DE3114956A1

DE3114956A1 - Elektroentladungs-bearbeitungsverfahren und -vorrichtung zur bearbeitung von werkstuecken mit gesteuerter kraterausbildung

Info

Publication number: DE3114956A1
Application number: DE19813114956
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Tokyo Inoue
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1980-04-15
Filing date: 1981-04-13
Publication date: 1982-01-28
Also published as: GB2073641A; FR2480165B1; GB2073641B; FR2480165A1; US4394558A; IT1142808B; IT8148287A0

Description

Inoue-Japax Research Incorporated Yokohamashi, Kanagawaken Japan

Elektroentladungs-Bearbeitungsverfahren und -vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mit gesteuerter

Kraterausbildung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Bearbeitung mittels elektrischer Entladungen (EDM) und insbesondere auf ein neues und brauchbares Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Elektroentladungsbearbeitung eines elektrisch leitenden Werkstücks mittels Durchleitens einer Folge einzelner, örtlich begrenzter und zeitlich beabstandeter elektrischer Entladungsimpulse durch einen mit einem flüssigen Bearbeitungsmedium gespülten Bearbeitungsspalt zwischen einer Werkzeugelektrode und dem Werkstück.

Bei der Bearbeitung durch elektrische Entladungen, im folgenden mit EDM bezeichnet, werden leitende Werkstücke durch den Übergang von elektroerosiven Strom-

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impulsen zwischen einer Werkstückelektrode und einer dieser unter Abstand zugewandten Werkzeugelektrode durch einen Elektrodenspalt bearbeitet, der mit ein_jem flüssigen Bearbeitungsmedium gespült wird, das wenigstens teilweise von dielektrischer Art ist und auch dazu dient, den Abfall oder die Spaltprodukte des EDM-Verfahrens abzuführen (s. z. B. DE-OS 2 721 804)

Bei einer Vielfalt von EDM-Vorgängen, bei denen ein leitendes Werkstück mit einer speziell geformten Werkzeugelektrode gebohrt, geformt oder ausgehöhlt oder mit einer durchlaufenden dünnen Draht- od. dgl. langgestreckten Werkzeugelektrode profilgeschnitten wird, kann jeweils ein gesonderter elektrischer Stromimpuls einer allgemein im Bereich zwischen 1O~ und 10 s liegenden Dauer über einen verhältnismäßig sorgfältig bemessenen Bearbeitungsspalt mit einer Spaltweite von z. B. 0,05 bis 0,005 mm angelegt werden, der mit dem flüssigen Bearbeitungsmedium gefüllt ist, um anfänglich einen dielektrischen Durchschlag des Spaltmediums über den Weg der geringsten Durchschlagsfestigkeit, d. h. allgemein den des geringsten Abstandes, zwischen einem Punkt auf der Werkzeugelektrodenoberfläche und einem Punkt auf der Werkstückelektrodenoberfläche zu erzeugen. Der dielektrische Durchschlag führt zu einer Funkenentladung oder einer Entladung des Kurzbogentyps, wodurch ein hochkonzentrierter Entladungsstrom durch den Durchschlagweg zwischen diesen Elektrodenpunkten fließt. Die angelegte elektrische Energie ist hoch-

5 2 konzentriert (allgemein über 10 W/cm bei einer

4 9 2 Stromdichte von 10 bis 10 A/cm ) und örtlich unter Bildung einer engen Entladungssäule begrenzt. Ein

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sehr rascher Temperaturanstieg in der Entladungssäule bringt das Metall im Bereich des Entladungspunktes an der Werkstückelektrodenoberfläche in einen geschmolzenen und verdampften Zustand. Gleichzeitig führt die sehr rasche Ausdehnung der Metallgase und der Flüssigkeitszersetzungsgase in der Entladungssäule zu einem erheblichen Druck (schätzungsweise von

100 bis 500 kg/cm ) der wirksam dazu dient, das geschmolzene Metall stoßartig in feinteilige Formen zu zerstäuben und sie vom Entladungspunkt weg zu zerstreuen. Als Ergebnis tritt ein kraterartige Ausbildung mit einer Kratervertiefung und dem diese umgebenden Kraterwall an dem Teil der Werkstückoberfläche auf, auf den die Entladung auftraf. Der nächste zeitlich beabstandete Impuls kann dann ein anderes Paar von Punkten auf der Werkzeug- und der Werkstückelektrodenoberfläche erreichen und sie mit einer weiteren Hochenergie-Elektroerosionsentladung überbrücken. So ergibt eine Folge von zeitlich beabstandeten und gesonderten Stromimpulsen, die zwischen den einander zugewandten Elektrodenoberflächen angelegt werden, zufällig örtlich begrenzte Materialabtragungsentladungen, die kumulativ zu überlappten Kratern in der Werkstückoberfläche führen; die gesamte Oberfläche wird so auf ihren der Werkzeugelektrode zugewandten Teil gleichmäßig bearbeitet, und die bearbeitete Zone erhält eine Gestaltung, z. B. als Vertiefung oder Nut, die der Form der Werkzeugelektrode entspricht.

Die letztere kann mit der gewünschten Ausbildung der Vertiefung oder der komplementär im Werkstück gewünschten Form ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich wird die Werkzeugelektrode relativ zur

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Werkstückelektrode verschoben, um in der letzteren ein gewünschtes elektroerosiv erzeugtes Profil zu bilden. Während des Bearbeitungsvorganges werden kleine metallische oder leitende Späne oder Teilchen und andere Spaltprodukte (d. h. Teer und Gase) vom Spalt durch das flüssige Bearbeitungsmedium abgeführt, das den Spalt spült und allgemein dadurch zirkuliert, während die Werkzeugelektrode relativ zum Werkstück durch eine Hilfsvorrichtung vorgerückt werden kann, die zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Spaltweite oder zur möglichst genauen Annäherung an die gewünschte Spaltweite ausgelegt ist.

Jeder einzelne EDM-J<rater . _wei_st allgemein Kreisform auf, wie schematisch in Fig. 1 (a) in Aufsicht dargestellt ist. Der Krater weist um den Bereich einer Kratervertiefung A herum einen ringförmigen Kraterwall B auf, wie in der Seitenschnittansicht in Fig. 1 (b) dargestellt ist. Die Kratervertiefung A ist mit einer Tiefe H und einem Durchmesser Dx dargestellt, während der Kraterwall B eine Höhe h hat. Man kann erkennen, daß die Abmessung des Kraters die Menge der Materialabtragung je Entladung darstellt und daher sowohl die Oberflächenrauhigkeit als auch die Materialabtragungsgeschwindigkeit eines EDM-Verfahrens beeinflußt. Andererseits ist es bekannt, daß die Energiemenge jeder einzelnen Entladung die Abmessung des entstehenden Kraters bestimmt. Daher werden, je größer die Menge einer einzelnen Entladungsenergie ist, die Materialabtragung und damit die Abtragungsgeschwindigkeit umso größer, doch gleichzeitig wird auch die Oberflächenrauhigkeit umso größer. Mit anderen Worten wurde, während es erwünscht ist, eine stärkere Energie der einzelnen

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Entladung zum Erzielen einer größeren Abtragungsgeschwindigkeit zu verwenden, erkannt, daß dies nur zu Lasten einer größeren Oberflächenrauhigkeit, die damit unvermeidlich folgt, geschehen kann. Die Materialabtragung W je einzelne Entladung und die EDM-Oberflächenrauhigkeit Rmax, die sich kumulativ aufgrund solcher einzelner Entladungen ergibt, lassen sich, wie gefunden wurde, folgendermaßen korrelieren:

³ . W (D

Rmax

Demgemäß störte die Fachwelt die Tatsache, daß Anstregungen, eine höhere Abtragungsgeschwindigkeit zu erhalten, und Anstrengungen, eine feinere Oberflächenrauhigkeit (Endzustandglätte) zu erhalten, miteinander unverträglich sind. Man mußte mit einer verhältnismäßig schlechten Oberflächenrauhigkeit zufrieden sein, wenn eine hohe Abtragungsgeschwindigkeit gewünscht wurde, oder man mußte sich mit einer verhältnismäßig geringen Abtragungsgeschwindigkeit begnügen, wenn ein möglichst glatter Oberflächenendzustand benötigt wurde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues EDM-Verfahren zu entwickeln, das einen erhöhten Bearbeitungswirkungsgrad, d. h. einen feineren Oberflächenendzustand bei einer gegebenen Materialabtragungsgeschwindigkeit oder eine höhere Abtragungsgeschwindigkeit bei einer gegebenen Oberflächenfeinheit ergibt und eine stärkere Materialabtragung und einen feineren Oberflächenendzustand bei einer gegebenen

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Bearbeitungsenergie ermöglicht. Außerdem soll eine verhältnismäßig einfache und unaufwendige EDM-Vorrichtung angegeben werden, die sich zur Durchführung des neuen Verfahrens eignet.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist zunächst ein Verfahren zur Bearbeitung eines elektrisch leitenden Werkstücks mit einer Werkzeugelektrode, die diesem über einen mit einem flüssigen Bearbeitungsmedium gespülten Bearbeitungsspalt zugewandt ist, wobei eine Folge von zeitlich beabstandeten elektrischen Impulsen durch den Bearbeitungsspalt geleitet wird, um zwischen den einander zugewandten Flächen der Werkzeugelektrode und des Werkstücks/eleictroerosive Entladungen zu erzeugen, deren jede zur Bildung eines Entladungskraters an einem örtlich begrenzten Punkt auf der Werkstückoberfläche und zur entsprechenden örtlichen Materialabtragung davon führt und die bei nacheinander folgender und zufällig über die der Werkzeugelektrodenoberfläche zugewandte Werkstückoberfläche verteilter Bildung solcher Entladungskrater kumulativ Material vom Werkstück abtragen, während die Werkzeugelektrode relativ zum Werkstück längs einer vorbestimmten Bahn zum Vorrücken der Materialabtragung im Werkstück verschoben wird, wobei das flüssige Bearbeitungsmedium zum Strömen durch den Bearbeitungsspalt getrieben werden kann und wobei die Werkzeugelektrode relativ zum Werkstück unabhängig von der genannten Relativverschiebung dazwischen bewegt werden kann, mit dem Kennzeichen, daß man die Oberflächenrauhigkeit des bearbeiteten Werkstücks durch Steuern der Strömungsgeschwindigkeit

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des flüssigen Bearbeitungsmediums durch den Bearbeitungsspalt und/oder der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück derart verringert, daß jeder Entladungskrater von elliptischer Form mit einer wenigstens doppelt so langen großen Achse wie seiner kleinen Achse wird.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 gekennzeichnet.

Es wurde gefunden, daß es in der vorstehend angegebenen Weise möglich ist, eine gegebene Entladungsenergiemenge je Einzelimpuls zu verwenden, um einen Krater mit einem verringerten Wert von (H + h) und einem größeren Wert von Dx zu erzeugen und eine größere Materialabtragung W und eine verringerte Oberflächenrauhigkeit Rmax zu erhalten. Insbesondere wurde gefunden,daß in dieser Weise das Verhältnis zwischen der Materialabtragung W (je Einzelentladung) und der Oberflächenrauhigkeit Rmax (Kumulativwert wiederholter Entladungen) durch einen geänderten Ausdruck wiedergegeben wird:

Rmax¹'⁵*² « W (2)

So beruht die Erfindung auf der Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Bearbeitungsmediums durch den Bearbeitungsspalt und/der der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen der Werkzeugelektrode und

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dem Werkstück, womit vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden, die bisher niemals erwartet wurden. Wenn beispielsweise die Geschwindigkeit des Bearbeitungsspaltstroms des flüssigen Bearbeitungsmediums oder die Geschwindigkeit der Elektrodenrelativbewegung
eine bestimmte Höhe überschreitet, wird überraschend jeder einzelne Entladungskrater von elliptischer Form, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, wobei sich die große Achse Dr des Kraters in der Richtung der
Strömung des flüssigen Bearbeitungsmediums oder der Elektrodenrelativbewegung erstreckt. Es wurde außerdem gefunden, daß, wenn der Krater zu einer elliptischen Form in dem Ausmaß verformt wird, daß seine große

Achse Dr mehr als doppelt so lang wie seine kleine Achse Dx ist, der verformte Krater eine merklich verringerte Summe der Tiefe der Kratervertiefung und der Höhe des Kraterwalls (H + h) und gleichzeitig dennoch ein größeres Volumen der Kratervertiefung (wenigstens doppelt so groß) als der herkömmliche unverformte Krater für eine ergebene Menge der zugeführten Entladungsenergie^- Da eine größere Materialabtragung mit einem verringerten Wert von (H + h) für eine gegebene Menge der zugeführten Entladungsenergie erzielt wird, folgt daraus, daß man eine Verbesserung sowohl der Abtragungsgeschwindigkeit als »auch der Oberflächenrauhigkeit und damit eine Steigerung des Verhältnisses der Abtragungsgeschwindigkeit zur Oberflächenrauhigkeit erreicht.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer einem elektrisch leitenden Werkstück

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über einen mit einem flüssigen Bearbeitungsmedium gespülten Bearbeitungsspalt gegenüberstellbaren Werkzeugelektrode, einer Stromquelle zum Leiten einer Folge von zeitlich beabstandeten elektrischen Impulsen durch den Bearbeitungsspalt zur Erzeugung einzelner elektroerosiver Entladungen, deren jede zur Bildung eines Entladungskraters an einem örtlich begrenzten Punkt auf der Werkstückoberfläche und zur entsprechenden örtlichen Materialabtragung davon führt und die bei nacheinander folgender und zufällig über die der Werkzeugelektrodenoberfläche zugewandte Werkstückoberfläche verteilter Bildung solcher Entladungskrater kumulativ Material vom Werkstück abtragen, einer Einrichtung zur Relatiwerschiebung der Werkzeugelektrode gegenüber dem Werkstück längs einer vorbestimmten Bahn zum Vorrücken der Materialabtragung im Werkstück während der Folge der zeitlich beabstandeten elektrischen Impulse, ggf. einer Fördereinrichtung zum Treiben des Stroms des flüssigen Bearbeitungsmediums durch den Bearbeitungsspalt und ggf. einer Einrichtung zur Bewegung der Werkzeugelektrode relativ zum Werkstück unabhängig von der genannten Relativverschiebung dazwischen, mit dem Kennzeichen, daß die Fördereinrichtung des flüssigen Bearbeitungsmediums auf eine derartige Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Bearbeitungsmediums durch den Bearbeitungsspalt und/oder die Einrichtung zur Relativbewegung zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück auf eine derartige Geschwindigkeit der Relativbewegung einstellbar sind, daß jeder Entladungskrater von elliptischer Form mit

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einer wenigstens doppelt so langen großen Achse wie seiner kleinen Achse wird.

Ausgestaltungen dieser Vorrichtung sind in den Ansprüchen 10 bis 12 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. l(a) und l(b) eine Aufsicht bzw. eine Schnittansicht zur schematischen Darstellung eines mit einer gegebenen Menge der zugeführten Entladungsenergie gebildeten herkömmlichen kreisförmigen Entladungskraters;

Fig. 2(a) und 2(b) eine Aufsicht bzw. eine Schnittansicht zur schematischen Darstellung eines erfindungsgemäß mit der gleichen Menge der zugeführten Entladungsenergie gebildeten elliptischen Entladungskraters, dessen große Achse angenähert doppelt so lang wie

seine kleine Achse ist;

Fig. 3(a) und 3(b) gleichartige schematische Darstellungen eines elliptischen Entladungskraters gemäß der Erfindung, dessen große Achse viel länger als seine kleine Achse ist;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, in der die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Bearbeitungsmediums gesteuert wird;

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Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehungen zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Bearbeitungsmediums und der Abtragungsgeschwindigkeit sowie der Oberflächengüte; und

Fig. 6 eine teilweise geschnittene schematische Darstellung einer anderen Vorrichtung gemäß der Erfindung, in der die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück gesteuert wird.

in Fig. 4 ist ein Werkstück 1 einer Werkzeugelektrode in einer herkömmlichen Absenk-Typ-EDM-Vorrichtung zugewandt dargestellt. Die Werkzeugelektrode 2 weist einen Flüssigkeitskanal 3 in sich auf, der an einem EDM-Spalt 4 mündet, der zwischen der Werkzeugelektrode 2 und dem Werkstück 1 in dem Bereich eines Hohlraums begrenzt ist, der im letzteren gebildet wird. Eine EDM-Stromquelle 5 ist mit der Werkzeugelektrode 2 und dem Werkstück 1 verbunden, um dazwischen eine Folge von elektroerosiven EDM-Impulsen anzulegen, und weist Einstellungen für die An-Zeit (Impulsdauer)und die Aus-Zeit (Impulsintervall) sowie für den Spitzenstrom dieser Impulse auf. Der Kanal 3, der durch die Werkzeugelektrode 2 hindurch ausgebildet ist, weist eine Einlaßleitung 6 auf, die mit einem flüssigen Bearbeitungsmedium gespeist wird, das unter erhöhtem Druck von einem Speicher 8 durch eine Pumpe 7 zugeführt wird. Ein Rückflußventil 9 leitet einen Teil des

von der Pumpe 7 aus dem Speicher 8 abgezogenen flüssigen Bearbeitungsmediums zum Speicher zurück und ist ein

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elektromagnetisches Ventil, das durch einen Steuerkreis 10 reguliert wird, um den Einspeisungsdruck des flüssigen Bearbeitungsmediums in den Bearbeitungsspalt 4 und dadurch seine Strömungsgeschwindigkeit durch diesen für die besonderen Zwecke der Erfindung zu steuern. Der Steuerkreis 10 hat Ventilsteuereinstellungen, die mit Einstellungen in der EDM-Stromquelle 5 für EDM-Stromparameter und insbesondere den Spitzenstrom Ip und die An-Zeit ton der elektroerosiven Impulse gekoppelt sind, die das durch jeden elektroerosiven Entladungsimpuls verbrauchte Energieniveau bestimmen, so daß, wenn eine besondere EDM-Stromeinstellung in der Stromquelle 5 gewählt wird, die entsprechende vorgewählte Ventilsteuereinstellung im Steuerkreis 10 betätigt wird, um die entsprechende vorgewählte hohe Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Bearbeitungsmediums

4
durch den EDM-Spalt gemäß den Prinzipien der Erfindung einzustellen. Während das EDM-Verfahren abläuft, rückt ein Vorschvubantriebsmotor 11 die Werkzeugelektrode 2. in das Werkstück 1 vor, wobei die Weite des Spaltes 4 dazwischen im wesentlichen konstant gehalten wird, bis die Aushöhlung einer gewünschten Tiefe erreicht wird.

um zu ermöglichen, daß das flüssige Bearbeitungs-

medium durch den Bearbeitungsspalt mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit strömt, ist es erwünscht, die Werkzeugelektrode 2 und das Werkstück in der Atmosphäre anzuordnen (statt sie in das flüssige Medium einzutauchen) und gleichzeitig ein flüssiges Bearbeitsmedium mit einer niedrigen Viskosität

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zu verwenden. Das im Spaltbereich mit der Luft .in Verbindung stehende Medium sollte auch entflammungsfrei sein und bei Entladungszersetzung keine gefährlichen Gase abgeben. Ein hochgradig geeignetes flüssiges EDM-Bearbeitungsmedium, das diese Anforderungen erfüllt, ist eine durch einen Ionenaustauscher entionisierte wässerige Flüssigkeit mit einem spezifischen Widerstand im Bereich zwischen 10 und 10 Ohm . cm.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Entladungskrater, die verformt sind, um elliptisch und in verschiedenen Ausmaßen in der Richtung des Hochgeschwindigkeitsstromes des flüssigen Bearbeitungsmediums langgestreckt zu sein. Bei gegebenem Entladungsspitzenstrom Ip erhält man einen gewünschten Entladungskrater elliptischer Form, dessen große Achse Dr wenigstens doppelt so lang wie seine kleine Achse Dx ist, und infolgedessen eine gewünschte verringerte Oberflächenrauhigkeit durch Steuern des Anstiegs der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Bearbeitungsmediums durch den Bearbeitungsspalt entsprechend im Zusammenhang mit bestimmten Werten der verwendeten Impuls-An-Zeit oder -dauer "Con, die die Entladungsschmelzzeit bestimmt.

Beispiel I

Ein Eisenwerkstück wird mit einer Kupferwerkzeugelektrode unter Verwendung eines aus einer destillierten wässerigen Flüssigkeit mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ohm . cm bestehenden flüssigen Bearbeitungsmediums bearbeitet. Eine Folge von EDM-Impulsen

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hat einen Spitzenstrom Ip von 27 A und eine An-Zeit fön mit unterschiedlichen Werten. In der folgenden Tabelle zeigt A die in der herkömmlichen Weise unter Verwendung des mit einer niedrigen festen Geschwindigkeit von 5 m/s unabhängig von unterschiedlichen An-Zeiten ton strömenden flüssigen Bearbeitsmediums erhaltene Oberflächenrauhigkeit, und B zeigt die erfindungsgemäß unter Verwendung des gleichen, mit im Zusammenhang mit den unterschiedlichen An-Zeiten Ton variierten Geschwindigkeiten strömenden Bearbeitungsmediums erhaltene. Oberflächenrauhigkeit.

I	(^A ( herkömmlich )	Strömungsge- Oberfläche schwindigkeit rauhig- WS* keit \ (jjRmax)	B ( Erfindung) j	Tan	Strömungsge- ^ch^indigkeii	Ober- ' ~ I ,flächen- \| "rauhigkeitj (uRmax) I
τ an	5 25	50	10	12 !
50	5 15	10	20	3 I
10	5 8	1	80	. 5 I
1	5 5	0,5	180	3 !
0,5	Tabelle 1

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Man sieht, daß das Bearbeitungsmedium erfindungsgemäß mit erhöhter Geschwindigkeit und insbesondere mit noch höherer Geschwindigkeit in einem feineren Oberflächenendzustandsbereich, der kürzere Impulse erfordert, als in einem rauheren Bearbeitungsbereich, der längere Impulse erfordert, strömen muß, um die erwünschten elliptischen Entladungskrater und demgemäß eine verringerte Oberflächenrauhigkeit oder verbesserte Oberflächenendzustände zu erhalten. In dieser Weise wird die Oberflächenrauhigkeit erfindungsgemäß in jedem Bearbeitungsbereich auf angenähert oder sogar weniger als die Hälfte der herkömmlich erhältlichen Oberflächenrauhigkeit verringert.

Beispiel II

Im Beispiel I wird die Strömungsgeschwindigkeit des wässerigen Bearbeitungsmediums von 0 bis 25 m/s

für den Bearbeitungsbereich unter Verwendung einer An-Zeit t^on von 10 ,us variiert, und die Abtragungsgeschwindigkeit und die Oberflächenrauhigkeit werden gemessen.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in dem die variierte Strömungsgeschwindigkeit (m/s) längs der Abszisse aufgetragen ist, die in ,u Rmax gemessene Oberflächenrauhigkeit längs der Ordinate auf der linken Seite aufgetragen ist und die in g/min gemessene Abtragungsmenge

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längs der Ordinate auf der rechten Seite aufgetragen ist. Man sieht, daß die Abtragungsmenge mit der Strömungsgeschwindigkeit von 20 m/s etwa doppelt so groß wie die mit der Strömungsgeschwindigkeit von 5 m/s ist, während die Oberflächenrauhigkeit, wie schon bemerkt, auf etwa die Hälfte verringert ist. Die gegenseitige Abhängigkeit zwischen der durch eine einzelne Entladung entfernte^ Materialabtragungsmenge und der Oberflächenrauhigkeit mit einer Strömungsgeschwindigkeit über 15 bis 20 m/s hat den oben erwähnten Ausdruck (2) bestätigt.

Es erwies sich als notwendig, eine äußerst hohe Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Bearbeitungsmediums insbesondere in Feinbearbeitungs- und Ultrafeinbearbeitungsbereichen zu verwenden. Um eine derart erhöhte Strömungsgeschwindigkeit zu erleichtern, wurde es als vorteilhaft gefunden, die Werkzeugelektrode? in hochfrequente Schall- oder überschallschwingung zu versetzen. Hierzu kann ein durch eine Hochfrequenzstromquelle gespeister elektromechanischer Wandler über einen herkömmlichen Hornkörper an der Werkzeugelektrode 2 angebracht sein. Durch Aufbringen

mechanischer Schwingungen einer Frequenz von 1 kHz bis 10 MHz auf die Werkzeugelektrode 2 wird der Bearbeitungsspalt 4 wirksam durch die Amplitude der Schwingungen erweitert, ohne daß praktisch ein nachteiliger Einfluß auf die Bearbeitungswirkung, die darin andauert, auftritt. Die Schwingungen ergeben effektiv

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eine verbesserte Pumpwirkung im Bearbeitungsspalt für das flüssige Bearbeitungsmedium, dem so ermöglicht wird, durch die enge Spaltweite mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit unter einem verringerten Speisedruck zu strömen. Beispielsweise kann mit auf die Werkzeugelektrode 2 aufgebrachten Schwingungen einer Frequenz von 1,6 MHz der Speisedruck auf die Hälfte dessen verringert werden, der erforderlich ist, wenn keine Schwingung aufgebracht wird·, . um ein bestimmtes Bearbeitungsergebnis mitjsiner erhöhten Abtragungsmenge zu erzielen.

Es versteht sich, daß das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung auf praktisch jede Form des EDM-Verfahrens unter Verwendung jeder Form der Werkzeugelektrode anwendbar ist. So kann die Werkzeugelektrode statt der dargestellten Blockform ein Draht, Stab oder Rohr sein. Die durchlaufende Drahtelektrode kann in einer herkömmlichen Drahtschneide-EDM-Vorrichtung verwendet werden. Die Werkzeugelektrode kann auch die Form einer drehenden Scheibe oder Röhre haben. Das flüssige Bearbeitungsmedium kann anstelle der Zuführung durch die Elektrode auch durch eine oder mehrere in der Nähe des Bearbeitungsspalts angeordnete Düsen zugeführt werden.

Das in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist ausgelegt, um Krater einer elliptischen Form zu schaffen und folglich einen verbesserten Oberflächenendzustand (verringerte Oberflächenrauhigkeit) oder ein verbessertes Verhältnis der Abtragungsrate zur Oberflächenrauhigkeit zu erzielen,

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indem man eine gesteuerte relative Bewegung zwischen der Werkzeugelektrode 2 und dem Werkstück 1 alternativ zu oder zusätzlich zu einer gesteuerten Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Bearbeitungsmediums, die schon beschrieben wurde, anwendet.

Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 unter Durchführung mit einer EDM-Anordnung dargestellt, in der eine Vertiefung la im Werkstück 1 mit einer allgemein von der Form der Werkzeugelektrode 2 unabhängigen Form ausgearbeitet wird, wobei das Werkstück in einem Arbeitsgefäß 12 festgehalten ist. Das letztere wird durch drei unabhängige Motoren 13, und 15 angetrieben, die durch von einem numerischen Steuergerät 16 gelieferte Steuersignale geschaltet werden. Der Motor 13 eignet sich zur Bewegung des Gefäßes 12 längs einer x-Achse, der Motor 14 zur Bewegung des Gefäßes 12 längs einer zur x-Achse senkrechten y-Achse und der Motor 15 zur Bewegung des Gefäßes längs einer sowohl zur x-Achse als auch zur y-Achse senkrechten z-Achse. Das numerische Steuergerät 16 enthält vorprogrammierte Bewegungsdaten entsprechend einer Anzahl von Bewegungsbahnen, denen das Werkstück relativ zur Werkzeugelektrode 2 folgen muß, um ein gewünschtes Profil der Vertiefung la im Werkstück zu erhalten. Beim Betrieb dieser Vorrichtung wird das flüssige Bearbeitungsmedium vom Speicher 8 mittels der Pumpe 7 durch eine Düse 17 in den Bearbeitungsspalt eingespeist, und die EDM-StromquelIe 5 wird betätigt, um eine Folge von elektroerosiven Entladungsimpulsen zwischen dem Werkstück 1 und der diesem über den Spalt

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zugewandten Werkzeugelektrode 2 zu liefern. Die Vorprogrammierten Daten im numerischen Steuergerät werden reproduziert und darin zu Steuerimpulsen umgewandelt, die den x-, y- und z-Achsen-Motoren 13, 14 und 15 zugeführt werden, um das Werkstück 1 relativ zur Werkzeugelektrode 2 längs vorbestimmten dreidimensionalen Bahnen zu verschieben, wodurch die elektroerosiv bearbeitete Vertiefung la im Werkstück gebildet wird. Wie bereits erwähnt wurde, ist das flüssige Bearbeitungsmedium vorzugsweise eine entionisierte wässerige Flüssigkeit mit einem spezifischen Widerstand von 10 bis 10 Ohm . cm.

Die Einrichtung zur Bewirkung einer 'gesteuerten Relativbewegung zwischen der Werkzeugelektrode 2 und dem Werkstück 1 unabhängig von der erwähnten Relativverschiebung zum Vorrücken der Materialabtragung vom Werkstück 1 umfaßt hier Organe zum Drehen der Werkzeugelektrode 2 mit einer äußerst hohen und doch gesteuerten Drehzahl. Die Werkzeugelektrode 2 ist daher mit einem Spannfutter 18 an einer Drehwelle 19 befestigt dargestellt, die in einem Lager 20 gelagert ist und von einem Motor 21 gedreht wird, der seinerseits von einem Steuerkreis 22 gesteuert wird. Das Spannfutter 18 ist elektrisch leitfähig, und eine Bürste ist daran in gleitendem Kontakt zum Zuführen des

Bearbeitungsstroms zur Werkzeugelektrode 2 von der Stromquelle 5 angedrückt. Der Steuerkreis 22 hat Steuerantriebseinstellungen für die Drehzahl des Motors 21, die mit Einstellungen in der EDM-Stromquelle 5 für EDM-Parameter und insbesondere den Spitzenstrom Ip und die An-Zeit ~on der elektroerosiven

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Impulse gekoppelt sind, die das von jedem elektroeiosiven Entladungsimpuls verbrauchte Energieniveau bestimmen, so daß, wenn eine bestimmte EDM-Stromeinstellung in der Stromquelle 5 vorgewählt wird, die entsprechende vorgewählte AntriebsSteuereinstellung im Steuerkreis 22 betätigt wird, um die entsprechende vorgewählte hohe Drehzahl des Motors 21 und damit die Relativbewegung der Werkzeugelektrode 2 entsprechend den Prinzipien der Erfindung zu liefern.

Die äußerst rasche Bewegung der Werkzeugelektrode 2, die durch ihre hochtourige Drehung relativ zum Werkstück 1 erzeugt wird, bewirkt eine Verformung jedes einzelnen Entladungskraters zu einer elliptischen Form, wie sie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, wobeijsich deren große Achse Dr in der Richtung der Relativbewegung erstreckt. Bei einem bestimmten Entladungsspitzenstrom Ip erhält man einen gewünschten Entladungskrater elliptischer Form mit einer wenigstens doppelt so langen großen Achse Dr wie der kleinen Achse Dx und infolgedessen eine erwünschte verringerte Oberflächenrauhigkeit (einen verbesserten Oberflächenendzustand) oder einen gewünschten Anstieg des Verhältnisses der Abtragungsrate zur Oberflächenrauhigkeit, indem man den Anstieg der Drehzahl oder der Relativbewegung der Werkzeugelektrode 2 dementsprechend in Verbindung mit bestimmten verwendeten Werten der Impuls-An-Zeit oder -dauer ton steuert, die die Entladungsschmelzzeit bestimmt.

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Beispiel III

Ein Eisenwerkstück wird mit einer zylindrischen (säulenförmigen) Kupferwerkzeugelektrode unter Verwendung einer entionisierten wässerigen Bearbeitungsflüssigkeit mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ohm . cm bearbeitet. Eine Folge von EDM-Impulsen mit einem Spitzenstrom Ip von 27 A und einer An-Zeit ton verschiedener Werte wird verwendet. In der folgenden Tabelle 2 zeigt A die in der herkömmlichen Weise ohne Rotation der Werkzeugelektrode für unterschiedliche An-Zeiten oon erhaltene Oberflächenrauhigkeit, und B zeigt die erfindungsgemäß bei Rotation der Werkzeugelektrode mit im.Zusammenhang mit den unterschiedlichen An-Zeiten 'Ton variierten Drehzahlen erhaltene Oberflächenrauhigkeit.

A ( herkömmlich)"	τ an	Oberflächen- rauhrgkeit	B ( Erfindung)	τ an	■ Drehzahl (U/min)	Oberflächen- rauhigkeit (uRmax)
50	25	50	600	12
10	15	10	1.200	8
1	8	1	5,000	5
0,5	5	0,5	10,000	3

Tabelle 2

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Man sieht, daß die Werkzeugelektrode in einem feineren Endzustandsbereich, der kürzere Impulse erfordert, mit höherer Drehzahl als in einem rauheren Bearbeitungsbereich, der breitere Impulse benötigt, gedreht werden muß, um erwünschte elliptische Krater und dementsprechend eine verringerte Oberflächenrauhigkeit oder einen verbesserten Oberflächenendzustand zu erhalten. In dieser Weise wird die Oberflächenrauhigkeit erfindungsgemäß in jedem Bearbeitungsbereich auf nahezu oder noch weniger als die Hälfte der herkömmlich erhältlichen Oberflächenrauhigkeit verringert.

Es versteht sich, daß die zur Erzeugung von Entladungskratern einer elliptischen Form gemäß der Erfindung verwendete Relativbewegung nicht auf die beschriebene Drehung der Werkzeugelektrode beschränkt ist. Es ist hierzu auch möglich, die Werkzeugelektrode in einer Richtung quer zu der Richtung, in der die Werkzeugelektrode und das Werkstück einander zugewandt sind, in kleine Schwingungen zu versetzen.

Somit bietet die Erfindung ein neues und nützliches EDM-Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung, die eine verringerte Oberflächenrauhigkeit und einen erheblichen Anstieg des Verhältnisses der Abtragungsrate zur Oberflächenrauhigkeit ermöglichen.

Leerseite

Claims

Ansprüche

IJ Verfahren zur Bearbeitung eines elektrisch leitenden Werkstücks mit einer Werkzeugelektrode, die diesem über einen mit einem flüssigen Bearbeitungsmedium gespülten Bearbeitungsspalt zugewandt ist,

wobei eine Folge von zeitlich beabstandeten elektrischen Impulsen durch den Bearbeitungsspalt geleitet wird, um zwischen den einander zugewandten Flächen der Werkzeugelektrode und des Werkstü^^s² e¥ektroerosive Entladungen zu erzeugen, deren jede zur Bildung eines Entladungskraters an einem örtlich begrenzten Punkt auf der Werkstückoberfläche und zur entsprechenden örtlichen Materialabtragung davon führt und die bei nacheinander folgender und zufällig über die der Werkzeugelektrodenoberfläche zugewandte Werkstückoberfläche verteilter Bildung solcher Entladungskrater kumulativ Material vom Werkstück abtragen,

während die Werkzeugelektrode relativ zum Werkstück längs einer vorbestimmten Bahn zum Vorrücken der Materialabtragung im Werkstück verschoben wird,

wobei das flüssige Bearbeitungsmedium zum Strömen durch den Bearbeitungsspalt getrieben werden kann und

wobei die Werkzeugelektrode relativ zum Werkstück unabhängig von der genannten Relativverschiebung dazwischen

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bewegt werden kann,

dadurch gekennzeichnet,

daß man die Oberflächenrauhigkeit des bearbeiteten Werkstücks (1) durch Steuern der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Bearbeitungsmediums durch den Bearbeitungsspalt (4) und/oder der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen der Werkzeugelektrode (2) und dem Werkstück (1) derart verringert, daß jeder Entladungskrater von elliptischer Form mit einer wenigstens doppelt so langen großen Achse (Dr) wie seiner kleinen Achse (Dx) wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß man als das flüssige Bearbeitungsmedium eine wässerige Flüssigkeit mit einem spezifischen Widerstand

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von 10 bis 10 Ohm . cm verwendet.
3. verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß man die Oberflächenrauhigkeit durch Steigern der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Bearbeitungsmediums umgekehrt als Funktion der Dauer der elektroerosiven Entladungsimpulse verringert.
4. Verfahren nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß man den Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Bearbeitungsmediums durch Versetzen der Werkzeugelektrode (2) in kleine mechanische Schwingungen

erleichtert.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet/ daß man mechanische Schwingungen einer Frequenz zwischen 1 kHz und 10 MHz verwendet.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberflächenrauhigkeit durch Steigern der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen der Werkzeugelektrode (2) und dem Werkstück (1) umgekehrt als Funktion der Dauer der elektroerosiven Entladungsimpulse verringert.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Relativbewegung durch Rotation der Werkzeugelektrode (2) bewirkt.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Relativbewegung durch Schwingungen der Werkzeugelektrode (2) in einer zu der Richtung, in der die Werkzeugelektrode (2) und das Werkstück (1) einander zugewandt sind, quer verlaufenden Richtung bewirkt.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer einem elektrisch leitenden Werkstück über einen mit einem flüssigen Bearbeitungsmedium gespülten Bearbeitungsspalt gegenüber-

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stellbaren Werkzeugelektrode, einer Stromquelle zum Leiten einer Folge von zeitlich beabstandeten elektrischen Impulsen durch den Bearbeitungsspalt zur

_ einzelner· . _ , , , . , Erzeugung/eleRtroerosxver Entladungen, deren j ede zur Bildung eines Entladungskraters an einem örtlich begrenzten Punkt auf der Werkstückoberfläche und zur entsprechenden örtlichen Materialabtragung davon führt und die bei nacheinander folgender und zufällig über die der Werkzeugelektrodenoberfläche zugewandte Werkstückoberfläche verteilter Bildung solcher Entladungskrater kumulativ Material vom Werkstück abtragen,

einer Einrichtung zur Relatiwerschiebung der Werkzeugelektrode gegenüber dem Werkstück längs einer vorbestimmten Bahn zum Vorrücken der Materialabtragung im Werkstück während der Folge der zeitlich beabstandeten elektrischen Impulse,

ggf. einer Fördereinrichtung zum Treiben des Stroms des flüssigen Bearbeitungsmediums durch den Bearbeitungsspalt und

ggf. einer Einrichtung zur Bewegung der Werkzeugelektrode relativ zum Werkstück unabhängig von der genannten Relatiwerschiebung dazwischen,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Fördereinrichtung (7, 8, 9, 10) des flüssigen Bearbeitungsmediums auf eine derartige Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Bearbeitungsmediums durch den Bearbeitungsspalt (4) und/oder die Einrichtung (18, 19, 20, 21, 22) zur Relativbewegung zwischen der Werkzeugelektrode (2) und dem Werkstück (1) auf eine derartige Geschwindigkeit der Relativbewegung einstellbar sind,

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daß jeder Entladungskrater von elliptischer Form mit einer wenigstens doppelt so langen großen Achse (Dr) wie seiner kleinen Achse (Dx) wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Bearbextungsmediums zusätzlich eine Einrichtung zum Versetzen der Werkzeugelektrode (2) in kleine mechanische Schwingungen, vorzugsweise einer Frequenz zwischen 1 kHz und 10 MHz, vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die Einrichtung zur Bewegung der Werkzeugelektrode (2) relativ zum Werkstück (1) einen Motor (21) zur Rotation der Werkzeugelektrode (2) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß als Einrichtung zur Bewegung der Werkzeugelektrode (2) relativ zum Werkstück (1) eine Einrichtung zur Versetzung der Werkzeugelektrode (2) in Schwingungen in einer zu der Richtung, in der die Werkzeugelektrode (2) und das Werkstück (1) einander gegenüberstellbar sind, quer verlaufenden Richtung vorgesehen ist.

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