenabschnitt endet unmittelbar vor der Werkstückfläche in einer Öffnung, die breiter als der sich während der Bearbeitung bildende Schneidspalt ist. Demzufolge gelangt ebenfalls nur ein Teil der aus jeder Düse austretenden Flüssigkeitsmenge direkt in den Schneidspalt, was - auch bei der beidseitigen Spaltbeaufschlagung - zu der vorstehend angegebenen Gas­ blasenbildung führen kann.

Ferner ist es z. B. aus der US-PS 35 53 415 bereits bekannt, in die dem Arbeits- bzw. Schneidspalt zugeführte Spül­ flüssigkeit ein Gas unter Druck einzuführen, das in der Zufuhrleitung der Flüssigkeit zur Düse eine Dispersion bildet. Durch die Wirkungen dieser Dispersion im Schneid­ spalt sollen die Abtragungsleistung erhöht und der Ver­ schleiß der Laufdrahtelektrode vermindert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Draht­ schneidemaschine zum elektrisch abtragenden Schneiden von Werkstücken aufzuzeigen, bei denen eine ausreichende Füllung des freien Schneidspalts mit Spülflüssigkeit sichergestellt und dadurch die Schneidstabilität und Wirk­ samkeit verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 (Verfahren) bzw. des Patentanspruchs 7 (Vorrichtung) gelöst.

Als Schneid- bzw. Arbeitsflüssigkeit wird vorzugsweise Wasser mit einem spezifischen Widerstand von 10² bis 10⁵ Ohm × cm verwendet. Der Querschnitt des zweiten Spülstrahls kann etwas breiter oder schmaler als der Schneidspalt sein und wenigstens der Dicke der Drahtelektrode entsprechen.

Zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung wird eine besonders günstige Verteilung der Spülflüssigkeit erzielt, da die mit dem ersten breiteren Spülstrahl mit relativ geringem Überdruck zugeführte Ar­ beitsflüssigkeit die Umgebung der Schneidzone füllt und diese gegenüber der Atmosphäre isoliert. Mit dem zweiten schmäleren Spülstrahl wird weitere Flüssigkeit unter er­ höhtem Druck durch das sich bildende Flüssigkeitspolster hindurch in den Arbeits- bzw. Schneidspalt eingespritzt, da seine Breite etwa der Breite des Schneidspalts ent­ spricht. Das vom breiteren ersten Spülstrahl gebildete "Flüssigkeitspolster" verhindert wirksam, daß Umgebungs­ luft durch die Injektorwirkung des zweiten Hochdruck-Spül­ strahls in den Schneidspalt mitgerissen wird. Eine auf diese Weise erzielte konstante Erneuerung der Arbeits­ flüssigkeit im gesamten Schneidspalt ergibt optimale Be­ dingungen zur elektroerosiven Materialabtragung hinsichtlich Stabilität, Kühlung der Drahtelektrode und Entfernen der Spaltprodukte.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Laufdraht-Erosionsmaschine,

Fig. 2 ein Schnitt einer Düsenanordnung zum Spülen des Schneidspaltes mit der Arbeitsflüssigkeit.

Fig. 3 die Düsenanordnung von Fig. 2 in schemati­ scher Draufsicht.

Die Laufdraht-Erosionsmaschine nach Fig. 1 verwendet eine Metalldrahtelektrode 1 mit einer Dicke von 0,05 bis 0,5 mm die von einer Vorratsspule 2 zu einer Aufwickelspule 3 durch einen Abziehantrieb 4 getrieben wird und eine Schneid­ zone zwischen zwei Führungsgliedern 5 a und 5 b durchläuft. Eine Bremseinheit 6 erzeugt eine geeignete mechanische Spannung der Laufdrahtelektrode 1. Ein Werkstück 7 liegt in der Schneidzone zwischen den Führungsgliedern 5 a und 5 b und wird von der Laufdrahtelektrode 1 durchsetzt. Das Werkstück 7 ist auf einem Arbeitstisch 8 befestigt, der in einer X-Y-Ebene von zwei Motoren 9 und 10 vorgeschoben wird, die von einer NC-Einheit 11 gesteuert werden. In der NC-Einheit 11 sind Bahn-Daten programmiert, welche den Weg des Arbeitsabschnitts der Laufdrahtelektrode bzw. des Werkstücks 8 kennzeichnen. Eine Düsenanordnung 12 befindet sich an der Schneidzone, die eine Schneidflüssig­ keit in den Bereich des Arbeitsspaltes zwischen der Draht­ elektrode 1 und dem Werkstück 7 fördert. Eine Strom- bzw. Spannungsversorgung 13 ist mit der Drahtelektrode 1 und dem Werkstück 7 verbunden. Im Betrieb wird das Werkstück 7 gegenüber der Drahtelektrode 1 in der X-Y-Ebene entlang der vorprogrammierten Bahn vorgeschoben.

Die Düsenanordnung 120 gemäß Fig. 2, 3 weist eine Nieder­ druckdüse 121 und eine Hochdruckdüse 122 auf. Die Nieder­ druckdüse 121 hat eine relativ große Düsenöffnung 121 a und fördert Flüssigkeit in breitem Strom mit geringer Geschwindigkeit zum Arbeitsspalt. Die Hochdruckdüse 122 hat eine schmalere Düsenöffnung 122 a und erzeugt einen scharfen Flüssigkeitsstrahl. Die Öffnung 122 a der Hochdruck­ düse 122 ist in der größeren Öffnung 121 a der ersten Düse 121 koaxial angeordnet und ihre Breite 1 entspricht etwa der Breite s des Arbeitsspalts S. Die Öffnung 122 liegt vor der Düsenöffnung 121 a der Niederdruckdüse 121. Beide Düsen 121 und 122 sind an einem Ring 123 durch eine Klammer 124 befestigt. Der Ring 123 ist an Rollen 125 und 126 geführt und wird von einer Walze 127 durch Reibungsangriff verdreht. Die Walze 127 wird durch einen Motor 128 ange­ trieben, der von einem Steuerglied 14 angesteuert wird. Die Rollen 125 und 126 und die Treibwalze 127 stehen in einer festen Lagebeziehung zu den Führungsgliedern 5 a und 5 b und zu der Drahtelektrode 1. Der Drehpunkt des Ringes 123 fällt mit der Mittelachse der Drahtelektrode 1 zusammen. Durch Verdrehen des Ringes 123 ändern sich die Sprührichtungen der Düsen 121, 122. Die Hochdruckdüse 122 ist so ausgerichtet, daß ihr scharfer Strahl in den Arbeitsspalt hinter der Drahtelektrode 1 gerichtet ist, wie in Fig. 3 gezeigt.

Zweckmäßig wird die Düsenanordnung 12, 120 an der Seite des Werkstücks 7 angeordnet, an der die Drahtelektrode 1 in das Werkstück 7 eintritt, so daß die Ströme der Spül­ flüssigkeit im Arbeitsspalt in der Durchlaufrichtung fließen. Beste Ergebnisse werden erhalten, wenn die Drahtelektrode 1 im Werkstück 7 von unten nach oben läuft und die Düsen­ anordnung 12, 120 unter dem Werkstück 7 angeordnet ist (vgl. Fig. 2).

Bei den Düsen 121 und 122 wird die Schneid- und Spülflüssig­ keit aus einem Tank 15 durch Pumpen 16 bzw. 17 zugeführt. Die Pumpe 16 fördert Schneid- und Spülflüssigkeit mit einem Druck von 1 bis 5 kp/cm² zur Niederdruckdüse 121 und die Pumpe 17 fördert die Schneid- und Spülflüssigkeit mit einem Druck von 5 bis 100 kp/cm², vorzugsweise über 10 kp/cm², zur Hochdruckdüse 122. Der Flüssigkeitsstrahl der Niederdruckdüse 121 kann streuen und eine relativ große Fläche bedecken, die den Arbeitsspalt und die Draht­ elektrode 1 umgibt. Es tritt praktisch keine Spritzwirkung in diesem Strom beim Austritt aus der Niederdruckdüse 121 und beim Auftreffen auf das Werkstück auf. Somit wird eine reichliche Flüssigkeitsmenge im Niederdruckstrom zugeführt, um die Umgebung des Schneidbereiches zu füllen und diesen von der Atmosphäre zu trennen. Der Querschnitt der Düsenöffnung 122 a der Hochdruckdüse 122 ist so bemessen, daß die Dicke des scharfen Spülstrahls etwa gleich der Breite des Arbeitsspalts ist. Der durch die Hochdruckdüse 122 in den Niederdruckstrom eingespritzte Spülstrahl wird von diesem in Form eines "flüssigen Vorhangs" und eines "Druckkissens" umgeben, so daß ein Verspritzen der Flüssig­ keit vermieden wird. In jedem Fall gelangt eine ausreichende Menge an Schneid-Flüssigkeit mit dem scharfen Spülstrahl ohne Behinderung in den Arbeitsspalt, wobei der hohe Druck eine wirksame Spülung und Füllung des gesamten Arbeits­ spaltes gewährleistet. Der vom Niederdruckstrom gebildete "Flüssigkeitsvorhang" verhindert, daß Luft in den scharfen Spülstrahl eingesaugt wird, so daß seine gewünschte Dichte erhalten bleibt. Auf diese Weise werden eine kontinuierliche Erneuerung der Schneidflüssigkeit im gesamten Arbeits­ spalt und damit optimale Bedingungen für die elektroerosive Einwirkung, Stabilität und Kühlen der Drahtelektrode 1 sowie das Entfernen der Spaltprodukte erzielt.

Die zwischen den Führungsgliedern 5 a und 5 b gespannte Laufdrahtelektrode neigt beim Schneiden zu einer Auslenkung nach hinten aufgrund des Entladungsdruckes oder des Gas­ ausdehnungsdruckes, der dem Elektroerosionsprozeß eigen ist. Diese Auslenkung kann einen Kurzschluß zwischen der Drahtelektrode 1 und dem Werkstück 7 oder ungesteuerte Schwingungen der gestreckten Drahtelektrode hervorrufen, was beides unerwünscht ist. Um einen Ausgleich zu erzielen, wird der scharfe Spülstrahl auf eine Zone des Arbeitsspalts unmittelbar hinter der Laufdrahtelektrode 1 gerichtet (Fig. 3). Solange die Drahtelektrode 1 in einer geraden Bahn vorrückt, wird diese Ausrichtung der Düsenanordnung beibehalten. Wenn die Drahtelektrode 1 in einer gekrümmten Bahn oder einer Kante bzw. Ecke vorrückt, wird die Stellung der Düsenanordnung 120 verändert, um diese Orientierung beizubehalten.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, empfängt die Steuer­ schaltung 14 die Steuersignale von der numerischen Steuer­ einheit 11, welche die Antriebsmotoren 9 und 10 des Werk­ stücktisches 8 steuern. Diese Signale bestimmen einen gewünschten Werkstückvorschub gegenüber der Drahtelektrode 1. Die Steuerschaltung 14 erzeugt aus diesen Signalen ein "Winkel"-Signal, das den Tangentenwinkel der Profilbahn in jedem voreingestellten Punkt bezüglich einer vorbe­ stimmten Koordinatenachse kennzeichnet und erzeugt daraus ein Ansteuersignal für den Motor 128. Wenn sich daher die relative Vorschubrichtung der Drahtelektrode 1 ändert, verdreht der vom Ansteuersignal aktivierte Motor 128 den Ring 123 und verändert damit die Winkelstellung der daran angebrachten Düsenanordnung 120. Das Ansteuersignal dauert fort, bis das Düsenglied 122 eine Stellung einnimmt, in der der scharfe Spülstrahl in die gewünschte Richtung orientiert ist.

Die Schneidflüssigkeit kann zweckmäßig eine wäßrige Lösung mit einem spezifischen Widerstand zwischen 10² und 10⁵ Ohm × cm sein und Gase und/oder feine Abriebteilchen enthalten. Die Vorrichtung nach Fig. 1 enthält eine Mischkammer 18 in der Flüssigkeitsleitung für die Hochdruckdüse 122. Die Gase, vorzugsweise Sauerstoff in Form von O₂ oder O₃ werden aus einem Behälter 19 in der Mischkammer 18 dem Hochdruckstrom zugesetzt. Ozon ist in einem Anteil von 10 bis 55 Vol.-% im Hochdruckstrom besonders vorteilhaft, weil die Abtragungsgeschwindigkeit und die Schneidstabilität verbessert werden. Die Abriebteilchen, die SiO₂, B₄C, Al₂O₃ oder andere Schleifkörner sein können, werden aus einem Behälter 20 in der Mischkammer 18 in den Hochdruckstrom eingespeist.

Claims (10)

1. Verfahren zum elektrisch abtragenden Schneiden von Werkstücken mit einer Drahtelektrode, bei dem die Ar­ beitsflüssigkeit durch zwei unterschiedlich intensive Spülstrahlen dem Arbeitsspalt zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der erste Spülstrahl die Arbeitsflüssigkeit dem Arbeitsspalt mit geringerem Druck als der zweite Spülstrahl zuführt,
• - daß der zweite Spülstrahl schmäler als der erste Spülstrahl ist und in diesen eingespritzt wird, und
• - daß die Breite des zweiten Spülstrahls in etwa der Breite des Schneidespalts entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spülstrahl mit einem Druck von 1 bis 5 bar und der zweite Spülstrahl mit einem Druck von 10 bis 100 bar in den Arbeitsspalt injiziert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spülstrahl Gase enthält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spülstrahl feinverteilte Feststoffpartikel enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spülstrahl hinter der Drahtelektrode auf den Arbeitsspalt gerichtet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführrichtung des zweiten Spülstrahls bei Änderungen der Vorschubrichtung der Drahtelektrode so verstellt wird, daß er stets hinter der Laufdraht­ elektrode in den Arbeitsspalt gerichtet ist.

7. Drahtschneidemaschine zum elektrisch abtragenden Bear­ beiten mit einer Spüleinrichtung zum Zuführen von Ar­ beitsflüssigkeit durch mehrere Spülstrahlen in den von der Drahtelektrode im Werkstück erzeugten Spalt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spüleinrichtung einen Niederdruckerzeuger (16) und eine an diesen angeschlossene, in den Arbeitsspalt gerichtete Niederdruckdüse (121) mit einer Düsenöffnung (121 a), sowie einen Hochdruckerzeuger (17) und eine zur Niederdruckdüse (121) ausgerichtete Hochdruckdüse (122) aufweist, deren Düsenöffnung (122 a) kleiner als die der Niederdruckdüse (121) und etwa gleich der Breite des Arbeitsspalts (S) ist.

8. Drahtschneidemaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnung (122 a) der Hochdruckdüse (122) innerhalb der Düsenöffnung (121 a) der größeren Nieder­ druckdüse (121) angeordnet ist.

9. Drahtschneidemaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckdüse (121) und die Hochdruckdüse (122) gegenüber der Laufdrahtelektrode (1) bewegbar sind.

10. Drahtschneidemaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Düsen (121 und 122) an einem drehange­ triebenen Ring (123) montiert sind, welcher die Lauf­ drahtelektrode (1) koaxial umgibt.