DE3241780C2

DE3241780C2 - Verfahren zum funkenerosiven Senkerodieren

Info

Publication number: DE3241780C2
Application number: DE3241780A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Inoue
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1981-11-11
Filing date: 1982-11-11
Publication date: 1996-10-17
Anticipated expiration: 2002-11-12
Also published as: US4539458A; DE3241780A1; GB2109284A; FR2516000B1; GB2109284B; IT1148659B; IT8249475A0; FR2516000A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum funkenerosiven Senkerodieren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der US 3 909 577 ist ein derartiges Erodierverfahren bekannt, bei welchem eine Senkelektrode durch intermit tierende Aufwärts- und Abwärtsbewegungen in das Werkstück unter Ausbildung eines entsprechend geformten Hohlraumes abgesenkt wird. Während jeder Rückziehperiode der Senk elektrode wird die Stromzufuhr unterbrochen, so daß in dieser Periode keine Stromimpulse und damit auch keine Abtrags-Entladungen im Arbeitsspalt erzeugt werden. Dar über hinaus wird in diesen Rückzieh-Perioden eine Ar beitsflüssigkeit über Bohrungen oder Kanäle in der Senk elektrode in den Arbeitsspalt eingeführt, wobei die Flüs sigkeitszufuhr auch noch in einer vorgegebenen Zeitspanne der sich anschließenden Zustellbewegung erfolgt. Durch die sich in Richtung des Werkstückes in dieser Zustell phase bewegende Senkelektrode wird die Weite des Arbeits spaltes bis auf einen vorgegebenen Betrag verringert und die im Arbeitsspalt enthaltene Arbeitsflüssigkeit wird seitlich aus dem Arbeitsspalt herausgedrückt. Das Werk stück ist relativ tief eingetaucht in einem die Arbeits flüssigkeit enthaltenden Behälter angeordnet, so daß durch die sich erneut anschließende Aufwärtsbewegung der Senkelektrode und den dabei auftretenden Sog ein Teil der gebrauchten und zuvor aus dem Spalt herausgedrückten Ar beitsflüssigkeit wieder in den Arbeitsspalt hineingesaugt wird.

Aus der US 4 097 710 ist ein Verfahren zum Senkerodieren bekannt, bei welchem funkenerosive Abtragseffekte mit elektrochemischen Abtragseffekten in besonderer Weise kombiniert sind, um die Abtragsleistung zu erhöhen. Die in den Arbeitsspalt durch Kanäle in der Senkelektrode kontinuierlich eingeführte Arbeitsflüssigkeit hat neben den für die Funkenerosion notwendigen dielektrischen Ei genschaften auch die zum elektrochemischen Abtragen not wendigen elektrolytischen Eigenschaften. Das Werkstück ist in einem nur teilweise mit der Arbeitsflüssigkeit ge füllten Behälter angeordnet, wobei sein Oberteil über den Flüssigkeitspegel hinausragt und die Arbeitsflüssigkeit aus dem Spalt während des Erodiervorganges kontinuierlich aus dessen Randöffnungen auf die Werkzeugoberfläche und von dieser in die Arbeitsflüssigkeit des Behälters läuft.

Aus der US 3 334 210 ist die Verwendung einer wäßrigen Lösung eines hochmolekularen Glycols als Arbeitsflüssig keit bekannt, die eine wesentliche Steigerung der Ab tragsleistung gegenüber der Verwendung von herkömmlichen dielektrischen Flüssigkeiten auf Kohlenwasserstoff-Basis ergeben soll. Diese Arbeitsflüssigkeit wird während einer allmählichen Vorschubbewegung der Senkelektrode in das Werkstück kontinuierlich über in der Elektrode ausgebil dete Hohlräume in den Arbeitsspalt geführt, wobei das Werkstück tief in die in einem Behälter befindliche Ar beitsflüssigkeit eingetaucht ist.

Die herkömmlich beim Senkerodieren verwendeten dielektri schen Spül- und Arbeitsflüssigkeiten haben hinsichtlich der funkenerosiven Abtragsleistung Vorteile, sie sind je doch relativ leicht brennbar, so daß zur Vermeidung von Zündungen und Bränden das zu bearbeitende Werkstück tief in das Flüssigkeitsbad eingetaucht sein muß. Durch die über dem Werkstück befindliche Flüssigkeit wird nicht nur eine visuelle Beobachtung der Bearbeitungsvorgänge er schwert, sondern es ergeben sich auch Schwierigkeiten hinsichtlich einer ausreichenden Einführung von neuer Flüssigkeit in den gesamten Arbeitsspalt. Insbesondere bei großflächigen dreidimensional geformten Senkelektro den kann der notwendige Austausch von gebrauchter gegen neuer Arbeitsflüssigkeit nicht in vollem Maße gewährlei stet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum funken erosiven Senkerodieren aufzuzeigen, das hohe Abtragslei stungen in Verbindung mit geringen Oberflächenrauhigkei ten der bearbeiteten Werkstücke ohne Brand- oder Entzün dungs-Gefahren ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentan spruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen unbrennbaren Spülflüssigkeit, die gegenüber Kerosin eine wesentlich gesteigerte Kühlwirkung besitzt, können die Bearbeitungsvorgänge bei frei zugäng licher Werkstückoberfläche durchgeführt werden, was eine visuelle Beobachtung des Arbeitsbereiches ermöglicht und eine übermäßige Abkühlung der bearbeiteten Zone des Werk stücks verhindert. Durch das intermittierende Einführen von Spülflüssigkeit in den Arbeitsspalt während jeder Rückzugbewegung der Senkelektrode wird die im Arbeits spalt vorhandene Spülflüssigkeit teilweise verdrängt. Bei der nachfolgenden Absenkbewegung der Senkelektrode wird diese neue Spülflüssigkeit im Arbeitsspalt gleichmäßig verteilt und die gebrauchte Arbeitsflüssigkeit wird aus den seitlichen Randöffnungen des Spaltes ausgespritzt. Darüber hinaus sammeln sich während der Rückziehbewegung der Senkelektrode die verbrauchte Spülflüssigkeit und auch die ggf. entstandenen gasförmigen und festen Ab tragsprodukte an der tiefsten Stelle des teilbearbeiteten Werkstücks. Während der nachfolgenden Absenkbewegung und gleichzeitig erfolgenden Einspritzung von neuer Arbeits flüssigkeit wird die angesammelte verbrauchte Flüssig keitsmenge aus dem Arbeitsspalt herausgetrieben. Da ein vollständiges Austreiben der verbrauchten Arbeitsflüssig keit praktisch nicht möglich ist, kann die frische Ar beitsflüssigkeit hinsichtlich ihrer Eigenschaften so ein gestellt werden, daß die sich bildende Mischung die für die Bearbeitungsvorgänge optimalen Eigenschaften besitzt.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann die Arbeitsflüssigkeit 1 bis 5 Gew.-% an der organischen nichtionisierten und oberflächenaktiven Flüssigkeit sowie 1 bis 5 Gew.-% an Kohlenwasserstoffen in Wasser enthal ten, wobei die organische Flüssigkeit wasserlösliches Si likonöl, Äthylenglycol, Polyäthylenglycol, Propylengly col, Glycerin, Diäthylenglycol, Polyalkyläther und höhe ren (Fett-)Alkohol enthalten kann.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Senkerodiervorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens;

Fig. 2 und 3 graphische Darstellungen der Bezie hung zwischen dem Abtragungsdurchsatz und der Oberflächenrauhigkeit beim Verfahren gemäß der Erfindung mit dem herkömmlichen Verfahren.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 enthält ein Maschinenbett 2, auf dem ein in der horizontalen X-Y-Ebene verschiebbarer Kreuzschlitten 3 montiert ist. In einem auf dem Kreuz tisch 2 befestigten Behälter 4 ist ein Arbeitstisch 5 an geordnet, auf dem ein Werkstück W aufgespannt ist. Das Werkstück W wird mit einer Senkelektrode E bearbeitet, deren Senk-Arbeitsfläche S mit dem Werkstück W einen Spalt G bildet und komplementär zum Profil eines im Werk stück W herzustellenden Hohlraums gestaltet ist. Die Senkelektrode E wird von einem vertikalen Schaft 6 getra gen, der gesteuerte vertikale Auf- und Abbewegungen durch eine Antriebseinheit 7 ausführen kann. Die Antriebsein heit 7 enthält einen auf eine Spaltvariable, z. B. auf die Spaltspannung ansprechenden Hilfsmechanismus, der durch Steuerung des Elektrodenvorschubs die Spaltweite G kon stanthält. Zur Antriebseinheit 7 gehört ein Mechanismus zum Hin- und Herbewegen der Senkelektrode E während ihres Vorschubs. Die Senkelektrode E ist über den leitenden Schaft 6 elektrisch mit einer Ausgangsklemme einer Strom quelle 8 verbunden, deren andere Ausgangsklemme über den leitenden Arbeitstisch 5 elektrisch mit dem Werkstück W verbunden ist.

Ferner hat die Senkelektrode E mehrere Innenbohrungen 9, die an ihrer Oberfläche S in den Arbeitsspalt G münden und von einem Einlaßkanal 10 im Schaft 6 mit Arbeitsflüs sigkeit F aus einem Speicher 11 beaufschlagt werden. Eine von einem Motor 17 angetriebene Pumpe 12 fördert die Ar beitsflüssigkeit F aus dem Speicher 11 durch eine Leitung 13 in den Einlaßkanal 10. Über ein Ventil 14 in der Lei tung 13 wird mittels einer Steuereinheit 15 der Durchsatz der durch die Innenbohrungen 9 in den Arbeitsspalt G ein gespeisten Arbeitsflüssigkeit gesteuert. Ein weiteres Ventil 16 in einer in den Speicher 11 führenden Bypaßlei tung steuert den Förderdruck in der Leitung 13.

Als Arbeitsflüssigkeit F wird eine auf Wasser basierende, nicht entflammbare Flüssigkeit verwendet, die einen ge ringen Gehalt von etwa 0,1 bis 5 Gew.-% an organischen Stoffen und ggf. einen geringen Gehalt von etwa 0,1 bis 5 Gew.-% eines Kohlenwasserstoffes, wie etwa Kerosin oder Transformatoröl enthält. Das Wasser sollte vorzugsweise einen spezifischen Widerstand im Bereich von 10³ bis 10⁵ Ohm·cm haben. Der organische Stoff kann pulverförmig oder vorzugsweise eine wasserlösliche organische Flüssig keit, insbesondere ein nicht-ionisches oberflächenaktives Mittel sein. Ein bevorzugtes Beispiel des wasserlöslichen organischen Stoffes ist ein Silikonöl und insbesondere ein polyäther-denaturiertes Silikonöl. Andere geeignete wasserlösliche organische Stoffe umfassen Äthylenglycol und Polyäthylenglycol, obwohl sie weniger wirksam sind.

Der Kreuzschlitten 3 wird von einem X-Achsenmotor 18 und einem Y-Achsenmotor 19 angetrieben, um den Arbeitstank 4 und den darin befestigten Arbeitstisch 5 mit dem Werk stück W relativ zur Senkelektrode E zu verschieben. Die Motoren 18 und 19 können das Werkstück W translatorisch längs einer vorgewählten Umlaufbahn in der X-Y-Ebene bei einem Endbearbeitungsschritt bewegen. In einer ersten Be arbeitungsphase wird die Senkelektrode E von der An triebseinheit 7 abgesenkt und dringt in das Werkstück W ein, bis die benötigte Tiefe des Hohlraums erreicht ist.

In einer zweiten Bearbeitungsphase wird das Werkstück W von den Motoren 18 und 19 in der X-Y-Ebene verfahren. Vorzugsweise werden die Motoren 18 und 19 sowohl zur Po sitionierung als auch zum Bewegen des Werkstücks W unter den Steuerbefehlen eines numerischen Steuergeräts 20 be trieben.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist es wesentlich, daß der Arbeitsspalt G seitlich in der umgebenden Luft ausmündet, so daß Arbeitsflüssigkeit mit einem ausreichenden Durch satz von vorzugsweise 10 bis 1000 cm³/min, aus dem Spei cher 11 in den Arbeitsspalt G eingeführt und aus diesem in die Atmosphärenluft ausgespritzt werden kann. Von der Stromquelle 8 wird eine Folge elektrischer Impulse zwi schen der Werkzeugelektrode E und dem Werkstück W ange legt, die gesonderte, zeitlich beabstandete elektrische Entladungen in dem mit Arbeitsflüssigkeit gefüllten Ar beitsspalt G erzeugen. Die Spritzer 21 der die Spalt-Abtragsprodukte mitführenden Arbeitsflüssigkeit F fallen durch Schwerkraft auf den Boden des Behälters 4 oder auf das Werkstück W und fließen dann auf den Boden des Behäl ters 4, aus dem die Flüssigkeit in einen Sammelbehälter 22 abläuft.

Oberhalb der Senkelektrode E und des Werkstücks W ist ei ne Abdeckung 23 in der Form eines nach unten offenen Schirms angeordnet. Die Wand des Behälters 4 weist ein nach innen weisendes oberes Bandblech 24 auf. Die aus dem Arbeitsspalt G austretenden Gase und Nebel werden über eine Leitung 25 von einem Gebläse 26 abgesaugt und ggf. einer Behandlungseinheit 27 zum Filtrieren und Aufberei ten zugeführt.

Die Werkzeugelektrode E kann aus Kupfer, einer Kupferle gierung, einer Wolframlegierung oder vorzugsweise aus Graphit oder einer gesinterten Mischung aus Graphit und Metall (z. B. Kupfer oder Eisen) bestehen. Es wurde gefun den, daß ein Elektrodenmaterial mit höherer Wärmekapazi tät oder geringerer Wärmeleitfähigkeit beim erfindungsge mäßen Verfahren zu bevorzugen ist.

Obgleich die Stromquelle 8 eine gleichmäßige Impulsfolge erzeugen kann, ist es zur Durchführung der Erfindung zweckmäßiger eine Folge von zeitlich beabstandeten Im puls-Gruppen zu verwenden wie z. B. in der US-PS 4 288 675 gezeigt.

Die Arbeitsflüssigkeit F wird in den Arbeitsspalt G durch eine oder mehrere in der Werkzeugelektrode E gebildete Innenbohrungen 9 eingespeist, kann jedoch auch durch ei nen oder mehrere im Werkstück W gebildete Kanäle oder mittels einer oder mehrerer in der Nähe des Bearbeitungs spaltes G angeordneter Düsen zugeführt werden.

Die intermittierende Zufuhr der Arbeitsflüssigkeit F in den Arbeitsspalt G ist mit der Hin- und Herbewegung oder intermittierenden Zurückziehung der Senkelektrode E syn chronisiert und wird in den Arbeitsspalt G selektiv wäh rend der Rückziehperiode der Senkelektrode E eingeführt.

Beispiel I

Unter Verwendung einer Graphitelektrode mit einem spezi fischen Widerstand von 3,0 × 10³ Ohm·cm wurde ein aus "SKD-11" (japanische Industrienormen) bestehendes Werk stück W in einem ersten Versuch nach dem herkömmlichen Senkerodierverfahren und in einem zweiten Versuch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der in Fig. 1 darge stellten Erodiervorrichtung bearbeitet. In beiden Versu chen waren die Senkelektrode positiv, das Werkstück nega tiv gepolt. Der Arbeitsspalt hatte eine Maximalfläche von 50,24 cm². Die Bearbeitungsbedingungen wurden so festge legt, daß man eine Oberflächenrauhigkeit von 50 bis 50 µm Rmax auf dem bearbeiteten Werkstück bei einem relativen Elektrodenverschleiß von 1 bis 2% erhielt.

Im ersten Versuch war der Arbeitsspalt tief in eine di elektrische Arbeitsflüssigkeit eingetaucht, die aus einem gewöhnlich an Tankstellen erhältlichen Kerosinöl bestand. Die Abtragsleistung betrug 2,5 g/min. Da die Arbeitsflüs sigkeit entflammbar war, mußten Maßnahmen für einen aus reichenden Brandschutz getroffen werden.

Im zweiten Versuch gemäß der Erfindung bestand die Ar beitsflüssigkeit aus einem Gemisch aus 1 Gew.-% eines wasserlöslichen Silikonöls, insbesondere eines polyäther denaturierten Silikonöls, und Rest im wesentlichen reinem oder destilliertem Wasser mit einem spezifischen Wider stand von 3 × 10⁴ Ohm·cm. Diese Flüssigkeit ist nicht entflammbar und wurde in den Arbeitsspalt mit einem Volu mendurchsatz von 50 bis 100 cm³/min eingeführt. Die Ab tragsleistung betrug 3,9 g/min und lag damit um mehr als 50% höher als bei dem ersten Verfahren bei gleicher Oberflächenrauhigkeit und gleichem Elektrodenverschleiß.

Beispiel II

In diesen Versuchen wurden die Bearbeitungsbedingungen variiert, um die Beziehung zwischen der Abtragungslei stung und der Oberflächenrauhigkeit beim herkömmlichen und beim erfindungsgemäßen Verfahren zu vergleichen. Im Diagramm der Fig. 2 zeigt die Kurve A diese nach dem her kömmlichen Verfahren erzielte Beziehung und die Kurve B die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Bezie hung. Die Bearbeitungsbedingungen wurden so eingestellt, daß der relative Elektrodenverschleiß 1 bis 3% betrug. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß sich beim erfin dungsgemäßen Verfahren eine ausgeprägte Verbesserung der Abtragungsleistung für eine gegebene Oberflächenrauhig keit oder der Oberflächenglätte für eine gegebene Abtra gungsleistung ergibt.

Beispiel III

Unter Verwendung einer aus Elektrokupfer bestehenden Werkzeugelektrode wurde ein aus "SKD-11" bestehendes Werkstück bearbeitet, um darin einen zur Bildung eines Schmiedegesenks für einen Schraubenschlüssel von 100 mm Länge und 10 mm Breite bestimmten Hohlraum zu bilden. Die Bearbeitung wurde in zwei Versuchen entsprechend Beispiel I durchgeführt, wobei in jedem Versuch eine Grobbearbei tung und eine Feinbearbeitung durchgeführt wurde.

Bei der Grobbearbeitung wurde die Werkzeugelektrode peri odisch mit einer Dauer von 0,3 s während des Vorschubs vom Werkstück W zurückgezogen, bis die benötigte Tiefe des gewünschten Hohlraums erreicht war. Die Feinbearbei tung wurde mit einer Feinbearbeitungs-Senkelektrode durchgeführt, die auf einer horizontalen Umlaufbahn mit einem Radius von 0,5 mm bewegt wurde. Sowohl beim ersten als auch beim zweiten Versuch wurden gleiche Impulsbedin gungen für die Grobbearbeitung und die Feinbearbeitung verwendet. Beim ersten Versuch dauerte die Grobbearbei tung 55 min und die Feinbearbeitung 60 min, um eine end bearbeitete Oberfläche einer Rauhigkeit von 15 µm Rmax zu erhalten. Beim zweiten Versuch dauerte die Grobbearbei tung 50 min und die Feinbearbeitung 50 min, wobei man ei ne Oberfläche mit einer Rauhigkeit von nur 13 µm Rmax er zielte.

Beispiel IV

Die Betriebsbedingungen des Beispiels III wurden für bei de Versuche in gleichem Maße variiert, um die Beziehung zwischen der Abtragungsleistung und der Oberflächenrau higkeit nach dem erfindungsgemäßen und dem herkömmlichen Verfahren zu vergleichen. Im Diagramm der Fig. 3 zeigt die Kurve C die nach dem herkömmlichen Verfahren erhalte ne Beziehung und die Kurve D die nach dem erfindungsgemä ßen Verfahren erhaltene Beziehung. Aus dem Diagramm er gibt sich, daß erfindungsgemäß eine beträchtliche Verbes serung der Abtragungsleistung für eine gegebene Oberflä chenrauhigkeit und der Oberflächenglätte für eine gegebe ne Abtragungsleistung erreicht wird.

Claims

1. Verfahren zum funkenerosiven Senkerodieren, bei dem

- elektrische Abtragsimpulse im Arbeitsspalt zwischen der motorisch vorschiebbaren Senkelektrode und dem Werk stück erzeugt werden und
- eine dielektrische Spül- und Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitsspalt eingeführt wird und
- der Senkelektrode während des Erodiervorganges eine Folge von Rückzieh- und Zustellbewegungen erteilt wird, wobei neue Arbeits- und Spülflüssigkeit nur wäh rend der Rückziehbewegung der Senkelektrode in den Ar beitsspalt eingeführt und die verbrauchte Arbeitsflüs sigkeit durch die jeweilige Zustellbewegung der Senk elektrode aus dem Arbeitsspalt herausgedrückt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
- als unbrennbare Arbeits- und Spülflüssigkeit ein Ge misch aus Wasser und einer von Kohlenwasserstoffen verschiedenen, nichtionisierten, oberflächenaktiven organi schen Flüssigkeit verwendet wird und
- die Arbeitsflüssigkeit in einem das Werkstück umge benden Behälter auf einen Pegel unterhalb der Werkstück oberfläche eingestellt wird, so daß die verbrauchte Ar beitsflüssigkeit bei jeder der Zustellbewegungen der Senkelektrode aus dem Arbeitsspalt direkt in die Umge bungsluft gespritzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit 1 bis 5 Gew.-% an der organi schen Flüssigkeit sowie 1 bis 5 Gew.-% an Kohlenwasser stoffen enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als organische nichtionisierte Flüssigkeit ein durch Polyäther denaturiertes Silikonöl verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit über in der Senkelektrode vor gesehene Kanäle an mehreren Stellen unter Druck in den Arbeitsspalt eingeführt wird.