DE3233994C2

DE3233994C2 - Verfahren zum Herstellen von Mikrobohrungen im μ-Bereich unter Anwendung der Funkenerosion

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Publication number: DE3233994C2
Application number: DE19823233994
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. 7140 Ludwigsburg Maier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-09-14
Filing date: 1982-09-14
Publication date: 1984-12-06
Also published as: DE3233994A1

Abstract

Zur Herstellung von Mikrobohrungen im μm-Bereich wird auf funkenerosivem Wege zunächst in bekannter Weise ein Sackloch in das Werkstück erodiert. Gleichzeitig wird, abweichend von den bisher bekannten Verfahren, das Werkstück auf der Unterseite mit Druck beaufschlagt. Der eigentliche Lochdurchbruch wird dann erreicht, wenn ein einzelner Funke am Grunde des Sacklochs an einer Stelle partiell die noch verbleibende Wand durchschmilzt. Dadurch wird an dieser Stelle die flüssige Metallschmelze infolge des hohen Drucks an der Unterseite des Werkstücks durch den bereits exodierten Teil des Loches nach außen geschleudert, wodurch der eigentliche Lochdurchbruch entsteht. Um zu verhindern, daß der darauffolgende Funke das Loch vergrößert, muß die Funkenerosion unmittelbar nach der Lochentstehung abgeschaltet werden. Als Anwendungsgebiet für derartige Mikrobohrungen kommen Düsen unterschiedlichster Einsatzzwecke in Frage, von denen gefordert wird, z.B. bei hohen Drücken kleinste Durchsätze oder einen dünnen Strahl zu erzeugen.

Description

de des Kraters K an einer Stelle partiell die noch verbleibende Wand durchschmilzt. Dadurch wird an dieser

Stelle die flüssige Metallschmelze infolge des hohen 4. Druckes an der Unterseite des Werkstücks durch den bereits erodierten Teil des Loches nach außen geschleudert, wodurch dann der eigentliche Lochdurchbruch entsteht Um zu verhindern, daß der darauffolgende s Dielektrikum: Funke das Loch vergrößert, muß die Funkenerosion unmittelbar nach der Lochentstehung abgeschaltet wer- 5. den.

Der Zeitpunkt des Durchbruchs kann dadurch sichtbar gemacht werden, daß mit der Lochentstehung das unter Druck stehende Gas austritt und dies deutlich durch in der Dielektrikumsflüssigkeit aufsteigende Gasbläschen (Gb) zu erkennen ist (F i g. 5).

Eine andere Möglichkeit, den Zeitpunkt des Durchbruchs zu erkennen, besteht darin, mittels einer empfindlichen elektronischen Druckmessung den bei einem Durchbruch auftretenden Druckabfall zur Signalisierung der Beendigung des Erosionsvorgangs zu benützen.

Der kleinste Durchmesser eines erfindungsgemäß erodierten Loches wird somit nicht — wie üblich — durch den Elektroden-Durchmesser bestimmt, sondern mittels eines einzelnen Erosionsfunkens wird vielmehr zunächst einmal »elektrisch« der Kratergrund an einer Stelle aufgeschmolzen, worauf dann durch Herausdrük- 2s ken der Metallschmelze durch den Fluid-Überdruck der Durchbruch »mechanisch« erzeugt wird.

Die Entstehung derartiger Durchbrüche ist — wie nachstehend an einem Beispiel gezeigt — stark von der Funkenart (Größe, Frequenz, Dauer etc.) abhängig. So konnten durch Variation der Einstellparameter an der Funkenerosionsmaschine auch noch Spalte 5p mit nur 0,5 μΐη Breite an einem Rohr hergestellt werden (Bild 6), die jedoch z. Zt. noch nicht sicher reproduzierbar sind.

Als Anwendungsgebiet für derartige Mikrobohrungen kommen zunächst Düsen unterschiedlichster Einsatzzwecke in Frage, von denen gefordert wird, z. B. bei hohen Drücken kleinste Durchsätze oder einen dünnen Strahl zu erzeugen.

Bei einem beispielsweise durchgeführten Verfahren ergaben sich die nachstehend genannten Werte:

Befüllen der Bearbeitungswanne der Erosionsmaschine mit Dielektrikumsflüssigkeit, bis der Flüssigkeitsspiegel ca. 50 mm über dem Werkstück liegt

Erosionsöl

Einschalten der Funkenerosionsmaschine.
Bei der folgenden Parametereinstellung wird eine minimale Energieübertragung pro Funke erreicht, bei der die Maschine noch stabil arbeitet.

Maschinentyp:

Frequenz:

Impulsperiode:

impulsbreite:

Strom:

Arbeitsspannung:

Vibrator:

Polarität:

Speisespannung der
Leistungstransistoren:

Agietron AB 30 K,

AGIE AG

100000 Hz

0,01 ms

ca. 10% a 0,001 ms

3A

ca. 25 V

ausgeschaltet

Elektrode Pluspol, Werkstück Minuspol

60 V

Nachdem die Elektrode ca. ΙΟΟμπι (&²h der Werkstückdicke) in das Werkstück eingedrungen ist (nach ca. 5—6 Minuten), wird am Timer folgende Einstellung vorgenommen:

Arbeitszeit
Abhebezeit

3s
Is

Einspannen des Werkstücks auf die Werkplatte der Erosionsmaschine.

Werkstoff:
Werkstückdicke:

Edelstahl X5 CrNi 189 0,15 mm.

45 Dadurch wird eine längere Pause zwischen den einzelnen Funken erreicht, wodurch das schnelle Abschalten der Maschine nach dem Durchbruch ermöglicht wird. Die Eindringtiefe der Elektrode in das Werkstück kann hierbei durch eine Mikrometerskala abgelesen werden.
Der eigentliche Durchbruch durch das Werkstück wird durch aufsteigende Bläschen (CO₂) in der Dielektrikumsflüssigkeit sichtbar.
Unmittelbar nach Sichtbarwerden dieser Bläschen wird die Maschine manuell, günstiger automatisch, durch eine Lichtschranke, die von den Bläschen unterbrochen wird, abgeschaltet.

Aufbringen eines Druckes auf das Werkstück von der Unterseite, d. h. der der Elektrode abgewandten Seite.

Druckmedium:
Druck:

3. Einspannen der Elektrode.
Elektrodenmaterial:

Elektrodendruckmesser:
Angeschliffener Konus
mit 6° Rundun(jsradius
der Spitze:

CO₂

30-70 bar.

Elektrolytkupfer
Wolframkupfer
3 mm

oder

50—60 μηι.

Mit diesen Elekti'odenparametern wurden die besten Ergebnisse ei-zielt (Löcher zwischen 3 und 10 μηι).

Wird der Konuswinkel über 15° und der Rundungsradius vergrößert, so simj keine Löcher im Bereich von 5 um herstellbar.

Nachstehend sind die Einflußgrößen auf den Lochdurchmesser zusammengefaßt:

— ρ - 60—70 bar ergibt Durchmesser von
5— ΙΟμπι

ρ - 30—40 bar ergibt Durchmesser von
10-15 μιυ.

— Wird die Maschine nicht unmittelbar nach dem Durchbruch abgeschaltet, so bewirken die danach entstehenden Funken eine Lochvergrößerung, entsprechend der Anzahl der Funken.
- Der Elektrodenwinkel von 6° hat sich als günstig zur Erzeugung kleiner Durchbrüche erwiesen. Größere Winkel als 15° ergeben keine Löcher im

ω 5 μπι Bereich.

— Die aufgeführten Maschinenparameter wurden so gewählt, daß die übertragene Energie pro Funkenentladung minimal ist. Wird z. B. durch Erhöhung oer Spannung die Energie vergrößert, bewirkt dies eine Vergrößerung des Lochdurchmessers.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen Patentansprüche: von Mikrobohrungen im μ-Bereich unter Anwendung eines Funken-Erosionsverfahrens, bei dem mittels einer

1. Verfahren zum Herstellen von Mikrobohrun- zylindrischen Elektrode ein zylindrisches Loch in der gen im μΐη-Bereich unter Anwendung eines Funken- s Oberseite eines Werkstückes erodiert wird.
Erosionsverfahrens, bei dem mittels einer zylindri- Die Funkenerosion ist ein bekanntes Verfahren, bei sehen Elektrode ein zylindrisches Loch in der Ober- dem durch Anlegen einer Spannung zwischen einem sehe eines Werkstücks erodiert wird, dadurch Werkstück und einer Elektrode durch Funkenentladung gekennzeichnet, daß während des Erosions- Material am Werkstück abgetragen wird, um z.B. ein Vorganges die Unterseite (U) des Werkstücks (W) io Durchgangsloch in einem Werkstück herzustellen (vgl. durch ein unter Druck (p) stehendes Fluid beauf- DE-OS 30 32 604).

schlagt wird, das am Grund des noch nicht durchge- Ist die Elektrode drahtförmig ausgebildet, entsteht

bohrten Loches (Sackloch) an der durch das Ero- ein rundes,zylindrisches Durchgangsloch(Fig. 1). Hier-

sionsverfahren bereits geschaffenen dünnsten, bei bereitet das Herstellen von größeren Lochdurch-

schmelzflüssig gewordenen Wandstelle des Werk- is messern (> 50 μπι) i.a. keine Schwierigkeiten, während

Stückes (W) diese Wandstelle durchdrückt (Durch- bei kleinen Löchern (< 15 μπι) in der Regel erhebliche

bruch), wodurch die gewünschte Bohrung erzeugt Probleme auftreten. Es ist ferner bekannt (vgl. US-PS

wird. 30 98 148), Loche«· in ein Werkstück dadurch zu bohren,

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch ge- daß von einer Seite des Werkstücks Sacklöcher erodiert kennzeichnet daß der Erosionsvorgang mittels einer 20 werden, die dann durch Abtragen von Material auf der an der Spitze konisch geformten Elektrode (E) anderen Werkstückseite geöffnet werden,
durchgeführt wird. Um kleinste Mikrobohrungen zu erhalten, muß der

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, Durchmesser der Drahtelektrode einige μπι kleiner als dadurch gekennzeichnet, daß die Funken-Erosion der gewünschte Lochdurchmesser gewählt werden, da mit einer Frequenz von 100 kHz bei einer Spannung 25 die Elektrode auch seitlich Material abträgt Für die von ca. 25 Volt betrieben wird. Herstellung beispielsweise einer 5 μπι Mikrobohrung

4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 würde man somit eine Elektrode mit 3—4 μπι Durchbis 3, dadurch gekennzeichnet daß kurz vor dem messer benötigen. Mit derartig dünnen Drähten entste-Durchbmch durch die dünnste Stelle des Sackloches hen jedoch beim Erodieren erhebliche Probleme, da bei durch periodisches Abheben der Elektrode für 1 see 30 der Funkenentladung meist nur die dünne Elektrode mit einer Frequenz von 0,25 Hz die Funkenzahl pro abschmilzt, ohne daß Material am Werkstück abgetra-Zeiteinheit herabgesetzt wird. gen wird. Des weiteren ist die Herstellung und das Aus-

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, richten derartig feiner Elektroden äußerst schwierig dadurch gekennzeichnet, daß beim Herstellen eines und damit sehr zeitaufwendig und kostspielig. Die unLoches in einer Rohrwandung (F i g. 3) oder in einem 35 tere Grenze derartiger Mikrobohrungen liegt daher bisein Rohr abschließenden Deckel (F i g. 4) das Rohr her bei 10—12 μπι.

im Innern mit einem unter Druck stehenden Fluid Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Lö-

gefüllt ist. eher mit einem Durchmesser von 5 μηι und kleiner in

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, einem Werkstück beliebiger Dicke herzustellen, wobei dadurch gekennzeichnet, daß die Unierseite (U) des 40 das Anfertigen und Ausrichten der Elektrode in mög-Werkstückes (W) mit einem Überdruck (p) von 30 liehst einfacher Weise erfolgen und damit der Herstelbis 70 bar beaufschlagt wird. lungsvorgang in kurzer Zeit kostengünstig erreicht wer-

7. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch ge- den soll.

kennzeichnet, daß als unter Druck stehendes Fluid Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im

CO2 verwendet wird. 45 Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren in zuver-

8. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 6, lässiger Weise gelöst.

dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des Das erfindungsgemäße Verfahren besteht somit dar-

Durchbruchs durch austretende und aufsteigende in, daß zunächst in bekannter Weise mittels einer zylin-

Bläschen (GB) des unter Druck (p) stehenden Fluids drischen, vorzugsweise aber konischen Elektrode in der ermittelt und angezeigt wird. 50 Oberseite des Werkstücks Wein kraterförmiges Loch K

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, erodiert wird (Fig.2). Gleichzeitig wird jedoch, abweidadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des chend von den bekannten Verfahren, das Werkstück an Durchbruchs durch elektronische Messung des der Unterseite mit Überdruck (vorzugsweise Druckabfalls ermittelt und angezeigt wird. 30—70 bar) beaufschlagt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 55 Dies kann dadurch geschehen, daß das Werkstück mit dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (W) seiner Unterseite einen Raum R abschließt, der ein unwährend des Erosionsvorganges in einer mit einer ter Druck ρ stehendes Fluid enthält (F i g. 2). Wenn aber Dielektrikumsflüssigkeit gefüllten Wanne liegt, in das Werkstück als ein Hohlkörper, z. B. ein Rohr der die Flüssigkeit etwa 50 mm über dem Werkstück (F i g. 3) oder als ein den Hohlkörper (Rohr) abschliefW^steht. 60 Bender Deckel (Fig.4) ausgebildet ist, dann wird das

11. Verfahren nach Patentanspruch 10, dadurch Innere des Hohlkörpers (Rohres) mit einem unter gekennzeichnet, daß als Dielektrikumsflüssigkeit Druck stehenden Fluid gefüllt. Kurz bevor der Loch-Erosionsöl verwendet wird. durchbruch entsteht, wird die Funkenfrequenz soweit

herabgesetzt, daß zeitlich hintereinanderfolgende Ein-

b5 zelfunken entstehen. Der eigentliche Lochdurchbruch

wird dann erreicht, wenn ein einzelner Funke am Grun-